DE1589662A1 - Kernbrennstoffelement - Google Patents

Description

β MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1a
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B.2111.3 München, 5. Dezember 1967

——~- Dr. M./Eh

C-1~P-186/553

Commissariat & l^fEnergie Atomique in Paris / Frankreich

Kernbrennstoffelement

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoff el eraent für Kernreakto ren, insbesondere mit schnellen Neutronen betriebene und durch jenkrechte Strömung einea flüssigen Metalle durch den Gore gekühlte Reaktoren.

Bin Kernbrennstoffelement für einen mit schnellen neutronen betriebenen Kernreaktor besteht im allgemeinen aus mindestens einem Bündel von Nadeln, die jede aus einem in einer dichten Hülle enthaltenen und in einem rohrförmigen, einen Strömungekanal für das flüssige Metall bildenden Gehäuse angeordneten Stab aus Spalt- oder Brutmaterial bestehen, wobei die Nadeln mit dem Gehäuse an einem ihrer En Jen verbunden sind. Der Ausdrlick "Stab" soll hier entweder ein massives Stück oder (was der häufigste Fall ist) eine Säule kleiner Tabletten bezeichnen. Derartige Kernbrennstoffelemente sind in zahlreichen Veröffentlichungen

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beschrieben. Beispielsweise ist aus der französischen Patentschrift 1 291 633 des Anmelders ein kernbrennstoffelement bekannt, das drei in einem GeMuse von heisagonaleia Querschnitt Übereinander angeordnete Bündel von !Tadeln auf weist. Dieses Gehäuse besteht aus einem rohrförmigen Mantel, der an seinem oberen Ende mit einem Hanühabungsfcopj? und an seinem unteren Ende mit einem Fuß versehen ist, der in ein die Gesamtheit der Kernbrennstoffelemente tragendes Traggerüst eingreift. Die ein Bündel bildenden Nadeln sind in einem zentrierten hexagonalen Gitter angeordnet, und jedes Bündel wird von einem Gi fet<r oder Schienen getragen, die für das untere Bündel am FuS und für die beiden anderen am Mantel befestigt sind.

Daa mittlere üaculbündel enthält, Spaltmaterial, während die beiden äußeren Nadelbündel Brutrnat«rial enthalten oder eine Neutronenabschirmung darstellen. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform, die auf Seite 84 bis 86 des Juli/August«Heftes 1965 des "Bulletin d^!Information Scientifiques et Techniques" (Dunod-Paris) beschrieben und dargestellt ist, besitzt das Kernbrennstoffelement außer den drei Nadelnündeln einen oberen Neutronenabschirmunge-3 top fen.Gemäß einer anderen abgewandelten Ausführungsform sind das Spaltmaterial und das Brutmaterial, welche die oberen und unteren axialen Abdeckungen bilden, in einem einzigen, aus Nadeln großer Binge bestehenden Bündel integriert.

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Die oben beschriebenen Anordnungen befriedigen im allgemeinen/ besitzen jedoch einige Nachteile. Einerseits besitzen die Spaltmaterial enthaltenden Nadeln, wenn es sich nicht ton Brennstoffelemente mit Eiitlüftuftgeöffnungen handelt, eine Hülle, welche oberhalb eines von diesem Material (im allgemeinen einer Säule von Oxydtabletten) eingenommenen Eai*m$eine zur Aufnahme der Spaltgase bestimmte Ausdehnungskammer ejnachließt. Die !enge dieser Ausdehnungskammer lcann von gleicher Größenordnung wie die vom Brennstoff material eingenommene Länge sein. Andererseits tritt der größte Teil des Druckabfalls des Kühlmittels in einem Kernbrennstoffelement des oben beschriebenen Typs beim Durchgang durch das mittlere Nadelbündel auf» dessen Nadeln einen kleineren Durchmesser als die zu dem oberen und unteren Bündel gehörenden haben. Die Ausdehnungskammer, deren Länge in etwa die Hälfte der HadeHänge beträgt, ist daher für einen wesentlichen Teil (etwa ein Drittel im Fall eines Brennstoffelemente mit drei übereinander angeordneten Bündeln) des Gesamtdruekabfalls des Kühlmittels im Brennstoffelement verantwortlich. Oder anders gesagt, da die Förderhöhe der Kühlmittelpumpen des Kernreaktors in der Hauptsache zur Überwindung des Druckabfalls beim Durchgang durch die Brennstoffelemente benötigt wird, erfordert die Ausdehnungskammer allein bereite etwa ein Viertel dieser Förderhöhe, während wegen fehlender Wärmeabgabe in diesem Bereich der Durchfluß der gleichen Ktihlmittelmenge wie im Bereich des Spaltmaterials nutaIoβ ist.

aufweisen Bin weiterer Nachteil, den auch die sog. Brutelemente/( die ein einsiges Bündel von sehr langen, mit Brutmaterial gefüllten Nadeln enthalten, liegt darin, dafl der Slnbau der

Nadelbündel in das Gehäuse schwierig ist und genügend Spielraum

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erfordert. Da dieses Gehäuse die mechanische Festigkeit und Starrheit der öesamtelementanordnung gewährleisten mufi, aufl der Mantel eine erhebliche Dicke besitzen und ist daher verhältnismäßig teuer.

Die Erfindung bezweckt «in Kernbrennstoffelement, das den Erfordernissen der Praxis besser als die bisherigen Brennstoffelemente entspricht und insbesondere die oben erwähnten flachteile vermeidet oder mindeatena verringert.

?,\x diesem Zvreck wird erfindung3gettäÖ ein Kernbrennstoff element des mindestens ein Bündel von mit Ausclehnungskainmern versehenen und in einem rohrförmigen, einen Strömungekanal für den Kühl-* mittelkreielauf bildenden Gehäuse angeordneten HadeIn enthaltenden Typs vorgeschlagen, welches sich insbesondere dadurch ausielohnet, daQ das Gebüuse eine an ihrem einen Ende mit einem PuB und am anderen Ende mit einem Orlffkopf versehene rohrförmige Mltteletütee aufweist, welche die Nadeln trägt und einen axialen Kanal bildet, der aln Nebenweg den zwischen den Auedehnungskammern liegenden Baum kurzschließt(überbrückt).

Bei einer bevorzugten Auaführungsform der Erfindung besteht das Gehäuse aus einem dünnen,, ringe um das Nadelbündel oder die Wadelbündel und in enger Berührung mit den äußeren Nadeln dieser Bündel angeordneten Hantel, der im wesentlichen dioht ist und das Nadelbündel von (lon Bündeln der benachbarten Kernbrennstoffelemente trennt. Diener Mantel dient nur al« Trennwand eur Kanalisierung der Strömung und hat keinerlei Sttttefunktion. Letstore

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wird vielmehr von der rohrförmigen Mittelstütze ausgeübt.

Bin erfindungegeifläßeo Kemferemistoffelement wird im folgenden anhand eines Auoführungsbeispiels mit Besing auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Hierin zeigern

Fig. 1 und 2 Aufrisse des oberen und unteren Teils eines Kernbrennstoff elements im Schnitt längs einer duroh die Achse gehenden Ebene;

flg. 3 einen Schnitt gemäß III-III der Flg. 1.

Das In Fig. 1 und 2 gezeigte Kernbrennstoffelement A besitzt ein Gehäuse, das ein mittleres Bündel 10 von mit Spaltmaterial gefüllten Nadeln enthält, welches in senkrechter Richtung von einen oberen Bündel 12 und einem unteren Bündel 14 von mit Brutmaterial oder absorbierendemMaterial gefüllten Nadeln eingeschlossen wird. Die mechanische Festigkeit (Starrheit) des Gehäuses und die feste Verbindung der verschiedenen Bestandteile des Kernbrennstoffelemente werden durch einen Bohrkörper (rohrförmige Mittelstutse) 16 gewährleistet, dessen unteres Ende an einem mit öffnungen 20 für den Eintritt des Kühlmittels versehenen massiven Fuß 18 befestigt ist. Rings um den oberen Teil des Rohrkörpers 16 ist eine Ringscheibe 22 angeordnet und beispielsweise durch Schweißen befestigt. Das Ende des Rohrkörpers 16 1st mit einem Wulst 24 ausgebildet, der einen Griff für einen bei der Handhabung benute ten Greifer bildet.

Bei der in den Figuren gezeigten AuefUhrungsform ist der Bohrkörper ein elnfaohes Rohr, welohea einen zylindrischen Mittel-

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kanal 26 begrenzt, der den Zutrittekanal 28 im FuB fortsetzt und mit den Kühlmitteleintrittsöffnungen 20 in Verbindung steht.

Di« Hadeln, welche das untere Bündel 14 und das obere Bündel 12 bilden, sind in einem zentrierten hexagonalen Gitter angeordnet. Ihre unteren linden rnfoen auf Schienen 30, die am PuO 18 befestigt sind, bzw. auf Schienen 32, die mit einem Rost 34 fest verbunden sind, welcher Durchlaßöffnungen für das Kühlmittel aufweist und am Rohrkörper 16 befestigt ist, beispielsweise durch Schweißen. Die oberen Enden der Nadelbündel werden einfach durch Schienen geführt, die von einem dem Rost 34 ähnlichen Rost 35 bzw. der Ringscheibe 22 getragen werden.

Die HadeIn des si .tieren Bündels 10, die einen kleineren Durchmesser ale die der oberen und unteren Bündel 12 bzw. 14 aufweisen, sind ebenfalls in einem zentrierten hexagonalen Gitter angeordnet und werden von am Rost 35 befestigten Schienen getragen. Um die freie Ausdehnung der Nadeln zu ermöglichen, sind sie an ihrem oberen Snde einfach durch andere, mit dem Rost 34 feet verbundene Schienen geführt. Jede dieser Nadeln besitzt einen oberen, mit Spaltmaterial gefüllten Teil, der im wesentlichen die Hälfte der Buieanlange einnimmt,und einen unteren, eine Ausdehnungskammer bildenden Teil. Die Hülle jeder Nadel besitzt zwischen dem mit Spaltmaterial gefüllten Teil und der Ausdehnungskammer eine Einschnürung 36. Die Zwischenräume zwischen diesen Einschnürungen bilden einen Sammelraum 37» dessen Rolle im folgenden erläutert wird.

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Me Gesamtheit 4er drei Bündel 12,10 und 14 ist in einem dünnen Mantel 38 enthalten, der am 3?uß 18 mvl an der Hingscheibe 22 befestigt tat nn.& eine Trennung (\?elelie lsi allgeBieiiien nicht absolut tiicht sein maß) tischen diesen BiJMein und den Bündeln benachbarter Kernbrennstoff elements ße*?'jfliir leistet.

Dieser Mantel wird vorzugsweise gemäß d«r gleichzeitigen deutschen Patentanmeldung (Az....; entsprechend der franz. Patentanmeldung 86 218) des Anmelders hergestellt.

Xn der Höbe der Einschnürungen 36 (Pig.2) oder etwas darunter ist der Rohrkörger 16 mit einer Reihe von Kühlmittelaustrittsöffnungen 44 versehen. Oberhalb der Einschnürungen 36 ist der Mittelkanal 28 durch einen Stopfen 42 verschlossen, welcher den weiteren Aufstieß des Kühlmittels verhindert. Schließlich besltet der Rohrkörper 16 noch eine Reihe von Austrittslöchern 46 von geringem Querschnitt bezüglich der Austrittstfffnungen 44. Diese Austritts» löcher 46 münden in den Raum zwischen dem FaO und dem unteren Ende des unteren Bündels 14 (Pig. 2).

