DE1564001C3

DE1564001C3 - Device for testing fissile material elements intended for nuclear reactors with high power density and high coolant temperature

Info

Publication number: DE1564001C3
Application number: DE19661564001
Authority: DE
Inventors: Heinz 7521 Büchenau; Bojarsky Eberhard Dipl.-Ing.; 7501 Leopoldshafen Hafner
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1966-05-06
Filing date: 1966-05-06
Publication date: 1976-04-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Prüfen von für Kernreaktoren hoher Leistungsdichte und hoher Kühlmitteltemperatur bestimmten Spaltstoffelementen in einem mit einem Kühlmittel im Bereich von 50⁰C betriebenen Versuchsreaktor, bei der die Spaltstoffelemente von mindestens zwei durch koaxial angeordnete Kapselrohre voneinander bzw. gegen das Kühlmittel des Versuchsreaktors getrennten Ringräumen umschlossen sind, von denen der innerste, die Spaltstoffelemente unmittelbar umgebende Ringraum mit dem für den Kernreaktor hoher Leistungsdichte und hoher Kühlmitteltemperatur bestimmten Kühlmittel gefüllt ist.The invention relates to a device for testing high for nuclear reactors power density and high coolant temperature predetermined gap material elements in a system operated with a coolant in the range of 50 ⁰ C test reactor, in which the fissile material elements of at least two spaced through coaxially capsule pipes from each other or against the coolant of the experimental reactor separate annular spaces are enclosed, of which the innermost annular space immediately surrounding the fissile material elements is filled with the coolant intended for the nuclear reactor of high power density and high coolant temperature.

Prüfeinrichtungen dieser Art werden dazu verwendet, die verschiedenen interessierenden Eigenschaften eines Spaltstoffelementes zu ermitteln, das für den Einsatz in einem Leistungsreaktor ausgelegt ist. Da jedoch die äußeren Bedingungen, wie sie in einem Versuchsreaktor herrschen, sich normalerweise stark von denen in einem Leistungsreaktor unterscheiden, ist es notwendig, besondere Einrichtungen vorzusehen, durch die in bezug auf das zu untersuchende Spaltstoffelement dem Leistungsreaktor weitgehend ähnliche oder äquivalente Verhältnisse geschaffen werden.Test facilities of this type are used to determine the various properties of interest to determine a fissile material element that is designed for use in a power reactor. However, since the external conditions prevailing in an experimental reactor are usually very different from those in differ from a power reactor, it is necessary to provide special facilities through which in largely similar or equivalent to the power reactor with regard to the fissile material element to be investigated Relationships are created.

Hierzu sind sogenannte »Loops« bekannt, bei denen der Prüfling mit einem von der Versuchsreaktor-Primärkühlung unabhängigen Kühlmittel — z. B. mit demjenigen des geplanten Leistungsreaktors — gekühlt wird. Diese Experimentiereinrichtung sind jedoch sehr aufwendig.For this purpose, so-called "loops" are known, in which the test specimen is cooled with one of the test reactor's primary cooling independent coolant - e.g. B. with that of the planned power reactor - cooled will. However, these experimental devices are very expensive.

Es ist bereits eine Einrichtung zum Prüfen von für • Kernreaktoren hoher Leistungsdichte und hoher Kühlmitteltemperatur bestimmten Spaltstoffelementen in einem Versuchsreaktor bekannt. Dabei werden die Spaltstoffelemente von mindestens zwei durch koaxial angeordnete Kapselrohre voneinander bzw. gegen das Kühlmittel des Reaktors getrennten Ringräumen umschlossen, von denen der innerste die Spaltstoffelemente unmittelbar umgibt und mit dem für den Kernreaktor hoher Leistungsdichte und hoher Kühlmitteltemperatur bestimmten Kühlmittel gefüllt ist. Die hier vorliegenden Ringräume sind jedoch ausschließlich aus Sicherheitsgründen vorgesehen und bedingen einen erheblichen experimentellen Aufwand.It is already a facility for testing high power density and high coolant temperature • for nuclear reactors certain fissile material elements known in an experimental reactor. The Fissile material elements of at least two by coaxially arranged capsule tubes from each other or against the Coolant of the reactor enclosed separate annular spaces, of which the innermost the fissile material elements immediately surrounds and with the high power density and high coolant temperature for the nuclear reactor certain coolant is filled. However, the present annular spaces are exclusively off Provided for safety reasons and require a considerable experimental effort.

Demgegenüber hat die Erfindung zur Aufgabe, gleichzeitig die für ein brauchbares Versuchsergebnis notwendigen thermodynamischen und technologischen Gegebenheiten, wie sie in einem entsprechenden Leistungsreaktor zu erwarten sind, auf sehr viel einfachere Weise zu simulieren. Dabei sollen für den Betrieb der Versuchseinrichtung keine nennenswerten zusätzlichen Hilfseinrichtungen benötigt werden, und auch bei langen Bestrahlungszeiten eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet sein. Die Bestrahlungseinrichtung soll auch für sehr lange, dünne Spaltstoffelemente mit hohen Stableistungen verwendbar sein.In contrast, the invention has for its object, at the same time, for a useful test result necessary thermodynamic and technological conditions, such as those in a corresponding power reactor can be expected to simulate in a much simpler way. For the operation of the Experimental facility no noteworthy additional auxiliary facilities are required, and even with long Irradiation times, a high level of operational safety can be guaranteed. The irradiation facility should can also be used for very long, thin fissile material elements with high rod capacities.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung dieser Aufgabe bei einer wie eingangs beschriebenen Einrichtung darin, daß die Füllung des äußeren, vom Kühlmittel des Versuchsreaktors durch das äußere Kapselrohr getrennten Ringraums aus einer annähernd eutektischen Blei-Wismut-Legierung zur gleichmäßigen Wärmeübertragung auf das Kühlmittel des Versuchsreaktors im Bereich des äußeren Kapselrohres besteht.
Enthält der innere Ringraum z. B. Natrium oder Natrium-Kalium als Originalkühlmittel und ist als Versuchskühlmittel Wasser vorgesehen, so kann als Füllung für den äußeren Ringraum vorteilhafterweise die erwähnte, annähernd eutektische Blei-Wismut-Legierung verwendet werden. Dadurch wird das Natrium einerseits gegenüber dem Wasser räumlich isoliert, so daß eine chemische Reaktion zwischen Natrium und Wasser auch beim Bruch eines Kapselrohres praktisch ausgeschlossen ist. Andererseits entstehen während der Aufheizperiode nur geringe Wärmespannungen, da eine annähernd eutektische Blei-Wismut-Legierung so gut wie keine Schmelzexpansion hat. Die Versuchseinrichtung nach der Erfindung ist daher auch für die Prüfung sehr langer Spaltstoffelemente geeignet.According to the invention, the solution to this problem in a device as described above is that the filling of the outer, separated from the coolant of the experimental reactor by the outer capsule tube annulus from an approximately eutectic lead-bismuth alloy for uniform heat transfer to the coolant of the experimental reactor in the area of the outer capsule tube consists.
If the inner annulus contains z. B. sodium or sodium-potassium as the original coolant and if water is provided as the test coolant, the above-mentioned, approximately eutectic lead-bismuth alloy can advantageously be used as the filling for the outer annulus. As a result, the sodium is spatially isolated from the water on the one hand, so that a chemical reaction between sodium and water is practically impossible even if a capsule tube breaks. On the other hand, only slight thermal stresses arise during the heating-up period, since an almost eutectic lead-bismuth alloy has almost no melt expansion. The test device according to the invention is therefore also suitable for testing very long fissile material elements.

Der besondere Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung besteht daneben noch darin, daß auf diese Weise in dem Spaltstoffelement während des Versuchs dieselbe Leistungsdichte und Temperatur erreicht werden kann, die in einem Leistungsreaktor erwartet wird, für den das zu prüfenden Spaltstoffelement bestimmt ist.The particular advantage of the device according to the invention is also that in this way the same power density and temperature can be achieved in the fissile material element during the test that is expected in a power reactor for which the fissile material element to be tested is intended.

Ein Ausführungsbeispiel der Versuchseinrichtung nach der Erfindung für ein Spaltstoffelement, das von Natrium als Originalkühlmittel umschlossen ist und in einem wassergekühlten Reaktor erprobt werden soll, wird an Hand der Zeichnung erläutert:An embodiment of the test device according to the invention for a fissile material element, which of Sodium is enclosed as the original coolant and is to be tested in a water-cooled reactor, is explained on the basis of the drawing:

Das Spaltstoffelement 1 ist von zwei Kapselrohren 2, 3 umgeben, durch die die mit Natrium bzw. mit Blei-Wismut gefüllten inneren und äußeren Ringräume 4, 5 gebildet werden. An den Enden des Spaltstoffele-The fissile material element 1 is surrounded by two capsule tubes 2, 3, through which the sodium or with Lead-bismuth-filled inner and outer annular spaces 4, 5 are formed. At the ends of the fissile material

ments 1 sind Führungs- und Halteteile 6,7,8 zur Festlegung der Lage der Kapselrohre bzw. der Spaltstoffelemente gegeneinander vorgesehen. Das Kapselrohr 3, das zusammen mit dem Führungsrohr 9 einen Kanal für das Kühlwasser des Versuchsreaktors bildet, ist an seinem einen Ende mit einer Kappe 10 verschlossen. Die Kappe 10 weist eine hinterdrehte Bohrung 11 auf, in die mehrere Klauen einer auf das Halteteil 6 aufgeschraubten Spreizmuffe 12 greifen. Kapselrohr 2 und Spaltstoffelement 1 sind dadurch in axialer Richtung gesichert, sie können jedoch nach dem Versuch aus dem Kapselt ohr 3 gegen den Federwiderstand der Klauen herausgezogen werden. In den Ringraum 4 ragen einseitig geschlossene, von Distanzstücken 13 gehaltene Rohre 14 hinein zur Aufnahme von Thermoelementen 15. Der Außenmantel der Rohre 14 ist gasdicht und drucksicher in dem Halteteil 8 befestigt.ments 1 are guide and holding parts 6,7,8 for the definition the position of the capsule tubes or the fissile material elements provided against each other. The capsule tube 3, which together with the guide tube 9 is a channel for which forms the cooling water of the experimental reactor is closed at one end with a cap 10. the The cap 10 has an undercut hole 11 into which several claws are screwed onto the holding part 6 Grip expansion sleeve 12. Capsule tube 2 and fuel element 1 are thereby in the axial direction secured, but you can after the attempt from the capsule ear 3 against the spring resistance of the Claws are pulled out. In the annular space 4, closed on one side, held by spacers 13 protrude Tubes 14 in for receiving thermocouples 15. The outer jacket of the tubes 14 is gas-tight and fastened in a pressure-proof manner in the holding part 8.

Da an den Enden der Spaltstoffelemente nur eine geringe oder gar keine Wärme mehr erzeugt wird, ist in diesen Bereichen eine die Wärmeabfuhr erschwerende zusätzliche Wärmedämmung in Form von gasgefüllten Ringspalten 16 vorgesehen, die von hinterdrehten, über das äußere Kapselrohr 3 gezogenen Rohren 17 gebildet werden. Bei geeigneter Bemessung der Spaltweite stellt sich eine bestimmte Innentemperatur ein, die es ermöglicht, daß auch in diesen Bereichen während des Betriebs das Natrium und das Blei-Wismut in flüssiger Form vorliegen.Since little or no heat is generated at the ends of the fissile material elements In these areas, additional thermal insulation in the form of gas-filled ones, which makes it difficult to dissipate heat Annular gaps 16 are provided, which are formed by back-turned tubes 17 drawn over the outer capsule tube 3 are formed. With a suitable dimensioning of the gap width, a certain internal temperature is set, which makes it possible that the sodium and the lead-bismuth in these areas during operation be in liquid form.

Ergänzend sei noch bemerkt, daß die Ringräume von den Kapselrohren gasdicht und druckfest umschlossen sind. Die Einfüllöffnung des an dem inneren Kapselrohr 2 befestigten Halteteiles 6 wird nach dem Einfüllen des Natriums dicht zugeschweißt.In addition, it should be noted that the annular spaces are enclosed by the capsule tubes in a gas-tight and pressure-tight manner are. The filling opening of the holding part 6 attached to the inner capsule tube 2 is opened after filling the Sodium tightly welded.

Bei einer Oberflächentemperatur des Spaltstoffelements, von z. B. 500 bis 700⁰C, sind die Ringräume so bemessen, daß das Kühlwasser des Versuchsreaktors bei einer mittleren Temperatur von etwa 50⁰C an keiner Stelle siedet. Infolge der guten Wärmeleitfähigkeit von Natrium herrscht in dem natriumgefüllten Ringraum ein relativ flacher Temperaturgradient. Die Wärmestromdichte nimmt entsprechend seiner radialen Ausdehnung stark ab. Der größere Temperaturabfall findet erst in dem äußeren, mit Blei-Wismut gefüllten Ringraum 5 statt. Um eine unkontrollierbare Konvektionsbewegung in diesem Ringraum 5 zu verhindern, können in diesen zusätzliche dünnwandige, mit Bohrungen versehene, nicht näher dargestellte Zwischenrohre eingesetzt werden. In dem inneren Ringraum 4 wird im allgemeinen bereits durch die Distanzstücke 13 für die Thermoelemente 15 eine Konvektion weitgehend vermieden, da hier die Temperaturunterschiede zwischen der Oberfläche des Spaltstoffelements und der Oberfläche des Kapselrohres 2 relativ gering sind. At a surface temperature of the fissile material element, of z. B. 500 to 700 ⁰ C, the annular spaces are dimensioned so that the cooling water of the test reactor ^{does not boil at an average temperature of about 50 0} C at any point. As a result of the good thermal conductivity of sodium, there is a relatively flat temperature gradient in the sodium-filled annulus. The heat flux density decreases sharply according to its radial expansion. The greater temperature drop only takes place in the outer, lead-bismuth-filled annular space 5. In order to prevent an uncontrollable convection movement in this annular space 5, additional thin-walled intermediate pipes, which are provided with bores and are not shown in detail, can be used in this. In the inner annular space 4, convection is generally already largely avoided by the spacers 13 for the thermocouples 15, since here the temperature differences between the surface of the fissile material element and the surface of the capsule tube 2 are relatively small.

Der ganze Versuchseinsatz ist vorteilhafterweise so bemessen, daß er der Größe eines normalen Brennelements für den Versuchsreaktor entspricht. Dadurch kann er in jede beliebige Brennelementposition eingesetzt werden.The entire experimental insert is advantageously dimensioned so that it is the size of a normal fuel assembly for the experimental reactor. This means that it can be used in any fuel element position will.

Der mit Blei-Wismut gefüllte äußere Ringraum 5 garantiert ein hohes Maß an Betriebssicherheit und thermodynamischer Stabilität — im Gegensatz beispielsweise zu dünnen Gasspalten. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist relativ einfach und billig. Die Empfindlichkeit gegen Maßabweichungen ist gering. The outer annular space 5 filled with lead-bismuth guarantees a high degree of operational safety and thermodynamic stability - in contrast, for example too thin gas gaps. The manufacture of the device according to the invention is relatively simple and cheap. The sensitivity to dimensional deviations is low.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for testing high power density and high coolant temperature for nuclear reactors certain fissile material elements in a operated with a coolant in the range of 50 ° C Experimental reactor in which the fissile material elements of at least two by coaxially arranged capsule tubes enclosed annular spaces separated from each other or from the coolant of the experimental reactor of which the innermost annular space immediately surrounding the fissile material elements with the coolant intended for the nuclear reactor with high power density and high coolant temperature is filled, characterized in that the filling, the outer, from the coolant of the Experimental reactor by the outer capsule tube (3) separated annulus (5) from an approximately eutectic lead-bismuth alloy for uniform heat transfer to the coolant of the Experimental reactor in the area of the outer capsule tube (3) consists.

2. Device according to claim 1, characterized in that in the annular spaces (4, 5) coaxially to the Capsule tubes (2, 3) arranged thin-walled intermediate tubes provided with bores are used are.

3. Device according to claim 1, characterized in that in the region of the ends of the fissile material elements (1) Gas-filled for additional thermal insulation, formed by further ducts (17) Annular gaps (16) are provided.

4. Device according to claim 1, characterized in that in the innermost annular space (4) several Thermocouples (15) are inserted into tubes (14) closed on one side, their position through Spacers (13) is set.