DE1589662C - Kernbrennstoffelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement, bestehend aus mindestens einem Bündel von mit eigenen Ausdehnungskammern versehenen Nadeln, weiche in einem rohrförmigen, einen Kühlmittelstrom zwischen diesen Nadeln begrenzenden Gehäuse untergebracht sind, sowie einer rohrförmigen Mittelstütze, die an einem Ende mit einem Fuß und am anderen Finde mit einem Kopf versehen ist.

liin Kernbrennstoffelement mit diesen Merkmalen ist bereits aus der britischen Patentschrift I 022 839 bekannt. Dieses bekannte Brennelement weist zwei in axialer Richtung übereinander angeordnete Brennelementbündel mit Nadeln auf, wobei die Nadeln jeweils eine Ausdehnungskammer aufweisen und in einem rohrförmigen Gehäuse, das einen Kanal für die Kühlmittelumwälzung bildet, untergebracht sind. Die Anordnung umfaßt weiterhin ein zentrales Tragrohr, das an seinem unteren Ende mit einem Fuß und an seinem oberen Ende mit einem Kopf versehen ist. Dieses zentrale Tragrohr ist an seinen beiden. Enden durch Stopfen verschlossen und kann bei einer bevorzugten Ausführungsform mit Spaltmaterial gefüllt sein. Das Gewicht der Nadelbündel wird bei dieser bekannten Brennelementanordnung über den Fuß auf das zentrale Tragrohr übertragen, welches seinerseits das Gewicht über einen konusförmigen Stützkörper und den daran befestigten Flansch auf das rohrförmige Gehäuse überträgt. Erst dieses rohrförmige Gehäuse gibt das Gesamtgewicht des Kernbrennstoffelements an den an seinem oberen Ende befestigten Greifkopf weiter.

Weiterhin ist aus der französischen Patentschrift 1 291 633 ein Kernbrennstoffelement bekannt, das drei in einem Gehäuse von hexagonalem Querschnitt übereinander angeordnete Bündel von Nadeln aufweist. Dieses Gehäuse besteht aus einem rohrförmigen Mantel, der an seinem oberen Ende mit einem Fuß versehen ist, welcher 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 Gitter oder Schienen getragen, die für das untere Bündel am Fuß und für die beiden anderen am Mantel befestigt sind. Das mittlere Nadelbündel enthält Spaltmaterial, während die beiden in axialer Richtung nach außen hin anschließenden Nadelbündel Brutmaterial enthalten oder eine Neutronenabschirmung darstellen. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform, die auf S. 84 und 86 des Juli/August-Heftes 1965 des »Bulletin d'Informations Scientifiques et Techniques« (Dunod-Paris) beschrieben und dargestellt ist, besitzt das Kernbrennstoffelement außer den drei Nadelbündeln einen oberen Neutronenabschirmungsstopfen. 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 Länge bestehenden Bündel integriert.

Die oben beschriebenen bekannten Anordnungen befriedigen zwar im allgemeinen, besitzen jedoch einige Nachteile. Einerseits besitzen die Spaltmaterial enthaltenden Nadeln, wenn es sich nicht um Brennstoffelemente mit Entlüftungsöffnungen handelt, eine Hülle, welche oberhalb eines von diesem Material (im allgemeinen einer Säule von Oxidtabletten) eingenommenen Raum eine zur Aufnahme der Spaltgase bestimmte Ausdehnungskammer einschließt. Diese Ausdehnungskammer kann eine Länge bis zu der vom Brennstoffmaterial eingenommenen Länge aufweisen. Dabei tritt insbesondere bei der aus der genannten französischen Patentschrift bekannten Brennelementanordnung der größte Teil des Druckabfalls des Kühlmittels beim Durchgang durch das mittlere Nadelbündcl auf, dessen Nadeln einen kleineren Durchmesser als die zu dem oberen und unteren Bündel gehörenden Nadeln haben und deshalb viel dichter im Gehäuse-Querschnitt angeord-

net sind. Die Ausdehnungskammer, deren Länge in etwa der Hälfte der Nadellänge entspricht, ist daher für einen wesentlichen Teil (etwa ein Drittel im Fall eines Brennstoffelements mit drei übereinander angeordneten Bündeln) des Gesamtdruckabfalls 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 bereits etwa ein Viertel dieser Förderhöhe, während wegen fehlender Wärmeabgabe in diesem Bereich der Durchfluß der gleichen Kühlmittelmenge wie im Bereich des Spaltmaterials nutzlos ist.

Ein weiterer Nachteil, den auch die sogenannten Brutelemente aufweisen, die ein einziges Bündel von sehr langen, mit Brutmaterial gefüllten Nadeln enthalten, liegt darin, daß der Einbau der Nadelbündel in das Gehäuse schwierig ist und genügend Spielraum erfordert. Da dieses Gehäuse die mechanische Festigkeit und Starrheit der Gesamtelementanordnung gewährleisten muß, muß der Mantel eine erhebliche Dicke besitzen und ist daher verhältnismäßig teuer.

Die Erfindung bezweckt nun ein Kernbrennstoffelement, das den Erfordernissen der Praxis besser als die bisherigen Brennstoffelemente entspricht und insbesondere die oben erwähnten Nachteile vermeidet oder zumindest verringert.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Kernbrennstoffelement der eingangs genannten Gattung dadurch, daß die rohrförmige Mittelstütze einen Axialkanal für eine Abzweigung des Kühlmittelstroms bildet, der im Nebenweg den Raum zwischen den Ausdehnungskammern überbrückt, und daß diese Mittelstütze das Gewicht der Nadeln auf einen Greifkopf überträgt, der am oberen Ende der Mittelstütze angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemäße Übertragung des Gewichts der Nadeln auf die Mittelstütze und von da auf den Greifkopf ergibt sich der Vorteil, daß das Gehäuse aus einem relativ dünnen, rings um das Nadelbündel oder die Nadelbündel und in enger Berührung mit den äußeren Nadeln dieser Bündel angeordneten Mantel bestehen kann, der im wesentlichen dicht ist und das Nadelbündel von den Bündeln der benachbarten Kernbrennstoffelemente trennt. Dieser Mantel dient nur als Trennwand zur Kanalisierung der Strömung und hat keinerlei Stützfunktion.

Die Übertragung des Gewichts der Nadelbündel auf die Mittelstütze wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß diese von Schienen, Rosten oder dem Fuß getragen werden, welche an der Mittelstütze befestigt sind.

Durch die mit der Abzweigung des Kühlmittelstroms erreichte Umgehung des normalen Kühlmittelraums zwischen den Ausdehnungskammern wird der Druckverlust des Kühlmittelstroms im Kernbrennstoffelement erheblich gesenkt. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung, insbesondere bezüglich des Axialkanals in der Mittelstütze und der mit seiner Einmündung in den normalen Kühlmittelkanal verbundenen besonderen Ausbildung der Nadeln, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein erfindungsgemäßes Kernbrennstoffelement wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen

F i g. 1 und 2 Aufrisse des oberen und unteren Teils eines Kernbrennstoffelements im Schnitt längs einer durch die Achse gehenden Ebene,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß III-III der Fig. 1.
Das in F i g. 1 und 2 gezeigte Kernbrennstoffelement A besitzt ein Gehäuse, das in axialer Richtung ein mittleres Bündel 10 von mit Spaltmaterial gefüllten Nadeln enthält, welches in senkrechter Richtung von einem oberen Bündel 12 und einem ίο unteren Bündel 14 von mit Brutmaterial oder absorbierendem Material gefüllten Nadeln eingeschlossen wird. Die mechanische Festigkeit (Starrheit) des Gehäuses und die feste Verbindung der verschiedenen Bestandteile des Kernbrennstoffelements werden durch die rohrförmige Mittelstütze 16 gewährleistet, deren unteres Ende an einem mit Öffnungen 20 für den Eintritt des Kühlmittels versehenen massiven Fuß 18 befestigt ist. Rings um den oberen Teil der Mittelstütze 16 ist eine Ringscheibe 22 angeordnet und beispielsweise durch Schweißen befestigt. Das Ende der Mittelstütze 16 ist mit einer Wulst 24 ausgebildet, die einen Griff für einen bei der Handhabung benutzten Greifer bildet.

Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist die Mittelstütze ein einfaches Rohr, welches einen zylindrischen Mittelkanal 26 begrenzt, der den Zutrittskanal 28 im Fuß fortsetzt und mit den Kühlmitteleintrittsöffnungen 20 in Verbindung steht.

Die Nadeln, welche das untere Bündel 14 und das obere Bündel 12 bilden, sind in einem zentrierten hexagonalen Gitter angeordnet. Ihre unteren Enden ruhen auf Schienen 30, die am Fuß 18 befestigt sind, bzw. auf Schienen 32, die mit einem Rost 34 fest verbunden sind, welcher Durchlaßöffnungen für das Kühlmittel aufweist und an der Mittelstütze 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 Nadeln des mittleren Bündels 10, die einen kleineren Durchmesser als 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 Ende einfach durch andere mit dem Rost 34 fest verbundene Schienen geführt. Jede dieser Nadeln besitzt einen oberen, mit Spaltmaterial gefüllten Teil, der im wesentlichen die Hälfte der Hülsenlänge 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.

Die Gesamtheit der drei Bündel 12, 10 und 14 ist in einem dünnen Mantel 38 enthalten, der am Fuß 18 und an der Ringscheibe 22 befestigt ist und eine Trennung (welche im allgemeinen nicht absolut dicht sein muß) zwischen diesen Bündeln und den Bündeln benachbarter Kernbrennstoffelemente gewährleistet. In der Höhe der Einschnürungen 36 (F i g. 2) oder etwas darunter ist die Mittelstütze 16 mit einer Reihe von Kühlmittelaustrittsöffnungen 44 versehen. Oberhalb der Einschnürungen 36 ist der Mittelkanal 26

durch einen Stopfen 42 verschlossen, welcher den weiteren Aufstieg des Kühlmittels verhindert. Schließlich besitzt die Mittelstütze 16 noch eine Reihe von Austrittslöchern 46, die jedoch einen geringeren Querschnitt als die Austrittsöffnungen 44 aufweisen. Diese Austrittslöcher 46 münden in den Raum zwischen dem Fuß und dem unteren Ende des unteren Bündels 14 (Fig. 2).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Leitungsquerschnitt des Mittelkanals 26 von der gleichen Größenordnung wie der Gesamtquerschnitt, der sich bei einem üblichen Kernbrennstoffelement für die Zwischenräume zwischen dem Bündel und dem starren Mantel ergibt. Der Querschnitt der Mittelstütze kann von der gleichen Größenordnung sein wie der Querschnitt des Mantels bei einem üblichen Kernbrennstoffelement. Unter diesen Bedingungen bleibt der Anteil des Spalt- oder Brutmaterials im wesentlichen der gleiche wie bei den bekannten Kernbrennstoffelementen.

Der Kreislauf des Kühlmittels in einem solchen Kernbrennstoffelement ergibt sich aus den Figuren. Das gemäß den Pfeilen / durch die Öffnungen 20 eintretende Kühlmittel strömt längs des Kanals 28 nach oben. Der größte Teil des Durchsatzes strömt durch den Kanal 26 der rohrförmigen Mittelstütze 16 und tritt durch die Austrittsöffnungen 44 aus, wodurch das untere Bündel 14 und der die Ausdehnungskammern bildende Teil des Mittelbündels 10 überbrückt werden. Ein Teil des Durchsatzes, der durch Wahl der Abmessungen der Austrittslöcher 46 geregelt werden kann, tritt aus der rohrförmigen Mittelstütze 16 durch die Öffnungen 46 unterhalb der Bündel aus und umspült das untere Bündel 14 und die Ausdehnungskammern. Der Sammelraum, der von den nebeneinanderliegenden Zwischenräumen zwischen 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 Kühlmitteldurchsatz umspült diesen Teil der Nadeln des mittleren Bündels 10 und das obere Bündel 12, bevor er durch die Austrittsöffnungen 48 in der Ringscheibe 22 austritt. Die Zwischenroste 34 und 35 sind mit großen Ausschnitten versehen, so daß sie nur einen geringen Druckabfall des Kühlmittels verursachen.

Selbstverständlich sind verschiedene abgewandelte Ausführungsformen möglich. Insbesondere kann man die mit Spaltmaterial gefüllten Nadeln mit ihrer Ausdehnungskammer nach oben anordnen.

In diesem Fall strömt das Kühlmittel um die rohrförmige Mittelstütze bis zum oberen Ende des mit Spaltmaterial gefüllten Teils der Nadeln des mittleren Bündels und darauf mit seiner Hauptmenge im Inneren der Mittelstütze 16, bevor es am oberen Ende des Kernbrennstoffelements austritt.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für Kernbrennstoffelemente mit mehreren Bündeln, wie oben beschrieben, jedoch auch anwendbar für Kernbrennstoffelemente mit nur einem Bündel, in dem das Spaltmaterial und Brutmaterial zusammengefaßt sind, und für Elemente, die der radialen Abdeckung dienen und nur ein einziges Bündel von nur mit Brutmaterial gefüllten Nadeln enthalten.

Wie ersichtlich, weisen die erfindungsgemäßen Kernbrennstoffelemente in allen Fällen die gewünschten Vorteile auf. Der Hauptteil des Kühlmitteldurchsatzes strömt nicht um die Ausdehnungskammern der mit Spaltmaterial gefüllten Nadeln und um die Nadeln des unteren Bündels, sondern in einem Kanal von großem Durchlaßquerschnitt, so daß der Druckabfall in diesen Höhen stark verringert wird. Die rohrförmige Mittelstütze läßt in ihrem oberen Bereich einen Raum frei, in dem sich keine Nadeln finden und der beispielsweise zur Aufnahme eines Kontrollstabs, einer Meßvorrichtung, einer Vorrichtung zur Verriegelung des Kernbrennstoffelements an Ort und Stelle, von besonderen Nadeln einer Bestrahlungskapsel usw. verwendet werden kann. Wenn man eine solche Möglichkeit nicht ausnützt, kann man durch die rohrförmige Mittelstütze einen Teil des Kühlmittelflusses lenken, der das mittlere Bündel 10 umspült hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement, bestehend aus mindestens einem Bündel von mit eigenen Ausdehnungskammern versehenen Nadeln, welche in einem rohrförmigen, einen Kühlmittelstrom zwischen diesen Nadeln begrenzenden Gehäuse untergebracht sind, sowie einer rohrförmigen Mittelstütze, die an einem Ende mit einem Fuß und am anderen Ende mit einem Kopf versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Mittelstütze (16) einen Axialkanal (26) für eine Abzweigung des Kühlmittelstroms bildet, der im Nebenweg den Raum zwischen den Ausdehnungskammern überbrückt, und daß diese Mittelstütze das Gewicht der Nadeln auf einen Greifkopf (24) überträgt, der am oberen Ende der Mittelstütze angeordnet ist.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in an sich bekannter Weise in axialer Richtung ein mittleres Bündel (10) von mit Spaltmaterial gefüllten und eine Ausdehnungskammer aufweisenden Nadeln und zwei äußere Bündel (12; 14) von mit Brutmaterial gefüllten Nadeln aufweist und daß der Axialkanal (26) den Raum zwischen den Ausdehnungskammern und zwischen den Nadeln des diesen benachbarten äußeren Bündels (14) überbrückt.

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 und daß der Kanal (26) der Mittelstütze (16) mit dem Kühlmitteleinlaß (20) im Fuß (18) des Kernbrennstoffelements und über Kühlmittelauslaßöffnungen (44) mit einem durch die Einschnürungen abgegrenzten Sammelraum (37) in Verbindung steht und oberhalb der Auslaßöffnungen (44) durch einen Stopfen (42) verschlossen ist.

4. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 2 oder '3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (26) durch Austrittslöcher (46) von kleinem Querschnitt mit einem unterhalb des unteren Bündels (14) vorgesehenen Raum in Verbindung steht.

5. Kernbrennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelbündel oder die Nadelbündel von Schienen (30; 32), Rosten (34; 35) oder dem Fuß (18) getragen werden, die an der Mittelstütze (16) befestigt sind.

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