DE1489636C - Brennstoffelement für einen Kern reaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit rohrförmig ausgebildetem und zur Füllung mit Brennstoff körniger Konsistenz geeignetem und bestimmtem Brennstoffbehälter sowie mit wenigstens zwei in Längsrichtung des Brennstoff-•behälters verlaufenden Kühlmittelleitungen, die eine Vielzahl von in Längsrichtung im Abstand voneinander liegenden, mit dem Brennstoffraum in Verbindung stehenden Öffnungen zur Ausbildung eines im allgemeinen radial durch den Brennstoffraum erfolgenden Kühlmittelflusses aufweisen und zur Verbindung mit einer Kühlmittelzufuhr bzw. einer Kühlmittelabfuhr vorgesehen sind.

Die Körner des Kernbrennstoffes können in dem Brennstoffraum entlang den Kühlmittelleitungen gepackt werden. Das Kühlmittel steht im Wärmeaustausch mit den gepackten Brennstoffkörnern.

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 Brennstoffkörner kann jedes geeignete Brennstoffmaterial wie Uran, Urankarbid, Uranlegierungen beispielsweise mit Metallen wie Zirkon, Molybdän, Niobium usw., oder geeignete Plutoniumverbindungen oder gemischte Plutonium-Verbindungen sein. Mischungen von U-¹⁵ oder U²''³ mit Thorium, die höhere Umsetzungsverhältnisse als Uran allein ergeben, können ebenfalls verwendet werden. Des weiteren können die Brennstoifkörner angereicherten Kernbrennstoff enthalten, besonders für kleinere Reaktoren.' Außerdem können die Brennstoffkörner umkleidet oder unverkleidet sein.

Ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit rohrförmig ausgebildetem Brennstoffbehälter zeigt z. B. die deutsche Patentschrift 952 919. Oberhalb dieses Brennstoffbehälters sind Öffnungen für die Zufuhr, an seinem unteren Ende ist eine öffnung für die Entnahme des kornförmigen ' Brennstoffes während des Betriebes vorgesehen. Um den Behälter herum sind konzentrisch übereinander zwei ringförmige Spalte vorgesehen, durch die ein Teil des Kühlmittels strömt. In der Hauptsache strömt das Kühlmittel jedoch durch Öffnungen im Boden des Behälters in den Bfennstoffraum ein, wo es durch seinen Druck die Brennstoffkörner in den kritischen Bereich anheben soll, und durch Öffnungen am oberen Ende des Behälters ab. Im Innern des Behälters befinden sich keine Kühlmittelleitungen.

Ein anderes Brennstoffelement mit rohrförmig ausgebildetem Brennstoffbehälter ist der deutschen Auslegeschrift 1041177 zu entnehmen. Dieses weist einen ringförmigen Brennstoffraum auf, der zwischen zwei koaxialen Zylindern mit Durchbrechungen liegt, wobei ein Kühlmitteldurchlaß innerhalb des ringförmigen Brennstoffraumes und ein weiterer Kühlmitteldurchlaß außerhalb des Brennstoffraumes vorgesehen ist. Der Kühlmittelfluß durch den Brennstoffraum findet im wesentlichen in radialer Richtung durch in den Wänden des Brennstoffraumes vorgesehene Öffnungen statt. Die Anordnung eines Kühlmittelraumes außerhalb des Brennstoffraumes wie bei diesem vorbekannten Brennstoffelement ist durchaus brauchbar, wenn gasförmige Kühlmittel von niedrigem Neutronenabsorptionsquerschnitt angewendet werden. Wird" jedoch ein Kühlmittel mit einem verhältnismäßig hohen Absorptionsquerschnitt verwendet,, wie etwa Natrium, bzw. wird mit einem Reaktor mit natürlichem Uran gearbeitet, muß die Kühlmittel-Neutronenabsorption auf einem Mindestwert gehalten werden. Dies kann nun erreicht werden, indem entweder die Menge des Kühlmittels beschränkt wird (was aber auch eine Beschränkung der Wärmeabführgeschwindigkeit zur Folge hat), oder dadurch, daß sich das Kühlmittel im Bereich des niedrigsten. Wärmeflusses im Reaktor befindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung der aufgezeigten Verhältnisse auf dem zweiten Wege zu erreichen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe ausgehend von dem eingangs beschriebenen Brennstoffelement dadurch, daß die Kühlmittelleitungen benachbart im Mittelbereich des Brennstoffbehälters so angeordnet sind, daß der Kühlmittelfluß von der mit der Kühlmittelzufuhr verbundenen Kühlmittelleitung über deren mit dem Brennstoffraum in Verbindung stehenden Öffnungen in letzteren radial nach außen und aus diesen wiederum radial nach innen zurück in die mit der Kühlmittelabfuhr in Verbindung stehende weitere Kühlmittelleitung verläuft.

Der Brennstoffraum ist also gemäß der Erfindung um mindestens zwei Kühlmittelleitungen herum angeordnet, wobei die eine für den Zufluß und die andere für den Abfluß des Kühlmittels dient. Der Kühlmittelfluß im Brennstoffraum ist hier also weitgehend axial und in Umfangsrichtung - ausgerichtet, nicht aber in radialer Richtung wie bei dem bekannten Brennstoffelement. Hieraus ergeben sich ganz wesentliche funktioneile Unterschiede beim Betrieb dieser Anlagen, die zu den gewünschten Verbesserungen führen. Das gesamte Natrium, falls solches als Kühlmittel verwendet wird, befindet sich beim erfindungsgemäßen Brennstoffelement im untersten Flußbereich, während bei dem vorbekannten Element sich ungefähr die Hälfte des Natriums in einem Flußbereich befindet, der höher ist als der Fluß im Brennstoff.

Ein Maß der Neutronenersparnis und damit einer Einsparung im Reaktorsystem ist der sogenannte Wärmeausnutzungsfaktor, der ein Maß des Teils der verfügbaren Neutronen ist, die nutzbar zur Spaltung des Brennstoffes verwendet werden können. Dieser Wärmeausnutzungsfaktor wurde bei dem vorbekannten Brennstoffelement mit ungefähr 0,88 berechnet. Für das erfindungsgemäße Brennstoffelement beträgt er 0,91. Dies bedeutet eine weitgehende Verbesserung, die insbesondere in Reaktoren besonders wichtig ist, die mit natürlichem Uran als Brennstoff arbeiten. Diese Verbesserung kann zur Überschreitung des kritischen Punktes führen, der ansonsten gegebenenfalls nicht erreicht werden könnte. Die verbesserte Wärmeausnutzung läßt sich schon aus den erwähnten Fließmustern des Kühlmittelflusses erklären.

Die Kühlmittelleitungen können aus einem Stück bestehen und durch eine Trennwand voneinander getrennt sein. Die Kühlmittelleitungen können des weiteren am gleichen Ende mit Anschlüssen für die Kühlmittelzufuhr und die Kühlmittelabfuhr versehen sein.

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Selbstverständlich müssen die Öffnungen in den Kühlmittelleitungen in Verbindung mit dem Brennstoffraum klein genug sein, um das Hindurchtreten der Brennstoffkörner verhindern zu können.

Die Brennstoffelemente nach der 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 als diejenigen, die mit dem Bau eines Druckbehälters einhergehen. Die einzigen Hochtemperaturbauteile in dem Reaktorkern sind die Brennstoffelemente, die von dem Moderator durch einen Gas-Wärmeschild getrennt sein können. Dieses isolierende Gas, beispielsweise Helium, kann unter einem etwas über-, atmosphärischen Druck gehalten werden, während der Druck im Brennstoffelement auf dem niedrigstmöglichen Wert gehalten 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.

Nachstehend wird an Hand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindungsgegenstand nochmals näher beschrieben. '■

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Brennstoffelementes nach der Erfindung im Längsschnitt;

Fig. 2 ist ein. schematischer Querschnitt durch Fig.l;

Fig. 3 gibt einen schematischen Querschnitt einer geänderten Ausführungsform wieder.

Die Brennstoffelemente für einen Kernreaktor bestehen jeweils aus einem rohrförmigen Brennstoffbehälter 1 mit mehreren darin angeordneten Kühlleitungen D, E, die parallel und benachbart zur Längsachse des Brennstoffbehälters angeordnet sind. Zwischen diesen und der Außenwandung des Brennstoffbehälters I wird ein Brennstoffraum 2 gebildet. Körner des Kernbrennstoffes F können in den Brennstoffraum 2 um die Kühlleitungen herumgepackt werden. Die Kühlleitungen D, E sind mit öffnungen P versehen, um einen Durchtritt des Kühlmittels in den bzw. aus dem Brennstoffraum 2 zu erlauben. Eine Brennstoffzufuhr A und eine Brennstoffentnahme D sind an den entgegengesetzten Enden des Brennstoffbehälters 1 angeordnet und ermöglichen die Zufuhr oder Entnahme des körnigen Kernbrennstoffes F nach Wunsch.

Nach der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 sind zwei Kühlleitungen E zur Kühlmittelzufuhr mit kreisförmigem Querschnitt parallel und benachbart zur Längsachse des Brennstoffbehälters 1 angeordnet und zwei ebensolche Kühlmittelleitungen D zur Kühlmittelabfuhr vorgesehen. Die Kühlmittelzufuhr in die Leitungen £ erfolgt bei G, und die Kühlmittelabfuhr aus den Leitungen D erfolgt bei H. Gemäß der Darstellung in der Zeichnung sind die unteren Enden der Leitungen E und D gegenüber G und H abgeschlossen, doch kann das Kühlmittel durch die Leitungen £ und D durch öffnungen P strömen, so daß das Kühlmittel durch die Hohlräume zwischen den gepackten Körnern des Kernbrennstoffes F im Brennstoffraum 2 strömen kann und in direkter Berührung mit diesem einen wirksamen Wärmeaustausch bewirkt.

Die Ausführungsform gemäß der F i g. 3 ähnelt im allgemeinen der Ausführungsform gemäß den F i g. 1 und 2; die Leitungen £ und D werden hier jedoch nicht durch getrennte Röhren gebildet, sondem durch ein einziges Rohr mit kreisförmigem Querschnitt, das innen in Längsrichtung unterteilt ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit rohrförmig ausgebildetem und zur Füllung mit Brennstoff körniger Konsistenz geeignetem und bestimmtem Brennstoffbehälter sowie mit wenigstens zwei in Längsrichtung des Brennstoffbehäl- ters verlaufenden Kühlmittelleitungen, die eine Vielzahl von in Längsrichtung im Abstand voneinander liegenden, mit dem Brennstoffraum in Verbindung stehenden Öffnungen zur Ausbildung eines im allgemeinen radial durch den Brennstoffraum erfolgenden Kühlmittelflusses aufweisen und zur Verbindung mit einer Kühlmittelzufuhr bzw. einer Kühlmittelabfuhr vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (D, E) benachbart im Mittel-· bereich des Brennstoffbehälters (1) so angeordnet sind, daß der Kühlmittelfluß von der mit der Kühlmittelzufuhr verbundenen Kühlmittelleitung (E) über die öffnungen (P) in den Brennstoffraum (2) radial nach außen und aus dem Brennstoff-

raum radial nach innen zurück in die mit der Kühlmittelabfuhr in Verbindung stehende Kühlmittelleitung (D) verläuft.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (D, E) aus einem Stück bestehen und durch eine Trennwand voneinander getrennt sind.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (D, E) am gleichen Ende mit Anschlüssen

für die Kühlmittelzufuhr und die Küiilmittelabfulir versehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen