DE1439058A1 - Kernbrennstoffelement - Google Patents

Description

Patentanwalt

Bipl. InQ. R. B

München 22 "Ί ^*lΠ 1 Q

eteJnsdorfetr. IO t --, ί

JO.11.i960

SOGISTE JiAIIOWALB J)¹BS¹J-UJi S: DjS CGMaI¹RUGSIOM DB IdOTJSOHS

Kernbrennstoffelement

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement, insbesondere ein solches, bei dem der spaltbare Stoff in i'orm von mehreren Stangen geringen Durchmessers verwendet ist, die in Bündeln anstelle einer einzigen Stange angeordnet sind. Die Erfindung ist ganz besonders anwendüar bei Brennstoffelementen, bei denen der spaltbare S-fcofi in zusammengesetzter Form verwendet ist als Mischung wenigstens des eigentlichen spaltbaren Stoffes und eines Jürä_c;ers oder Bindemittels ο

Bei einem Kernbrennstoffelement mit einem Bündel aus mehreren Stangen oder Barren, ^₀B₀ denjenigen, die im Französischen unter der Bezeichnung "grappe de crayons" bekannt sind, ist die Austauschfläche des oder der zentralen Stäbe schlecht ausgenutzt, wenn alle Stäbe eine identische Abmessung und Zusammensetzung haben, da die durch den Spaltvorgang entwickelte Wärme in den zentralen Stäben kleiner ist als in den am Umfang angeordneten Stäben» Dies ist auch dann der Fall, wenn das Brennstoffelement von konzentrischen Ringen gebildet ist, die eine gleiche Stärke und Zusammensetzung aufweisen, wobei der Wärmefluß durch eine Oberflächeneinheit vom Umfang eines Sanalee zur Achse hin aonimmt. Man hat sc.hon vorgeschlagen, in dem inneren 410-134.57«?*-m (7)

I4ffofi

- 2 rr - ' V

Bereich des Brennstoffelementes eine größere AnreichW?ig an Spaltmaterial als in den äußeren Bereichen herzustellen, um '-; die Verwendung hochaisttyen Spaltmaterials,, das teuer, und gefährlieh ist, zu begrenzen« ,

Me Erfindung beseitigt -den jtfachte-il, d|ß die Austausehflache schlecht genutzt ist, und ermöglicht insbesondere eine -leiche oPerflächige Wärmeleistung in allen Bereichen des Bündels oder der Stabanordnung (im folgenden ist mit thermischer Oberflächenleistung diejenige Wärmeleistung bezeichnet, die durch eine äußere Oberfläche eines Stabes, einer Stange oder eines Ringes abgegeben wird₀ Der Viärniefluß durch die Oberfläche kann in gleicher Weise definiert sein)» .· :-

Es sei bemerkt,, daß man mit den bekannten VerfähriÄ 'eine im wesentlichen konstante thermische Leistung erreichen 'kann (eine im wesentlichen flache Kurve des thermischen Jlussef-r)¹, jedoch an der Stelle des Kernes des Reaktors und nicht bei irgendeinem Brennstoffelement ο Außerdem ist die ο "b Bf-fläch ige Wärmeleistung hierbei nicht gleichmäßig» Bies ist ζ,Βΐ äer- l'allj wenn die Anzahl der Brennstoffelemente, die als identisöh und ."¥©S. gleicher Spaltmaterialkonzentr-ation angenommen seienj für einen gegebenen Volumenanteil des Seaktprfcernes in dem zentralen Bereißh des Eernes höher ist als in dem TJmfangsbereich._?

Im Vergleich zu den Bündeln, bei denen der oberflächige Wärmefluß odei·, was auf dasselbe hinauskommt, ,die oberflächige Wärmeleistung in den verschiedenen Bereichen des Bündels der £rfcäbe nicht identisch ist, kann die Oberfläche der Umhüllung.

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gemäß der Erfindung für eine Abführung der gesamten gegebenen leistung minimal sein, da die oberflächige Wärmeleistung einen kritischen Viert nicht unterschreiten darf, der einesteils von den Parametern abhängt, die das Potential der Kühlung des die Wärmemenge abführenden Kühlströmungsmitteis bestimmen, und anderseits von den Paktoren.abhängt, die die Haltbarkeit der Stäbe bestimmenο :

Die Möglichkeit einer minimalen Fläche der Umhüllung bringt außerdem eine Lösung des Problemes des Meutronenhaushalts, da die neutronenabsorption durch das Material der Umhüllung dann gering ist, was insbesondere nützlich ist in dem Fall, daß die Umhüllung aus einem sehr stark absorbierenden Material besteht<,

Das Kernbrennstoffelement gemäß der Erfindung ist derart aufgebaut, daß die Konzentration des spaltbaren Materials in den Stäben von d&n am Umfang angeordneten Stäben zu den mittleren Stäben nach einem solchen tfesetz zunimmt, daß eine gleichmäßige oberflächi^e Wärmeleistung gewährleistet ist. Der Ausdruck "Stab" umfaßt gegebenenfalls ein ringförmiges Teil, wenn das Brennstoffelement aus konzentrischen Ringen aufgebaut ist«

S-emäß einem bevorzugten Merkmal haben die Stäbe identische Abmessungen und der Koeffizient der Vergrößerung der Konzentrat tion spaltbaren Materials in einem gegebenen Stab in bezug auf die am Umfang vorgesehenen Stäbe ist im wesentlichen gleich dem Verhältnis zwischen α em ETeutronenfluß in einem am Umfang angeordneten Stab und den ITeutronenfluß in dem gegebenen Stab, \*iemi die ivo η ζ ent rat ion an spaltbarem Llaterial überall die gleiche wä

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-A-

Ebenso haben,- wenn die Bündel der Brennstoffstangen zwischen dem zentralen Kanal η Hinge der Stangen mit', identischen geometrischen Abmessungen umfassen, die inneren Stangen des Bündels Spaltmaterialkonzentrationen, ,die von dem ersten zu dem nten Hing zunehmen=. Dieser Fall entspricht der Gleichheit der in jedem Stab entwickelten Wärmeleistung, wobei die Gleichheit der an der Oberfläche fließenden Y{ärmeleistung an den verschiedenen. St eil en der Stäbe des Bündels gewahrt·'ist „

Die Erfindung ermöglicht den Bau eines Brennstoffelementes,, mit Stäben von gleichem Querschnitt, bei denen lediglich die Konzentration des Spaltmaterials verändert ist»

Sie kann jedoch auch dann verwendet sein, wenn die Stäbe iceine gleichen Abmessungen haben, insbesondere, wenn die inneren

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Stäbe einen ;~röi3eren Querschnitt aufweisen« . - ' "

In diesem Pail iauß die Gleichheit, die cian bezüglich der zreig.es et 2t en '//ärmeleistun,^ bei den verschiedenen Stäben herstellen will, lediglich auf die Einheit eier äußeren Ulriche dieser Stangen bezögen sein (o.Derflä-chige Wärmeleistung) und nicht mehr auf' die St^n^e* Diese Gleichheit ist dann unter der --/irkung von zwei iaictoren erreichbar, die im. gleichen oinne wirken: 'Der Vergrößerung ues Durchmessers und der Konzentration α es opaltmaterials der. zentralen otäbe in bezug auf die

Die Erfindung ist im folgenden anhand scriuuatischer" Zeich üün/eh äurch Äusführun^sbeispiele erläutert, Sämtliche i'iguren zeigen "üen Querschnitt von iilemenuen uhcl des zylinßriweisen G-e-

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häuses 18 (oder der Kanalwand des Kernreaktors), in dem jedes Element angeordnet ist.

zeigt ein kompaktes hexagonales Element mit sechs am Umfang angeordneten Stäben 1, die einen axialen Stab 2 umgebene Jeder Stab ist von einer Metallumhüllung 3 eingehüllte Bei dieser Anordnung, bei der alle Stäbe den gleichen Querschnitt haben, hat lediglich der Stab 2 eine höhere Konzentration an Spaltmaterialο

Das in Fig«2 dargestellte Element umfaßt zwölf am Umfang angeordnete Stäbe 4, sechs in einer mittleren Reihe angeordnete .Stäbe 5 und einen axialen Stab 6, die.sämtlich den gleichen Querschnitt habeno Hierbei haben die Stäbe 5 alle die gleiche Konzentration, die wiederum höher ist als die der Stäbe 4» Der Stab 6 hat die höchste Konzentration.

Es sei ein Element gemäß 3?ig.2 angenommen,, bei dem sämtli ehe Stäbe durch eine Mischung mit gleicher Brennstoffkonzentration G bestehen,. Die in jedem Stab erzeugten Wärmeleistungen (für die Umfangsstäbe 4 mit Q., für die mittleren Stäbe 5 mit Qp- und für den zentralen Stab 6 mit Qg bezeichnet) haben Werte, die der Ungleichung Q^^ Q₅^Q₆ genügen.

(iemäß einer bevorzugten Ausführungsform baut man die Elemente so, daß die am Umfang liegenden Stäbe eine Konzentration 0, und die mittleren Stäbe 5 eine Konzentration C,- an Spaltmaterial haben, so daß die entwickelte Wärmemenge im wesentlichen gleich Q, ist, also in erster Annäherung:

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- 6■■- . ^:

während der Stab 6 eine Konzentration C> aufweist> "die: in^: erster'^ί-ί Näherung durch die Gleichung gegeben ist: .^:'^: · ■■ . .nfsü

so daß die in diesem Stab entwickelta. Wärmemenge im wesent-; lichen gleich Q. ist. ;; ■

Das in ffig.2 dargestellte Element hat neun am Umfang liegende Stäbe 4 und drei innen liegende Stäbe. 7 von gleichem Querschnitt, Bei diesem Element haben die Stäbe 7 sämtlich die gleiche Spaltmaterialkonzentration, die höher ist als die des Stabes 4. " ."■"/"

Bei dem Element gemäß Fig.4 umgeben acht Umfangsstäbe 4 einen zentralen Stab 8 mit einem wesentlich: größeren Durchmesser., ." Wenn der Durchmesser des Stabes 8 nicht ausreicht, um bei gleicher Spaltmaterialkonzentration einen Oberflächenwärmefluß gleich demjenigen der Umfangsstäbe 4 zu erzeugen, so verwendet man fur den Stab 8 gemäß der Erfindung eine höhere Konzentration an Spaltmaterial, um die Unterschiede zwischen seinem Wärmefluß und demjenigen der Umfangsstäbe 4 aufzuheben, wenn deren Konzentration an Spaltmaterial überall die gleiche ist»

? zeigt ein Element, das 25 Stäbe aufweist, von denen 16 Stäbe 9 am Umfang angeordnet sind, acht Stäbe TO innen und ein Stab 11 in der Mitte. Die Gleichheit des Qberflächenwärme-

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flusses für die verschiedenen Stäbe .kann, bei konstant ex Spaltniaterialkonzentration dadurch erhalten sein, daß man den Stäben 10...bzw? 11 Querschnitte gibt,die größer sind als die der Umfangsstäbe 9· Jedoch können die Stäbe 10 und 11 aus Gründen der Abmessung z.3. Querschnitte aufweisen, die geringer sind als diejenigen, die bei konstanter Spaltmaterialkonzentration zu einem gleichen oberflächigen Wärmefluß führen würden. Die Stäbe 10 bestehen dann aus höher mit Kernbrennstoff angereicherten Mischungen als die Stäbe 9 und sind weniger angereichert als der Stab

!'ig.6 zeigt eine andere Anordnung, bei der neun Stäbe 12 am Umfang vorgesehen sind, die drei größere innenliegende Stäbe 13 umgeben, deren Querschnitte genügend groß sein können, um einen gleichen Yförmefluß von der Oberfläche wie bei den Stäben 12 zu ergeben, oder aber nicht genügend groß, wobei dann in diesem !'all die Spaltinaterialkonzentration bei den Stäben 13 höher ist als bei den Stäben 12» Die Konzentration ist vorzugsweise mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet (worin C₁ρ» ^i^> Q-2 > Q-]-ζ auf ähnliche ,ieise definiert sind wie die vorher erwähnten Größen 0., C₅, Q., Q^)_n Danach besteht genaue Gleichheit bei Jürfüllung der Gleichung:

O₁₂ . Q₁₂

Q 13

Das in i^lig.7 dargestellte Element ist von zwei konzentrischen Hingen 14 und 15 gebildet. Der innere King 15 hat dieselbe Stärke wie der äußere Hing 14, aber die Spaltiaaterialkonzenxration hat einen höheren "wert una ergibt einen gleichen oberflächigen

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Wärmefluß zwischen 15 und 14ο ■' ·. ·:· :

Fig-,,8 zeigt ein der Fig«7 ähnliches Element, bei dem der innere Ring 17 eine größere Stärke e_? aufweist als die Stärke e^ des äußeren Ringes 16o Die Konzentration an Spaltmaterial ist überall die gleiche, αie Differenz der Stärken der beiden Ringe kann also so ausgewählt sein, daß die oberflächigen Wärmeflüsse für beide Ringe gleich sind. Gemäß der Erfindung kann die Stärke des Ringes 17'kleiner sein als der Wert, der.- zu einem \ gleichen Fluß führen würde, wenn die Spaltmaterialkonzentration dann in einem angemessenen Verhältnis vergrößert ist_o

