DE1589723A1 - Doppelte Waermeisolierung in einem Reaktor mit Druckrohren aus Zirkonlegierung - Google Patents

Doppelte Waermeisolierung in einem Reaktor mit Druckrohren aus Zirkonlegierung

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Description

PA TBN TA N WAL TE
@ipi-j7n9. JßuU-^ßmriJi QSe
Sey
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1? 856/7 Berlin, den 30· März 1967
Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM), Brüssel (Belgien)
Doppelte Wärmeisolierung in einem Reaktor mit Druokrohren aus Zirkonlegierung
Die Erfindung betrifft die rärmeisolierung des Kühlkanals eines Kernreaktors mit Druokrohren aus Zirkonlegierung und insbesondere die doppelte, d*h· die innere und äusaere Isolierung der Druokrohre·
In einem Reaktor mit Druckrohren aus Zirkonlegierung» der mit organiachen Kühlmitteln» Wasser, Dampf, Nebel oder öaa gekühlt wird» gibt es für die Arbeitstemperatur des Rohres» das mit dem Kühlmittel in direktem Kontakt ist, eine obere Grenze« Diese obere Grenze wird einerseits duroh die Dauer« Standfestigkeit der Legierung und, wenn ea sich ergibt, hauptsächlich durch die Hydrierung duroh das Kühlmittel bestimmt»
Tatsächlich bewirkt die Hydrierung, die bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines organiaohen KÜhlmittela oder von Wasser stattfinden kann, die Versprödung des Materials, wenn der
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Hydridgehalt in der legierung einen bestimmten Schwellenwert übersteigt*
Auf Grund der obenerwähnten Begrenzungen liegt die höchste Arbeitstemperatur eines Druckrohrs aus Zirkonlegierung, das mit einem organischen Kühlmittel oder mit wasser gekühlt wird, bekanntlich bei 300° C» Andererseits gibt es für die Verwendung von Druckrohren aus Zirkonlegierung tuch eine untere Grenze der Arbeitstemperatur, die am Überg&ng zwiachen Bildsamkeit und Brüchigkeit des bestrahlten Materials liegt und etwa 250° G beträgt· Aus den vorstehenden Ausführungen wird verständlich, dass die optimale Arbeitetemperatur für Druckrohre aus Zirkonlegierung zwischen 250 und 300° 0 liegt· für gasgekühlte Reaktoren, bei denen sich das Problem der Hydrierung nicht stellt und in denen die Begrenzung durch d:e Dauerstandfestigkeit gegeben iat (natürlich mit Ausnahme tier Hggekühlten Reaktoren.)» liegt die obere Temperaturgrenze höher· Bisher iet immer nur die obere !Temperaturgrenz e berücksichtigt worden, insofern als für andere Werkstoffe die untere Grenze weit genug von der oberen Grenze entfernt war· Beispielsweise liegt der untere Schwellenwert für Aluminiumlegierungen und viele Arten von bestrahltem Stahl unter der Mindestarbeitstemperatur, so dass das Problem einer unteren iDemperaturbegrenzung nicht existiert»
Ferner ist die Tatsache bisher nicht berücksichtigt worden, dass
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die tlbergangstemperatur zwischen Bildsamkeit und Spjrödigkeit bei Zirkonlegierungen viel höher als bei den üblichen Bauwerkstoffen liegt, wodurch der nutzbare Arbeitetemperaturbereioh begrenzt wird· Dieses Erfordernis der doppelten Begrenzung der Arbeitstemperatur ist charakteristisch für die Zirkonlegierungen und für einige andere Werkstoffe, wie beispielsweise Beryllium, die wegen ihrer geringen Neutronenabsorption in der Kerntechnik Verwendung finden·
Während es also im Falle der herkömmlichen Werkstoffe wie Aluminium, Stahl und deren Legierungen genügt, eine obere Begrenzung der Arbeitstemperatur festzulegen und eine innere Wärmeisolierung für das Druckrohr zu schaffen, durch die die Rohrtemperatur auf ein Minimum gesenkt wird, erhebt sich für Zirkonium und seine Legierungen das Problem einer doppelten Temperaturbegrenzung· Wenn also bei den herkömmlichen Metallen» wie beispielsweise Stahl, die Bedingungen der Dauerstandfestigkeit oder der Hydrierung nicht sehr einschränkend sind, genügt es, die Isolierung nur aussen auf dem Rohr anzubringen und so ein warmes Druckrohr herzustellen·
Was, bisher für die herkömmlichen Werkstoffe getan worden ist, nämlich entweder nur eine äussere oder nur eine innere Isolierung, lässt das Problem der doppelten Temperaturbegrenzung, das sich für Werkstoffe wie Zirkonium und Beryllium sowie deren Legierungen stellt, ungelöst·
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Isolierung, die aus zwei Wärmeschranken besteht, einer innerhalb und einer ausserhalb des Druckrohrs, die in der Lage sind, die Temperatur des Rohres im zulässigen Temperaturbereich zu halten»
Diese Isolierung ermöglicht, unter Berücksichtigung des Einflusses der Hydrierung und der Bestrahlung auf die Versprödung, die Erzielung eines hohen Wärmewirkungsgrades in Verbindung mit der grösstmöglichen Betriebssicherheit·
Die Wärmeisolierung kennzeichnet sich dadurch, dass sie eine doppelte Wärmeschranke aufweist, von der die eine innerhalb und die andere ausserhalb des Druckrohrs angeordnet ist» Die erste Wärmeschranke kann innen an dem Druckrohr befestigt sein oder ein Bauteil des Brennstoffelements bilden und mit diesem fest verbunden sein» Diese erste Wärmeachranke kann aus Schichten eines gegebenenfalls undurchlässigen Materials mit niedriger Neutronenabsorption und geringer Wärmeleitfähigkeit oder aus einem GasZwischenraum bestehen· Die zweite Wärmeschranke besteht ;.us einer Gasschicht zwischen dem Druckrohr und dem Galandriarohr· Diese Schranken müssen die Temperatur des Druckrohrs etwa zwischen 250 und 300° G halten, um die Bildung von Hydriden und eine Versprodung durch Bestrahlung zu vermeiden«
G-emäss einem Merkmal der Erfindung bester.t die äie erste Wärmeschranke bildende Wärmeisolierung aus einem G^sz-.vi
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zwischen zwei konzentrischen Metallrohren· In einem gasgekühlten Reaktor kann das eine der beiden Rohre daa Bruekrohr selbst sein* In einem mit organischen Kühlmitteln gekühlten Reaktor muss der Gfaszwischenraum zwischen den beiden Rohren dicht sein» Die Rohre können aus sehr dünnem Stahl oder aus Beryllium- und Zirkonlegierungen hergestellt sein» Zirkonlegierungen können nur verwendet werden, wenn sie mit dem Brennstoffelement fest ■verbunden sind, weil in diesem Pail die mit einem Iiangzeitein— satz verbundenen Probleme nicht auftauchen»
Gremäss einem anderen Merkmal der Erfindung besteht die die erste- Färmeschranke bildende Wärmeisolierung aus einem zylindrischen Körper aus undurchlässigem Graphit und aus Kreis*· zylinderringsektoren aus pyrolytisoher Kohle· deren Berührungsflächen sich ziekzackförmig überlappen und in einem geringen Abstand voneinander liegen· um die freie Ausdehnung der Sektoren zuzulassen» Die pyrolytische Kohle kann auoh in Schichten angeordnet werden, die an der Graphitmatrize anliegen»
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die erste Wärmeschränke aus einem zylindrischen. Körper aua undurchläsei·- gem Graphit und aus mehreren parallel aneinanderliegenden Sohiohten von Kreiszylinderringsektoren. aus vitritisoher oder glasartiger Kohle» wobei die Sektoren jeder Schicht sit Abstand voneinander angeordnet sind, um sich frei ausdehnen au können·
Ea folgt ein Auaführungabeispiel gemäe· der Erfindung für «inen
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organisch gekühlten Reaktor mit einer Austrittstemperatur des organischen Kühlmittels von über 300° G bis zu einem voraussichtlichen Höchstwert von 400° C, der mit schv/erem Wasser von etwa 80° G moderiert wird·
Die erste Wärmeschränke ist auf dem Brennstoffelement angeordnet ψ und zwar zwischen diesem und dem Druckrohr, während die zweite Schranke an der Aussenseite des Druckrohrs zwisohen diesem und dem schweren Wasser angeordnet ist»
Die erste Wärmeschranke kann auf dem zylindrischen Umfang der Brennstoffelemente selbst ausgebildet sein und so ein Kanalfüllelement bilden. Die Brennstoffelemente müssen mit ihren Enden sich berührend in dem Kanal gestapelt sein, so dass die Wärmeisolierung eine durchgehende Schranke bildet, die auch eine Vermischung zwischen dem Kühlmittel im Innern des Brennstoffelements und dem Teil des Kühlmittels verhindert, der durch den Spielraum zwischen den Brennstoffelementen und dem Druckrohr hindurchläuft und eine niedrigere Temperatur aufweist»
Pur die Ausführung der ersten Wärmeschranke sind verschiedene Lösungen vorgesehen, die in den Zeichnungen dargestellt sind* Es zeigen:
1 eine allgemeine Lösung» die die Erfindung für das Problem bietet,
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Fig· 2} 3 und 4 sind verschiedene Lösungen, die alle auf dem gleichen Prinzip der doppelten Wärmeachranke basieren·
In Fig· 1 let die innere Wärmeachranke 1, das Druckrohr 2 aus Zirkonlegierung und die aussere Färmeschranke 3 dargestellt· Im Innern dee Ganzen, und den Brennstoff bespülend» zirkuliert das Kühlmittel mit einer Temperatur, die zwischen etwa 270° C beim Bintritt und etwa 400° 0 beim Austritt liegt. Da das Druckrohr» wie schon erwähnt, bei einer Temperatur zwisohen 250 und 300° 0 arbeiten muss» hat die innere Wärmesohranke zu gewährleisten, dass die Eintrittstemperatur des Kühlmittels über die gesamte länge des Druckrohrs im wesentlichen beibehalten wird·
Fig· 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung· Die zylindrischen Brennstoffelemente sind in Bohrungen 4 eines zylindrischen Körpers 5 aus undurchlässigem Graphit eingebracht· Aussen um den Zylinderkörper 5 ist die erste Wärmeschranke 6 angeordnet, die von vier Kreiazylinderringaektoren aus pyrolytischer Kohle gebildet wird, deren Berührungsflächen sich zickzackförmig überlappen und mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, der die freie Ausdehnung der Sektoren zulässt·
Anstatt aus zylindrischen Sektoren kann die erste Schranke von ewei oder drei übereinanderliegenden Schichten 7 aus vitriti-
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scher Kohle gebildet werden, die jeweils aus vier oder fünf Elementen bestehen, welche mit Abstand voneinander angeordnet sind* um eine freie Ausdehnung zuzulassen»
Das Ganze ist in einer Hülle 8 aus Zirkonlegierung untergebracht, um die herum mit geringem Abstand das ebenfalls aus Zirkonlegierung bestehende Druckrohr 9 vorgesehen ist» In dem Ringspalt 10 zwischen der Hülle 8 und dem Druckrohr 9 zirkuliert ein Teil des Kühlmittels» DIb zweite Schranke besteht aus einem Calandriarohr 11 und aus einer Gassohioht 12, die es von dem Druckrohr 9 trennt.
Bei dieser Ausführungsform ist zu beachten, dass die aus undurchlässigem Isoliermaterial bestehende erste Warmeschranke ausser als Kanalfüllelement auch als Bauteil des Brennstoffelements dienen kann·
Pig, 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, nach welchem die innere lärmeschranke von einem abgedichteten Hohlraum 13 zwischen zwei konzentrischen Eohren 14- und 15 aus Beryllium— oder Zirkonlegierung gebildet wird, wobei diese Eohre zusammen mit Blöcken 19 aus undurchlässigem Graphit einen Bauteil des Brennstoffelements bilden» Eine Gasschicht 17 trennt das Druckrohr 16 von dem dieses umgebenden öalandriarohr 18»
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— g —
Figo 4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, das als innere Färmeschranke eine Reihe von gasgefüllten Röhrchen
20 aus Berylliumlegierung vorsieht, die mittels einer Hülle aus Zirkonium um den Umfang des Püllelements, das von einem Block 21 aus undurchlässigem Graphit gebildet wird, an Ort und Stelle gehalten und geschützt werden. In dem Grapiiitblook
21 sind die die Brennstoffelemente aufnehmenden Kanäle 22 vorgesehen» Das Druckrohr 23 aus Zirkonlegierung ist durch eine Gasschicht 25 von dem äusseren Galandriarohr 24 getrennt»
In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen muss das Spiel zwischen dem fülleüenent und dem Druckrohr aus Zirkonlegierung so klein gehalten werden, wie es die Bearbeitungstoleranzen zulassen; in jedem Pail muss ein leichter 3?luss des organischen Kühlmittels, das das Brennstoffelement aussen umspült, ermöglicht werden, um eine Radiopyrolyse des organischen Kühlmittels zu vermeiden·
Für das Kanalfüllelement und die erste Wärmeschranke der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können die folgenden Werkstoffe verwendet werden»
a) Nicht isolierender, undurchlässiger Graphit, entweder vom Morganittyp oder durch Imprägnierung mit Aluminium oder Magnesium erhalten*
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I ΌΟΌ f Z.Q
b) Undurchlässige pyrolytische oder vi"britische Kphle mit niedriger Färmeleitfähigkeit»
q) Undurohlässiger pyrolytischer Graphit mit niedriger Wärmeleitfähigkeit in radialer Richtung·
d) Beryllium, Zirkonium und ihre Legierungen oder Metalllegierungen, die diese, wenn auch mit einer geringeren iieutronenwirtschaftlichkeit, ersetzen können»
e) Kieselglas oder Keramik, kompakt oder porös·
Die zweite Warmeschranke zwischen dem Druckrohr und dem schweren Wasser wird in den verschiedenen vorgeschlagenen Lösungen mittels einer (Jasschicht verwirklicht, die von dem schweren l/asser durch ein dünnes Roπr aus Zirkon-, Aluminium-, Magnesiun- oder Stahllegierung getrennt ist, das das Calandriarohr bildet· Dieses Rohr kann in rechten Winkel zu seiner Hc:.e .vereilt sein, um bei gleicher »feldstärke die Biegefestigkeit zu erhöhen oder um die dii'ferentiellen Wärmedehnungen in Längsrichtung aufzunehmen.
Bei dieser Konstruktion kann als üalendriarohr auch ein Rohr aus genügend dünnem Stahl mit einer nach Zehntelmillimeter messenden Stärke verwendet werden, da dem Rohr durch eine Wellung geeigneter lOrm eine Festigkeit verliehen werden kann,
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die ausreicht, um etwaige Druckunterschiede zwiachen dem Isoliergas und dem schweren Wasser aufzunehmen»
Die gemäss der Erfindung vorgeschlagenen Lösungen beschränken sich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, vielmehr sind noch mancherlei Varianten und Abänderungen möglich, soweit sie in den Rahmen der Erfindung fallen. So ist es insbesondere möglich, die erste Wärmeschranke im Innern des Kanäle fest mit dem Druckrohr zu verbinden, anstatt sie auf dem Brennstoffelement anzuordnen»
Patentansprüche:
009815/10 23 ORIGINAL !NGPCCTED

Claims (1)

  1. pa re λ/ γα ν WAt re
    Zt9. y
    762907 TELEGRAMME: PROPINDUS »* TELEFON 22 55 85 · TELEGRAMME: PROPINDUS
    17 856/7 Berlin, den 30. März 1967
    Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM), Brüssel (Belgien)
    Patentansprüche t
    1# Wärmeisolierung für Eeaktorkanäle mit Druokrohren aus Zirkonlegierung für sohwerwassermoderierte Kernreaktoren, die mit einem organischen Kühlmittel, Wasser und seine Phasen oder Gas gekühlt sind, gekennzeichnet durch eine doppelte Wärmeschränke, nämlich einer im Innern des Druckrohrs vorgesehenen ersten Wärmesohranke (1) und einer aussen um das Druckrohr (2) vorgesehenen zweiten Wärmeschranke (3), wobei die erste Wärmeschranke (1), die gleichzeitig ein Kanalfüllelement und ein Bauteil des Brennstoffelements bildet, mit dem es fest verbunden ist, aus Schichten eines Materials ait kleinem Neutronen-Absorptionsvermögen und geringer Wärmeleitfähigkeit besteht, das gegebenenfalls undurchlässig sein kann, während die zweite Wärmeschranke von einer Gasschicht (12) und einem Oalandriarohr (11) gebildet wird, in der Weise, dass die beiden Wärmeschranken die Arbeitstemperatur des Druckrohrs in einem bestimmten Temperaturbereich halten, um einerseits eine Wasaerstoffdiffusion
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    ta
    und eine Krieohverformung und andererseits eine Versprödung durch Bestrahlung zu vermeiden·
    2» Wärmeisolierung nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet» dass die erste Wärmesohranke von einem zylindrischen Körper (5) aus undurchlässigem Graphit und von Kreiszylinderringsektoren (6) aus pyrolytisoher Kohle gebildet wird» wobei die Berührungsflächen der letzteren ziokzackförmig überlappt und mit geringem Abstand voneinander angeordnet sind, um die freie Ausdehnung der Sektoren zuzulassen» oder von Schichten aus pyrolytischer Kohle» die sich an den undurchlässigen Graphit ansohliessen·
    3c Wärmeisolierung nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmesohranke von einem zylindrischen Körper aus undurchlässigem Graphit (5) und von mehreren parallelen Schichten (7) von Zylinderkreisringsektoren aus vitritiecher Kohle gebildet wird» wobei die Sektoren jeder Schicht mit Abstand voneinander angeordnet sind» um ihre freie Ausdehnung zuzulassen*
    4« Wärmeisolierung nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmesohranke von konzentrischen Rohren (14» 15) aus Zirkon- oder Berylliumlegierung gebildet wird» die durch einen Isolierzwieohtnraum (13) voneinander gttrennt sind·
    009815/1023 .
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    5· WarmdBolierung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmesohranke von einem zylindrieohen Kör«· per (21) aus undurchlässigem Graphit gebildet wird» um dessen Umfang eine Schicht gasgefüllter dichter Bohre (20) aus Beryllium oder Berylliumlegierung angeordnet ist·
    6* Wärmeisolierung nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einen Teil der zweiten Wärmeschränke bildende Oalandriarohr (11, 18, 24) gewellt ist, um die Biegefestig keit zu erhöhen und die differentiellen Längadehnungen auf zunehmen»
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    -/IS-. Leerseite
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