DE1639190A1 - Brennelement fuer einen Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement, das in senkrechter Stellung in einen Kernreaktor einzubauen ist. Xn bekannter Weise besteht das Brennelement aus einer rohrförmigen Metallbüchse oder einem Gehäuse mit mehreren zylindrischen Brennstoffelementen und mit ein oder mehreren axial gerichteten öffnungen, z.B. einer zentrischen Öffnung. Die Brennstoffelemente sind mit ihren Stirnflächen einander zugewandt, sodass die öffnungen ein oder mehrere sich der Länge nach durch das Brennstoffelement erstreckende Kanäle bilden. Die Enden des Gehäuses sind gewöhnlich verschlossen, und die Kanal· enthalten ein Gas, das gegebenenfalls unter überdruck steht. Die Brennetoffkörper können aus einem metallischen, spaltbaren Brennstoff oder einem keramischen, spaltbaren Brennstoff, wie Uranoxyd, UO», bestehen. Das Brennstoffelement der Erfindung ist in senkrechter Lage in einen Kernreaktor, z.B. einen wassergekühlten Kernreaktor, •inzubauen·

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Brennetoffkörper dieser Art mit ein oder mehreren Axialkanälen bieten verschiedene Vorteile gegenüber massiven Brennstoffkörpern, z.B. haben sie eine geringere Neigung zum Reissen und eine grössere gekühlte Oberfläche bezogen auf eine gegebene Menge spaltbaren Brennstoffs. Wenn jedoch ein Brennstoffelement dieser Art senkrecht montiert wird, sammelt sich allmählich Brennstoffsubstanz am Boden des Axialkanales. Diese Substanz kann beispielsweise aus kleinen Bruchstücken ^ des spaltbaren Brennstoffes bestehen, die sich von der Wand des Axialkanales gelöst haben, oder es kann sich um Tropfen aus geschmolzenem Material handeln, das an der Vand des Kanals herabgeflossen ist. Diese gesarate Substanz ist spaltbar und wird infolgedessen zu einer unerwünschten Temperatursteigerung am Boden des Kanals führen. Diese Temperatursteigerung kann für das Brennstoffelement und besonders für das Metallgehäuse schädlich sein.

Gemäss der Erfindung wurde gefunden, dass die Gefahr eines gefährlichen Temperaturanstieges aufgrund der vorstehend genannten Gründe ausgeschaltet oder herabgesetzt werden kann, wenn der Axialkanal im Brennstoffelement in mehrere kürzere, durch Querwände getrennt· Abschnitte unterteilt ist. Jede Querwand stellt einen Boden eines solchen Abschnittes dar und nimmt nur eine kleine Meng· der oben erwähnten spaltbaren Substanz auf, so dass die durch diese geringere Menge spaltbarer Substanz erzeugt· Temperatursteigerung zu vernachlässigen ist. Der Axialkanal soll aweckmässig in mindesten· 10, vorzugsweise Mindestens 20 kürzere Abschnitte unterteilt sein.

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Das Brennstoffelement nach der Erfindung ist besonders wertvoll zur Verwendung im Überhitzer eines wassergekühlten Kernreaktors, weil die Brennstoffelemente zur Überhitzung des erzeugten Dampfes bei höherer Temperatur arbeiten als die Brennstoffelemente, die das Wasser unter Erzeugung gesättigten Dampfes zum Kochen bringen.

Die Querwände können in jedem Brennstoffkörper oder zwischen je zwei benachbarten Brennstoffkörpern vorgesehen sein. Wenn die Brennstoffkörper sehr kurz sind, können die Trennwände beispielsweise in oder an jedem zweiten oder dritten Brennstoffkörper vorgesehen sein.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Kernreaktor mit Brennstoffelementen nach der Erfindung.

Fig. 2 verdeutlicht eine komplette Brennstoffpatrone mit Brennstoffelementen nach der Erfindung.

Fig. 3 bis

Fig, 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen von

Brennstoffkörpern, wie sie in dem Brennstoffelement nach der Erfindung zu benutzen sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor besteht aus einem zylindrischen Druckkessel 1 mit einem Kern 2 für spaltbares Material. Der Kern ist in einen Moderatorbehälter eingeschlossen, der aus einer zylindrischen Wand 3, einem Boden h und

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einer Deckplatte 5 mit öffnungen 6 besteht. Am Boden des Moderatorbehälters wird Wasser durch ein Rohr 7 zugeführt. Es stammt aus dem Kondensator einer Dampfturbine. Auf seinem Wege vom Kondensator ist das Wasser durch ein oder mehrere Vorerhitzer gegangen und tritt in den Moderatorbehälter mit einer Temperatur von beispielsweise 120 C ein. Das Wasser flieset durch den Behälter mit der Wirkung eines Moderators aufwärts und verlässt den Behälter durch die öffnungen 6 mit einer Temperatur von beispielsweise 220° C.

Der Reaktor enthält mehrere Kocherrohre 9, die vorzugsweise aus Zirkon gefertigt sind. Aus Gründen der Einfachheit ist in Fig. 1 nur ein Kocherrohr dargestellt. Der untere Abschnitt des sich durch den Kern erstreckenden Rohres enthält eine Brennstoffpatrone 10 mit einem Kopf 24, der auf einer Schulter im Kocherrohr ruht. Duroh diese Brennstoffpatrone flieset Wasser unter Kochen aufwärts. Die Mischung von Dampf und Wasser verlässt das Kocherrohr durch öffnungen 11, die auf einer gröseeren Höhe als der normale Wasserspiegel 12 im Reaktor liegen. Das obere Ende des Kocherrohres ist an einer

Querwand 14 festgelegt und durch einen Stöpsel 13 verschlossen.

Der Reaktor enthält auch mehrere Überhitzerrohre 15t die vorzugsweise aus Zirkon gefertigt sind. Nur ein Überhitzerrohr ist dargestellt. Der durch den Kern reichende Teil des Überhitzerrohres enthält eine Brennstoff patrone 18 mit ähnliches Aufbau wie die Brennetoffpatrone 10. Durch die Überhitzerpatrone flieset Dampf abwarte und überhitzt eich dabei. Der Überhitzerdaunpf verläeet den Reaktor durch eine Leitung 19·

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Gesättigter Dampf tritt in das Überhitzerrohr durch Öffnungen 16 in dessen oberen Teil ein. Ab oberen Ende ist das Überhitzerrohr an der Trennwand 14 befestigt und mit einem Stöpsel 17 verschlossen.

Das Überhitzerrohr 15 befindet sich in einem Kanal 20, der von einem sich durch den Kern erstreckenden Hilfsrohr 21 gebildet wird. Das obere Ende dieses Hilfsrohres ragt etwas über den Deckel 5 des Kernes hinaus, aber nicht bis zur Höhe des normalen Wasserspiegels 12 des Reaktors.

Die obere Wasserschicht 27 zwischen dem Deckel 5 des Moderatorbehälters und dem Wasserspiegel 12 empfängt Wasser aus zwei Richtungen, nämlich vergleichsweise kaltes Moderatorwasser aus den öffnungen 6 und heisses Wasser aus den öffnungen 11. Das heisse Wasser hat die Neigung zur Schichtenbildung über dem kälteren Wasser, und daher wird heisses Wasser in den Ringraum 20 eingesaugt, der das Überhitzerrohr umgibt. Infolgedessen ist das Überhitzerrohr 15 von heissem, nahezu kochendem Wasser umgeben, so das· eine Kondensation des Dampfes an seiner Innenwand verhindert wird.

Die restliche Menge vergleichsweise kalten Wassers von der Wasserschicht 27 fliesst im Raum 8 zwischen dem Moderatorbehälter und dem Druckkessel und wird anschliessend in die Bodenöffnung der Kocherrohre 9 eingesaugt. Der Kochvorgang in diesen Rohren ergibt einen selbsttätigen Umlauf, der normalerweise ausreicht, um das heisse Wasser im Raum 20 nach unten zu «äugen·

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Die Brennetoffpatronen 10 und 18 sind in Fig. 2 in grösserem Masestab dargestellt. Eine Patrone besteht aus mehreren langen und verhältnismässig dünnen Brennstoffelementen 22, die mit ihren oberen Ende an einem Kopf 2k befestigt sind. Der Kopf 2k hat einen Flansch 25» mittels dessen die Brennstoffpatrone von einer nicht dargestellten Beschickungsmaschine erfasst werden kann, wenn die Patrone in den Reaktor eingesetzt oder daraus entfernt werden soll. Abstandsstücke 23 auf gleite ehern Abstand längs der Brennstoffpatrone halten die schlanken Brennstoffelemente 22 auf vorbestimmten Abständen.

Ein Brennstoffelement 22 ist in grosserem Massstab in Fig. 3 dargestellt. Es enthält ein rohrförmiges Gehäuse 31 mit Verschlussstöpseln 35 und 36 am oberen und unteren Ende. Das Gehäuse und die Verschlussstöpsel bestehen aus einem für dies· Zwecke bekannten Material, z.B. Zirkon. Das Gehäuse enthält mehrere zylindrische Brennstoffkörper 32 aus einem spaltbaren Material, wie Uraniumoxyd. Die Brennstoffkörper haben eine mittige, axiale öffnung 33. Eine dünne Kniescheibe 3k ist zwischen jedem Paar aneinanderstossender Brennstoffkörper vorgesehen. Der Durchmesser der Scheibe 3k ist vorzugsweise etwas kleiner als derjenige der Brennstoffkörper. Die Scheiben 3k können zwischen den Brennstoffkörpern angebracht werden, wenn diese in das Gehäuse 1 eingesetzt werden. Vorzugsweise sind jedoch die Scheiben 3k an den flachen Stirnwänden der Brennstoffkörper fest angebracht, bevor die Brennstoff körper in das Gehäuse eingesetzt werden. Die Scheiben können mittels eines Klebstoffes oder durch Sintern befestigt

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werden. Je eine Scheibe kann an einem oder an beiden flachen Stirnwänden der Brennetoffkörper angebracht sein.

Fig. k zeigt einen zylindrischen Brennetoffkörper mit einer mittigen Axialöffnung 38, die sich nur über einen Teil der Höhe des Brennetoffkörperβ erstreckt, so dass eine dünne Wand 39 an einer Stirnwand des Brennstoffkörpers verbleibt. Wenn mehrere Brennetoffkörper 37 in einem Rohrgehäuse eingesetzt werden, dienen die Wandteile 39 als Trennwände zum Auffangen spaltbarer Substanz. Die Tatsache, daee die Wand aus spaltbarem Material besteht, führt zu einer ungleichförmigen Temperatur ie Brennetoffkörper und ee let deshalb gewöhnlich zweckmäseiger, Trennwände aus einem nicht epaltbaren Material zu verwenden.

Fig. 5 erläutert einen zylindrischen Brennstoffkörper kO aus keramische· spaltbarem Material. Der Körper hat einen Axialkanal kl mit einer Trennwand kZ. Dieee besteht aus einer Kreisplatte, deren Umfang in das spaltbare Material ragt. Der Brennstoffkörper wird aus gepulvertem Material, wie Uraniumoxyd oder Uraniumkarbid,hergestellt, das zur Bildung eines Körpers gepresst wird. Die Platte k2 wird während dieses Pressvorganges eingesetzt. Dann wird der Brennstoffkörper gesintert, um die gewünschte Festigkeit zu erhalten.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 wird die spaltbare Substanz, die sich auf der Trennwand 3k ansammelt, gewöhnlich in der Ecke liegen, die von der Platte Jk und der Wand des Kanals 33 gebildet ist. Diese Ecke stellt infolge der von dieser spaltbaren Substanz erzeugten Wärme eine gefährliche Zone dar. Um letastere zu vermeiden, besteht die in Fig. 6 gezeigte Trennwand aus einer verhältnismässig dikken Platte mit einer kreisförmigen Einsenkung k6 von etwas

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grösserem Durchmesser als der Axialkanal kk des Brennstoffkörpers 1*3 auf ihrer Oberseite. Die spaltbare Substanz sammelt sich nun am Boden der Einsenkung k6.

Die in Fig. 3, 5 und 6 dargestellten Trennwände können aus einem Metall von niedriger Neutronenabsorption, wie Zirkon, bestehen. Wenn die Trennwand zu dünn ist, kann sie aus anderem Material, wie Beryllium, Molybdän, Tantal, Stahl oder sonstigem Metall mit hohem Schmelzpunkt, bestehen. Andererseits kann die Trennwand auch aus Graphit, einer Metall-Graphitmasse oder gesinsertem keramischem Material, wie Siliciumdioxyd, Aluminiumoxyd oder Siliciumkarbid, bestehen. Stattdessen kann die Trennwand auch aus einem gleichen oder ähnlichen Material wie die Brennstoffkörper bestehen, aber einen geringeren Prozentsatz an spaltbaren Isotopen enthalten. Beispielsweise können die Brennstoffkörper aus angereichertem Uran und die Trennwände aus natürlichem Uran bestehen. Stattdessen kann die Trennwand auch aus einem Verbundmaterial, wie einer Metallscheibe mit einem keramischen Überzug oder aus keramischem Material Bit einem Metallüberzug, bestehen. Es ist möglich, das Material der Oberflächenschicht der Trennwand so zu wähnen, dass es an dem spaltbaren Brennstoff durch Sinterung während des Betriebes des Brennstoffelementes anhaftet. Andererseits ist es auch möglich, diese Oberflächenschicht so zu wählen, dass beim Sintern kein solches Anhaften auftritt.

Während des Betriebes des Brennstoffelementes nach der Erfindung werden gasförmige Spaltprodukte erzeugt. Ihre Menge kann in verschiedenen Abschnitten des Brennstoffelementes verschieden sein. Um den Druck solcher gasförmigen Produkte auszugleichen, können in der Trennwand Öffnungen vorgesehen sein, die vorzugsweise so eng sein sollen, dass die oben erwähnten festen Teilchen nicht durch die öffnungen hlndurcli-C«hen können.

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Fig. 7 und 8 zeigen einen anderen Weg zur Unterteilung des Kanals eines Brennstoffelementes in Abschnitte. Gemäss Fig. 7 enthält ein rohrförmiges Gehäuse k7 mehrere zylindrische Brennstoffkörper k8 von geringer Höhe im Vergleich zum Durchmesser. Die Brennstoffelemente besitzen achsparallele Öffnungen k9 in exzentrischer Lage. Jedes Paar aneinanderstossender Brennstoffkörper hat eine solche Lage, dass ihre Öffnungen nicht miteinander fluchten. Gewünschtenfalls können die Brennstoffkörper mehrere exzentrisch liegende achsparallele Öffnungen enthalten. Eine kleinere Anzahl von Brennstoffkörpern, beispielsweise 5 oder 10 solche Körper, können mit ihren Öffnungen fluchtend miteinander eingesetzt werden, während der nächste Brennstoffkörper in einer anderen Lage eingesetzt wird, so dass die Öffnung bzw. Öffnungen dieses Brennstoffkörpers nicht mit der Öffnung oder den Öffnungen dor ersterwähnten Brennstoffkörper fluchten.

Gemäss Fig. 8 enthält ein rohrförmiges Gehäuse ^k eine erste Art von Brennstoffkörpern 50 von vergleicheweise grosser Höhe mit einem zentrischen Kanal 51 und eine zweite Art von Brennstoffkörperη 52 von vergleichsweise geringer Höhe mit ein oder mehreren achsparallelen Öffnungen 53* die derart exzentrisch liegen, dass sie nicht mit den Kanälen 51 fluchten. Die Brennstoffkörper 50 können beispielsweise angereichertes Uran und die Brennstoffkörper 52 natürliches Uran enthalten.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit einem Metallrohrgehäuse, das mehrere zylindrische Brennstoffkörper enthält, weiche mindestens eine gaserfüllte, sich

in Axialrichtung des Brennstoffelementes erstreckende öffnung enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Öffnungen fc (33) gebildete Kanal in mehrere durch Querwände (34) getrennte kürzere Abschnitte unterteilt ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Kanal in mindestens 10, vorzugsweise mindestens 20 kürzere Abschnitte unterteilt ist.

3· Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass getrennte Querwände (34, 45) zwischen benachbarten Brennstoffkörpern (32, 4-3) vorgesehen sind.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ) gekennzeichnet, dass die öffnungen (49) je zweier benachbarter Brennstoffkörper (48) gegeneinander derart versetzt sind, dass sie nicht miteinander fluchten und die Oberseite eines Brennstoffkörpers den Boden eines Kanalabschnittes bildet.

5» Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die öffnungen (38) des Brennstoffkörpers (37) sich nur über einen Teil der Länge des Brennetoffkörpers erstrecken, während der restliche Teil (39) eine den Boden des Kanalabschnittes darstellende Querwand bildet.

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6. Brennstoffelement nach einen der Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, dass eine Querwand (3^» **2) in oder an jedem Brennstoffkörper (32, ho) vorgesehen ist.

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