DE1564029A1 - Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

Dipping. F.Weickmann, Dr. Ing. A-Weickmann,
DIPL₁-PHYS-DR-K-FINCKEPATEN

8 MÜNCHEN Π, MDHLSTRASSE 2S, RUFNUMMER 483921V22

General Dynamics» Mt5 Park Avenue, New York» N.Y., USA

Brennelement für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft Brennelemente für Kernreaktoren- und insbesondere Brennelemente» welche sich für die Verwendung in gasgekUhlten Hochtemperatur-Kernreaktoren eignen.

Bei Kernreaktoren» welche mit hoher Leistung arbeiten und ein Kühlmittel zur Abführung der Wärme von.den Brennelementen im Reaktorkern benutzen, ist es wichtig» daß ein wirksamer Wärmeübergang vom Kernbrennmaterial in den Brennelementen auf den Kühlmittelstrom erzielt wird. Bs ist weiterhin wichtig, daß die Temperaturen in den einzelnen Brennelementen auf einem kastanten Wert gehalten werden» um thermische Ausdehnungsgradienten im Brennelement so gering lie möglich zu halten.

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Bei derartigen Reaktoren_t welche oft zur Erzeugung von brauchbaren Leistungen verwendet werden, ist es wesentlich» daß der Betrieb des Heaktorsysteme mit anderen, Systemen zur Erzeugung von brauchbaren Leistungen konkurrenzfähig ist. Ein wesentlicher» in die Leistungskosten eingehender Faktor ist die Aufwendigkeit der Brennelementherstellung, Es ist daher wesentlich, daß Brennelemente nicht nur hinsichtlich des Gesichtspunktes der Wärmeübertragung zwischen dem Kernbrennmaterial und dem KUhlmittelstrom, sondern auch im Hinblick auf geringe Kosten hergestellt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die grundsätzliche Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Brennelement zur Verwendung in Kernreaktoren anzugeben. Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, ein Brennelement anzugeben, welches einen guten Wärmetiber gang vom Kernbrennmaterial auf den KUhlmittelstrom gewährleistet und wirtschaftlich herzustellen ist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Brennelement anaugeben, welches sich speziell zur Verwendung in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren eignet, einfach in der Konstruktion ist und gute Strukturstabilität bei Betriebsbedingungen besitzt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Brennelement anzugeben, das sich zur Verwendung in einem Reaktorkern mit einem νβτη tlkalen Kühlmittelstrom eignet und auf verschiedenen vertikalen Niveaus im Reaktorkern angeordnet werden kann. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, einen aus einer Vielzahl von Brennelementen aufgebauten Reaktorkern anzugeben, wobei die Brennelemente den Austritt des Kühlmittels erleichtern, um

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eine größere Strömungsmenge des Kühlmittels in dem Teil des Reaktorkerns zugewährleisten, welcher auf der höchsten Temperatur arbeitet, ßs ist schließlich Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten, aus einer Vielzahl von Brennelementen aufgebauten Reaktorkern anzugeben» wobei die Brennelemente so ausgebildet sind» daß einzelne Brennelemente leicht ausgewechselt undm sowohl radial und axial relativ zum Zentrum des Kerns während einer neuen Beschickung mit Brennmaterial leicht in ihre Stellung gebracht werden können.

Bei einem Brennelement für Kernreaktoren ist daher gemäß der Erfindung vorgesehen« daß «in Block aus hitzebeständigem Material mit relativ guter Wärmeleitfähigkeit und relativ guten Hcutronenbremeelgentohaften verwendet wird, daß der Block ein Paar paralleler «bener Endflächen und mehrere zu den Endflächen Im wesentlichen senkrecht verlaufende Seltenflächen aufweist» daß der Querschnitt des Blocks parallel su seinen Endflächen so ausgebildet 1st« dass mehrere Blöcke zu einen zusammenhängenden Kerngebilde zusammengefügt werden können» daß der Block mehrere, axial verlaufende, sich vollkommen durch ihn erstreckende Kühllöcher aufweist und daß der Block mehrere Brennkammern zur Aufriame von Kernbrennmaterlal besitzt.

Weitere Einzelheiten 4er Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen anhand

der Figuren.

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Es zeigt:

Flg. 1 eine perspektivische Ansicht eines Brennelementes gemäß der Erfindung j

Fig. P eine schematische ebene Ansicht eines Teils eines Reaktor kerns, in dem die in Fig. 1 dargestellten Brennelemente verwendet werden j

Fig. 3 eine vergrößerte ebene Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Brennelementes j

Fig. h einen Querschnitt längs der Linie h-k in Fig. 3$

Fig. 5 eine der Fig. k entsprechende vergröß*erte Teilansioht einer Weiteren Brennelement-Ausführungsform.

Es hat sich gezeigt, daß Brennelemente in vorteilhafter Weise auf festen Blöcken aus hitzebeständigem Material hergestellt werden können, deren Höhe und Breite etwa gleich ist· Derartige Brennelementejfeönnen zur Bildung eines Reaktorkerns seitlich und übereinander in vertikalen Gruppen zusammengefügt werden« Dabei sind die Brennelemente in Querrichtung dichr aneinander angefügt, s ο daß unter Bildung eines zusammenhängenden HorizontalgefUfiee das Volumen des Reaktorkerns wirksam ausgenutzt wird» Die Blöcke besitzen einen geeigneten Horlzontalquerechnitt, bei·- spielsweise In Form eine regulären Polygons; bei einem derartigen polygonförmigen Querschnitt kann es sich vm ein Seahs-

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eck handeln.

Jeder als Einzelbrennelement dienende Block besitzt eine Vielzahl von Brennkammern und Kühllöchern mit gewünschter Orientierung» so daß das Kühlmittel axial durch die j-ruhllöeher strömen kann und die im Kernbrennmaterial erzeugte Wärme absorbiert. Die Kühllöcher erstrecken sich durch den gesamten Block und sind mit Kühllöchern in anderen Blöcken aneinandergereiht, so daß in einer einzigen vertikalen Säule von Blöcken zusammenhängende vertikale Durchlässe für das Kühlmittel vorhanden sind» welche sich von oben nach unten durch den Reaktorkern erstrecken.

Pig. 1 zeigt ein sechseckiges Brennelement 11 aus einem festen Block 13 aus hitzebeständigem Material mit je einer parallel ebenen obenen und unteren Endfläche I^ und 17· sowie mit 6 vertikalen Seitenflächen 19 von gleichen Abmessungen, welche senkrecht auf den Enflächen stehen. Wie aus der Figur ersichtlich» ist die Höhe und die Breite des Blockes I3 etwa gleich; es könnerife jedoch auch andere Abmessungen vorgesehen werden.

horizontale Querschnitt des Blockes 13 besitzt vorzugsweise die Form eines regulären Se ch.se cks_s obwohl auch andere geeignete Formen vorgesehen werden können· 3s können beispielsweise andere reguläre polygonale Formari wie Dreiecke .oder Quadrate verwendet werden. Auch nichtreguläre Formen, welche ein Horizontalaneinanderfügen öer Blöcke in zusammen-

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— ο ·■"

hängender Form ermöglichen, können ebenfalls verwendet werden, DLe dargestellte reguläre sechseckige Form ist jodoch bevorzugt, v/eil benachbarte Blöcke leicht zusammengefügt werden können» wobei eine Seitenfläche eines Blocks an der Seitenfläche eines angrenzenden Blockes anliegt (siehe Fig. 2). Damit wird der Raum zwischen den Blöcken und als Folge davon der durch diesen Raum tretende Kühlmittelfluß so klein wie möglich gehalten, was für einen wirksamen Reaktorbetrieb günstig ist. Darüber hinaus ergibt sich durch die Zusammenfügung von sechseckigen Blöcken 13 eine reJäiv gute ',juerhalterung der einzelnen Blöcke« Grundsätzlich, ist die Anordnung von aneinandergrenzenden Blocksäulen so beschaffen, daß lediglich zwischen den Seitenflächen 19 von Blöcken aneinander- \

\ grenzender Säulen ausreichend Raum vorhanden bleibt, welcher .j wegen der thermischen Ausdehnung erforderlich ist.

Die Blöcke 13 können aus irgendeinem geeigneten hitzebeständigen Material hergestellt werden» das bei den betrachteten Betriebstemperaturen des Kernreaktors gute strukturelle

Festigkeit und größenmäßige Stabilität besitzt. Weiterhin / soll das hitzebeständige Material relativ gute thermische Leitfähigkeit, gute Neutrcnenbremseigenschaften und einen geringen Neutronerteinf angquer schnitt besitzen. Vorzugsweise wird dichtes Graphit verwendet, Nichtbestrahltes Graphit mit einem Wärmeübertragungskoeffizienten von 0,1 Kalorien pro cm, Sekunde und ⁰C ist als geeignet zu betrachten,

aus den Fig» 3 und k zu ersehen ist, besitzt jedes

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sechseckige Brennelement 11 eine Vielzähl von Brennkammern udn eine Violzahl von KUhllöcliern 23 mit zweierlei Abmessungen, Die Brennakmraern 21 werden hergestellt, indem Löcher von,der oberen Lndfläche des Blockes 13 gebohrt v/erden, welche sich nach untbn bis in die Nähe der Unterseite des Blockes 13 ors trecken· Die Brennelementmlöcher werden vorzugsweise in Richtungen parallel zu den Kühllöchern 23 gebohrt, $ie Brennkammern 21 sind mit geeignetem Kernbrennmaterial 25 gefüllt.

Bei dem dargestellten brennelement 11 sind keine Vorkehrungen getroffene um Spaltprodukte aus den Brennkammern 21 abzuführen. Das verwendete Kernbrennmaterial 25 soll daher die Spaltprodukte gut festhalten« Obwohl jede geeignete Form von Kernmaterial 25 wie beispielsweise kompaktes Brennmaterial oder eine Brennmaterialpaste verwendet werden kann, werden die Brennkammern 21 Jedoch vorzugsweise mit dichten Packungen von mit einem überzug versehenen Kernbrennpartikeln gefüllt. Bei Verwendung von dichten Packungen von Kernbrennpartiekeln ist eine genaue Herstellung der Brennkammer 21 in den Brennelementen 11 nicht'erforderlich, um eine genaue Abmessungsübereinstimmung der Brennkammern und des Kernbrennmaterials zu erreichen.

Grundsätzlich können alle Kernbrennpartikel verwendet werden, welche Spaltprodukte festhalten und mit dem Material aus dem der Block 13 hergestellt ist, verträglich sind. In einem Graphit block können Kernbrennpar til:3l verwendet werden, welchs

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mit Spaltprodukt haltenden überzügen aus pyrolytischem Kohlenstoff versehen sind. Ersichtlich können jedoch auch andere -■ Spaltprodukt haltende Brennpartikel verwendet werden» weichet mit einem Graphitblock 13 verträglich sind·

Das Kernbrennmaterial 25 kann Spaltbare und/oder ergiebige (fertile) Materialien wie beispielsweise Uran» Thorium und Plutonium» in angereicherter oder nichtangereicherter Form enthalten. Das spezielle Material wird dabei durch den Aufbau und die leistungserzeugenden Eigenschaften des Kernreaktorsystems bestimmt.

Es kann jede geeignete Größe von überzogenen Brennpartikeln verwendet werden;vorzugsweise haben die Brennpartikel jedoch Durchmesser (einschl. des Überzuges) in Bereich von etwa 250 /U bis etwa 1000 /u. Die überzüge sollen ihre gute Beschaffenheit über die erwartete Lebensdauer des Brennelementes, welche ge*· wohnlich etwa sieben Jahre beträgt» behalten und die gasförmigen Spaltprodukte gut festhalten. Generell sollen die Überzüge eo aufnahmefähig sein» daß das Austreten von Spaltprodukt-Edelgasen etwa 10"^ der Gesamtmenge der während der Lebensdauer des Brennelementes erzeugten Edelgase nicht übersteigt.

Beispiele Äir geeignete Überzugsmaterialien für Graphit gebremste Brennelement systeme sind pyrolytischer Kohlenstoff un4 ziumcarbid. Die Überzugsmaterialien sind jedoch nicd||; angegebenen Stoffe begrenzt. Ein Beispiel für Überzügen versehene Kernhrennpartflel wird in der TfS-J

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dung Ser.No, 32^,176 gegeben. Derartige Kernbrennpartikel, welche als Triplexpartikel bezeichnet werden, besitzen e.in Zentrum aus Kernbrennmaterial einer Mischung von Urandicarbi'd und Thoriumdicarbid, einen inneren Überzug aus porösem pyrolytischem Kohlenstoff, etwa 5 - 50 yu Dicke, einen Zwischen-Uberzug aus dichten thermisch leitenden laminarem pyroUäfcischem Kohlenstoff einer Dicke zwischen etwa 10 und 80 / und einer ausgeprägten nichtzusammenhängenden äußeren Säaicht aus dichtem thermisch leitendem stengeligem pyrolytisehern Kohlenstoff von etwa 10 bis QOm Dicke.

Nach Fertigstellung der Brennkammern und der Kühllöcher 23 werdet die Brennkammern 21 der Brennelemente 11 mit Kernbrennmaterial 25 gefüllt. Die gewünschte Menge von Kernbrennmaterial wird durch Vibrationsverdichtung oder einer anderen Art der Verdichtung in die Kammern eingefüllt. Die Brennkammern 21 werden an ihrem oberen Ende mit einem geeigneten Kolben 27 verschlossen, welcher mit der oberen Endfläche 15 des Blocks 13 bündig abschließt. Um eine Ausdetaung des Kernbrennmaterials 25 während des Reaktorbetriebs und ein Schrumpfen des Graphitblocks 13 als Folge der Neutronenbestrahlung zu ermöglichem, wird oberhalb der dichten Packung des Brennmaterials ein kurzer Zwischenraum gelassen· Beim Zusammenbau wird dieser Zwischenraum vorzugsweise mit einem Kolben 29 aus bei Wärine zerfallendem Material wie beispielsweise aufgeschäumtes Polystyrol, ange» füllt, das bei Aufheizen des Brennelementeis 11 auf die Reaktortemperatur carboniert utfnd verdampft wird, Zur Befestigung der

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Verschlußkolben 27 kann ein geeigneter Kleber, wie beispielsweise eine Mischung aus Steinkohlenpechfc und Graphitmehl verwendet werden·

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Brennkammern 21 vorzugsweise in Dreieckform angeordnet, d.h., sie liegen an den drei Ecken eines gleichseitigen Dreiecks; es können jedoch auch andere Anordnungsformen verwendet werden. Bei einer derartigen dreieckförmigen Anordnung der Brennkammern 21 sind auch die Kühllöcher 23 dreieckförmig, (mit geringerem Abstand), angeordnet, wobei ein Kühlloch 23 grundsätzlich im Zentrum von jeweils sechs Brennkammern 21 angeordnet ist. Wie im zentralen Breich 13 zu sehen, 1st für jeweils drei Brennkammern ein Kühlloch 23 vorgesehen. Bä An der Peripherie des Blocks 13 sind die Kühllöcher 23 kleiner und haben etwa den gleichen Durchmesser wie die Brennkammern 21. Im Umfangebereich führt ein Lochiedlglich die Wärme von d urchschnittlich zwei Brennkammern 21 ab, während im mittleren Bereich durch ein Kühlloch die Wärme von drei Brennkammern abgeführt wird. Der dargestellte Block 13 weist 2¹IO Brennkammern, 6l große Kühllöcher und 30 kleinere Kühllöcher auf.

Im dargestellten Block 13 haben die Kühllöcher 23 ebenso wie die Brennkammern 21 eine konstante dreieckige Einteilung. Daher sind die Mittellinien der Kühllöcher 2^*3 und der Brennelemente 21 in jedem Brennelement in der gleichen Anordnung. Ebenso sind die Durchmesser der Kühllöcher 23 in jedem Block anelner bestimmten Stelle gleich. Die Durchmesser der Brennkammern

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können jedoch in verschiedenen Brennelementen variieren. Derartige Unterschiede des Brennkammerndurehmessers können vorgesehen sein, um bostimmte Brennelemente 11 mit größeren Mengen von Kernbrennmaterial zu beschicken· Bei zahlreichen Kernreaktoren kann es wünschenswert sein, an verschiedenen Stellen in Achsrichtung des Reaktorkerns unterschiedliche Beschickungen mit Kernbrennmaterial zu verwenden.

Um die Auerichtung der einzelnen Brennelemente 11 in einer gestapelten Säule zu erleichtern, sind die Blöcke 13 mit Verbindungselement en an der oberen und unteren Endfläche versehen. Beim dargestelltenBrennelement 11 werden Verbindungsstife 31 und Ausnehmungen 33 verwendet· Wie ausSen Fig. zu ersehen ist, teeitzt jedes der Brennelemente 11 drei nach oben stehende Stifte ■31t welche in die oberen Flächen Vy der Blöcke 13 eingesetzt sind. In den unteren Flächen 17 jedes Blockes 13 sind drei Ausnehmungen 33 vorgesehen, welche mit den Stiften zur Deckung gebracht aind· Yferden die Brennelemente 11 übereinander gestapel" eo halten die drei nach oben stehenden Stifte 31 an der Oberseite jedes Brennelementes dieses genau in seiner Stellung und sorgen für eine ^uerhalterung des nächsten darüber angeordneten Brennelementes. Wie aus Fig. h zu ersehen ist, sind die Brennkammern 21 im Bereich der Ausnehmungen 33 wenig kurzer, um die Bildung der Ausnehmungen zu ermöglichen.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind die Stifte 31 jeweils mit einem Ktihlloch 23 in Achsrichtung ausgerichtet. Die

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31 sind grundsätzlich röhrenförmig ausgebildet, so daß röhrenförmige Bohrungen 35 in den Stiften zur Verbindung der ^l Kühlloäher vcn aneinandergrenzenden Blöcken 13 dienen« um zusammenhängende vertikale Durchlässe für das Kühlmittel in einer Säule von Brennelementen 11 zu ermöglichen. Darüber hinaus ist die Tiefe der Ausnehmungen 33 wenig größer als die Höhe der Stifte 31» wie in Fig. h gestrichelt dargestellt ist. Durch diese Darstellung ist die Anordnung eines Stiftes in einer Säule von Brennelementen 11 ersichtlich. Durch die unterschiedlichen Abmessungen wird ein freier Raum 37 zwischen der horizontalen oberen Endwand 3§9»der Ausnehmungen 33 und dem oberen ~>ide der Stifte 31 in einer Säule von gestapelten ' Brennelementen 11 gebildet. Diese Anordnung erleieltert die richtige Handhabung» des Brennelementes 11 durch eine geeignete Brennelement-Handhabungemaschine mit drei herabhängenden "rmen, welche in Abstand voneinander angeordnet sind und so dimensioniert sind, daß sie in die mit den Stiften 31 ausgelichteten KUhllöcher 23 eingeführt werden können. Wenn eine derartige Brennelement-Handhabungsmaschine in ihre Stellung gebracht ist» können (strichliert dargestellte) Finger an den mteran 1,-nden der Arme radial in die freien Räume 37 eingebracht werden, so daß sie bei Anhebung durch die Brenneleaient-Handhabungsmaschine an den Endwänden 3%9 der Ausnehmungen 33 aufsitzen, und das höchste Brennelement 11 in einem Stapel von diesem abheben.

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Wird anstelle einer derartigen Brennelement-Handhabungsmaschine mit drei Armen eine andere Handhabungsanordnung verwendet» so kann das Brennelement 11 leicht zur Anpassung an diese ausgebildet werden· Beispielsweise kann es wünschenswert sein« eine Handhabungsmaschine mit lediglich einem einzelnen herabhängenden Arm zu verwenden. In diesem Fall kann daa Brennelement 11 am besten ausbalanciert werden, in dem der Angriffspunkt an seinem axialen Zentrum vorgesehen wird· Es kann daher wünschenswert sein« eine Gegenbohrung am unteren Ende dee Kühlloches 23 in axialen Zentrum des Brennelementes anaubringen» um einen (nicht dargestellten) Anschlag zur Ann·bung des Brennelement·« 11 zu bilden· Ist infolge von Größe und Gewicht des Brennelementes ein größerer Handhabungskanal erforderlieh, so können die sechs Brennkammern 21 in dar Nähe des zentralen KUhlloches 23 entfallent um den Raum für einen derartigen vergrößerten Handhabungskanal zu schaffen*

Anstelle der dargestellten Verbindung durch drei Stifte und drei Ausnehmungen können auch andere Verbindungsanordnungen verwende! werden. Eine mögliche abgewandelte Ausführungeform ist in Fig«5 dargestellt» in der mit Beistrichen versehene Ziffern zur Kennzeichnung der vorerwähnten Komponenten verwendet sind. Das Brennelement 11* besitzt einen eich nach unten erstreckenden Umfangsrand bzw. eine Lippe !+J? an der unteren Außenkante des Blocks 13'· An der oberen Außenkante des Blocks 13^f ist entsprechend eine passende Nut k7 vorgesehen« Ein Vorteil dieser ■Anordnung besteht darin, daß ein möglicher Kühlmittelabfluß re-

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duziert wird, welcher radial aus den vertikalen Kühldurchlässen an den Zwischenflächen zwischen angrenzenden gestapelten Blökken 13 austritt.

Um Regelstäbe zur Regelung der Ausgangsleistung des Reaktorkerns anbringen zu können« sind in einigen der Brennelemente 11 Regeletablöcher kl vorgesehen, welche «ich vollkommen durch diese erstrecken und einen vertikalen Kanal bilden· in diesem Kanal kenn ein iylindriecher Hegelstab eingesetzt werden» Sin Brennelement Xl mit einem Paar von Regelatablöchem kl i§t in FIf* 2 dargestellt« Die ßesamtanzahl der verwendeten Regelstäbe hängt natürlich vom Gesamtaufbau des Reaktors ab.

Die Regelstabl^oher *+l sind an Stellen im Block 13 vorgesehen« an denen sich Jceine Stifte und Ausnehmungen befinden und an denen sit die geringste |»# Störung dft Schema« der Brennkammern 21 hervorrufen» Wie aus Hg· 2 asu ersehen ist. besitit der aentrale Block'13 in dieser Gruppe von Brenelementen zwei Regeletablööhe? kl_% welche auf einer Yefblndungelinie »wischen zwei gegenüberliegenden Ecken des Sechsecke liegen·

Die Regelet»biseher kl sind geringfügig größer als die Durchmesser der Regelstäbe» so daß keine Verbindung zwischen den/ Resjiatäben und den nnenwinden der Weher besteht. Df eikne genaue Ausrichtung der Brennelemente 11 in einer vertikalen Säule durch die Stifte und Ausnehmungen.sichergestellt ist, sind keine Regelstab-PUhrungsrohre vorgesehen. Die zylindrischen Innenwände der Regelstablöcher kl liegen zur Auf- und Ab-

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wärtsbewe£ung der Hegelstäbe aufeinander auf. Der ^ringförmige Spalt» welcher sich aus der Differenz der Durchmesser der flegelst abloche r ¹Il und el ei' RegeIstube ergibt, bildet vertikale Durchlässe für das Kühlmittel während des Reaktorbetriebs. Dieser Kühlmittels tr am führt die in den brennkammern 21 neben den ilegelstablGchern '■fl er neunte VJärine ab, und hält die Regelstabf? kalt.

Sin aus benachbarten Jaulen von sechseckigen Brennelementen gebildeter Reaktorkern khat mehrere triftige Vorteile gegenüber Reaktorkernen, welche aus einer Vielzahl von länglichen, zylindrischen Brennelementen hergestellt wird, wobei der ofEeene Kaum zwischen den Brennelementen als weites- "Durchlafinetzwerk für den Kühlmittels tr pm dient, .iin aur rechteckigen Brennelementen 11 gebildeter Reaktorkern kann in (-Wf acher V/ei se unterschiedliche StrümU'1'δη fuhren, in-dem Düsnr-i (crifices) an den .Άntri ttsemden der Kühlmitteldurchlärre angeordnet werden. Auf dioc ^c t.'eise kann eine größere ICühlraittelmenge durch die zentralen Brennelemente 11 fließen, in denen die Spitzenleistung.erzeugt wird, so daß die Auslaßtemperatür des Kühlmittels aus diesen Durchlässen etwa mit der mittleren _;:uslaßtenperatur des Kühlmittel.^e im /resam¹'en Reaktor üt-ere-¹"!..-! immt.

lih ?-us a^irTt-ns^-i'ler. Säulen von l"c-Vj-.re· rrennelenenten 11 gebildeter Kealrtrr>~m ermöglicht s-lr.'· axiale Bewegung von 3renn elementen i:t ei::£-r speziellen Säule oder zwischen verschiedenen Säulen wahrend einer neuen Beschickung eines Tcides Reakterkerne. Sin derartiges Tarschieben von 3rennele~

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nienten kann durchgeführt werden, um ein gleichmäßigeres Ausbrennen des Kernbrennmaterials in den einzelnen Brennelementen ' 11 zu gewährleisten. Es ist bekannt, daß der Neutronenfluß an den oberen und unteren Begrenzungen einer vertikalen Säule von Brennelementen 11 geringer ist als in der Nähe des axialen Zentrum des Säule· Ks ist daher erwünscht» die Brennelemente zwischer diesen Stellungen zu verschieben» um das Aufbrennen (burn-up) des Kernbrennmaterials in den verschiedenen Brennelementen 11 gleichmäßig zu machen. Darüber hinaus erleichtert eine derartige Kernreaktoranordnung auch das Wechseln von Brennelementen zwischen den Säulen; dies kann zur Ausgleichung der verschiedenen Alter der Brennelemente 11 vorteilhaft sein. · ^Λ

Darüber hinaus erleichtert eine derartigeKernanordnung die T

Mirchung des nach oben fließenden Kühlmittels verschiedener, auf unterschiedlicher Temperaturen befindlicher KÜhlmitteidurch- I lasse während sich das Kühlgas im Bereich des oberen Reflektors

befindet· Wird die Mischung an dieter Stelle durchgeführt» '■ "^ so„befindet sich das in die obere Füllkammer eines Reaktors V .| eintretende Gas vor seinem Wiederaustritt auf einer gleichmäßigen mittleren Temperatur, «o daß heiße Stelle kein Problem werdenj im anderen Fall müßten derartige heiße Stellen in der oberen Füllkammer kompensiert werden.

D_afi dargestellte Brennelement 11 besitzt eine Anordnung der Kühllöcher 23 und der Brennkammern 21, bei der die WSrme aus den Brennkammern wirksam abgeführt wird und damit die maxi»· male Temperatur des Blocks 13 aus hitzebeständigem Material

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auf einem geringeren Wert gehalten wird» als bei anderen praktischen Brennelementanordnungen· Darin kann ein beachtenswerter Vorteil liegen_t da bei Verwendung von Graphit für den Block 13 die unterschiedliche thermische Ausdehnung und Kon*· traktion zusammen mit der Kontraktion infolge von Neutronenbestrahlung zu erheblichen Spannungen in den einzelnen Graphitblöcken führen kann· Diese Spannungen sind umso geringer, je kleiner die maximale Temperatur der Graphitblöcke gehalten werden kann.

Im folgenden wird ein Beispiel für einen Kernreaktor gegeben* bei welchem ein Reaktorkern aus in den fig* 1 - k dargestellten Brennelementen gebildet wird·

Beispiel

Mehrere seehseckförmige Brennelemente 11 werden aus dichten Graphitblöcken hergestellt, wobei das Graphit eine Dichte von etwa 1,8 bis 1,9 g/arP besitzt· Die Höhe der Blöcke 13 zwischen der oberen und der unteren Bndfläche beträgt etwa 39.62 cm (15.6 in). Der Horizontalquerschnitt des Blocks 13 besitzt die Form eines regelmäßigen Sechsecks mit einer Abmessung von etwa 36,07 cm (l*+«2 in) über den Flächen. Die. keine Regslstablöcher ^l enthaltenden Brennelemente besitzen 91 Kühllöcher und 2^0 Brennkammern. Die größeren Kühllöcher 23 haben DurchiBsser von etwa 1,651 cm (0,65 in) und die kleineren KUhllöcher haben Durchmesser von etwa 1Λ5¹+ cm (0,55 in). 30 kleinere Kühllöcher sind in einer Umfangsreihe entlang der Seitenkanten des sechseckigen Blockes 13 angeordnet»' wobei sich Brennkammern

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und Rühllöcher 23 abwechseln. Die Kühllöcher 23 sind dreieckförmig angeordnet, wobei die Dreiecksseitenlänge (triangular pitch) etwa 3,06 cm (1,52 in) beträgt.

Die Durchmesser der Brennkammern 21 variieren ein wenig zwi*· sehen Blöcken 13 im axialen Zentreum einer Säule und Blöcken 13 in den Außenbereichen der Säule. Die Durchmesser der Brennkammern 21 variieren von etwa 1,32 cm (0,52 in) und etwa 0,762 cm (0,30 in)· Der Abstand zwischen den äußersten »Punkten der Umfangskühllöcher und Brennkammern sowie der Seitenflächen 19 des Blocke· beträgt etwa 0,635 cm (0,25 in)· Die Brennkammern sind von der oberen Endfläche 15 nach unten gebohrt und enden etwa 0,6^Cm (l/k in) über der unteren Fläche des Blocks 13. Die Regeistablöcher ^l haben einen Durchmesser von etwa 8,275 cm (3,25 in) und 4ienen Azur Aufnahme eines Regeistabes mit einem Durchmesser vo$etwa 7,925 cm (3»12 in)· Die minimale Stegdicke des Graphits zwischen aneinandergrenzenden Brennkammern und KUhllöchern befragt etwa 0.^3 cm (0,17 in)#

'■

Aus diesen sechseckigen Brennelementen wird ein Kernreaktor hergestellt, indem aus 12 übereinandergestapsLten Brennelementen ; gebildete vertikale Säulen zur Herstellung der aktiven Kernzone verwendet werden. Zur Bildung einer oberen und einer ι unteren Reflektorzone werden zusätzlieht Graphitblöcke gleicher Abmessungen, welche jedoch lediglich Kühllöcher und Regel« stablöcher besitzen, oberhalb und unterhalb der Brennelemente-11 angeordnet.

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Der Reaktorkern wird aus 2k7 Säulen der beschriebenen Art gebildet, woraus sich eine Gesamtzahl von 2 96¹+ sechseckigen Brennelementen 11 ergibt. Bei Verwendung von 7h Regelstäben betragt die gesamte Hörizontalflache der aktiven Zone des Reaktorkerns (einschließlich der Fläche der Regelstablöcher) etwa 2-7«87 cm (300 square feet)* Der Abstand zwischen (kalten) angrenzenden Brennelementen 11 beträgt etwa 36,1 cm (lU.212 in).

Die Brennkammern 21 sind mit einer dichten Packmg von kugeligen Kerrnbrennpartikeln gefült» welche spaltpröduktfesthaltende Überzüge besitzen« Diese kugeligen Brennpartikel haben einen mittleren Außendurchmesser von etwa 500 ,u (einschl. des'Über-' suges)· Die Partikel enthalten eine fes^e Lösung von ^urandi- und Thariumdicarbid» wobei das Atomverhältnis zwischen

und Uranium etwa 13 il beträgt. Die zentralen Kerne äieser BrennpartiBl haben etwa Abmessungen von 300 /u, wobei ein Tripieac-tJberzug aus pyrolytischem Kohlenstoffiöiesen ezentralenlCern umgibt. Die innere Schicht aus porösem Kohlenstoff 1«% etwa 30 /u dick. Die Dicke der Zwischenschicht auäs1 ifeiieiRS laminar em^ pyroly ti schein Kohlenstoff beträgt 35 /U, während die der äußeren Schicht aus stWngeligem pyrolytischem Kohlenstoff etwa 35 vu beträgt. Das verwendete Uran ist um etwa 93 :? angex'eichert. Im gesamten Reaktorkernverden etwa l^l+:00 kg yen angereichertem ra:i~-235 verwendet.

Zur ICUhlung des Reaktorkerns wird Helium mit den folgenden Parametern verwendet: .

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.-20-

V/ert 3.694 xlO lb/hr'

Parameter

Gesamte Kernflußmenge

Anteil des am Kern vorbeifließenden Kühlmittels 8 %
(Für Seitenreflektor- und Regelstabkühlung)

Gesamte Kernleistung

Kerneintrittstemperatur

Kernaustrittstemperatur

Kerndruckabfall

Radiale Spitzenleistung/Mittlere Leistung Küiilmitteldurck

Graphit-Wärmeleitfähigkeit

(für Seitenreflektor- und RegeletabkUhlung) Maximale Brennpackungstemperatur

Die maximale Brennpackungstemperatür von etwa 242Q⁰F ist im Vergleich mit einem heliumgekühlten Reaktor zur Erzeugung der gleichen Leistung mit'zylindrischen Graphitbrennelementen mit einem Durchmesser von etwa 11,9^ cm (4,7 in) sehr günetig, da eie um etwa 100⁰F tiefer liegt· Darüber hiMue beträgt dle^ max. Graphittemperatur in den sechseckigen Brennelementen (abtgesehen von spcratiechen heißen Stellen) etwa 226o°F, während sie bei einem anderen vergleichbaren Reaktor um 100⁰F höher liegt.

843 Mw (t)	ι
800 0F
5*5 psi maximal
1.6
4 50 psla
16.5 BTU/hr-ft«°F
2400%

Ss zeigt sich also, daß der aus sechseckigen Brennelementen 11 gebildete Reaktorkern günstig für den Betrieb in einem leistungs reaktor ist. '

., . - Patentansprüche 90 9883/087 1

- 21 BAD

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. . Brenelement für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Block (13) aus.hitzebeständigem-Material mit relativ guter Wärmeleitfähigkeit und guten Neutronenbremseigenschaften Verwendung findet» daß der Block (13) ein Paar paralleler ebener Endflächen (15»17) und mehrere zu den Endflächen im •wesentlichen senkrecht verlaufende Seitenflächen (19) aufweist, daß der Querschnitt des Blocks (13) parallel zu seinen Endflächen (15«17) so ausgebildet ist, daß mehrere Blöcke (13) zu einem, zusammenhängenden Kerngebilde zusammengefügt werden können, daß der Block (13) mehrere axial verlaufinde» sich ν ollkommen durch ihn erstreckende Kühllöcher (23) aufweist., und daß der Block mehrere Brennkammern (21) zur Aufnahme von Kernbrennmaterial (25) besitzt.

   2. Brennelemente nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichrBt, daß der Querschnitt als Polygon mit vorgegebener Gestalt ausge bildet-ist. .

   3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (13) an seinen Endflächen (15,17) '. ineinander passende Verbindungsteile (31,33) aufweist, um in axialer Richtung benachbarte Brennelemente' (11) genau zu·" einander auszurichten»

   ¹U Brennelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzelehnet, daß die Verbindungselemente mehrere voneiner Endfläche (15)

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   des Blocks (13) wegweisende Stifte (31) und dadu angepaßte Ausnehmengen (3D in der anderen Endfläche (17) des Blocks (13) zur Aufnahme der Stifte (31) aufweist,

   5· Brennelement nach Anspruch 3 und ^f, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (31) mit einem der Kühllöcher (32) gleich verlaufen, daß die Stifte hohl sind und KUhllöcher (23) in angrensnden Brennelementen (11) verbinden.

   6. Brennelement nach den Ansprüchen 3-5« dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmungen (33) größer als die "Höhe der Stifte (31) ist, wodurch ein freier Raum (37) zur Aufnahme

   einer Brennelement-Handhabungsvorrichtung für die Bewegung der ■ Brennelemente (11) gebildet wird.

   7· Brennelement nach den vorhergehenden Ansprüchen» dadurch gekennzeichnet, daß als hitzebeständi.£es Material Graphit Verwendung findet, daß der Querschnitt des Blocks (13) die Form eines regulären Sechsecks besitzt, daß die Kuhllöcher £,23) in Dreiecksform angeordnet sind, und daß die Brennkammern (21) durch parallel zu den Kühllöchern (23) verlaufende Lösher gebildet sind welche in Dreiecksform angeordnet sind, wobei die Seitenlänge dieser Dreiecke kleiner als die Saitenlänge der Dreiecke de* Kühllöcher ist.

   8, Verwendung von Brennelementen nach den vorhergehenden Ansprüchen im vertikalen Säulen zur Bildung eines Reaktorkern®.

   BAD 909883/0871 . . . ■■

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