DE1564967A1

DE1564967A1 - Kernreaktor-Brennelement

Info

Publication number: DE1564967A1
Application number: DE19661564967
Authority: DE
Inventors: Olich Eugene Ellsworth; Paul Greebler; Horst Kenneth Mosemann; Bertram Wolfe
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1965-06-07
Filing date: 1966-04-19
Publication date: 1969-09-25
Also published as: BE676477A; GB1118332A; ES321983A1; SE315665B; US3274067A; NL6602051A; FR1459595A

Description

Anmelder:,United States Atomic Energy Commission, Germantowrij Maryland

Kernreaktor-Brennelement

Die Erfindung betrifft Brennstoffstäbe für Kernreaktoren und insbesondere Brennstoffstäbe, in denen Teile aus spaltbarem Material als Segmente derart augeordnet sind, daß sie sich unter Temperatureinfluß in Bezug zueinander derart ausdehnen und zusammenziehen, daß eine Kompensation erhalten wird, um den thermischen Expansionskoeffizfenten der Reaktivität .dem.Wert Null zu nähern«

Zum leichten und genauen Messen des Dopplerkoeffizienten eines Reaktorkerns und zum Isolieren der Wirkung der Doppler-Verbreiterung von anderen neutronischen Erscheinungen bei Kernreaktoren ist es wünschenswert, die Wirkung einer Änderung der Reaktivität infolge der axialen, thermischen Längenänderung des spaltbaren Materials auf ein Minimum zu begrenzen und vorzugsweise auf den Wert Null zu bringen. Bei Reaktoren,.die mit schnellen oder energiereichen Neutronen arbeiten,, um die 3paltreaktion aufrechtzuerhalten, ist es außerdem wünschenswert, die Wirtschaftlichkeit der Neutronen* die sich auf einem hohen Energiepegel befinden, zu erhöhen» indem man die Neutronenverluste herabsetzt. Gesteigerte iieutronenverluste ergeben sich, wenn die äußere Oberfläche eines längliehen, zylindrischen Kernes mit wachsender axialer, thermischer expansion des Brennmaterials wächst.. Die Zunahme an Volumen und die 3ritsprechende Abnahme der Reaktivität- infolge des Neutronenverlustes

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verdeckt auf diese Weise die Herabsetzung der Reaktivität infolge der Doppler-Verbreiterung. Die Verwendung der Doppler-Verbreiterung zur Steuerung des Verlustes bei Reaktoren mit schnellen Neutronen ist im einzelnen in der USA-Patentanmeldung von Paul Greebler, Serien-Nr. 3^5 05o, eingereicht am 14. Februar 1964, beschrieben und wird hiermit soweit in die Beschreibung "aufgenommen, daß sie einen Teil davon bildet.

Die vorliegende Erfindung erlaubt es, die Wirkung der Doppler-Verbreiterung unmittelbar zu messen und sie isoliert zu benutzen, um den Einfluß eines schnellen Anwachsens der Reaktivität ohne Beeinflussung durch andere Erscheinungen des Reaktorkerns herabzusetzen. Demgemäß vereinfacht die Erfindung wesentlich die Steuerung des Reaktors durch die Benutzung des genannten Doppler-Effektes oder in anderen Fällen, in denen die Wärmeausdehnung die Steuerung der Reaktivität ersehwert.

Bei einigen bekannten Reaktorkernen ist das spaltbare Material in üblicher Weise in einzelne Behälter eingeschlossen und hintereinander in einem Brennerstab oder Brennerelement angeordnet, um In erster Linie gefährliche radioaktive Spaltprodukte zurückzuhalten. In anderen bekannten Reaktorkernen ist das spaltbare Brennermaterial in einzelne Behälter eingeschlossen oder zur Bildung von keramischen Pillen hoher Dichte innerhalb einer Verkleidung, z.B. in Gestalt eines BrennstoffStabes, gepreßt. Bei diesen bekannten Brennstoffstäben wurde zwischen den einzelnen Behältern für spaltbares Material oder den dichten Keramikpillen und der Ver-

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kleidung manchmal an beliebiger Stelle'oder in regelmäßigen Abständen ein Zwischenraum vorgesehen, um die Ausdehnung des spaltbaren Materials zu ermöglichen. Der Abstand war einzig und allein dazu bestimmt, ein Ausbeulen der Brennstoffstäbe zu vermeiden, wenn beide Enden des Stabes in einer festen oder gesicherten Lage zueinander gehalten wurden, wie dies zum Beispiel in Druckviasserreaktoren der Fall ist. Man machte bei Ileaktorkernen der bekannten Art keinerlei Anstrengungen, die Wärmeausdehnung von BrennstoffSegmenten in zweckmäßig gewählte Spalte hinein dazu zu benutzen, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Reaktivität herabzusetzen oder zu beeinflussen. ·

Gemäß der Erfindung ist das Brennermaterial in Segmente unterteilt, welche so angeordnet sind, daß sie sich einzeln in vorbestimmte Spaltbereiche ausdehnen können und daß sie eine besonders gewählte Länge, eine besonders gewählte Anzahl und eine besonders gewählte Anordnung innerhalb eines Kernes haben, um einen thermischen Expansionskoeffizienten der Reaktivität vorn Vierte Null oder nahezu liull zu erreichen. Außerdem v.'ira dabei eine nahezu lineare thermische Expansion erreicht.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffstab zu schaffen, dessen Reaktivitätskoeffizient in Abhängigkeit der gesamten thermischen Expansion nahezu Null ist.

Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoff-3oat r.u schaffen, bei dem der Doppler-Verbreitungseffekt als Hauptmittel benutzt ui-'d, un den Hsaktorverlust zu steuern oder in anderen *':."cise die Höhe der Betriebsleistung eines Neutronenreaktors

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zu steuern.

Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoff stab zu schaffen, in dem das Spaltmaterial in Segmente unterteilt ist und sich unabhängig von der äußeren Verkleidung ausdehnt und zusammenzieht.

Andere und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden sich aus der folgenden genauen Beschreibung der schematischen Darstellung bevorzugter Ausfiihrungsbeispiele ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Zweisegment-Ausführung des Brennelements, wobei die Teile im einzelnen dargestellt sind,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Zweisegment-Ausführung eines Brennelements, wobei die wichtigsten Merkmale der Segmentlänge wiedergegeben sind,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Dreisegment-Ausführungsform eines Brennerelements mit den wichtigsten Merkmalen der Segmentlänge,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Viersegment-Ausführung eines Brennelements mit den grundlegenden Merkmalen in Bezug auf die Segmentlänge,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Fünfsegment-Ausführung des Brennelements mit den grundlegenden Merkmalen der Segmentlänge und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der VJirkung der Änderung

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der Lage des inneren Hohlraumes entlang der Länge des Zweisegment-Brennelements.

Der Wärmeausdehungs-Reaktivitätskoeffizient ist hier als die Änderung der Reaktivität in Abhängigkeit von der thermischen Ausdehnung je Längeneinheit (z.B. cm) entlang der Längsachse des • spaltbaren Stoffes bei Normaltemperatur oder bei der Arbeitstemperatur definiert, für die der Reaktor ausgelegt ist. Es wird unterstellt, daß eine solche Ausdehnung bei höheren oder niedrigeren Temperaturennicht konstant ist; die spezifischen Werte in irgendeinem gewählten Arbeitsbereich ändern aber das Prinzip der Arbeit nicht und beeinflussen nicht das Prinzip, den Grundgedanken oder die Arbeitsweise der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 weist ein Brennstoffelement gemäß der Erfindung¹ im wesentlichen eine rohrförmige Verkleidung 11 auf, die eine Brennstoff zone 12 zwischen den NeutronenreflektorpfLöcken 1j5 und 14 am oberen bzw. am unteren Ende einschließt. Die Brennstoffzone 12 umschließt festes spaltbares Brennstoffmaterial, das in wenigstens zwei und nicht mehr als fünf gleitfähig in ihm angeordnete Segmente unterteilt ist« Das obere und das untere Brennstoffsegment, deren Längen in Übereinstimmung mit später zu erörternden Grundsätzen gewählt sind, werden zwischen elastischen Mitteln und festen; Anschlägen unter Druck gehalten, so daß sie an ihrem unteren Ende gehalten werden und sich nach oben gegen die elastischen Mittel, z.B. 28 oder j51, in einen Hohlraum 16 (für das untere Segment 23) oder 52 (für das obere Segment j50) am oberen Ende, ausdehnen können.

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Solche Segmente können als eine Anzahl einzeln verkleideter Klötze vorgesehen werden, die in Reihe in der Länge des Brennstoffelements in Gruppen angeordnet sind und innerhalb der Verkleidung 11 lose gleiten, so daß die Verkleidung 11 nicht durch die axiale Ausdehnung der Stücke 17 mitgenommen wird. Die Länge und die Anzahl der Segmente werden so gewählt und in der besonderen Weise angeordnet, wie dies im folgenden beschrieben wird, um auf diese Weise den thermischen ExpansionskoeffiziÄen der Reaktivität dem Wert Null zu nähern. Es ist wichtig, daß eines der Segmente 30 in der Verkleidung mit dem unteren Ende festgelegt ist, wogegen sich das obere Ende in einen Hohlraum 32 am oberen Ende der Verkleidung ausdehnen kann. Ein zweites Segment ist in der Verkleidung unter der Mittelebene so befestigt, daß es sich mit dem oberen Ende über die Mittelebene erstreckt und sich in einen Hohlraum 17 ausdehnen kann, der sich zwischen seinem oberen Ende und dem unteren Ende des Segmentes 30 befindet.

Die vorstehend erläuterte Grundanordnung ist mit zweckmäßigen Abänderungen im folgenden so beschrieben, daß sie zwei bis fünf Segmente enthalten-kann. Eine typische Anordnung mit zwei Segmenten ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die Anordnung und die Länge der Segmente entsprechend der erfindungsgemäßen Arbeitsweise gewählt' ist. Grundsätzlich sind die Einzelheiten des Zweisegment-Brennstoffelements auch anwendbar für Brennstoffelemente mit Ktehr als zwei Segmenten.

Zum Aufbau in einem nicht dargestellten KernÄktargefäß ist

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gemäß Fig. 1 am unteren Ende der Verkleidung 11 ein Bodentragstift 21 vorgesehen und beispielsweise durch Schweißen od. dgl. an der Verkleidung befestigt. Der Bodentragstift 21 ist so ausgebildet, daß er in einer Aussparung oder einem Loph in einer nicht dargestellten Gitterplatte, die einen Teil des nicht dargestellten Reaktorbe-

über

hälters bildet, aufgenommen und getragen werden kann,/ind in unmittelbarer Berührung mit dem Bodentragstift 21 ist innerhalb der Verkleidung 11 ein Stopfen 14 vorgesehen, der als unterer Neutronenreflektor dient und aus Nickel, Kohlenstoff (Graphit) oder ähnlichen neutronenreflektierendem Material hergestellt sein kann. Anschließend an den unteren Neutronenreflektor 14- ist die untere Segmentisolierplatte 22 angeordnet, die aus irgendeinem bei hohen Temperaturen wärmeisolierendem Material besteht, z.B. Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Saphir od. dgl. In Berührung mit dieser Isolierplatte 22 befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel mit zwei Segmenten die untere Stirnfläche eines verhältnismäßig langen unteren Brennstoffsegmentes 2^, das aus einer Gruppe von mehreren in Reihe angeordneten Stücken 17 zusammengesetzt ist. Jedes Stück ist ein einzeln verkleideter Preßling, der spaltbaren Material enthält, z.B. Urandibxyd, Plutoniumdioxyd, Mischungen davon od. dgl. Die Klotzverkleidung 25 kann irgendeines oder mehrere der bei Kernreaktoren üblichen hochwertigen rostfreien Stähle oder eine Legierung von Zirkon oder einem anderen wenig Neutrone-n absorbierenden Metall enthalten. Der äußere Durchmesser der Klötze ist bei der Arbeitstemperatur kleiner als der Innendurchmesser der Brennelementverkleidun;; 11, so daß die axiale Bewegung des Klotzes 25

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■ innerhalb der Verkleidung 11 in Bezug auf den Isolator 22 und den Stopfen 14 nicht behindert wird. In unmittelbarer Berührung mit dem obersten Klotz des unteren BrennstoffSegmentes 23 befindet sich die obere Isolatorplatte 26 des unteren Segmentes. Diese Isolatorplatte 23 hat bei der Arbeitstemperatur einen Durchmesser, der gleich dem Durchmesser des Klotzes I7 ist. Oberhalb dieses Isolators 23 befindet sich der Hohlraum 16 und oberhalb dessen ein Pflock 27* der durch Schweißen od. dgl. an dem oberen Ende des unteren Teiles 29 der Brennstoffverkleidung 11 befestigt ist. Im Hohlraum 16 befindet sich zwischen dem Pflock 27 und einer Isolierplatte 26 eine zusammengedrückte Feder 28, welche die Reihenanordnung der Klötze I7 so an ihrem Ort hält, daß sie gegen die Isolierplatte 22 und den unteren Neutronenreflektor 14 anliegen. Auf diese I/eise kann sieh das untere Brennstoff segment 23 nur nach oben gegen die Feder 25 in den Hohlraum 16 ausdehnen. Außerdem kann der untere Teil 29 der Verkleidung unter Mitnahme des Pflockes 27 sich unabhängig ausdehnen.

In gleicher '.eise ist das obere Brennstoffsegment 30 so angeordnet, daß das untere Ende des oberen Teile 33 der Brennelement-Verkleidung 11 dieses Segment 30 umschließt, wobei der Teil 33 an seinem unteren Ende z.B. durch Schweißen od. dgl. mit dem Pflock 27 verbunden ist. Das obere Ende des oberen Brennstoffelements 30 drückt die obere Feder 3I im oberen Hohlraum 32 gegen den oberen Neutronenreflektor-Stopfen I3, der aus ähnlichem Werkstoff hergestellt ist wie der untere Neutronenreflektor 14. Dieser Heflektor 13 ist seinerseits wieder in unmittelbarer Berührung mit der oberen

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Kupplung 34. Die obere Kupplung J>^ ist "beispielsweise durch Schweißen od. dgl. mit der Brennstoffelement-Verkleidung 11 verbunden* Die obere Kupplung 34 ist außerdem mit einer Aussparung 35 versehen, in welche das vorstehende Ende 37 eines 'Verlängerungsstabes 38 paßt und ist mit diesem beispielsweise durch Schrauben, Nieten, Stifte od. dgl, verbunden. Der Verlängeruhgsstab 38 wird sowohl zum Einsetzen als auch zum Herausnehmen des Brennstoffelements in und aus dem Bündel, od« dgl» der Brennstoffelemente benutzt, das den Kern des Reaktors enthält und kann zusätzlich als Stahlungsschirm über dem oberen Teil des Reflektors dienen. Obere und untere Sperringe 40 und 41 sind vorgesehen, die mit gleichen Sperringen benachbarter Brennstoffelemente zusammenarbeiten, wobei Schlitze 42 der Sperringe 40 und 41 so angeordnet sind, daß sie einen Neutronenstrom entlang dem Stabe verhindern* der den Reaktorgefäßkopf (nicht dargestellt) aktivieren könnte. Am oberen Ende des VerlangerungsStabes 38 ist ein Kopf 39 vorgesehen, der nicht dargestellte Greifmittel aufnehmen kann, um die Baueinheit aus Verlängerung und Brennstoffelement aus dem Reaktor heraufzuziehen.

Von besonderer Bedeutung ist die Anordnung des Hohlraumes 16 in dem Zweisegment-Brennelement. Wenn auch die Drei-, Vier- und Fünf-Segment-Elemente gleich lange Segmente haben, so würde doch gefunden, daß für das Zwei-Segment-Brennelement der Hohlraum 16 am oberen Ende des unteren Segmentes 23 sich oberhalb der Mittelebene 50 d'^es Brennelements befinden muß, wobei sich das obere Ende des Segmentes 23 in diesen Hohlraum hl rie inbewege η kann> wogegen

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das untere Ende unter dieser Mittelebene befestigt ist. Pig. 6 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Reduktion des thermischen Expansionskoeffizie^en der Reaktivität als Funktion der Lage des Hohlraumes 16 innerhalb des Kernes auf der Länge des Zwei-Segment-Brennelements. Die Kurve 45 zeigt die prozentuale

Herabsetzung des thermischen Expansionskoeff iziÄen der Reaktivität

Kurve bei isothermiseher oder stetiger Erhitzung. Die/46 zeigt dieselbe Wirkung für einen Einschwingvorgang, wie er bei dem plötzlichen Ansteigen der Reaktivität auftreten kann. Man sieht, daß der Punkt 47, bei dem der thermische Ausdehnungskoeffizient der Reaktivität ein Minimum ist, sich oberhalb des Mittelpunktes 45 befindet, welcher der mittleren Ciuerebene 50 des Brennelements gemäß Fig. 2 entspricht. Pur ein Zwei-Segment-Brennelement mit einer Gesamtlänge des Spaltmaterials von 85,9^ cm befindet sieh der Punkt 47 etwa 10 cm oberhalb der mittleren Querebene 50 (Punkt 45 bei den Kurven 45 und 46 der Pig. 6) des Brennstoffelements.

Es wurde gefunden, daß für die Drei-, Vier- und Fünf-Segment-Brennstoffelemente die Länge der Segmente gleichgemacht werden, kann, um die gewünschten Resultate zu erhalten. Dieser Umstand vereinfacht glücklicherweise die Herstellung des spaltbaren WteLfc&piaiLsv Außerdem wurde festgestellt, daß die Verwendung von mehr als ftinf Elementen ein zu großes Volumen, von neutronenabsorüejmiMie» Mate

rial in den Reaktorkern einführen würde, wodurch ö«r Vorteil einer

weiteren Herabsetzung des thermischen Expansionsicoefifizie&ea verloren ginge.

Pur das Drei-, Vier- und Pünf-Segment-Brennelem^at naefo

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Pig. 3, 4 bzw. 5 sind die Ausbildung des oberen Reflektors 13 sowie des unteren Reflektors 14 wsA gleich der des Zwei-Segment-Elementes der Fig. 1 und 2. Das Drei-Segment-Brennelement nach Fig. 3 weist einen oberen HoüLraum 32 unmittelbar unter dem oberen Reflektor 15, eine erste obere Isolierplatte 51, die durch eine Feder 28 im oberen Hohlraum 32 gegen die in Reihe angeordneten Brennstoff klotze im oberen Brennstoffsegment 30 gedruckt wird, auf. Das untere Ende des oberen Brennstoffelementes 30 ruht auf der ersten unteren Isolierplatte 52, die ihrerseits gegen den Pflock 53 drückt, welcher aus rostfreiem Stahl od. dgl. hergestellt wurde. Die Verkleidung 11 des Brennstoffelementes ist durch Schweißen od. dgl. am ersten Pflock 53 befestigt. Unmittelbar unter dem ersten Pflock 53 sind in ähnlicher Weise wie beim oberen Hohlraum die obere Isolierplatte 51* das obere Segment 30, die erste untere Isolierplatte 52 und der erste Pflock 53, nunmehr ein zweiter Hohlraum 55* eine zweite obere Isolierplatte 56, ein zweites Segment 57, eine zweite untere Isolierplatte 58 und ein zweiter-Pflock 59 angeordnet. Eine zweite Feder 60 ist in dem zweiten Hohlraum 55 angeordnet, um das zweite oegment 57 unter Druck zu halten. Unmittelbar unter dem zweiten Pflock 59 ist ähnlich wie oben beschrieben ein dritter Hohlraum 63» der eine dritte Feder 64 enthält, eine dritte obere Isolierplatte 65, ein drittes Segment 66 und eine dritte untere Isolierplatte 67 unter Druck gegen den unteren Neu-. tronenreflektor 14 vorgesehen. „ ■ . _r

Das Yier-.3egraent-Brennelement nach Fig. k ist ähnlich dem -' Drei-Segment-Brennelement ausgebildet. Doch hat es einen dritten

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Pflock 69, einen vierten Hohlraum 70 mit einer vierten Feder 7I, eine vierte obere Isolierplatte 72, ein viertes Segment 73 und eine vierte untere Isolierplatte 74 unter Druck gegen den unteren Neutronenreflektor 14, wobei alle Teile in Reihe unter der dritten Isolatorplatte 67 angeordnet sind.

In ähnlicher '.Veise sind beim Vier-Segment-Brennelement ein vierter Pflock 75, ein fünfter Hohlraum 76, eine fünfte Feder 77, eine fünfte obere Isolierplatte 78, ein fünftes Segment 79 und eine fünfte untere Isolierplatte SO unter Druck gegen den unteren Neutronenreflektor 14 in Reihe unter der vierten Isolierplatte 74 angeordnet.

Um die Wirkung der segmentweisen Unterteilung des Brenn- . stoffes in der beschriebenen l/eise näher darzulegen, dient Tafel I, welche die Zahlenwerte im Bezug auf Beispiele der Zwei-, Drei-, Vier- und Fünf-3egmentelemente gemäß der Erfindung im Vergleich mit einem Brennelement wiedergibt, das in jeder Beziehung den oben angeführten Brennelementen gleicht, bei denen jedoch das Brennmaterial nicht segmentweise unterteilt ist. In allen fünf Beispielen ist die Menge des spaltbaren Materials in jedem Brennelement gleich groß. Die dem Brennelementteil vorgestellten Mummern sind die Bezugszeichen der entsprechenden Bemessungslinien in Fig. 2, ;5, h und 5 in Bezug auf das Zwei-, Drei-, Vier- und Fünf-oegment-Brenneiement. ObJ.eich ein Brennelement ohne Brennstoff unterteilung in Tafel I erwähnt ist, wurde keine Zeichnung desselben aufgenommen, da dieses nicht segmentierte'Brennelement keinen Teil der Erfindung darstellt und keine Verkörperung des Erfindungsgegenstandes

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bietet, sondern nur zum Vergleich benutzt wird. Ein Fachmann wird . ohne weiteres diese Konstruktion verstehen.

Tafel II zeigt die Zahlenwerte in Bezug auf einen typischen, mit schnellen Neutronen arbeitenden Reaktor, der bevorzugterweise mit Brennstoffstäben gemäß der Srfindung zum Aufbau des Reaktor-• kerns ausgerüstet wird.

Wenn ein Kernreaktorkern mit einer Mehrzahl segmentartig unterteilter Brennelemente nach der Erfindung in Tätigkeit gesetzt und von Raumtemperatur auf die Arbeitstemperatur gebracht wird, so ist es klar, dass sowohl die Verkleidung 11 als auch die Brenn-■ Stoffsegmente sich axial gemäß ihren linearen thermischen Ausdehnungseigenschaften ausdehnen wird, die für eine Verkleidung aus rostfreiem Stahl 1-7,6 χ 1Ό~ , °C und für das spaltbare Material 9r7 x Ίθ" /⁰C beträgt. Vom Beginn des Anlaufens bis zur Arbeitstemperatur werden die Jegmente sich entgegengesetzt zu der relativen Ausdehnungsbewegung zwischen den Segmenten ausdehnen. Wenn das unterste Segment sich nach oben in den zugehörigen Hohlraum ausdehnt, dann wird das oberste Element sich ebenfalls nach oben in seinen Hohlraum ausdehnen, doch wird es außerdem infolge der axialen thermischen Ausdehnung der Hülle 11 als Ganzes nach oben fort vom unteren Segment bewegt werden. Während dieser Periode wird das Brennelement gemäß der Erfindung nicht in der oben beschriebenen Weise arbeiten, um die Änderung des thermischen Expansionskoeffizieten der Reaktivität zu kompensieren. Wenn der Reaktor die normale Arbeitsleistung erreicht hat, soll das erfindungsgemäße Brennelement vorzugsweise so arbeiten, daß der Kühlmittelstrom

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geändert werden kann, um eine konstante Verkleidungstemperatur zu erhalten, wogegen die Temperatur des spaltbaren Materials und demgemäß die Ausdehnung des spaltbaren Materials sich entsprechend der Höhe der Reaktivität ändert. Auch bei einem plötzlichen Anstieg der Reaktivität, der zu einem plötzlichen Ansteigen der Brennstoff temperatur führt, wird eine endliehe Zeit vergehen, bis die temperatur der Brennelementverkleidung steigt. Dieser Zeitabschnitt ist gewöhnlich von der Größenordnung· von Millisekunden, In jedem Pail wird die axiale thermische Ausdehnung der Verkleidung die Arbeitsweise des Brennstoffelements gemäß der Erfindung nicht beeinflussen.

Berechnungen zur Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Reaktivität können durchgeführt werden für ein eindimensionales System unter Benutzung der Diffusionstheorie mittels eines Digitalcomputers durch Kettenrechnungen. Grundsätzlich werden der Neutronenverlust und die Neutronenabsorption ausgeglichen gegen die Neutronenquelle aus den Spaltreaktionen durch wiederholte Berechnungen durch den Digitalcomputer. Innerhalb der Genauigkeit dieser Berechnungen überschreitet die Zahl der Segmente, welche erforderlich sind, damit der thermische Ausdehnungskoeffizient der Reaktivität den Wert Null erreicht, nicht den Wert 5 und bei einer Steigerung der Segmentzahl wird der Wert Mill beibehalten. Dementsprechend kann kein besserer Ausgleich erhalten werden und es ergibt sieh ein steigender Nachteil durch die VertBefarttog u&s nicht wirksamen Materials. Ein Brennelement mit vier oder fttof Segmenten liegt daher in der Nähe des Optimums.

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In der Tafel I kann man sehen, daß der Absolutwert des thermischen Expansionskoeffizienten der Reaktivität wesentlich herabgesetzt wird, indem man ein segmentartig unterteiltes Brennelement anstelle eines nicht unterteilten Brennelements der üblichen Bauart einsetzt. Man kann erkennen, daß ein'Anwachsen der Unterteilung des Brennstofß über fünf Segmente dazu führt, daß der Koeffizient in der Nähe von Null bleibt oder etwas positiv wird, so daß kein zusätzlicher Vorteil von der weiteren Unterteilung erhalten wird. Im Gegenteil wird eine zusätzliche Unterteilung dazu führen, daß infolge der Einführung zusätzlicher neutronenabsorbierender Stoffe in den Kern Nachteile auftreten, wodurch die Neutronenwirtschaftlichkeit herabgesetzt und mehr spaltbares Material für dieselbe Ausgangsleistung verwendet wird. Auf diese V.'eise wird die Unterteilung des Brennstoffes und die Schaffung von Hohlräumen in der oben beschriebenen Weise dafür sorgen, daß der thermische Expansionskoeffizient sich dem Wert Null nähert und ihn bei vier Elementen sogar erreicht, so daß die thermische Expansion des Brennstoffes nicht die Reaktivität des Reaktors beeinflußt. -

\:enn auch die oben erwähnten Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind, so gibt es auch andere Ausführungsformen und Änderungen der Anordnungen, die durch einen Fachmann ausgewählt'werden können, ohne von dem Geiste, dem Schutzbereich, oder dem Prinzip der Erfindung abzuweichen. Daher ist die Erfindung xxxliic nur· durch den Schutzbereich der Ansprüche beschränkt.

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Claims

Patentansprüche

1. Kernreaktor-Brennelement, das die Reaktivität beeinflussende Eigenschaften hat und innerhalb einer Verkleidung Teile aus spaltbarem Material aufweist, die in einem länglichen, rohrförmigen Brennstoffstab in Heihe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese in Heihe angeordneten Teile aus spaltbarem Material in nicht weniger als zwei (30, 23) und nicht mehr als fünf (30, 57, 66, 73, 79) Segmenten angeordnet sind, d ie sich bei Erwärmung in gleicher Richtung in ihnen zugeordnete Hohlräume (103, 108, 113* 118, 123) ausdehnen, so daß der thermische Sxpansionskoeffizient positiv wird und den negativen thermischen Expansionskoeffizienten der Reaktivität, der durch die gleichzeitig wirkende Wärmeausdehnung des Brennstoffstabes (11) hervorgerufen wird, kompensiert, so da.ß der Gesamtkoeffizient der thermischen Expansion in Bezug auf die Reaktivität sich dem Wert Null nähert.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes (30) und ein zweites (23, 57, 66, 73, 79) Brennstoffsegment sich nach oben ausdehnen, wobei das erste Brennstoffsegment über dem zweiten angeordnet ist.

3· Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Segmenten die Länge des ersten Brennstoffsegmentes (30) zwischen 50 £? und 67 ?j der Länge des zweiten Brennsegmentes (23) beträgt.

4. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei wenigstens drei Segmenten das erste Segment (30) in einem Ende der Brennstoffzone (12) mit seinem inneren Ende so befestigt ist,

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daß es sich in Längsrichtung innerhalb der Verkleidung (11) nach außen ausdehnen kann, und das zweite Segment (57) sich innerhalb der Verkleidung (11) über die mittlere Querebene (50) der Brennstoffzone (12) erstreckt und mit dem ersten Segment (JO) innerhalb der Verkleidung (11) sowie oberhalb der Querebene (50) einen Hohl-' raum (55) bestimmt, den es bei Wärmeausdehnung verkleinert, und das dritte Segment (66) innerhalb der Verkleidung (11) unterhalb der Querebene (50) liegt und mit dem zweiten Segment (57) einen .

Hohlraum (63) bestimmt, den es bei Temperaturanstieg verkleinert.

oder 2 5· Brennelement nach Anspruch Y, dadurch gekennzeichnet, daß

bei wenigstens vier Segmenten ein erstes Segment (50) in einem Ende der Brennstoffzone (12) mit seinem inneren Ende so befestigt ist, daß es sich innerhalb der Verkleidung in Längsrichtung nach außen ausdehnen kann, und daß ein zweites Segment (57) innerhalb der Verkleidung (11) und oberhalb der Querebene (50) der Brennstoffzone (12) vorgesehen ist, das mit dem ersten Segment (50) einen Hohlraum (55) innerhalb der Verkleidung (11) und oberhalb der Querebene (50) bestimmt, den es bei Temperaturanstieg verkleinert, und ein drittes Segment (66) innerhalb der Verkleidung (11) sowie unter der G.uerebene (50) vorgesehen ist, das mit dem zweiten Segment (57) einen Hohlraum (63) innerhalb der Verkleidung (11) bestimmt, den es bei TemperaturanstEg verkleinert, und ein viertes Brennelement (73) innerhalb der Verkleidung (11) unterhalb der Querebene (50) angeordnet ist, das mit dem dritten Segment (66) einen Hohlraum (70) innerhalb der Verkleidung (11) bestimmt, den es bei Temperaturanstieg verkleinert.

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oder 2 β. Brennelement nach Anspruch /, dadurch gekennzeichnet, daß

bei fünf Segmenten ein erstes Segment (30) mit seinem inneren Ende in dem einen Ende der Zone (12) derart befestigt ist, daß es sich ■ innerhalb der Verkleidung (11) in Längsrichtung nach außen ausdehnen kann, und ein zweites Segment (57) innerhalb der Verkleidung (11) und oberhalb der Mittelebene (50) der Brennzone (12) vorgesehen ist, welches mit dem ersten Segment (30) einen Hohlraum (55) innerhalb der Verkleidung (11) oberhalb der Querebene (50) bestimmt, den es bei Temperaturanstieg verkleinert, und ein drittes Segment (66) innerhalb der Verkleidung (11), welches mit dem zweiten Segment (57) innerhalb der Verkleidung (11) einen Hohlraum (63) bestimmt, den es bei Temperaturanstieg verkleinert, und ein viertes Segment (73) Innerhalb der Verkleidung (11) unter der Querebene (50), das mit dem dritten Segment (66) einen Hohlraum (70) innerhalb der Verkleidung (11) bestimmt, den es bei Temperaturanstieg verkleinert, und einem fünften Segment (79) innerhalb der Verkleidung (11) unter der Querebene (50), das mit dem vierten Segment (73) einen Hohlraum (76) innerhalb der Verkleidung (11) bestimmt, den es bei Temperaturanstieg verkleinert.

7. Brennelement nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Segmente eines Brennelements die gleiche Länge haben.

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T a f el I

Rauart des Brennelements

Maßzeichen

Bedeutung

ohne
Teilung

keine
Zeichnung

zwei

Teile

Fig. 2

drei
Teile

vier

Teile

fünf Teile

101 Verlängerung 58 (Neutronenschirm)

und Verbindungen

102 Oberer Reflektor 15 105 Oberer Kohlraum 52

104 1. o"bere Isolatorplatte 5I

105 Oberer Brennerteil 50

106 1. untere Isolatorplatte 52

107 1. Pflock 27, 55 (Pig, 2j 5, 4, 5)

108 2. Hohlraum 16, 55 (Fig. 2; 5, 4, 5)

109 2. obere Isolatorplatte 26, 56 (Fig. 2* 5, 4, 5)

110 2. Brennerteil 25, 57 (Fig. 25 5, 4, 5)

111 2i untere Isolatorplatte 22, 58 (Fig. 2j 5, 4, 5)

112 2. Pflock 59
115 5· Hohlraum 65

114 5. obere Isolatorplatte-65

115 5. Brennerteil 66

116 5«. untere Isolatorplatte 67

δ 117 5· Pflock 69

§ 118 4. Hohlraum 70

§ 119 4. obere Isolatorplatte 72

> 120 4. Brennerteil 75

121 4. untere Isolatorplatte 74

58,10 cm 58,10 cm

10,19 cm
6,55 cm
0,95 cm

85,94 cm

CD O CO OO

u>

CO

O OO N> (O 10,19 cm
2,55 cm
0,95 cm

52,96 cm
0,95 cm
1,59 cm
4,19 cm
0,95 cm

52,98 cm
0,95 cm

Fig. 5 . Fig. 4 Fig.

58,10cm 58,10cm 58,10cm

10,19 cm
1,9.4 cm
0,95 cm

28,65 cm
0,95 cm
1,59 cm
2,78 cm
0,95 cm

28,65 cm
0,95 cm
1,59 cm
1,85 cm
0,95 cm

28,65 cm
O₅95 cm

10,19 cm 1,50 cm 0,95 cm

21.47 cm 0,95 cm 1,59 cm 1,85 cm 0,95 cm

21.48 cm 0,95 cm 1,59 cm 1,80 cm 0,95 cm

21,48 cm 0,95 cm 1,59 cm 1,40 cm 0,95 cm

21,48 cm 0,95 cm

10,19 cm 0,88 cm 0,95 cm

17,19 cm 0,95 cm 1,59 cm J 1,61 cm-0,95 cm •17,19 cm 0,95 cm 1,59 cm 1,67 cm 0,95 cm

17,19 cm■ 0,95 cm 1,59 cm 1,61 cm 0,95 cm

17,19 cm 0,95 cm

Fortsetzung von Tafel I

Bauart des Brennelements

Maß 4. Bedeutung 5- Pflock 75 zeichen 5. Hohlraum 122 5. obere Isolatorplatte 78 123 5. Brennerteil 79 124 untere Isolatorplatte 80 125 Unterer Reflektor 14 126 Unterer Tracstift 21. Gitte 127 128

CO CD CO CX) Ca> CO >»* O CO

Natrium und Gamma-Schirm

Reaktorkerndurchmesser

Brennelementdurchmesser

Brennerpreßlingdurchmesser Brennstofftemperatur Brennstoffhüllentemperatur Gesamtarbeitsledstung des Reaktors Therm. Expans.-Koeffizent der Reaktivität ohne
Teilung

keine
Zeichnung

zwei
Teile

Fig. 2

drei
Teile

Fig. 3

vier
Teile

Fig. 4

fünf Teile

Fig.

cm 10,19 cm MW 10,19 cm 10,19 cm 1,59 cm cm 43,18 cm - 0,0011 43,18 cm 43,18 cm 0,77 cm cm 86,07 cm 86,07 cm 86,07 cm 0,95 cm cm 2,54 cm 2,54 cm 2,54 cm 17,19 cm cm 2,24 cm 2,24 cm 2,24 cm 0,95 cm 10,19 ⁰ C 2500⁰ c 25OO ⁰ C 25OO⁰ C 10,19 cm 43,18 ⁰ C 427° C 427 ⁰ c 427° C 43,18 cm 86,07 MW 20 20 MW 20 MW 86,07 cm 2,54 - 0,0038 - 0,0001 ■ Null 2,54 cm' 2,24 2,24 cm 25OO 25OO ° C 427 427 ° C- 20 20 MW + 0,0006

cn cn

to

Tafel II

Reaktortyp Spaltmaterial

Moderatormaterial (Volumenanteile)

Mittlere Neutronenenergie

Ausgangsleistung Reflektorsteuerung

Wärmetauschersystem

Behälter

Kern

CD O CO OO CO

to "^. O OD Ni CO

Schnelle Neutronen, heterogen

Mischung PuOp und UOp gepreßt

Gesamte Anreicherung

BeO

Korrosionsbeständiger Stahl

Natrium

120 keV (Maximalenergie 2,5 MeV)

20 MW

Nickelstäbe

Gesamtzahl

Max. Reaktivität je Stab

Gesamthub

Primär: Natrium

Sekundär: Natrium

Tertiär: Luft

Hauptgefäß (Typ 304 SS)

Innendurchmesser am Spaltstoffabschnitt

Innendurchmesser am oberen Abschnitt

Wandstärke

Auslagedruck

Durchmesser

Länge des Brennmaterials

Neutronenfluß (Spitze über 1 MeV)

0,168 Atom 10,02 %

23,77 % 20,88$

2 $
899 cm

102 cm 1^5 cm

0,96 - 1,94 cm

35 atü

85,9 am

55,9 cm

14 1 χ 10

Neutronen je

ρ cm und see

1. Fortsetzung von Tafel II

Brennstab

Moderatorstab
Mantel

Verlängerungsstab

Kühlmittel

CD O CO OO OO CO "^ O CO N> CO

Gesamtlänge

Außendurchmesser am Spaltstoffabschnitt

Gesamtzahl im Kern

Hülle

Hexagonale Anordnung mit mittlerem Moderatorstab

BeO, Anzahl im Kern

Hexagonal, Durchmesser zwischen den Flächen

Länge

Wandstärke

Material

Länge des Neutronenschirmes

Länge oberhalb des Neutronenschirmes

Größter Außendurchmesser

Material

Stärke der Abschirmung Eintrittstemperatur Austrittstemperatur Durchfluß bei Belastung Geschwindigkeit im Kern

Wärmeübergangskoeffizent 305 cm 2,5 cm 618

korrosionsfreier Stahl Typ

108

7,788 cm 2β9 cm • 0,152 cm

korrosionsfreier Stahl Typ

122 cm.

66 cm 2,24 cm

Typ 316, korrosionsfreiei Stahl und B₁,C

0,102 cm C

438° C 275 cm/sec im Mittel 218 cm/sec maximal 330 cm/sec 100 000 kcal/m^e χ h χ

2. Fortsetzung von Tafel II

Brennstoffbeschickung

Brennst offzusammensetzung

Physikalische Daten

u

Pu Pu

PuO₂ und UO

Kühlmittel (Natrium)

Aufbauteil (Stahl)

Anteil der Spaltungen unter 9 -KeV

Lebensdauer der prompten Neutronen

Gesamter Neutronenfluß im Kernzentrum

im Mittel

Erwärmung durch Gamma- und Neutronenstrahlung prompte Spaltungs-Gamma-Strahlung Spaltungsprodukt Gamma »

Neutronen-Gamma-Reaktion Unelastische Streuung • Elastische Streuung Summe

1 598 kg Ο"* ⁵ see 26 kg 14 Neutronen/ 296 kK cm χ see 1 920 kg 14 Neu tr ο ne η/4JuI 45 cm χ see 11 je Spaltung 19 je Spaltung 23 je Spaltung ο, je Spaltung ο, je Spaltung 6, je Spaltung CT!
cn 3, ,4 Volumen % " CO
cn ,2 Volumen % 7, ι,2 Volumen # 7, >,8 Volumen % 8, 22 2; 36 x 1 3i 4 χ 10 29, •4 χ 10 ,8 MeV ,2 MeC ,2 MeV ,4 MeV .6 MeV ,2 MeV

Le e rs e i te