DE1816544B1 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennele- wesentlich größere Spaltgasmengen aufzunehmen ment mit einer den Brennstoff und wenigstens einen vermag, ohne daß der Innendruck unzulässig hohe Hohlraum umschließenden, unter einem Gasdruck Werte annimmt.

stehenden Hülle, die von einem strömenden Kühl- Die Lösung die Aufgabe besteht bei einem Kernmittel gekühlt wird, bei dem der Hohlraum mittels 5 reaktorbrennelement der eingangs genannten Art eines beweglichen Trennelements in zwei gasdicht erfindungsgemäß darin, daß der eine Bereich des voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist, von Spaltgasplenums einen Dampf enthält, der in Abdenen der eine zur Aufnahme von Spaltgasen mit hängigkeit von der zunehmenden Spaltgasmenge in dem Brennstoff bzw. Brutstoff in Verbindung steht. dem anderen Bereich kondensiert. Hat der Dampf bei Bei der Kernspaltung entstehen Spaltgase, die mit io Beginn des Abbrandes den Zustand der trockenen zunehmendem Abbrand des Brennstoffs einen stei- Sättigung, so bleibt der Innendruck in dem Brenngenden inneren Gasdruck in dem Brennelement auf- element trotz zunehmender Spaltgasmenge so lange bauen. Die Differenz zwischen dem inneren Gas- konstant, bis der gesamte Dampf kondensiert ist. druck und dem äußeren Kühlmitteldruck muß im Damit ist es möglich, die Standzeit entsprechend zu wesentlichen von der Brennelementhülle aufgenom- 15 verlängern oder auch die Hülle bezüglich Wandmen werden und darf daher mit Rücksicht auf die stärke und Material so zu gestalten, daß sie unter maximal zulässige Belastbarkeit des Hüllmaterials Umständen zwar eine geringere mechanische Festigbestimmte Werte nicht überschreiten. Dies bedeutet keit aufweist, dafür aber neutronenphysikalisch günjedoch, daß die Standzeit eines Brennelements u. a. stigere Eigenschaften hat, was besonders bei Schnelvon dem Druckanstieg und dem maximal zulässigen 20 len Brutreaktoren im Hinblick auf eine möglichst Druck der Spaltgase abhängt. hohe Brutrate erstrebenswert ist. Denn der anfäng-

Um den Druckanstieg zu verzögern, ist es bekannt, liehe Innendruck zu Beginn der Standzeit, der bisz. B. stabförmige Brennelemente mit einem sogenann- her mittels eines Druckgases erzeugt wurde, entsteht ten Spaltgasplenum auszustatten. Hierzu ist die Hülle bei der Erfindung ganz oder teilweise mit Hilfe des üblicherweise in Richtung Kühlmitteleintrittsseite 25 später wieder kondensierenden Dampfes. Diese Eigenüber ihren Brennstoff bzw. Brutstoff enthaltenden schaft kann selbstverständlich auch dazu ausgenützt Bereich hinaus verlängert, so daß ein zusätzlicher werden, das Volumen des Spaltgasraums zu redu-Hohlraum entsteht, der mit einem Gas, ζ. Β. Helium, zieren.

gefüllt ist und in dem sich während der Bestrah- Vorteilhafterweise wird hierzu der eine Bereich

lung im Reaktor die Spaltgase ansammeln. Die künst- 30 teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt, die bei der lieh zugreifende Gasmenge ist dabei normalerweise durch das Kühlmittel auf die Hülle übertragenen so zu bemessen, daß der Innendruck zu Beginn der Wärme verdampft und deren kritische Dampftempe-Standzeit niedriger ist als der äußere Kühlmittel- ratur über der Temperatur des Kühlmittels liegt, druck. Dadurch wird die Hülle zunächst auf Druck Die Flüssigkeitsmenge kann im Verhältnis zum

und später, wenn sich genügend Spaltgase angesam- 35 Hohlraumvolumen und dem hierin herrschenden, melt haben, auf Zug beansprucht (Kernforschungs- durch ein in dem einen Bereich enthaltenes Füllgas Zentrum Karlsruhe, KfK-Bericht 392: Referenz- erzeugten Gasdruckes so dosiert werden, daß der Studie für den 1000 MWe Dampfgekühlten Schnellen sich bei Betriebstemperatur nach der Verdampfung Brutreaktor D1, S. 5/15). einstellende Innendruck innerhalb der Hülle etwa

Die Größe des als Spaltgasplenum dienenden 4° dem Druck des äußeren Kühlmittels entspricht. Da-Hohlraums ist jedoch aus konstruktiven und thermo- bei kann auch die Flüssigkeitsmenge im Verhältnis dynamischen Gründen begrenzt, so daß auch der zum Hohlraumvolumen und dem hierin herrschenden, Druckanstieg nicht beliebig klein gehalten werden durch ein in dem einen Bereich enthaltenes Füllgas kann. erzeugten Gasdruck so dosiert sein, daß der sich bei

Weiterhin ist ein Brennelement bekannt (französi- 45 Betriebstemperatur nach der Verdampfung zu Besehe Patentschrift 1 537 085), bei welchem das Spalt- ginn der Standzeit einstellende Innendruck innerhalb gasplenum mittels eines beweglichen Trennelements der Hülle etwas niedriger als der Druck des äußeren in zwei gasdicht voneinander getrennte Bereiche Kühlmittels liegt. Zweckmäßigerweise wird die Flüsunterteilt ist, wobei der eine Bereich zur Aufnahme sigkeitsmenge im Verhältnis zum Hohlraumvolumen von Spaltgas mit dem Brennstoff bzw. Brutstoff in 50 und dem hierin herrschenden, durch das im ersten Verbindung steht. Als sperrendes Trennelement Bereich enthaltene Füllgas erzeugten Gasdruck so wird dabei ein flüssiges Metall verwendet. Bei diesem dosiert, daß der entstehende Dampf im Laufe des Brennelement werden jedoch die Spaltgase abhängig Betriebs etwa den Zustand der trockenen Sättigung vom Innendruck dosiert freigesetzt und anschließend erreicht. Die beiden Bereiche sind dabei nach Art vom Kühlmittel abgeführt. Daher können in dem 55 kommunizierender Röhren zueinander angeordnet Spaltgasplenum dieses Brennelements nur geringe und mittels einer Sperrflüssigkeit, insbesondere einem Spaltgasmengen gespeichert werden. Im übrigen ist flüssigen Metall, voneinander getrennt. Die Trennung der Betrieb von Brennelementen mit Spaltgasablei- kann außerdem auch durch eine elastische Membrane rung mit größeren Sicherheitsrisiken verbunden, als Trennelement erfolgen.

als der mit geschlossenen Brennelementen, da bei 60 Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfinletzteren sowohl während des Betriebs als auch beim dung können in dem Hohlraum für die Spaltgase ein Entladen und beim Transport der Austritt von radio- oder mehrere Rohre vorgesehen sein, die mit ihren aktiven Spaltgasen sicher verhindert wird. oberen Enden an die Brennstoffzone angeschlossen

Ausgehend von diesem Stande der Technik hat die sind und die mit ihren unteren Enden offen im vorliegende Erfindung zur Aufgabe, mit einfachen 6g Bereich des Hohlraumbodens münden; zwischen den Mitteln ein Brennelement, in dessen Spaltgasplenum Rohren und der Hülle ist ein sich bei Betriebstempedie Spaltgase während des Reaktorbetriebs gespei- ratur verflüssigender Dichtpfropfen vorgesehen, der chert werden, zu schaffen, dessen Spaltgasplenum den Dampfbereich von dem Spaltgasbereich trennt.

Nach einer anderen Variante sind in dem Hohlraum mehrere dünne Röhrchen angeordnet, die an ihrem oberen Ende verschlossen sind, mit ihrem unteren Ende offen im Bereich des Hohlraumbodens münden und die die zu verdampfende Flüssigkeit enthalten. Die Röhrchen sind gegenüber dem von der Hülle umschlossenen Spaltgassammelraum ebenfalls durch eine sich bei Betriebstemperatur verflüssigende Sperrflüssigkeit getrennt.

Wird der Dampfdruck etwas niedriger gehalten als der Kühlmitteldruck, so wird die Hülle zu Beginn der Standzeit, wenn alle Flüssigkeit verdampft ist, auf Grund der zuströmenden Spaltgasmengen zunächst sogar entlastet, bis sich schließlich bei weiter zunehmender Spaltgasmenge in der Hülle gegenüber dem Kühlmittel durch die Kondensation des Dampfes ein konstanter Druck einstellt. Dieser konstante Druck kann durch geeignete Wahl von Flüssigkeitsmenge, Volumen und Temperatur bestimmt werden. Als Flüssigkeit wird beim dampfgekühlten Reaktor im einfachsten Fall Wasser verwendet. Durch ge- ^fe eignete Auswahl der zu verdampfenden Flüssigkeit, ^^ z. B. strahlenbeständiger organischer Lösungen, deren kritische Temperatur über der Kühlmitteltemperatur liegt, kann die Erfindung auch für gasgekühlte Reaktoren angewendet werden.

Im folgenden werden an Hand der Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläuter. Es zeigt

Fig. 1 schematisch den unteren Teil eines stabförmigen Brennelements, dessen Spaltgasraum in einen Bereich zur Aufnahme der Spaltgase und in einen Dampfraum unterteilt ist,

F i g. 2 eine Variante hiervon, wobei als Dampfraum mehrere einseitig geschlossene Röhrchen vorgesehen sind.

Die Hülle 1 des stabförmigen Brennelements ist über den Brennstoff bzw. Brutstoff 2 enthaltenen Teil hinaus nach unten verlängert und bildet so einen zusätzlichen, als Spaltgasraum dienenden topfförmigen Hohlraum 3. Das Kühlmittel, z. B. Sattdampf oder leicht überhitzter Dampf, strömt das Brenn-

» element in Pfeilrichtung von unten an, so daß der den Hohlraum 3 umschließende Teil der Hülle 1 auf die Temperatur des eintretenden Kühlmittels erwärmt wird.

Der Hohlraum 3 ist in zwei Bereiche unterteilt, einen Spaltgassammelraum 4 und einen Dampfraum 5. Zur Aufnahme der Spaltgase ist ein Rohr 6 vorgesehen, daß mit seinem oberen Ende an die Brennstoffzone 2 angeschlossen und das mit seinem unteren Ende offen im Bereich des Hohlraumbodens mündet. Der Dampfraum 5 im oberen Teil des Hohlraums 3 wird von der Hülle 1, einer an den Brennstoff 2 angrenzenden Trennscheibe 7, dem Rohr 6 und einem Dichtpfropfen 8 gebildet. Der Dichtpfropfen 8 kann z. B. aus Blei bestehen, das sich bei Erwärmung verflüssigt, und so wie die Sperrflüssigkeit bei kommunizierenden Rohren je nach der Gasbzw. Dampfmenge in den beiden Räumen 4 und 5 eine unterschiedliche Lage einnimmt. Auch der Einsatz von selektiven Membranen ist möglich, die nur für die Spaltgase, dagegen nicht für den Flüssigkeitsdampf durchlässig sind.

Vor dem Einsatz wird der Raum 5 mit einer bestimmten Flüssigkeit und der mit der Brennstoffzone 2 verbundene Raum 4 mit einem Schutzgas, normalerweise Helium, gefüllt. Die Flüssigkeitsmenge kann so dosiert werden, daß der bei Betriebstemperatur, die etwa der Kühlmitteltemperatur entspricht, sich einstellende Dampfdruck etwa dem Kühlmitteldruck entspricht. Man kann aber auch je nach der zulässigen Hüllrohrbelastung zu Beginn der Standzeit den Innendruck etwas niedriger halten, so daß die Hülle mit zunehmendem Spaltgasdruck zunächst entlastet wird. Mit der weiteren Zunahme von Spaltgas in dem Raum 4 steigt der Innendruck in den Räumen 4 und 5 so lange an, bis der Dampf im Raum 5 den Zustand der trockenen Sättigung erreicht, falls die Parameter-Flüssigkeitsmenge, Volumen und Temperatur entsprechend gewählt werden. Von diesem Zustand an bleibt der Innendruck in den Räumen 4 und 5 auch bei weiterer Zunahme der Spaltgasmenge konstant, da der Dampf zu kondensieren beginnt und das dabei frei werdende Volumen in dem Hohlraum 3 den Spaltgasen zugute kommt. Erst wenn aller Dampf kondensiert ist, würde der Innendruck wieder ansteigen.

In Fig. 2 sind in dem Hohlraum 10 mehrere dünne Röhrchen angeordnet, die an ihrem oberen Ende verschlossen sind und mit ihrem unteren Ende offen im Bereich des Hohlraumbodens münden. Die Röhrchen 11 enthalten im Bereich ihres verschlossenen Endes 12 die zu verdampfende Flüssigkeit. Das Ausfließen der Flüssigkeit wird ähnlich wie in F i g. 1 mit einem Propfen 13 verhindert, der sich bei Erwärmung verflüssigt. Dieser Pfropfen kann gegebenenfalls auch den unteren Teil des Hohlraums 10 bis über die Mündung der Röhrchen 11 ausfüllen, so daß keine Flüssigkeit bzw. kein Dampf in den Spaltgasraum 14 dringen kann, in den die Spaltgase direkt aus der Brennstoffzone 2 einströmen. Durch die Verwendung dieser Röhrchen 11, die gegenüber der Hülle 1 mittels geeigneter Abstützungen 15 fixiert sein können, wird vor allem die Kapillarwirkung gegenüber Flüssigkeiten ausgenützt. Im übrigen ist die Wirkungsweise ähnlich wie bei dem in Fig. 1 erläuterten Beispiel. Der Schmelzpunkt des Pfropfens 8 bzw. 13 muß selbstverständlich niedriger liegen als die Betriebstemperatur des Kühlmittels.

Der mit der Erfindung erzielbare technische Fortschritt beruht im wesentlichen darauf, daß mit Hilfe des Verdampfungs- bzw. Kondensationsbereichs auch bei einem geschlossenen Brennelement trotz zunehmender Spaltgasmengen der Innendruck über einen weiten Abbrandbereich konstant bleibt, wodurch dem unerwünschten »Kriechbeulen« der Brennelementhülle ebenso wirkungsvoll begegnet wird wie ihrer Deformation infolge zu großen Innendrucks.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Kernreaktorbrennelement mit einer den Brennstoff und wenigstens einen Hohlraum umschließenden, unter einem Gasdruck stehenden Hülle, die von einem strömenden Kühlmittel gekühlt wird, bei dem der Hohlraum mittels eines beweglichen Trennelements in zwei gasdicht voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist, von denen der eine zur Aufnahme von Spaltgasen mit dem Brennstoff bzw. Brutstoff in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Bereich (5) einen Dampf enthält, der

in Abhängigkeit von der zunehmenden Spaltgasmenge in dem ersten Bereich (4) kondensiert.

2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (5) teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die bei der durch das Kühlmittel auf die Hülle (1) übertragenen Wärme verdampft und deren kritische Dampftemperatur über der Temperatur des Kühlmittels liegt.

3. Kemreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsmenge im Verhältnis zum Hohlraumvolumen und dem hierin herrschenden, durch ein im ersten Bereich enthaltenes Füllgas erzeugten Gasdruck so dosiert ist, daß der sich bei Betriebstemperatur nach der Verdampfung einstellende Innendruck innerhalb der Hülle (1) etwa dem Druck des äußeren Kühlmittels entspricht.

4. Kernreaktorbrermelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsmenge im Verhältnis zum Hohlraumvolumen und dem hierin herrschenden, durch ein im ersten Bereich enthaltenes Füllgas erzeugten Gasdruck so dosiert ist, daß der sich bei Betriebstemperatur nach der Verdampfung zu Beginn der Standzeit einstellende Innendruck innerhalb der Hülle (1) etwas niedriger als der Druck des äußeren Kühlmittels liegt.

5. Kemreaktorbrennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsmenge im Verhältnis zum Hohlraumvolumen und dem hierin herrschenden, durch das im ersten Bereich enthaltene Füllgas erzeugten Gasdruck so dosiert ist, daß der entstehende Dampf im Laufe des Betriebes etwa den Zustand der trockenen Sättigung erreicht.

6. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bereiche (4,5) nach Art kommunizierender Röhren zueinander angeordnet und mittels einer Sperrflüssigkeit, insbesondere einem flüssigen Metall, voneinander getrennt sind.

7. Kemreaktorbrennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (3) ein oder mehrere Rohre (6) vorgesehen sind, die mit ihren oberen Enden an die Brennstoffzone (2) angeschlossen sind und die mit ihren unteren Enden offen im Bereich des Hohlraumbodens münden, und daß zwischen den Rohren (6) und der Hülle (1) ein sich bei Betriebstemperatur verflüssigender Dichtpfropfen (8) vorgesehen ist, der den Dampfbereich (S) von dem Spaltgasbereich (4) trennt.

8. Kernreaktorbrennelement nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (10) mehrere dünne Röhrchen (11) angeordnet sind, die an ihrem oberen Ende (12) verschlossen sind, mit ihrem unteren Ende offen im Bereich des Hohlraumbodens münden und die die zu verdampfende Flüssigkeit enthalten, und daß die Röhrchen (11) gegenüber dem von der Hülle (1) umschlossenen Spaltgassammelraum (14) durch eine sich bei Betriebstemperatur verflüssigende Sperrflüssigkeit getrennt sind.

9. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elastische Membrane als Trennelement.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen