DE1295718B - Roehrenfoermiges Brennstoffelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

sowohl an der Außenhülle als auch an der Innenhülle des Brennstoffelements entlangströmt, sind bereits aus der britischen Patentschrift 874739 und der französischen Patentschrift 1245 848 bekannt, wobei

Brennstoffelemente mit einem Hohlzylinder aus io mungswiderstand verbessert wird und andererseits Spaltstoff, der sowohl innen als auch außen von Abmessungsvergrößerungen vermieden bleiben, die einer Hülle umgeben ist, die ihrerseits auf ihrer zu ungünstigen Auswirkungen auf die Neutronenfreien Außenseite Rippen aufweist, die beim Einsatz bilanz des Reaktors Anlaß geben könnten,
des Brennstoffelements in einem Kernreaktorkanal Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

in den Strom eines Kühlmittels hineinragen, das 15 löst, daß der mittlere Durchmesser des Elements

höchstens gleich der Hälfte der lichten Weite des Reaktorkanals ist und daß die Vorsprünge an den Hüllen derart ausgebildet sind, daß der Widerstand des in den Reaktorkanal eingesetzten Brennstoffsich die Rippen auf der Innenhülle und auf der 20 elements für die Kühlmittelströmung längs der Innen-Außenhülle entweder in Form und Größe gleichen hülle 5- bis 25mal kleiner ist als längs der Außenoder aber zur Erhöhung der Wärmeübergangszahl hülle.

an der Innenhülle größer ausgebildet sind. Die Erfindung beruht also auf einer wohl abge-

Weiterhin sind in der deutschen Auslegeschrift wogenen Abstimmung der Vorsprünge auf der 1096 511 ähnlich ausgeführte Brennstoffelemente 25 inneren und auf der äußeren Hülle gegeneinander beschrieben, bei denen zwischen der inneren Hülle im Sinne eines Kompromisses zwischen der An- und dem Spaltstoff ein isolierender Zwischenraum hebung der Wärmeabfuhr und der Erhöhung des vorgesehen ist, der den Wärmeübergang von dem Strömungswiderstandes, wobei man gleichzeitig Spaltstoff zu der inneren Hülle vermindern soll. durch die dadurch erzielte Erniedrigung der Tem-Außerdem besitzt die .innere Hülle dieses bekannten 30 peratur der inneren Hülle eine Verringerung des Brennstoffelements auf ihrer dem isolierenden Zwi- mittleren Durchmessers des Elements erreichen schenraum abgewandten Außenseite niedrige Längs- kann, die sich ihrerseits günstig auf die Neutronenrippen, mit denen sich die Hülle an einem inneren bilanz des Reaktors auswirkt.

Kern abstützt, wobei zwischen diesem Kern und der Die Vorsprünge der inneren Hülle können vor-

Hülle ein Ringspalt verbleibt, in dem ein Kühlmittel 35 teilhafterweise in Form verschieden gerichteter Ripströmen kann, das ebenfalls einer Überhitzung der pen ausgeführt werden, deren Anzahl und Höhe inneren Hülle vorbeugen soll.

Bei allen diesen bekannten Brennstoffelementen mit einem Spaltstoffstab in Form eines Hohlzylinders, der bei seinem Einsatz im Kernreaktor in dessen Kanälen sowohl innen als auch außen von ein und demselben Kühlmittel bespült wird, das sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig jeweils innen und außen unter gleichem Betriebsdruck steht, also auf

seinem Wege entlang des Brennstoffelements bzw. 45 strömenden Kühlmittels merklich geringer als der seiner Hüllen innen und außen jeweils der gleichen längs der äußeren Hülle, die mit Kühkippen erheb-Druckdifferenz unterliegt, stellt sich stets das Problem, wie man auf der einen Seite den Wärmeübergang zwischen dem Brennstoff bzw. seinen Hüllen
einerseits und dem diese umströmenden Kühlmittel 50
andererseits erhöhen kann, ohne daß man auf der
anderen Seite die zur Aufrechterhaltung der Kühlmittelströmung erforderliche Antriebsleistung in die
Höhe treiben müßte.

Nun könnte man dieses Problem unter Ausnutzung 55 werden; in der Zeichnung zeigt
der bekannten Tatsache angehen, daß sich die pro Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungs-

Längeneinheit eines rohrförmigen Brennstoffelements gemäßes Brennstoffelement,

gegebener Masse abgeführte Leistung durch Er- Fig. 2 ein Diagramm für die Temperaturvertei-

höhung des Rohrdurchmessers bei gleichzeitiger Ver- lung längs des Reaktorkanals für ein Brennstoffringerung der Wandstärke erhöhen läßt. Beide Maß- 60 element nach Fig. 1,

nahmen führen zu einer Vergrößerung der vom F i g. 3 ein Diagramm für die Darstellung der Aus

Kühlmittel bespülten Oberfläche und vermindern die Temperaturdifferenzen im spaltbaren Material des Brennstoffelements. Thermisch würde man auf diesem Wege dem angestrebten Ziele also näherkommen. Jedoch stößt man dabei bald auf Grenzen, die durch die Neutronenbilanz des Kernreaktors als Ganzes gegeben sind, da sich mit zunehmender Obergering gehalten wird, oder sogar nur aus Unebenheiten, Wellen oder Falten in der Oberfläche der Hülle bestehen.

Auf diese Weise kann der Neutronenverlust und der Neutronen absorbierende Querschnitt der Hülle erheblich vermindert werden. Da außerdem die Höhe der Rippen oder die Abmessungen der Unebenheiten sehr gering sind, bleibt der Druckverlust des innen

licher Länge versehen ist, so daß bei einem relativ geringen Durchmesser ein erheblicher Kühlmitteldurchsatz erzielt werden kann.

Abgesehen von dieser grundsätzlichen Vorkehrung zeichnet sich die Erfindung durch verschiedene weitere Merkmale aus, die in der folgenden Beschreibung verschiedener, in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele eingehender behandelt

wirkung der Variation des Durchmessers eines röhrenförmigen Brennstoffelements von gegebenem Querschnitt,

F i g. 4 die Temperaturverteilung über den Querschnitt eines Brennstoffelements gemäß Fig. 1,

Fig. 5 einige brauchbare Profile für die Oberfläche der inneren Hülle,

F i g. 6 und 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 zeigt ein röhrenförmiges Element 1 mit einer äußeren Hülle 2 und einer inneren Hülle 3. Das Element 1 befindet sich in einem zylindrischen, in festem Moderator 5 eingelassenen Kanal 4. Die äußere Hülle 2 ist mit Kühlrippen 6 versehen, die derart über ihren Umfang verteilt sind, daß sie beispielsweise offene. Winkel bilden, die in dem zwischen dieser Hülle und der Kanalwand strömenden Kühlmittel eine Wirbelbildung hervorrufen, die den Wärmeübergang erheblich verbessert.

Zwischen der äußeren Hülle 2 und der inneren Hülle 3 des Brennstoffelements befindet sich das spaltbare oder brütbare Material 7. Die dem Brennstoff zugewandten Oberflächen der beiden Hüllen 2 und 3 sind mit Verankerungsnuten versehen, die ein Ablösen der Hüllen von dem Brennstoff während des Reaktorbetriebs verhindern und so ihre Haftung am Brennstoff gewährleisten.

Das Element 1 wird durch Führungsstege 8 inmitten des Kanals 4 gehalten. Die innere Hülle 3 weist Vorsprünge von sehr geringer Höhe und Anzahl, wie z. B. kurze Längsrippen 9 auf, deren Aufgabe im folgenden eingehender erklärt wird.

Bezeichnet man mit D₁ den mittleren Durchmesser des Brennstoffelements, mit D₂ den Außendurchmesser der Hülle 2, mit D₃ den Innendurchmesser der Hülle 3 und mit D₄ den Durchmesser des Kanals 4, so stellt man fest, daß der für das Kühlmittel zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt in dem ringförmigen Raum zwischen der Hülle 2 und der Kanalwand und im Inneren der Hülle 3 vom Querschnitt des Brennstoffs sowie von den Durchmessern D₂, D₃ und D₄ abhängt. In diese Rechnung gehen auch die Eigenquerschnitte der Hüllen 2 und 3 sowie der gesamte Querschnitt der Führungsstege 8 ein.

Die Temperaturverteilung längs des Kanals ist schematisch in dem Diagramm der F i g. 2 dargestellt; die einzelnen Kurvenzüge bedeuten:

t_t Höchsttemperatur des spaltbaren oder brütbaren, im Element enthaltenen Materials;

t₂ lokale Höchsttemperatur der äußeren Hülle; sie dient zur Definition der Temperatur, die von der äußeren Hülle 2 nicht überschritten werden darf;

t₃ lokale Höchsttemperatur der inneren Hülle 3;

Θ₂ mittlere Temperatur des im äußeren, ringförmigen Zwischenraum strömenden Kühlmittels;

Θ₃ mittlere Temperatur des innerhalb der inneren Hülle strömenden Kühlmittels;

<9₂' und Θ₃' entsprechen den Temperaturen Θ₂ und <9₃ am Ende des Brennstoffelements.

Sind diese Größen einmal gegeben, so besteht die zu lösende Aufgabe darin, am Ende des Brennstoffelements eine möglichst hohe Kühlmitteltemperatur zu erhalten, gleichzeitig aber die Temperatur des Brennstoffs sowie die der inneren und der äußeren Hülle so niedrig wie möglich zu halten.

Ist das Element innen und außen mit gleichartigen Hüllen verkleidet, die beispielsweise gleichartige Rippen mit gleicher Höhe und gleichem gegenseitigem Abstand aufweisen, so wird die Gleichung Θ₂ = Θ₃ und t₂ = t_s ungefähr erfüllt für D₁ = ²Zs D₄, wobei dieser auf rechnerischem Wege erhaltene Durchmesser noch etwas von der räumlichen Verteilung des Neutronenflusses im Element abhängt. Da jedoch der so erhaltene Durchmesser D₁ und die zugehörige innere Oberfläche für die Verwendung von natürlichem oder schwach angereichertem Uran zu hoch ist, besteht das Ziel der Erfindung darin, beide zu vermindern, womit auch eine entsprechende Verminderung des Neutronenverlustes verbunden ist.

Wird das Verhältnis der Durchmesser D₁ID₁ des röhrenförmigen Elements 1 in seinem Kanal 4 verändert, gleichzeitig aber der Querschnitt des Brennstoffs konstant gehalten, so erhält man für die charakteristischen Arbeitstemperaturen im Kanal 4 den in F i g. 3 dargestellten Verlauf. Hierbei wird ausgegangen von einer gegebenen Ausführungsform der äußeren Hülle 2 und der inneren Hülle 3 und von einem konstanten Druckverlust für das Kühlmittel. Versucht man, das VeAaUnIsD₁ZD₄ herabzusetzen, so nimmt die äußere Temperatur Q₂ ab; dafür steigt aber die innere Temperatur Θ₃' an, da der Strömungsquerschnitt rascher abnimmt als der innere Umfang. Daraus folgt unter den gegebenen Umständen ein rascher Anstieg der Höchsttemperatur i₃ der inneren Hülle.

Erfindungsgemäß wird die Kühlung der inneren Hülle durch eine Herabsetzung des Strömungswiderstandes erleichtert, selbst wenn dadurch die Wärmeübergangszahl abnimmt, denn das innen mit höherer Geschwindigkeit und größerem Durchsatz fließende Kühlmittel bleibt dafür kälter. Wird erfindungsgemäß für die innere Hülle — bezogen auf die Flächeneinheit — ein 5- bis 25mal geringerer Widerstandsbeiwert als für die äußere Hülle gewählt, so kann das Verhältnis der mittleren Durchmesser D₁ID^ des Rohres in seinem Kanal von zwei Drittel auf die Hälfte oder weniger herabgesetzt werden.

Dazu werden an der äußeren Hülle 2 Kühlrippen angebracht, die relativ hoch sind im Vergleich mit den Unebenheiten der inneren Hülle 3. Sie können beispielsweise parallel zur Strömungsrichtung oder vorzugsweise schief dazu verlaufen, in Form symmetrischer Flügel. Um den Strömungswiderstand gering zu halten, enthält die innere Hülle 3 nur relativ wenige, ganz niedrige Rippen, die parallel zur Strömungsrichtung verlaufen oder gegenüber dieser nur leicht geneigt sind.

Bei einer besonderen Ausführungsart können diese Rippen sogar weggelassen werden; die innere Hülle 3 weist dann Runzeln oder Unebenheiten auf, die dazu bestimmt sind, den Wärmeübergang etwas zu erhöhen, ohne den Strömungswiderstand gegenüber einer glatten Oberfläche erheblich zu steigern. Dieser Widerstand kann beispielsweise auf das Eineinhalbfache bis Sechsfache desjenigen einer glatten Hülle ansteigen. Im Falle eines Elements mit geringem Innendurchmesser genügt schon eine rauhe innere Oberfläche.

Mit inneren Hüllen, deren Wärmeübergangskoeffizient geringer ist als bei den äußeren Hüllen und bei den der Erfindung zugrunde liegenden Abmessungen, entsteht in dem Brennstoffelement das in Fig. 4 dargestellte Temperaturprofil. Die lokale Temperatur t_n der inneren Hülle 3 bleibt hoch, wird jedoch durch die Temperatur 6>₃ des inneren Kühlmittelstroms, die von der Temperatur O₂ des äußeren

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Kühlmittelstroms nur wenig abweicht, in Grenzen gehalten.

Die an der inneren Hülle angebrachten Unebenheiten können verschiedenartig sein, beispielsweise die in Fig. 5a bis 5c dargestellten Formen annehmen.

Die Unebenheiten können nach Fig. 5a einfach aus Wellen 10 bestehen, die den beispielsweise quer oder spiralförmig verlaufenden Verankerungsnuten 11 folgen, die in die innere Fläche des Brennstoffs 1 eingedreht sind, um eine feste Haftung der Hülle 3 daran zu bewirken.

Gemäß Fig. 5b können die Unebenheiten 10 und die Verankerungsnuten 11 unabhängig voneinander angeordnet werden. Dadurch können einerseits die Voraussetzungen für beste Haftung der Hülle am Brennstoff erfüllt werden, andererseits eine Turbulenz der Strömung erzielt werden, die für den Wärmeübergang von der inneren Hülle zum Kühlmittel vorteilhaft ist.

F i g. 5 c zeigt eine Abwandlung, bei der die Verankerungsnuten für die Hülle ein Schwalbenschwanzprofil geringer Tiefe besitzen. Die dem Kühhnittel zugewandten quer verlaufenden Einbuchtungen haben ungefähr kreisförmigen Querschnitt und ermöglichen die Ausbildung stationärer Wirbel in der Strömung. Ähnliche Formen der Brennstoffelement-Oberfläche sind z. B. aus der britischen Patentschrift 789 257 und der schweizerischen Patentschrift 358 516 bekannt.

Die durch längsgerichtete niedrige Rippen erzielte Wirkung kann mit der einer unebenen Oberfläche kombiniert werden, so daß der Wärmeübergang von den Rippen durch die in Wandnähe von den Unebenheiten hervorgerufene Turbulenz begünstigt wird. Hierbei wird die aktive Oberfläche merklich vergrößert, der Druckverlust jedoch bleibt in durchaus tragbaren Grenzen.

