DE1764618B1 - Kernbrennstoffelement mit einem Spaltgasabzug - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Kernbrennstoffelemente mit Reaktors einen Höchstwert und sind so groß, daß sie

einem Spaltgasabzug für die bei der Bestrahlung im den Schmelzpunkt des schmelzbaren Materials bei

Kernbrennstoffmaterial auftretenden Spaltgase. Der- weitem einschließen.

artige Kernbrennstoffelemente müssen eine Anzahl Dagegen sind die Druckschwankungen des als Bedingungen erfüllen, damit der Spaltgasabzug das 5 Kühlflüssigkeit dienenden flüssigen Metalls rings um

Entweichen der Spaltgase ermöglicht, jedoch das Ein- den Spaltgasabzug gering und bilden keine Gefahr,

dringen von Kühlmittel in das Kernbrennstoffelement z. B. flüssiges Natrium bis zum Brennstoffmaterial zu

und vor allem seine Berührung mit dem heißen drücken.

Kembrennstoffmaterial verhindert. Die Schutzvorrichtung, welche den Zutritt von

Die Erfindung bezweckt ein Kernbrennstoff- io geschmolzenem Kühlmetall zum Bad des schmelzelement, das diese Bedingungen erfüllt, dabei jedoch baren Materials verhindern soll, kann von vereinen einfachen Aufbau behält und insbesondere in schiedener Art sein. Man kann insbesondere vorseinem Inneren keine Kanäle von erheblicher Länge sehen:

besitzt, wie sie zur Verzögerung des Entweichens der Eine Sperrvorrichtung mit Sperrflüssigkeitsvorlage,

Spaltgase bekannt sind. 15 die gegen ein Inertgaspolster arbeitet, wie sie in

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein mit anderem Zusammenhang bekannt sind (britische

einem Spaltgasabzug versehenes Kernbrennstoff- Patentschrift 780151).

element für durch einen senkrechten Kühlflüssigkeits- Ein übliches Ventil, dessen Abdichtung ebenfalls strom gekühlte Kernreaktoren vorgeschlagen, bei durch eine schmelzbare Dichtung gewährleistet ist. dem der Spaltgasabzug nacheinander in der Strö- 20 Ein Filter aus porösem Material, das zur Verhindemungsrichtung der zur Kühlflüssigkeit entweichenden rung plötzlicher Niveauschwankungen infolge von Spaltgase (stromabwärts gesehen) ein Rückschlag- Druckschwankungen der Kühlflüssigkeit bestimmt ist. μ ventil, das aus einem senkrechten mit dem oberen Einzelheiten der Erfindung werden erläutert durch ^ Teil der Brennstoffelementhülle fest verbundenen die folgende Beschreibung von nur als Beispiele ansenkrechten Rohr, einem am Grunde des Rohres aus- 35 gegebenen Ausführungsformen. Die Beschreibung begebildeten und mit einem bei einer Temperatur unter- zieht sich auf die Zeichnungen. Hierin zeigt halb der Kühlflüssigkeitstemperatur im Bereich des F i g. 1 eine schematische Darstellung des oberen Spaltgasabzugs im Betrieb des Reaktors und oberhalb Teils eines mit einem erfindungsgemäßen Spaltgasder Kühlflüssigkeitstemperatur bei Stillstand des Re- abzug versehenen Kernbrennstoffelements, aktors schmelzenden Material gefüllten Trog und 30 F i g. 2 ebenfalls schematisch eine Einzelheit einer einer über das Rohr gestülpten und mit ihrem Rand abgewandelten Ausführungsform des mit einer in das schmelzbare Material eintauchenden beweg- Schmelzdichtung versehenen Rückschlagventils, liehen Glocke besteht, und eine Schutzvorrichtung, F i g. 3 und 4 ähnlich F i g. 2 weitere Abweiche das Eindringen von Kühlflüssigkeit bis zur Wandlungen des Rückschlagventils. Berührung mit dem schmelzbaren Material ver- 35 Das in F i g. 1 gezeigte Kernbrennstoffelement 10 hindert, aufweist. besitzt eine längliche Hülle 12, die eine Masse von

Wie ersichtlich, erfüllt ein solcher Gasabzug die Kernbrennstoffmaterial enthält, das im allgemeinen oben angegebenen Bedingungen. Da das Entweichen in Form von Uran- und/oder Plutoniumoxid vorliegt, der Spaltgase durch das geschmolzene Material, durch Das in der Figur nicht dargestellte untere Ende der welches sie hindurchperlen, nur dann erfolgt, wenn 40 Hülle ist dicht verschlossen. Im allgemeinen ist das ihr Druck das geschmolzene Material bis zur Glocken- Kernbrennstoff element mit anderen gleichen Kernkante verdrängt, wird es um die zur Ansammlung in. brennstoffelementen, die an den Knotenpunkten eines dem aus dem Oberteil der Hülle, dem Rohr und dem regelmäßigen Gitters angeordnet sind, in einem Inneren der Glocke bestehenden Aufnahmevolumen Mantel 16 vereinigt, durch den aufsteigend eine aus i erforderliche Zeit verzögert. Diese Sammelzeit reicht 45 einem geschmolzenen Metall, beispielsweise Natrium, aus für ein teilweises Abklingen der Radioaktivität bestehende Kühlflüssigkeit strömt. Dieses flüssige vor dem Entweichen. Die aufeinanderfolgende An- Metall tritt mit höchster Temperatur und im wesentordnung der vom schmelzbaren Material gebildeten liehen gleichbleibendem Druck durch große Öff-Dichtung und der Schutzvorrichtung verhindert das nungen 18 aus dem Mantel 16 aus (Pfeil F) und wird Eindringen von Kühlflüssigkeit in das Kernbrenn- 50 den Wärmeaustauschern zugeleitet, von wo es mit gestoffelement und vor allem ihre Berührung mit dem ringerer Temperatur zu einer Sammelleitung zurückschmelzbaren Material. kehrt, welche das untere Ende aller jeweils aus einem Die Erfindung bringt noch einen zusätzlichen Vor- Mantel 16 und den darin enthaltenen Brennstoffteil: Da das schmelzbare Material bei der Her- elementen bestehenden Anordnungen versorgt. Der Stellung eingebracht wird, ist es während der Hand- 55 am oberen Teil des Kernbrennstoffelements 10 angehabungen des Kernbrennstoffelements fest und isoliert ordnete Spaltgasabzug besteht aus folgenden Teilen: während dieser Zeit das Kernbrennstoffmaterial (das einem Rückschlagventil A mit Schmelzdichim allgemeinen Plutonium enthält) vollständig von tung, der Atmosphäre. einer stromabwärts vom Rückschlagventil ange-

Es sei erwähnt, daß Tauchglockensperrvorrich- 60 ordneten Schutzvorrichtung B und

tungen mit einer einfrierbaren Sperrflüssigkeit in an- einer im Spaltgasaustrittsstrom stromaufwärts

derem Zusammenhang bereits bekannt sind (deutsche vom Rückschlagventil A angeordneten Falle C

Patentschrift 924 722). für mitgerissene Spaltprodukte (diese Falle ist

Die oben beschriebene Anordnung ist nur verwend- nicht unbedingt erforderlich),

bar, wenn der Kernreaktor durch aufsteigende Küh- 65 Das Rückschlagventil A besteht aus einem senk-

lung gekühlt wird. In diesem Fall erreichen die rechten Rohr 20, das im Inneren der Hülle mündet

Temperaturschwankungen im Bereich des Spaltgas- und mit einem an der Hülle dicht, beispielsweise

abzugs zwischen dem Stillstand und dem Betrieb des durch Schweißen, befestigten Flansch 22 versehen

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ist Der zwischen dem Rohr 20, dem Flansch 22 und Kammer drücken sie den freien Natriumspiegel herder Hülle 12 befindliche Ringraum bildet einen Trog, ab und entweichen durch die Bohrungen 36 (Pfeil / in in den ein schmelzbares Material24, beispielsweise Fig. 1).

Blei oder eine Bleilegierung, eingebracht ist, dessen Bei Stillsetzen des Reaktors fällt die Temperatur, Schmelzpunkt zwischen der Temperatur des flüssigen 5 das Material 24 erstarrt wieder und bildet eine Abmetallischen Kühlmittels bei Stillstand des Kern- dichtung, der Druck in den Kammern 28 und 32 fällt reaktors (etwa 100° C) und der Temperatur dieses ab, das Natrium steigt im Stopfen 34 nach oben, ohne flüssigen Metalls im Betrieb (im allgemeinen über die Oberkante des Rohrs 30 zu erreichen, dessen 400° C) liegt. Der Rand einer über das Rohr 20 ge- Höhe so gewählt ist, daß die Volumenveränderungen stülpten Glocke 26, die den Verschlußteil des Rück- io des Gases in der Kammer bei der Abkühlung aufgeschlagventils bildet, taucht in das geschmolzene fangen werden.

Material. Wenn die Glocke durch den Gegendruck Offensichtlich sind verschiedene Abwandlungen

des Kühlmittels gegen den Flansch 22 gedrückt wird, der Ausführung der Erfindung möglich. Beispiels-

wird die stets unvollkommene Berührungsabdichtung weise zeigt Fig. 2 ein Rückschlagventil A', dessen

durch die Flüssigkeitsdichtung vollkommen gestaltet. 15 Glocke 26' sich unter ihrem eigenen Gewicht und

Die von der Hülle 12, der Oberseite der Glocke 26 gegebenenfalls unter der Wirkung eines elastischen und dem schmelzbaren Material 24 begrenzte Organs, beispielsweise einer nicht gezeigten Feder, Kammer 28 ist mit dem Kühlmittel in der Höhe des senkt und eine seinem Sitz angepaßte Unterseite oberen Teils der Hülle durch die Schutzvorrichtung B besitzt. Bei Druckanstieg im Rohr 20' wird die verbunden. Die gezeigte Schutzvorrichtung besteht ao Glocke 26' aus der strichpunktiert gezeichneten aus einem zweiten senkrechten Rohr 30, das im Stellung in die ausgezogen gezeichnete Stellung anOberteil einer zweiten Kammer 32 mündet, die von gehoben, und die Spaltgase entweichen, bis sich der einem die Hülle verlängernden Stopfen 34 gebildet Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der wird. Im unteren Teil dieses Stopfens vorgesehene Glocke 26' genügend verringert hat.
Bohrungen 36 verbinden die Kammer 32 mit dem 25 Man kann auch verschieden ausgebildete Aufaußerhalb der Hülle liegenden Raum. In diesem lagen der Glocke auf ihrem Sitz vorsehen. Insbe-Raum strömt die Kühlflüssigkeit mit einem verhält- sondere können die in F i g. 3 und 4 gezeigten Ausnismäßig wenig schwankenden Druck, da die Strö- bildungen angewandt werden. Das Rückschlagmung aufwärts gerichtet ist und der Druckverlust im ventile" der Fig. 3 benutzt einen Kegelsitz der Kühlmittelkreis hauptsächlich in den Kernbrenn- 30 Glocke 26" auf dem Flansch 22" und besitzt ferner Stoffelementanordnungen auftritt. ein Rohr 20", das eine Schutzhöhe h liefert. Dagegen

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist ferner besitzt beim Rückschlagventil Λ"' der Fig. 4 mit

eine Falle C auf, die von einer Trennwand 40 gebildet Kugelsitz der Flansch 22'" die Form einer einfach

wird, welche mit dem Rohr 20 eine Kammer 42 axial durchbohrten Kugelkalotte,

bildet, die durch eine im Oberteil der Kammer 42 35 Die Schutzvorrichtung B kann ebenfalls von einer

mündende Leitung 44 mit einem in Verbindung mit anderen Anordnung als der in F i g. 1 gezeigten ge-

dem Kernbrennstoff stehenden Spaltgassammelraum bildet werden, beispielsweise von einer Tablette aus

46 verbunden ist. Schmelzbares Material, das ge- porösem Material, die den Durchtritt der Gase er-

gebenenfalls infolge von plötzlichen Druckschwan- möglicht, den des flüssigen Metalls aber verhindert,

kungen in das Rohr 20 geschleudert wird, sammelt 40 Eine solche Tablette kann auch bei dem Gasabzug

sich am Boden der Kammer 42. der F i g. 1 zusätzlich vorgesehen sein, um plötzliche

Die Arbeitsweise der in F i g. 1 gezeigten Vorrich- Durchflußschwankungen zu dämpfen, wie sie bei-

tung ergibt sich aus der obigen Beschreibung und spielsweise beim Einschalten von Pumpen auftreten,

wird daher nur noch einmal kurz zusammengefaßt: oder um in allen Fällen die Fernhaltung des flüssigen

Das Kernbrennstoffelement wird in den abgeschal- 45 Kühlmetalls vom geschmolzenen Material zu ge-

teten Kernreaktor eingesetzt, wobei die Kammern währleisten.

28, 32 und 42 mit dem gleichen Gas gefüllt sind, das Schließlich kann man als schmelzbares Material

zur Herstellung der Inertgaspuffer oberhalb des aus statt einer einfachen Legierung, deren Schmelzpunkt

flüssigem Metall bestehenden Kühlmittels vorgesehen unterhalb der Betriebstemperatur des metallischen

ist. Das flüssige Metall steigt infolge seines Drucks 50 Kühlmittels liegt, eine Dichtung verwenden, in der

in der Kammer 32 nach oben, wobei es das darin ent- eine spaltbare Verbindung entweder mit dem

haltene Gas bis zum Erreichen des Druckgleich- schmelzbaren Material gemischt oder in den Boden

gewichts zusammenpreßt. Die Höhe des Rohrs 30 des Trogs eingelassen ist (beispielsweise in einer

wird so gewählt, daß der freie Spiegel 38 des flüssigen Matrix aus rostfreiem Stahl verteiltes Uranoxid), so

Metalls im Gleichgewicht nicht die Oberkante des 55 daß die vom Uranoxid freigesetzte Wärme die Dich-

Rohrs erreicht, so daß die eingedrungene Kühl- tung schmilzt und es nicht mehr unbedingt erforder-

flüssigkeit selbst eine Sperrflüssigkeitsvorlage bildet. Hch ist, den Gasabzug in der Strömungsrichtung

Bei der Temperaturerhöhung des flüssigen Metalls stromabwärts vom Kernbrennstoffelement anzu-

bis zu der dem Normalbetrieb des Reaktors entspre- ordnen, da das Schmelzen beim Neutronenbetrieb des

chenden Temperatur verflüssigt sich das schmelzbare 60 Reaktors unabhängig von der Temperatur des Kühl-

Material 24. Anschließend wird dieses entsprechend mittels auf dieser Höhe eintritt.

der im Inneren der Glocke 26 eintretenden Druck- Die Erfindung kann noch in zahlreichen weiteren

erhöhung der vom Kernbrennstoffmaterial freige- Weisen abgewandelt werden. Insbesondere kann man

setzten Spaltgase und sobald der auf den Glocken- einen Gasabzug der oben beschriebenen Art nicht für

boden wirkende Gegendruck überschritten wird, all- 65 jedes der Kernbrennstoffelemente, sondern für eine

mählich nach oben gedrückt, und die Spaltgase perlen Gruppe von Kernbrennstoffelementen, die einen Teil

durch das geschmolzene Material hindurch und ent- ein und derselben Kernbrennstoffelementanordnung

weichen in die Kammern 28 und 32. In der letzteren bilden, vorsehen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement mit einem Spaltgasabzug für durch einen senkrechten Kühlflüssigkeitsstrom gekühlte Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasabzug im Austrittsweg der Spaltgase zum Kühlmittel von stromauf- nach stromabwärts gesehen hintereinanderfolgende Elemente aufweist: Ein Rückschlagventil, das aus einem mit dem oberen Teil der Brennstoffelementhülle fest verbundenen senkrechten Rohr (20), einem am Grunde des Rohrs ausgebildeten und mit einem bei einer Temperatur unterhalb der Kühlmitteltemperatur im Bereich des Gasabzugs im Betrieb des Reaktors und oberhalb der Kühlmitteltemperatur bei Stillstand des Reaktors schmelzenden Material (24) gefülltem Trog und einer über das Rohr gestülpten und mit ihrem Rand in das schmelzbare so Material eintauchenden beweglichen Glocke (26) gebildet ist, und eine Schutzvorrichtung (30 bis 32), welche verhindert, daß das Kühlmittel mit dem schmelzbaren Material in Berührung kommt.

2. Kernbrennstoff element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtung aus einer Kammer mit Öffnungen zum Kühlmittelraum besteht, in der die Kühlflüssigkeit eine gegen ein Inertgaspolster arbeitende Sperrflüssigkeitsvorlage bildet.

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtung aus einem Filter aus einem für das Kühlmittel nicht durchlässigen porösen Material besteht, das plötzliche Druckschwankungen dämpft.

4. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzbare Material in einem Trog enthalten ist, der aus einem Metall und darin verteiltem spaltbarem Material besteht.

5. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzbare Material spaltbares Material in verteilter Form enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen