DE1489636A1

DE1489636A1 - Brennstoffelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1489636A1
Application number: DE19651489636
Authority: DE
Inventors: Grant Walter Lawrence
Original assignee: Atomic Energy Board
Current assignee: Atomic Energy Board
Priority date: 1964-06-11
Filing date: 1965-06-10
Publication date: 1970-07-16
Also published as: FR1437073A; SE330052B; CH457632A; GB1114566A; NL133131C; US3420738A; BE665354A; DE1489636B2; SE312869B; GB1114567A; NL6507508A

Description

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PATENTANWÄLTE " DIPL. ING. C. STOEPEL · DIPL. IN». W. GOLLWITZER · DIPL. INO. MOLL

LANDAU/PFAIiB · AK 8CHÜTZBNHOF

P 14 89 656.7 24. September I968

(A 49 435 VIIIo/21k) P

Atomic Energy Board, Pelindaba (Südafrika)

" Brennstoffelement für Kernreaktoren "

Die Erfindung betrifft Brennstoffelemente in rohrförrniger Ausbildung für Kernreaktoren, insbesondere solche, die mit körnigem Brennstoff und einem diesem Brennstoff durchströmenden Kühlmittel arbeiten.

Srfindungsgemäß ist ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor vorgesehen, das aus einem rohrförmigen Brennstoffbehälter mit einem oder mehreren sich in Achsrichtung erstreckenden Räumen zur Zu- und Abfuhr des Kühlmittels innerhalb des Brennstoffbehälters besteht und zwischen diesen und der Aussenwandung des Behälters sich der Brennstoffraum befindet, wobei die Körner des Kernbrennstoffes in dem Brennstoffraum um die Kühlmittelleitung (en) gepackt werden können. Anschlüsse an der (den) KUhlmittelleitung (en) dienen zur Zu- und Abfuhr des Kühlmittels,

Unteren

welches im Wärmeaustausch mit den gepackten Brennstoff körnern steht. Brennstoffzufuhr- und Entnahme sind an den entgegengesetzten Enden des Brennstoffbehälters vorgesehen, durch welche kornförmiger Kernbrennstoff bei Bedarf während des Betriebes des Reaktors in den Brennstoffraum eingeführt oder aus diesem entfernt werden kann.

Die Brennstoffkörner können jede geeignete Größe und Form aufweisen, so daß sich beim Zusammenpacken Hohlräume zwischen ihnen bilden, durch die das Kühlmittel fließen kann. Vorzugsweise sind die Körner kugelförmig ausgebildet. Das Material der Brennstoffkörper kann jedes geeignete Brennstoff material wie Uran, Urankarbide, Uranlegierungen beispielsweise mit Metallen wie Zirkon, Molybdän, Niobium usw., oder geeignete Plutoniumverbindungen oder gemischte Plutonium-Verbindungen sein. Mischungen von U oder U '"■* mit Thorium, die höhere Umsetzungsverhältnisse als Uran allein ergeben, können ebenfalls verwendet werden. Des weiteren können die Brennstoffkörner angereicherten Kernbrennstoff enthalten, besonders für kleinere Reaktoren. Außerdem können die Brennstoffkörner umkleidet oder unverkleidet sein.

Die öffnungen in dem (den) als Kühlmittelleitung (en) dienenden Raum (Räumen) können in geeigneten voneinander entfernten Abständen entlang der Länge der Leitung (en) und/oder dem Umfang der Leitung (en) vorgesehen sein. Die Lage solcher öffnungen kann durch Wärmeaustausch- und Strömungsüberlegungen bestimmt werden. Die öffnungen in Verbindung mit dem Brennstoffraum müssen klein genug sein, um das Hindurchtreten der Brennstoffkörner verhin-

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dern zu können. Wenn die Kühlmittelleituno; als bevorzugte Ausführungsform als Rohr mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist, das konzentrisch innerhalb des Brennstoffbehälters angeordnet ist, so ist vorzugsweise der Anschluß zur Zufuhr am oberen Ende und der Anschluß zur Abfuhr des Brennstoffes am unteren Ende vorgesehen.

Verbrauchter Brennstoff kann vom Boden des Brennstoffelemente durch eine geeignete Entnanmevorrichtung entnommen werden. Eine solche Vorrichtung kann einen Stab aus ^eeip-netem Werkstoff aufweisen, der sich in der Längsachse des Brennstoffbehälters erstreckt und, von seinem oberen Ende aus bedienbar, die Brennstoffaustrittsöffnung am Boden des Brennstoffbehälters mittels eines Stöpsels bei Auf- und Abbewegen öffnen und schließen kann:

Zur Kühlmittelentnahira können auch getrennte Rohre vorgesehen sein, die angrenzend und parallel zu den vorstehend erwähnten Kühlmittelleitungen angeordnet sind und aus einem ähnlichen Material hergestellt sind, oder aber es können innere Längstrennwände in einer einzigen Kühlmittelleitunp, vorgesehen sein. Injedem Fall sind geeignete öffnungen vorgesehen, damit das Kühlmittel von den ZufuhrMtungen durch den gepackten körnigen Kernbrennstoff im Brennstoffbehälter zum Kühlmittelauslaß strömen kann.

Wenn als Kühlmittel ein flüssiges Metall verwendet wird, strömt es eine konzentrische Mittelleitung hinunter, durch eine dort angebrachte Bodenöffnung und durch den gepackten Kernbrennstoff im Rincraum des Brennstoffbehälter hinauf zu einer geeigneten

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Künlmittelauslaßvorrichtunr; am gleichen Ende des Brennstoffbehälters, an dem sich aucn die Brennstoff zufuhrvorrichtung befindet. Eine geeignete Abdichtung kann vorgesehen werden, um das Kühl- ■ mittel aus flüssigem Metall an einer Berührung mit anderen unverträglichen Materialion zu hindern, die im Zusammenhang, mit dem Brennstoffelement verwendet werden könnten.

Wenn das Kühlmittel ein Gas ist, wie Kohlensäure oder Helium, so kann dje Kühlmittr!cntnahmevorrichtung als wesentliches Bestandteil ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt enthalten, das konzentrisch außen um den Brennstoffbehälter herum angeordnet ibt. In diesem Fall kann das gasförmige Kühlmittel entlang der rnittigen Kühlmittel leitung zufließen, durch die in dieser vorgesehenen öffnungen, durch den gepackten Kernbrennstoff im Brennstoffbehälter, aurch öffnungen im Brennstoffbehälter und von dort aus in die außen angeordnete Kühlmittelrückführung. Die Strömung kann gegebenenfalls auch in entgegengesetzter Richtung erfolgen, indem das Kühlmittel durch die äußere Ringleitung zugeführt v.ird und durch den Brennstoff' im Brennstoffbehälter in die mittige koaxiale Entnahmeleitung gelangt. Des wexteren kann der Strom des gasförmigen Kühlmittels durch Pral!wände, die in geeigneter Art und Weise in der mittigen Kühlmittelleitung und dem Außenring und bezogen a \2 die öffnungen in den Wandungen der mittigen Kühlmittelleitung und/oder det, Außenringes angeordnet sind, vielfach durch den körnigen Kernbrennstoff hindurchgeführt werden.

Wenn das Brennstoffelement mit einem Kühlmittel aus flüssigem Metall arbeitet, so wird es g^y ORIGINAL

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vorzugsweise iriit einem üasabschirmungsraum als Wärmeschild um die Außenwanclung des Brennstoffbehälter^ herum versehen. Zi diesem Zweck wird ein Rohr aus einem geeigneten Material mit einem niedrigen Neutronendurchlaß konzentrisch um die Aui3enwandung Jes Brennstoffbehälter angeordnet und der so gebildete Ringraum wird mit einem geeigneten Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Helium, gefüllt.

Das erfindungsgemäße Brennstoffelement ermöglicht die Zufuhr von Frischem Kernbrennstoff und die Entnahme von verbrauchtem Kernbrennstoff während des Reaktorbetriebes bei voller Belastung durch die entgegengesetzt voneinander angeordneten Brennstoffzu- - und Entnahmevorrichtungen.

Bei der bevorzugten AusfUhrungsform nach der Erfindung, bei der ein senkrecht angeordneter Brennstoffbehälter und als Kühlmittel ein flüssiges Metall verwendet werden, kann de Brennstoffzufuhr des Brennstoffelementes bei voller Belastung erfolgen, indem die Brennstoffkörner direkt in den ringförmigen Brennstoffraum im Brennstoffbehälter eingeführt werden. Zu diesem Zweck kann frischer Brennstoff durch ein Brennstoffzufuhrrohr über ein isolierendes Brennstoff-Pörderventil zugeführt werden. Das Isolierventil ver hindert es, daß irgendwelche Spaltgase durch das Brenn st offzufuhrrohr entweichen. Dies stellt eine besondere Sicherheitsvorkehrung dar, da an sich kein Rückstrom durch das Zufuhrrohr aufgrund des niedrigen Druckes im Brennstoffbehälter erfolgt. Das Iaolierventil und die mit diesem verbundenen Rühren können mit dem als Kühlmittel dienenden flüssigen Netall gefüllt und auf eine geeignet* Temperatur erhitzt werden, wenn frlsoher Brennstoff zugeführt wird, beispielsweise oberhalb

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von 100° C bei Natrium als Kühlmittel. Die Brennstoffkörner gelangen dann durch die Suhwerkraft in den Brennstoffraum bei entsprechender Handhabung des Isolierventils.

Das Bodenende des Brennstoffelementes kann so ausgebildet werden, daß es in ein geeignetes Entnahmestandrohr pa3t, das seinerseits mit einer geneigten Leitung verbunden sein kann. Zwischen dem Standrohr und dem Brennstoffelement kann ein kurzer biegsamer Balg angeordnet werden, um die veränderliche axiale Warmeausdehnung aufzunehmen. Die seitvjeilig abgedichtete Verbindung zwischen dem Standrohr und dem Brennstoffelement kann aus geeignetem Material wie beispielsweise Blei bestehen, dessen Schmeldpunkt über dem des Kühlmittels, beispielsweise Natrium oder Lithium 7» liegt. Die Mischung von verbrauchtem Brennstoff und Kühlmittel kann die beheizte geneigte Leitung hinab wandern und in eine geeignete Entnahmevorrichtung entleert werden, die ferneingestellt und -betrieben werden kann. Der Inhalt der Leitung kann in Spezlalbehälter entleert werden und es kann ebenfalls vorgesehen werden, diese Vorrichtung in eine besondere Abteilung zur Wartung usw. zurückzuziehen. Volle und zeitweilig verschlossene Kanister können von der Vorrichtung in eine Aufbereitungsanlage verbracht werden, die fernbedient ist und die Behälter endgültig verschließt, um sie dann in einem Lagerbunker einzulagern. Sie können dort lange genug aufbewahrt werden, um einen angemessenen Aktivitätsabfall abzuwarten, bevor die Behälter zum Transport von dem Aufstellungeort des Kernreaktors über eine gesLgnete fernbediente Trans- poptabteilung befördert werden. Der verbrauchte BAD

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Brennstoff kann an dem Brennstoffentnahmeende fur eine angemessene Zeit und bei ausreichender Temperatur festgehalten werden, um es einigen der Spaltprodukte zu ermöglichen, auszudifferendieren, die sich sonst an der Stelle der niedrigsten Temperatur im Brennstoffelement oder Wärmetauscher anlagern würden.

Aus dem Vorstehenden erhellt, daß der Brennstoffdurchsatz in dem Brennstoffelement willkürlich verändert werden kann, wodurch auch eine Möglichkeit der Reaktivitätssteuerung gegeben ist. Der Brennstoffentnahmemechanismus kann nämlich so ausgebildet werden, daß der Brennstoff im Notfall in den Lagerraum für verbrauchten Brennstoff abgeführt werden kann, der Reaktor folglich abgeschaltet wird. Die Brennstoffzufuhr wird normalerweise bei voller Belastung durch die Zufuhr der Brennstoffkörner direkt in den Brennstoffbehälter erfolgen und durch gleichzeitige Entnahme des verbrauchten Brennstoffes am Boden desselben.

Die verhältnismäßig einfache Brennstoffzufuhr und Entnahme des verbrauchten Brennstoffes gemäß der Erfindung dürfte einer ihrer größten Vorteile sein. Die Tatsache_/ daß frischer Brennstoff auf der Oberseite zugeführt wird und verbrauchter Brennstoff am Boden des Brennstoffelementes entnommen wird, bringt weiterhin erhebliche Vorteile im Verbrennungsablauf mit sich.

Es werden auch auswechselbare Einheiten ermöglicht, die aus einem oder mehreren Brennstoffelementen nach der Erfindung und einem Wärmetauscher bestehen. Wenn die Einheit aus mehr als einem Brennstoffelement und dem Wärmetauscher besteht, so ist der Abstand der Brennstoffelemente der Qitteraus-

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bildung und den Abmessungen des Reaktorkerns angepaßt.

Wenn ein Wärmetauscher zusammen mit den Brennstoffelementen nach der Erfindung verwendet wird, so wird der Wärmetauscher an demjenigen Ende des Brennstoffelementes angebracht, an dem Brennstoff und Kühlmitte] in das Element eingeführt werden und von dem das Kühlmittel entnommen wird. Bei einem solchen eine Einheit bildenden Breiinstoffelementen-Wärme&UÄtauccher-A^gregat strömt das ^bevorzugte Kühlmittel aus flüssigem Metall direkt zu und von dem Wärmeaustauscher durch geeignet angeordnete Leitungen.

Die auswechselbaren Einheiten der Brennstoffelemente und Wärmeaustauscher können als zusammengehörige Einheiten ein- und ausgebaut werden. Die Anzahl und Größe solcher Brennstoffelementen-Wärmetauscher-Einheiten, die in einem Kernreaktor verwendet werden, entsprechen jeweils dem Aufbau und den Leistungsanforderungen eines solchen Reaktors.

Die Brennstoffelemente nsch dar Erfindung werden vorzugsweise mit einem Schwerwassermoderator verwendet, der einen Behälter aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Zirkon oder Aluminium, aufweist, in welchem schweres Wasser bei ungefähr atmosphärischem Druck gehalten wird und die Brennstoffelemente nach der Erfindung umgibt. Es ist ein Vorteil einer solchen Anordnung, daß der gesamte Reaktorkern unter niedrigem Druck steht, im wesentlichen unter atmosphärischem Druck. Die Konstruktionsprobleme bezüglich des Moderatorbehälters und der mit diesem zusammenhängenden Ventile, Röhren und Pumpen sind daher wesentlich einfacher

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als diejenigen, die mit dem Bau eines Druckbehälters einhergehen. Die einzigen Hochtemperaturbauteile in dem Reaktorkern sind die Brennstoffelemente, die nach der bevorzugten Form der Erfindung von dem Moderator durch den vorstehend erwähnten Gas-Wärmeschild getrennt sind. Dieses isolierende Gas, beispielsweise Helium, kann unter einem etwa überatmosphärischen Druck gehalten werden, während der Druck im Brennstoffelement auf dem niedrigstmö*^- llchen Wert rehalten werden kann, indem sämtliche Gase ständig entfernt werden. Wenn daher irgendeine Undichtigkeit im Brennstoffelement auftritt, so würde es sich eigentlich um eine Gasundichtigkeit nach innen handeln, wodurch die gesamte Anordnung außerordentlich sicher wird. Sollte jedenfalls ein radioaktives Kühlmittel aus flüssigem Metall durchlecken, so fließt es zum Boden im Bereich des verbrauchten Brennstoffes ab, der sowieso für die Berührung mit radioaktivem Brennstoff und Kühlmittel aus flüssigem Metall ausgelegt ist.

Es können, soweit erforderlich, geeignete Pumpen verwendet werden, um die in dem Reaktor verwendeten Flüssigkeiten und Oase umzupumpen. Demgemäß wird bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Verwendung der Brennstoffelementen-Vfärmetauscher-Einheiten das Kühlmittel aus flüssigem Metall vorzugsweise mittels einer elektromagnetischen Induktionspumpe bekannter Bauart gepumpt, die in den Wärmetauscher eingebaut ist. In gleicher Weise können für Oase oder nichtmetallische Flüssigkeiten geeignete Kreisel-, Axial-, Membran- oder ähnliche Pumpen verwendet werden.