Bei ©iner bevorzu/jteJi Aue füh rungs form der Erfindung ist der Heitangsqu^vschnitt des MittelJtenalo 26 deo Rcbrkörpere von der

sich-

gleichen SrÖßenorfimirrg wi<* der Geaarntquersciinitt, doj/bei einem üblich* --T) Kernbrennstoff element für die Zv/ischpnräum« zwischen deE Bündel und den starren Mantel ergibt. Der Querschnitt dieses Rohrkörpers kann von der gleichen Größenordnung sein, wie der Querschnitt deo Mantels bei einem üblichen Kernbrennstoffelement. Unter diesen Bedingungen bleibt der Anteil des Spalt- oder Brut-

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materials im wesentlichen der gleiche wie bei den bekannten Kernbrennstoff elementen.

Der Kveielauf des Kühlmittels in einem solchen Kernbrennstoff» element ergibt sich aus den Figuren. Das gemäß den Pfeilen f dwrch die öffnuagen 20 eintretende Kühlmittel strömt länge des Kanals 28 nach oben. Der größte Teil deu Durchsatzes strömt durch den Kanal 26 der rohrförmigen Mittels, tütsse 16 und tritt durch die Austrittaöffmmgen 44 aus, wodurch das untere Bündel 14 und der die Ausdehnungskammern bildende Heil des Mittelbündelο 10 überbrückt vrerden.Ein Teil des Durchsatzes, der durch Wahl der Abmessungen der Austrittslöcher 46 geregelt werden kann, tritt aus der rohrförmigen Hittelstütze 16 unterhalb der Bündel aus und umspült das untere Bündel 14 und die Ausdehnungskammern. Der Sammelrau.m, der von den nebeneinander liegenden Zwischenräumen sswischen den Einschnürungen 36 gebildet wird, ermöglicht eine gute Verteilung des Kühlmittels und eine gleichmäßige Kühlung des mit Spaltmaterial gefüllten Teils der Nadeln des mittleren Bündels 10. Der gesamte Kühlmitteldurcheatz umspült diesen Teil der Nadeln des mittleren Bündels 10 und das obere Bündel 12, bevor er durch die Austrittsöffmmgen 48 in der Ringscheibe 22 austritt. Die Zwiechenroite 34 und 35 sind mit großen Ausschnitten versehen, so daß eie nur einen geringen Druckabfall des Kühlmittels verursachen.

Selbstverständlich sindt verschiedene abgewandelte Ausführungen formen möglich. Insbesondere kann man die mit Spaltmaterial gefüllten Nadeln rait ihrer Ausdehnungskammer nach oben anordnen.

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Xn diesen Pall strömt das Kühlmittel um die x-ohvZörmlge Mittel- EiW:bZrh biß jswm oberen Erüe cle3 mit Spaltmaterial gefüllten Teile df;i* Heile In iies mittleren ^iisidels uM darauf mit seiner Hauptssige im Inneren des Robrkörpera 16, bevor es am oberen Ende des miötoffelements austritt.

Die Järfintlimg ist besonders vorteilhaft für Kernbrennstoffelemente mit mehrex-en Bündeln, wie oben besehrieben, jedoeh auch anwendbar füi» Kferab^ennatoffelemente mit nur einem Bündel, intlera das ""V-ali.:·-at^rial tind Brutmaterial ziiae.ramengefnßt «iüd, und für Elep.e:-te, die rler radialen Abdeo.1r.uxig dienen «mu nuv ein einziges l vor nur mit Brutmaterial gefüllten Mdeln enthalten.

V/i« eraiohtlich, weisen die erfindungsgemäßen Kernbrennstoffelemente in allen Fällen die gewünschten Vorteile auf. Der Hauptteil dee Kühlmitteldurchsateee strömt nicht um die Ausdehnungskammern der mit Spaltmaterial gefüllten Nadeln und um die Nadeln des unteren Bündels sondern in einem Kanal von großem Durchlaß querschnitt, so daß der Druckabfall in diesen Höhen stark verringert wird. Die rohrförmige Mittelattitze läßt einen Raum frei, in dem sich keine Nadeln finden und der beispielsweise zur Aufnahme eines Kontrollataba, einer Me3voi.^vy;lchl'.ung, einer Vorrichtung zur Verriegelung dee Kernbrennstoffelemente an Ort und Stelle, von besonderen Nadeln einer Bestrahlungskapael uow. verwendet werden kann. Wenn man eine solche Möglichkeit nicht ausnützt, kann man durch die rohrförmige MlttalstfltEe einen Teil dee KUhI mittelflueaee lenken, der das mittlere Bündel 10 umspült hat.

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Weiterhin vermeidet die gemeinsame Anwendung einer rohrförmigen Mittelstütze 16 gemäß der Erfindung und eines aus einem spiralförmig aufgewickelten Band beatehenden Mantels 38 die Schwierigkeiten der Einführung von Bündeln in ein aus einem starren Hantel bestehendes Gehäuse und verringert die Gefahr des Auftretens von Schwingungen. Die Nadeln können ohne Spiel rings um die Mittelstütze angeordnet werden,und sie werden durch den darum gewickelten Außenmantel fest gegen diese angedrückt.Die Starrheit und mechanische Festigkeit der Stutestruktur ist offensieht» lieh geringer als die eines aus einem Stück bestehenden Außenmantels, jedoch kann die daraus folgende verhältnismäßige Elastizität von Vorteil sein, beispielsweise beim Herausnehmen eines beschädigten Kernbrennstoffelemente aus den anderen, in das Traggerüst dec Heaktors eingesetzten ^ernbrennstoffelementen.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.) EernbrennstofMoffiftiit, das mindestens ein Bündel von Nadeln enthält5 die Kit AuadehnunsakammerB versehen \mä in einem rohrfüraigasip einen Kühliaittelfereis bildenden Gehäuse angeordnet sind. geteesraaeichn^t durch eine rohrförraige Mittelstütze (16), die an einem Ende mit einem Fuß (18} wnd am anderen Ende mit einem Griffäopl verseilen ist» die !Tadeln tyägt und einen Axialkanal (26) begrenzt, der als Nebenweg den Raum zwischen den

kurzschließt.

2.) Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß es ein mittleres Bündel (lO) von mit Spaltmaterial ge üllten und eine Ausdehnungskammer aufweisenden Nadeln und zwei äußere Bündel (12,14) von mit Brutmaterial gefüllten Nadeln aufweist und der axiale Kanal (26) den Raum zwiechen den Ausdehnungskammern und zwischen den Nadeln des diesen benachbarten äußeren Bündels (H) kurzschließt.

3.) Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen der Nadeln des mittleren Bündels (10) zwischen· dem mit Spaltmaterial gefüllten Teil und der Ausdehnungskammer eine Einschnürung (36) aufweisen.

4.) Kernbrennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (26) der Mittelstütze mit dem Kühlmitteleinlaß (Zty im Fuß (18) des Brennstoffelements und mittels Kühlmittelauelaßöffnungen (44) mit einem durch die Einschnürungen abgegrenzten Sammelraum (37) in Verbindung steht und oberhalb der AuelaßÖff-

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nur.{;on ('SO nireh «ineu Κ^ορΓβη ('K-) ve ve ab'iog you iat.

5.) Γ--:μ\./ J-: ae-sio^ :>'(*Jw;i<in\- >v.*eh air^j_:\ (l«.~.r tt'.niw'UYiw ?.-.3 "iioy 4-, nadnroii /;<:-.ΐ>;ΐ; ^^i vlmet, i-;"L> 'or Ksr-.o.^ ί 26) <\u/.oh Ans tr ir, ti? löcher (46*' »On L.l'iiaein Qu«a'8chnsi Ii mit, einaai j rite; hall) d(üi u^vervm BiJnöela (H) νοϊγί<»οϋ!τβηβ:··₅ I?a«R! in Verbindung steht.

6.) K« rnbi-ennatoi'fiement nach einen der vorlier(iehenden AnnprUche, dadurch gekennzeichnet, daß ''ae Nr.tT«lbündel 0(3er die Nadolbtindel von Sclaiftren (30,32), Hobt^n (34,3^) oder dem Fuß (18) getragen wbrde'i, f-?e an der Mittertstfitze (ΐυ) böff-ötiijt. 8iBd.

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