Als Beispiel sei ein hexagonales Kernbrennstoffelement gemäß Fi.-;/1 oetrachtet.'Die Stäbe 1 und 2 haben einen gleichen ' Durehmesser von 10 mm und sind mit einer Umhüllung 3 aus einer Legierung von '80-$ Kfickel und 20'.$"-Chrom-von- 1 mm Stärke umgeben» Die sechs außen liegenden Stäbe 1 sind symmetrisch um den zentralen Stab 2 angeordnet. Ihre" Achsen sind auf einem Kreis ' von 26 mm Durchmesser angeordnet. Der Durchmesser des Kanäles beträgt 4-ü mm«..

Die Zusammensetzung des Stoffes, aus dem die sechs LTiufangsstäbe 1 hergestellt sind, besteht aus einer homogenen üischung von 40 io ürandioxyd (mit 20 Jo Fran 235) mit 60 yä Magnesiumoxid =, Der zentrale Stab 2 hingegen enthält 4ö fo ci.es gleichen u'randioxyds und 52 io Hagneslumox3-^rd, Die Konzentration an- spaltbarem. Haxerial ist al-s-o bei dem zentralen .Stab > 1 ,2-mal größer als bei den Stäben 1_o

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Unter dieser Bedingung ist die entwickelte Wärmeleistung in dem zentralen Kanal 2 praktisch gleich derjenigen, die in jedem der Umfangsstäbe 1 auftritt. Wenn der zentrale Stab 2 dieselbe Konzentration an Spaltstoff hätte wie die Stäbe 1, wäre die Wärmeleistung nur das 0,835-fache von der jedes Dinfangsstabes (d.h. um das 1,2-fache kleiner).

Die bei diesem Element verwendeten Stoffe haben die folgenden Eigenschaften:

UO,

Dichte 9,25

Wirksamer ÜTeutronenabsorptiansquerschnitt pro cnrj 2,55 3C a/cm~

Wirksamer Neutronen-'
diffusionsquerschnitt;

s/cm"¹ 0,396

IgO

3,2

0.0027

Metall der Umhüllung

8,5

0,336

0,375

1,28

Patentansprüche:

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BAD ORSGfNAL

Claims (4)

Patentansprüche

1. Brennstoffelement für Kernreaktoren, dessen wesentliche, das Spaltmaterial enthaltende Ite iIe aus elftem Bündel von Stangen, Ringen od."dgl. "bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die wesentlichen, im Innern des Bündels angeordneten Teile eine höhere SpaltmaterialkonzenLtratiön haben als die am Umfang des Bündels "befindlichen Teile, und zwar in einem solchen Verhältnis, daß die pro äußerer Oberflächeneinheit entwickelte Wärmemenge der Bereiche des Bündels im wesentlichen für alle Bereiche desselben gleich ist.'

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die we-'sentlichen Teile des Bündels alle den gleichen transversalen Querschnitt und die gleiche Querschnittsgestalt aufweisen und daß die Spaltmaterialkonzentration in jedem nicht außenliegenden Bereich gleich dem Produkt der Spaltmaterialkonzentration in einem, äußeren Bereich und dem Quotienten der während des normalen Betriebes des Reaktors in dem äußeren Bereich freigesetzten. Wärmeleistung geteilt durch die in dem nicht außenliegenden Bereich erzeugte Wärmeleistung ist, wenn die Konzentration der einzelnen Bereiche gleich wäre.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wesentlichen, nicht außenliegenden Teile des Bündels einen größeren transversalen Querschnitt haben als die äußeren Teile und daß die Spaltmaterialkonzentration in dem nicht äußeren

- BAD 'ORIGINAL

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Bereich gleich dem Produkt der Spältmäterialkonzentration der äußeren Teile und dem Quotienten der während des normalen Betriebes des Reaktors in. einem äußeren Seil freigesetzten Wärmemenge durch die in einem nicht äußeren Teil freigesetzte Wärmemenge ist, wenn die Konzentration die gleiche wäre wie "bei den äußeren Teilen.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile aus einer Mischung von variablen Anteilen eines nicht aktiven und eines aktiven Stoffes bestehen, daß der letztere einen konstanten Anteil an Spaltmaterial enthält und daß die Mischung in eine Umhüllung eingeschlossen ist.

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