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Um zu verhüten, daß der Schwerwassermoderator kocht und un; die notwendige Reaktivität des Reaktors aufrecht zu erhalten, kann schweres Wasser ständig durch einen Schwerwasser-Wärmetauscher zur Temperaturregelung gepumpt werden. Pur eine Notabschaltung kann ein Sohnellablai3behälter mit gasgesteuerten Pegelreglarn für das Schwerwasser eingebaut werden, so daß im Notfall der Gasdruck verringert werden kann.und das schwere Wasser in den Schnellablaßbehälter flie3t und den Reaktor abschaltet. Normalerweise jedoch wird zur Füllung des Schwerwasserbehälters das schwere Wasser ständig vom Ablaöbehälter zum Moderatorbehälter gepumpt und dann über das Ablaßventil abgelassen.

Zur Peinsteuerung des Reaktors kann die Temperatur des schweren Wassers abgeändert werden, obwohl diese normalerweise so niedrig wie möglich sein sollte. Die Steuerung kann zweckdienlich und vorzugsweise mit einem Tauchrohr durchgeführt werden, mittels Einführung eines geeigneten Sases wie beispielsweise Helium.

Der Kern des Reaktors ist vorzugsweise in einem geeigneten Reaktorgebäude untergebracht, das einen ausreichend abgeschirmten Kopfraum oberhalb des Reaktorkerns für den Einsatz und die Entnahme der Brennstoffelementen-Wärmetauscher-Aggregate vorsiaht. Der Bereich oberhalb des Kernes kann vorzugs weise von einem Kran überfahren werden, der fernge steuert in dem aktiven Bereich arbeiten kann. Ein solcher Kran kann gegebenenfalls aus dem aktiven Bereich in eine Stellung in einem nichtaktiven Bereich fahren. Es gibt zwei Hauptgründe für diese Anordnung. Erstens können verschiedene über größere Entfernung

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arbeitende Maschinen an dein Kran befestigt werden, beispielsweise eine für die Erennstoffnr-i.jhfuhr, ei^o andere für das Ein- und Ausschalten der verschiedenen V lbindungen für den Einbau und die Entfei'nunrr der Brennstof felementen-Wür-metauschc ütgregate aus dem Reaktorkern. Zweitens können der Kran und die Mechanismen in befriedigender Heise gewartet werden, am einen einwandfreien Betrieb derselben zu gewährleisten. Dor nichtaktive Bereich, in dem der Kran sich bewegen kann, kann als eine Aufnahmeabteilung für ein Brennstoffelementen-Wärrnetauscher-Aggrega.t ausgebildet sein.

Es kann ein geeigneter Betriebskran verwendet werden, um diese Aggregate von den Leerstellen in eine geeignete Stellung zu>n Hochheben und schließlich in den Reaktorkern in die richtige Stellung zu bringen.

Die aktiven Brennstoffelementen-Wärmetauseher-Aggregate, die aus dem Kern entfernt werden, können auch in einer ähnlichen abgeschirmten Abteilung mit der gleichen Lagerkapazität gelagert werden. In diesem Fall wird der Betriebskran oberhalb der Lagergestelle fernbedient und die Beförderung des Aggregates von dieser Abteilung zur endgültigen We^beförderung von der Anlage Kann ebenfalls ferngesteuert weiden.

Die ferngesteuerten Vorrichtungen am Oberteil des Reaktorkerns können weiterhin zum Ein- oder Auskuppeln der verschiedenen Anschlüsse an die Brennstoffel ementen-Wärme tauscher-Aggregate ausgebildet sein. Solche Anschlüsse, die für jedes Brennstoff elementen-Wärmetauscher-Aggregat vorgesehen sind, sind z.B. solche für Wasser- oder Dampfrohre, elektrische Verbindungen, Steueransohlüsse, Anschlüsse zur Entfernung von Spaltprodukten usw.

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Das Reaktorgebäude kann außerdem an geeigneten Stellen um den Reaktorkern herum andere herkömmliche Anlagen aufweisen, wie eine Turbinenhalle, Kontrollräume o.dgl.

Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der durch dieselbe erzielten Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Brennstoffelementes nach der Erfindung,

Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt durch Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Brennstoffelementes nach der Erfindung,

Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt durch Fig. 3*

Pig· 5 gibt einen schematischen Querschnitt

einer geänderten Ausführungsform gemäß Fig. J und 4 wieder,

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Aueführungsform dee Brennstoffelementes nmoh der Erfindung,

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Pig. 7 ist ein Querschnitt durch einen

bevorzugten Aufbau des Brennstoffelementes nach der Erfindung,

Pig. 8 stellt einen Querschnitt durch das Brennstoffelement entlang der Linie A-A gemäß Pig. 7 dar,

Pig. 9 stellt den Aufriß eines Kernreaktors mit Brennstoffelementen nach der Erfindung dar.

Pig. 1 bis 6 stellen schematisch Brennstoffelemente für einen Kernreaktor dar, die jeweils aus einem rohrförmigen Brennstoffbehälter 1 mit einem oder mehreren darin angeordneten als KUhlleitungen dienenden Räumen E bestehen, die parallel und benachbart zur Längsachse des Brennstoffbehälters angeordnet sind, um einen Brennstoffraum 2 im Brennstoffbehälter 1 zu bilden. Körner des Kernbrennstoffes F können in den Brennst of fr.aum 2 um die Kühlleitung (en) herumgepaokt werden. Die Kühlleitung (en) E sind mit einer öffnung oder öffnungen P versehen, um das Kühlmittel naoh erfolgtem Wärmeaustausch mit den gepackten Kernbrennstoffkörnern P zu einer geeigneten Kühlmitte !entnahmevorrichtung D zu führen. Eine Brennstoff zufuhrvorrichtung A und eine Brennstoffentnahmevorrichtung B sind an den entgegengesetzten Enden des Brennstoffbehälters^angeordnet und ermöglichen die Zufuhr oder Entnahme des körnigen Kernbrennstoffes F naoh Wunsoh.

Oemäfi Pig. 1 und 2 let die Kühlleitung B eine einzige Leitung mit kreisförmigem Querschnitt, die kon- zehtrleoh innerhalb dee Brennstoffbehälter· 1 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist und mit öff nungen P an Ihren Enden versehen ist« die den KUhI-

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mitteleinlaß bei G bzw. den Kühlmittelauslaß bei H bilden, wobei der Auslaß H in Verbindung mitjbiner geeigneten KUhlmitte!entnahmevorrichtung D steht. Der körnige Kernbrennstoff P wird in den Brennstoffraum 2 mittels einer geeigneten Brennstoffzufuhrvorrichtung A eingeführt und von dort mittels einer geeigneten Brennstoffentnahmevorrichtung B am entgegengesetzten Ende des Brennstoffelementes entnommen. Das Kühlmittel bewegt sich in Gegenstromrichtung zum Kernbrennstoff und steht in einem Wärmeaustauschverhältnis mit dem Brennstoff durch die Wandung der Kühlmittelleitung E hindurch. Wahlweise kann das Kühlmittel auch in gleicher Richtung wie der Kernbrennstoff fließen.

Nach der AusfUhrungsform gemäß Fig. jj und sind zwei Kühlleitungen E mit kreisförmigem Querschnitt parallel und benachbart zur Längsachse des Brennstoffbehälters 1 angeordnet und die Kühlmittelentnahmevorrichtung umfaßt zwei in gleicher Weise angeordnete Röhren D mit kreisförmigem Querschnitt. Der Kühlmitteleinlaß in die Leitungen E erfolgt bei G und der Kühlmittelauslaß aus den Röhren D erfolgt bei H. Gemäß Darstellung in den Zeichnungen sind die unteren Enden der Leitungen E und D gegenüber G und H abgeschlossen, doch kann das Kühlmittel durch die Leitungen E und D durch öffnungen P strömen, so daß das Kühlmittel durch die Hohlräume zwischen den gepackten Körnern des Kernbrennstoffes P im Brennstoffraum 2 strömen kann und in direkter Berührung mit diesem einen wirksamen Wärmeaustausch bewirkt.

Die AusfUhrungsform gemäß Fig. 5 ähnelt im

allgemeinen der AusfUhrungeform gemäß Fig. 3 und 4,

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die Leitungen E und D werden hier jedoch nicht durch getrennte Röhren gebildet, sondern durch ein einziges Rohr mit kreisförmigem Querschnitt, das innen in Längsrichtung unterteilt ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6, die für ein gasförmiges Kühlmittel geeignet ist, wird das Kühlmittel durch den Einlaß G in die Kühlmittelleitung E eingeführt, von wo es durch die öffnungen P in den Brennstoffraum 2, dort durch die Hohlräume zwischen dem gepackten Kernbrennstoff P, durch weitere öffnungen Pin die ringraumförmige Kühlmittelentnahmeleitung D strömt. Dieser Ringraum wird zwiscdien dem Brennstoffbehälter 1 mit kreisförmigem Querschnitt und einem Außenrohr mit kreisförmigem Querschnitt mit größerem Durchmesser gebildet, das konzentrisch zum Brennstoffbehälter 1 angeordnet ist. Der Ringraum D führt zu dem Kühlmittelauslaß H. Auch hier sind die Leitungen E und D an den Enden abgeschlossen, die G und H gegenüberliegen.

Bei der Ausführungsform gemäß Pig. 7 und 8 wird das Kühlmittel durch den Kühlmitteleinlaß G in die Kühlmittelleitung E eingeführt, die aus einem einzigen Rohr mit kreisförmigem Querschnitt

besteht, von wo das Kühlmittel durch die öffnung P zum entgegengesetzten Ende der Kühlmittelleitung in den Brennstoffraum 2 strömt, der durch den Ringraum zwischen der Kühlmittelleitung E und dem konzentrisch angeordneten Brennstoffbehälter 1 mit kreisförmigem Querschnitt gebildet wird. Das Kühl mittel strömt zu dem Kühlmittelauslaß H durch die Hohlräume zwischen den gepackten Körnern des Kernbrennstoffes F, der In den Brennstoffraum 2 duroh

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eine geeignete Brennstoffzufuhrvorrichtung A eingeführt wird und von dort durch eine Brennstoffentnahmevorrichtung B entfernt wird. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Brennstoffentnahmevorrichtung einen Stab j$ aus geeignetem Material, der in der Langsachse des Brennstoffbehälters angeordnet ist und die Brennstoffehtnahmeöffnung 4 am Boden des Brennstoffbehälters 1 durch Auf- und Abbewegung des sich nach unten verjüngenden Stöpsels 5 öffnet und schließt.

Konzentrisch um die Außenwandung des Brennstoffbehälters 1 ist ein weiteres Rohr 6 mit kreisförmigem Querschnitt aus geeignetem Material mit einem größeren Durchmesser als der Brennstoffbehälter 1 angeordnet, um einen Ringraum 7 um den Brennstoffbehälter herum zu bilden, wobei dieser Ringraum 7 mit einem geeigneten. Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Helium, gefüllt ist, um einen Gas-Wärmeschild um den Brennstoffbehälter zu bilden. Das Gas wird vorzugsweise unter einem etvje über dem atmosphärischen Druck liegenden Druck gehalten, während der Druck im Brennatoffraum 2 auf dem niedrigstmöglichen Wert gehalten werden kann, indem sämtliche ständigen Gase entfernt werden. Auf jeden Pail sollte hier ein niedrigerer Druck als im Gas-Wärmeschild herrschen.

In Fig. 9 bezeichnet 14 ein Brennstoffelement gtraäß Pig. 7 oder 8 als auswechselbare Einheit mit dem bevorzugten Wärmetauscher 15, Die Brennstoffelementen-Wärmetauscher-Einheit ist senkrecht angeordnet, wobei der Wärmetauscher oberhalb der oberen Betonabeohirmung de« Reaktors angeordnet 1st und wobei das Brennstoffelement 14 sioh durch die obere

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Abschirmung 16 in den Moderatorbehälter 17 erstreckt, der mit schwerem Wasser 18 sefüllt ist. Das Außenrohr 6 der Gasabschirmung des Brennstoffelementes gemäß Pig. 8 ist in geeigneter Weise zum Teil mit einem Schwerwasser-Callandria-Rohr 19 umgeben, das sich durch den Schwerwasserbehälter 17 von dessen Oberseite bis zu dessen Unterseite erstreckt und zum anderen Teil mit einem Metallrohr 20, das sich durch die obere Abschirmung 16 bis zur Oberseite des Schwerwasserbehälters 17 erstreckt. Die Brennstoffelement-Wärmetauscher-Einheit ist so ausgebildet, daß sie in den durch die Rohre 1f und 20 gebildeten Durchlaß eingebaut werden kann.

Ein Metallrohr 21, ähnlich Rohr 20, erstreckt sich von der Unterseite des Schwerwasserbehälters durch die untere Abschirmung 22, am eine Verbindung der Entnahmevorrichtung für verbrauchten Brennstoff des Brennstoffelementes zu einer geeigneten Brennstoff entnahmoanlage 23, die unterhalb der Bodenabsohirmung 22 angeordnet sind, herstellen zu können.

Frischer, kornförmiger Kernbrennstoff wird dem Brennstoffraum im Brennstoffelement von einer geeigneten Frischbrennstoffzufuhrvorrichtung 24 durch ein Isolierventil 25 und ein Brennstoffzufuhrrohr 26 zugeführt.

Weitere auswechselbare Brennstoffelementen-Wärmetauscher-Einheiten können an weiteren Stellen des Reaktors angeordnet werden, die im allgemeinen durch ihre Mittelachse 27 In über eins tiUnmung mit den Anforderungen des jeweiligen Kernreaktors gegeben sind, wobei der Abstand der Kernbrennstoffaggregate in Beziehung zU der Gitteranordnung und

den Abmessungen des Reaktorkerns steht. _,....

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Claims

H89636 Patentansprüche :

1.) Brennstoffelement In rohrförrniger Ausbildung für~~Kernreaktoren, wobei der Brennstoff körniger Konsistenz in einem sich in Achsrichtung erstrec kenden Hingraum eingebracht ist und des weiteren ein oder mehrere, sich in Achsrichtung erstreckende Räume zur Zu- und Abfuhr des Kühlmittels vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass neben den in an sich bekannter Weise vorgesehenen Anschlüssen (G und H) zur Zu- und Abfuhr des Kühlmittels weiterhin Anschlüsse Qi und B) zur Zu- und Abfuhr des Brennstoffes während des Betriebes des Reaktors vorgesehen sind.

2.) Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen senkrechter Ausrichtung de» rohrförmigen Brennstoffelementea der bzw. die Anschlüsse (A) zur Zufuhr des Brennstoffes an dessen oberem Ende und der bzw. die Anschlüsse (B) zur Abfuhr des Brennstoffes an seinem unteren Ende vorgesehen sind.

3·) Brennstoffelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Brennstoffabfuhr ein Stab (^) aus geeignetem Werkstoff vorgesehen ist, der sich in der Längsaohse des Brennstoffelementes erstreckt und, von seinem oberen Ende aus bedienbar, die Brennstoffabfuhröffnung (4) am un teren Ende des Brennstoffelementes mittels eines Stöpsels (5) öffnet und schliesst.

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4.) Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis J5, dadurch gekennzeichnet, daß die KUhlmittelleitung als einziges Rohr (Ef mit kreisförmigem Querschnitt koaxial zum Brennstoffelement im Innern desselben mit der Kühlmittelzufuhr (G) am einen und der KUhI-mittelabfuhr (H) am anderen Ende des Brennstoffelementes ausgebildet ist.

5·) Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzufuhr (G) am oberen Ende des Brennstoffelementes vorgesehen ist und über ein einziges inneres koaxiales Rohr erfolgt und die Kühlmittelabfuhr (H) ebenfalls am oberen Ende des Brennstoffelementes angeordnet ist.

6.) Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlmittelzufuhr wenigstens zwei Rohre (E,D) vorgesehen sind, welche mit Übertrittsöffnungen (P) für das Kühlmittel in den Brennstoffraum (2) versehen sind und von welchen eines (E) zur Zufuhr, das andere (D) zur Abfuhr des Kühlmittels dient, wobei Zu- und Abfuhr (G,H) am gleichen Ende des Brennstoffelementes vorgesehen sind·

7.) Brennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abfuhrleitungen für das Kühlmittel als Sektoren (D,E) eines ein- •ig«n Rohres mit kreisförmigem Querschnitt und entspreohenden Trennwänden zwischen den Sektoren (D,B) ausgebildet sind.

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8.) Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß um den Außenmantel des Brennstoffelementes ein GasabschLrmungsraum vorgesehen ist, der unter höherem Druck als der Innenraum des Brennstoffelementes steht.

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