In Fig. 6 und 7 ist diese besondere Ausführungsart der Erfindung dargestellt; zur Bezeichnung ent- sprechender Teile dienen wieder dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 5. Wie ersichtlich, ist die innere Hülle 3 in diesem Fall noch mit niedrigen Längsrippen 9 versehen, die sich vorzugsweise über die gesamte Länge des BrennstoffelementSn erstrecken. Wie im einzelnen aus Fig. 7 hervorgeht, ist die mit der Hülle 3 in Kontakt befindliche Oberfläche des Brennstoffs? ebenso mit umlaufenden Rillen oder Einbuchtungen zur Verankerung der Hülle 3 versehen.

Wird der Brennstoff 7 innen mit einer Hülle 3 ausgekleidet, indem diese durch Flüssigkeitsdruck aufgeweitet wird, bis sie sich den in den Brennstoff eingelassenen Verankerungsnuten 11 anschmiegt, und sind diese Nuten genügend tief, so führt diese Behandlung zur Entstehung von Wellen oder Falten 10 auf der vom inneren Kühlmittelstrom bespülten Oberfläche der Hülle. Diese haben die Wirkung, daß sie eine örtliche Turbulenz der Strömung hervorrufen und die Bildung einer laminaren Grenzschicht zwischen den Längsrippen 9 verhindern. Beim Aufpressen der Hülle durch Flüssigkeitsdruck wird der äußere Rand 12 der Rippen 9 selbst übrigens leicht gewellt, was aber praktisch belanglos ist.

Dank dieser Anordnung werden die Längsrippen, falls sie nicht zu hoch sind, von der durch die Falten stark verwirbelten Strömung umspült. Der Wärmeübergang auf die Seitenflächen der Rippen nimmt dadurch merklieh zu; der in der Strömung hervorgerufene Druckverlust bleibt jedoch tragbar und ist in jedem Fall wenig höher als derjenige, der unter denselben Umständen entweder allein durch Längsrippen oder allein durch eine unebene Oberfläche verursacht würde.

Bei jeder Ausführungsart kann man die Höhe und die Abstände der verschiedenen Rippenarten und Unebenheiten in Abhängigkeit von der Natur des Kühlmittels so wählen, daß man zu dem jeweils besten Kompromiß zwischen Wärmeaustausch und Strömungswiderstand gelangt. Die Temperatur, die eine innere Hülle zu ertragen vermag, die mit Rippen sehr geringer Höhe, mit Unebenheiten oder mit beidem zugleich versehen ist, übersteigt die Höchsttemperatur, die einer äußeren, mit schräg verlaufenden Kühlrippen versehenen und von den Strömungskräften höher beanspruchten Hülle zuzumuten ist. Für die innere Hülle kann auch ein Material gewählt werden, das — ohne Korrosion — einer höheren Temperatur widersteht als das Material der äußeren Hülle.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Röhrenförmiges Brennstoffelement für Kernreaktoren mit einer inneren und einer äußeren Hülle, die den Spaltstoff zwischen sich einschließen und jeweils auf ihrer dem Spaltstoff abgewandten und einem das Element in einem Reaktorkanal durch- und umströmenden Kühlmittel zugewandten Seite Vorsprünge aufweisen, deren Höhe auf der inneren Hülle geringer ist als auf der äußeren, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser des Elements höchstens gleich der Hälfte der Iichten Weite des Reaktorkanals ist und daß die Vorsprünge an den Hüllen derart ausgebildet sind, daß der Widerstand des in den Reaktorkanal eingesetzten Brennstoffelements für die Kühlmittelströmung längs der Innenhülle 5- bis 25mal kleiner ist als längs der Außenhülle.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der inneren Hülle Längsrippen in. gegenüber ihrer Höhe großen Abständen angebracht sind.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle mit schräg zur Strömungsrichtung des Kühlmittels verlaufenden Unebenheiten versehen ist.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unebenheiten auf der inneren Hülle dem Profil von in die Oberfläche des Spaltstoffs eingelassenen Verankerungsnuten folgen.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Vorhandensein von niedrigen Längsrippen und von Unebenheiten auf der Oberfläche der inneren Hülle.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen