DE1564138C3 - Verfahren zum Abführen von Spaltgas aus in ftüssigkeitsgekuhlten Kernreaktoren verwendeten Brennelementen von Kernreaktoren und Brennelement zur Ausübung des Verfahrens - Google Patents

Description

ίο Die Erfindung bezieht auf Verfahren und Brennelemente, die in flüssigkeitsgekühlten Kernreaktoren verwendet werden und bei denen der Brennstoff in fester oder flüssiger Form in einem rohrartigen, gegenüber der umgebenden Kühlflüssigkeit abgedichteten Mantel enthalten ist, wobei das aus dem Brennstoff austretende Spaltgas in einen Ausdehnungsraum geleitet wird.

Bei den in den Brennelementen von Kernreaktoren im Brennstoff stattfindenden Kernspaltungen fallen gasförmige Spaltprodukte an, die bei den bekannten Bauarten von Brennelementen in eingebauten Spaltgasräumen der Brennstäbe gespeichert werden. Bei hohen Abbränden des Brennstoffes findet hierdurch ein erheblicher Druckaufbau in den Brennstoff hüllen statt. Auf Grund der bei hohen Strahlendosen im Laufe der Zeit unvermeidlichen Materialversprödung besteht die Gefahr von Brüchen der Hüllrohre während des Betriebes und insbesondere auch bei der Handhabung, wo diese erhöhten mechanischen BeIastungen ausgesetzt sind.

Um zu verhindern, daß mit den gasförmigen Spaltprodukten zusammen auch kleine Partikeln des Spaltstoffes selbst in den Spaltgasraum gelangen, ist in der USA.-Patentschrift 2 799 642 angegeben, zwischen dem Spaltstoff und dem Spaltgasraum eine Falle vorzusehen, in der die gasförmigen Spaltprodukte gezwungen werden, vor dem Eintritt in den Spaltgasraum durch eine in der Falle befindliche Flüssigkeit zu perlen. Das Spaltgas wird jedoch nicht aus dem Brennelement abgeführt, so daß die obengenannten Probleme weiter bestehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Aufbau eines Brennelements zu schaffen, wodurch das sich entwickelnde Spaltgas aus dem Brennelement abgeführt werden kann, ohne daß der Brennstoff mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt, so daß die oben dargestellten Gefahren und Schwierigkeiten weitgehend vermieden werden kÖnnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der Ausdehnungsraum beim Einsetzen des Brennelements in den flüssigkeitsgefüllten Reaktortank mit dem Kühlmedium so weit füllt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen dem Druck des im oberen Teil des Ausdehnungsraumes ansammelnden Gases und dem Flüssigkeitsdruck des Kühlmediums ausbildet, und daß die Kühlflüssigkeit durch das sich während des Reaktorbetriebes allmählich entwikkelnde Spaltgas aus dem Ausdehnungsraum verdrängt wird, bis Austrittsöffnungen im Ausdehnungsraum freigegeben werden, durch welche das Spaltgas austritt und aufgefangen wird.

Durch diese Verfahrensweise wird der Vorteil erzielt, daß Ansammlungen von Spaltgas in den Brennstoffstäben vermieden werden und sich daher auch kein Druck aufbauen kann, der die Hüllrohre erheblichen Belastungen aussetzt. Bei Anwendung der er-

findungsgemäßen Verfahrensweise können die Hüllrohre dünner gehalten werden, so daß Material- und Gewichtsersparnisse möglich sind. Weitere Vorteile sind noch darin zu sehen, daß infolge des Wegfalles der Spaltgasräume in den Brennstäben deren Bauhöhen geringer gehalten werden kann und daß ferner durch die Spaltgasabfuhr die Anreicherung an Xenon im Brennstoff vermindert wird.

Zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Ausbildung des Brennelements in der Weise vorgeschlagen, daß ein mit dem den Spaltstoff enthaltenden Raum des Brennelements mittels einer oder mehrerer Leitungen oder Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehender, gegenüber dem umgebenden Kühlmittel abgedichteter Gasausdehnungsraum geschaffen wird, in dessen oberem Bereich die Öffnungen der das Gas zuführenden Leitungen und in dessen unterem Bereich die Austrittsöffnungen zum Ableiten des Gases münden. Insbesondere kann nach einem zusätzlichen Erfindungsmerkmal der Gasausdehnungsraum oberhalb des den Brennstoff enthaltenden Raumes des Brennelements angeordnet sein, wobei an diesen eine oder mehrere das Gas in den oberen Bereich des Ausdehnungsraumes leitende Steigrohre oder -leitungen angeschlossen sind, die nahe dem oberen Ende des Ausdehnungsraumes münden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zum Abführen des Spaltgases eine oder mehrere nach oben aus dem Ausdehnungsraum herausführende Leitungen, Steigrohre od. dgl. vorhanden, deren Eintrittsöffnungen innerhalb und nahe dem unteren Ende des Ausdehnungsraumes liegen. Durch diese Ausbildungsweise wird ein definiertes Abführen des Spaltgases in das umgebende Kühlmittel ermöglicht, was das Auffangen des Gases mittels einer möglicherweise trichterförmigen, an eine Abführungsleitung angeschlossenen Auffangvorrichtung gestattet.

Diese Ausführungsform bildet nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Möglichkeit, die nach oben führenden Leitungen, Steigrohre od. dgl. in Wendelform auszubilden und dadurch den Diffusionsweg zu verlängern. Dies ist beim Abschalten des Reaktors deshalb von Bedeutung, weil das Spaltgas aus dem Ausnehmungsraum infolge Diffusion durch das Kühlmittel entweichen kann. Durch die Vergrößerung des Weges wird die austretende Gasmenge durch Diffusion geringer, so daß der hierdurch entstehende Druckabbau im Ausdehnungsraum ebenfalls verringert wird und damit ein Ansteigen der Kühlmittelsäule in den Ausdehnungsräumen der Brennelemente.

In einer anderen Ausführungsform des Brennelements befindet sich der Gasausdehnungsraum unterhalb des den Brennstoff enthaltenden Raumes des Brennelements, wobei beide Räume mittels Durchtrittsöffnungen verbunden sind und der Gasausdehnungsraum an seinem unteren Ende mit Öffnungen zum Austritt des Gases in den Reaktortank versehen ist. Bei einer solchen Ausführungsform genügen einfache Öffnungen in dem den Ausdehnungsraum von dem Brennstoff enthaltenden Raum trennenden Boden, um das Gas in den Ausdehnungsraum übertreten zu lassen, wo es das angesammelte Kühlmittel allmählich verdrängt, bis der Kühlmittelspiegel die nahe dem unteren Ende des Ausdehnungsraumes vorhandenen Öffnungen freigibt, so daß das unter demselben Druck wie das Kühlmittel stehende Gas austreten und im Reaktortank hochsteigen kann. Eine Vereinfachung einer solchen Ausführungsform besteht noch darin, daß der Gasausdehnungsraum an seinem unteren Ende ganz oder teilweise offen ist, so daß das Spaltgas bei entsprechender Druckhöhe nach

ίο unten austritt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines Brennelements, welches in einem flüssigkeitsgekühlten Reaktortank eingesetzt ist,

F i g. 2 ein Brennelement wie in F i g. 1, in einer weiteren Ausführung.

Das Brennelement enthält innerhalb seines Mantels 1 den Brennstoff 2. Mit 3 ist eine Feder bezeichnet, die eine elastische Abstützung der Brennstoffsäule darstellt.

Der den Brennstoff 2 enthaltende Raum 4 ist nach oben durch einen Boden 5 abgeschlossen, in den ein Steigrohr 6 mündet, welches sich senkrecht in den Ausdehnungsraum 7 erstreckt und mit seiner Mündung 6 α bis nahe dem oberen Boden 8 führt.

Ein zweites Steigrohr 9 beginnt mit seiner Eintrittsöffnung 9 α nahe dem unteren Boden 5 und führt nach oben aus dem durch den Boden 8 geschlossenen Ausdehnungsraum 7 heraus.

Beim Einsetzen des Brennelements in den Reak- ■ tortank strömt zunächst Kühlmittel durch das Rohr 9 in den Ausdehnungsraum 7 ein und füllt diesen bis zu dem mit A bezeichneten Kühlmittelspiegel. Der Raum C oberhalb des Kühlmittelspiegels ist zunächst mit einem Schutzgas gefüllt. Im Laufe des Reaktorbetriebes entwickelt sich nun Spaltgas, welches vom Raum 4 durch die Steigleitung 6 in den Raum C strömt und infolge des Druckanstiegs den Kühlmittelspiegel nach unten verdrängt, bis er den mit B bezeichneten Stand erreicht hat. Nunmehr tritt das Spaltgas durch die untere Öffnung 9 α des Steigrohrs 9 in dieses ein und entweicht nach oben in das Kühlmittel. Zur Ableitung des Spaltgases kann oberhalb der Austrittsöffnung der Leitung 9 eine trichterartige Auffangvorrichtung angeordnet werden.

In abgewandelter Form kann nach F i g. 2 der Ausdehnungsraum 7 auch unterhalb des den Brennstoff 2 enthaltenden Raumes 4 angeordnet sein. In diesem Fall genügt die Anordnung einer Öffnung 11 in dem die beiden Räume trennenden Boden 5, um das Spaltgas in den Ausdehnungsraum 7 übertreten zu lassen. Bei Absenken des Brennelements in den Reaktortank tritt das Kühlmittel durch die am unteren Ende des Ausdehnungsraumes 7 angebrachten Öffnungen 10 ein und erfüllt den Ausdehnungsraum? bis zur Niveauhöhe A, so daß im Raum C das Schutzgas komprimiert wird. Während des Reaktorbetriebes entwickelt sich das Spaltgas, welches durch die Öffnung 11 in den Raum C tritt und den Kühlmittelspiegel im Laufe der Zeit vom Niveau A auf das Niveau B herabdrückt, so daß die Austrittsöffnungen 10 freigegeben werden und das Spaltgas in den Reaktortank austreten kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abführen von Spaltgas aus Brennelementen von flüssigkeitsgekühlten Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff in fester oder flüssiger Form in einem rohrartigen, gegenüber der umgebenden Kühlflüssigkeit abgedichteten Mantel enthalten ist, wobei das aus dem Brennstoff austretende Spaltgas in einen Ausdehnungsraum geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ausdehnungsraum (7) beim Einsetzen des Brennelements in den flüssigkeitsgefüllten Reaktortank mit dem Kühlmedium so weit füllt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen dem Druck des im oberen Teil des Ausdehnungsraumes ansammelnden Gases und dem Flüssigkeitsdruck des Kühlmediums ausbildet, und daß die Kühlflüssigkeit durch das sich während des Reaktorbetriebes allmählich entwickelnde Spaltgas aus dem Ausdehnungsraum (7) verdrängt wird, bis Austrittsöffnungen (9 α, 10) im Ausdehnungsraum (7) freigegeben werden, durch welche das Spaltgas austritt und aufgefangen wird.

2. Brennelement zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit dem den Spaltstoff (2) enthaltenden Raum (4) des Brennelements mittels einer oder mehrerer Leitungen (6) oder Durchtrittsöffnungen in Verbindung stehenden, gegenüber dem umgebenden Kühlmittel abgedichteten Gasausdehnungsraum (7) in dessen oberem Bereich die öffnungen (6 a) der das Gas zuführende Leitungen (6) und in dessen unterem Bereich die Austrittsöffnungen (9 a, 10) zum Ableiten des Gases münden.

3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Gasausdehnungsraum (7) oberhalb des den Brennstoff (2) enthaltenden Raumss (4) des Brennelements befindet und daß an diesen eine oder mehrere das Gas in dem oberen Bereich des Ausdehnungsraumes (7) leitende Steigrohre oder -leitungen (6) angeschlossen sind, die nahe dem oberen Ende des Ausdehnungsraumes (7) münden.

4. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abführen des Spaltgases eine oder mehrere nach oben aus dem Ausdehnungsraum (7) herausführende Leitungen, Steigrohre (9) u. dgl. dienen, deren Eintrittsöffnungen (9 a) innerhalb und nahe dem unteren Ende des Ausdehnungsraumes (7) liegen.

5. Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die das Spaltgas nach oben aus dem Ausdehnungsraum (7) abführenden Steigrohre oder -leitungen (9) in Wendelform ausgebildet sind.

6. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Gasausdehnungsraum (7) unterhalb des den Brennstoff (2) enthaltenden Raumes (4) des Brennelements befindet und beide Räume mittels Durchtrittsöffnungen (11) verbunden sind und daß der Gasausdehnungsraum (7) an seinem unteren Ende mit Öffnungen (10) zum Austritt des Gases in den Reaktortank versehen ist.

7. Brennelement nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, daß der Gasausdehnungsraum (7) an seinem unteren Ende ganz oder teilweise offen ist.