DE1930182B2 - Blockfoermiges brennelement fuer hochtemperaturreaktoren - Google Patents
Blockfoermiges brennelement fuer hochtemperaturreaktorenInfo
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Description
brennstofffreien Zone (2; 3) aus der gleichen Graphitmatrix umschlossen sind, und daß die
Brennstoffkörper an ihrer Oberfläche Abslandshalterstege (4) aufweisen.
2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den auf den Brennstoffkörpern befindlichen Abstandshalterstegen und der gegenüberliegenden Wand der Blockbohrung
so viel Spiel vorgesehen ist, daß mögliche Dimensionsänderungen aufgefangen werden. »5
3. Brennelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g( 'xnnzeichnet, daß die Brennstoffkörper
mindestens drei Stege aufweisen, von denen einer (8) in eine entsprechende Nut (9) in der
Blockbohrungswand eirigreif-, um eine Verdrehung
des Brennstoff einsatzes zu verhindern.
4. Brennelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Stege (8) in Nuten (9)
in der Blockbohrungswand eingreifen.
35
40
Brennelemente (stab- oder blockförmige) für Hochtemperaturreaktoren
bestehen im Prinzip aus einem hochbeständigen Strukturmaterial mit einer Brennstoffüllung.
Üblicherweise wird als Strukturmateria' Graphit eingesetzt, es sind aber auch Brennelemente
vorgeschlagen worden, bei denen das Strukturmaterial Siliziumkarbid ist. Der Brennstoff — beschichtete
Teilchen — befindet sich vorzugsweise in einem Graphitmatrixkörper, der in das Strukturmaterial
eingesetzt wird.
Es sind Vorschläge für Elemente mit Außen- bzw. Außen- und Innenkühlung bekanntgeworden, bei
denen die brennstoffhaltigen Graphitmatrixkörper als Hohl- oder Vollzylinder bzw. zylindrische Stäbe vorgefertigt
und dann in Graphitrohre oder zylindrische Graphitbehälter bzw. in Bohrungen von Graphitblöcken
unterschiedlicher Geometrie, d.h. tetragonal, penta- oder hexagonal, eingesetzt werden
(französische Patentschrift 1269 842). Die erwähnten Graphitrohre bzw. Brennstoffbehälter können auch
Doppelrohre bzw. Ringspaltbehälter sein, bei denen der an beiden Enden verschlossene Zwischenraum
zwischen den beiden Rohren bzw. der Ringspalte mit den hohlzylinderförmigen Brennstoffkörpern gefüllt
ist. Die brennstoffgefüllten Rohre (Brennstäbe) bzw. Graphitbehälter können ihrerseits in die Bohrungen
lies Graphitblocks eingesetzt sein (Atompraxis 15 (1969), Nr. 2, S. 96 bis 100; Nucleonics 14 (1956),
Nr. 3, S. 34 bis 41).
Allen diesen Konzepten ist gemeinsam, daß die brennstoffhaltigen Matrixkörper nicht direkt dem
Kühlgas ausgesetzt sind, sondern daß sie die beim Reaktoreinsatz auftretende nukleare Spal«wärme über
einen fabrikatorisch erforderlichen Spalt an das umgebende Strukturmaterial (Block oder Rohr) abgeben
und daß die Wärme von der vom Kühlgas umströmten Oberfläche des Struktunnaterials abgeführt
wird. Der Spalt zwischen Brennstoffkörper und Hülle bzw. Block ergibt bei dem Reaktorbetrieb bei
hoher Wärmedichte einen erheblichen Wärmestau und dadurch eine hohe Brennstofrtemperatur, die
ihnrcmtc «η» fip.0Tfin7.ende Größe für die gesamte
thermodynamische Reaktorauslegung darsteift.
Bei einigen bekannten Ausführungen stabförmiger Graphitbrennelemente wird ein kleiner Teil des Kühlgases
abgezweigt und direkt über die in dem Hüllrohr befindlichen Brennstoffeinsätze geleitet, um
dann in einem angeschlossenen Reinigungssystem von gasförmigen Spaltgasen gereinigt zu werden; dieser
als Reinigungsgas abgezweigte Anteil des Kühlgases trägt aber nicht zum Wärmetransport bei, der
auch hier über das umgebende Graphithüllrohr erfolgt und daher gleichfalls durch den Spalt beeinträchtigt
wird.
Bei einem weiteren Verfahren wird der Brennstoff in vorgefertigte Brennstoffbehälter aus Graphit gemeinsam
mit einer binderhaltigen Graphitmatrix eingefüllt. Durch Verkoken des Binders verfestigt sich
die Matrix, wodurch ein mehr oder weniger fester Verbund der Einzelpartikeln untereinander wie mit
dem Behälter erreicht wird, wobei der Verbundkörper selbst eine relativ gerirgc Wärmeleitfähigkeit
besitzt.
Alle diese Konzepte haben folgende prinzipielle Nachteile:
1. Das Strukturmaterial besteht praktisch immer aus gut graphitiertem Elektrographit, während
die Kohlenstoffmatrix des brennstoffhaltigen Körpers auf Grund des Herstellungsprozesses
stets beträchtliche Anteile an nicht grapbitiertem Kohlenstoff enthält, weil der brennstoffhaltige
Körper nicht auf Graphitierungstemperatur gebracht werden kann, da sonst die
Brennstoffteilchen zerstört werden. Dieses führt zu unterschiedlichen physikalischen, besonders
auch kernphysikalischen Eigenschaften zwischen Strukturgraphit und Brennstoffkörper.
2. Es ist bekannt, daß Kohlenstoff bei der erforderlichen Brennstoffelementstandzeit zunächst
eine negative und danach eine positive Dimensionsänderung erfährt, die je nach Temperatur
und schneller Neutronendosis für einzelne Kohlenstoffstrukturen sehr unterschiedlich ist. Demgemäß
können sich die fabrikatorisch bedingten Spalte zwischen Strukturmaterial und Brennstoffkörper
während des Betriebes vergrößern, was zu schlechterem Wärmeübergang und unerwünscht
hohen Brennstofftemperaturen führt, andererseits können sich die Spalte unter Umständen aber so weit verengen, daß das
Strukturmaterial gesprengt wird. Eine Abstimmung zwischen Strukturmaterial und Brennstoffkörper
ist nicht möglich, da innerhalb des Reaktors sehr unterschiedliche Temperaturen und Flußverhältnisse herrschen.
3 4
Für den Einsatz der Brennstoffbehälter bzw. betteten, mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichteten
Brennstäbe in die vom Kühlgas durchströmten Boh- Brennstoffpartikel; außerdem ist die mit SiC als
rangen des Graphitblocks sind Abstandshalter be- Strukturmaterial erreichbare Brennelementkonstrukfcannt
Diese Abstandshalter sind entweder als be- tion nicht optimal für solche Hochtemperatur-Brennsondere
Konstruktionsteile aus Graphit oder anderen 5 elemente, von denen hohe Wärmeleistungen ha
keramischen Stoffen hergestellt und auf die Brenn- kompakter Bauweise gefordert werden.
Stoffbehälter aufgesetzt oder sind als Rippen oder Alle diese Nachteile können durch die vorliegende Stege auf der Graphithülle der Brennstäbe ange- Erfindung vollständig beseitigt werden. Beim EIebracht. d. h., Hölle und Stege sind aus einem Graphit- ment der vorliegenden Erfindung sind keine wanneteil gearbeitet Die Konstruktionen dieser Abstands- xo hemmenden Spalte vorhanden, die die Wärmeabfühhalter haben Vorbilder in den metallischen Abstands- rung benachteiligen. Außerdem sind Dimensionshaltern, wie sie für metallische Brennstoffbehälter änderungen des Strukturgraphits und des Brennstoffbekannt sind. In allen Fällen sollen die Abstands- körpers möglich und zulässig, ohne daß sich dabei halter die gleichmäßige Umströmung hochbelasteter die thermischen Verhältnisse ändern und die mecha-Brennstabe mit dem Kühlgas gewährleisten. 15 nischen Festigkeiten in irgendeiner Weise beein-
Stoffbehälter aufgesetzt oder sind als Rippen oder Alle diese Nachteile können durch die vorliegende Stege auf der Graphithülle der Brennstäbe ange- Erfindung vollständig beseitigt werden. Beim EIebracht. d. h., Hölle und Stege sind aus einem Graphit- ment der vorliegenden Erfindung sind keine wanneteil gearbeitet Die Konstruktionen dieser Abstands- xo hemmenden Spalte vorhanden, die die Wärmeabfühhalter haben Vorbilder in den metallischen Abstands- rung benachteiligen. Außerdem sind Dimensionshaltern, wie sie für metallische Brennstoffbehälter änderungen des Strukturgraphits und des Brennstoffbekannt sind. In allen Fällen sollen die Abstands- körpers möglich und zulässig, ohne daß sich dabei halter die gleichmäßige Umströmung hochbelasteter die thermischen Verhältnisse ändern und die mecha-Brennstabe mit dem Kühlgas gewährleisten. 15 nischen Festigkeiten in irgendeiner Weise beein-
Fur die Herstellung von zynnanscnen örennston- iratnugi wciuSTi.
köipern ist ein Verfahren bekannt, nach dem die Gegenstand der Erfindung 'st ein blockförmiges
mit einer für Spaltgase undurchlässigen Schicht ver- Brennelement für Hochtemper. Airreaktoren mit hoschcnen
Brennstoffpartikel mit dem Ma rixmaterial her Leistungsdichte, bei dem in zylindrische Bohin
einer Dragiertrommel umhüllt werden und diese ao rangen des Graphitblocks zylinderförmige Brennumhüllten
Teilchen zum zylindrischen Formkörper Stoffkörper mit durchgehendem zentralem Hohlraum,
mit sehr gleichmäßiger Brennstoffverteilung gepreßt die innen und außen vom Kühlgas umspült werden
werden Gegenüber dem sonst üblichen Verfahren, sollen, eingesetzt sind, und bei dem gemäß der Erzürn
Pressen ein Gemenge von beschichteten Brenn- findung die Brennstoffkörper im Inneren aus einer
stoffpartikeln und pulverförmigem Matrixmaterial zu »5 Graphitmatrix mit darin homogen verteilten beverwenden,
hat dieses Verfahren den Vorteil, daß schichteten Brennstoff teilchen aufgebaut sind und an
eine Beschädigung der Brennstoffpartikel beim Pres- ihrer Oberfläche innen und rußen allseits von einer
sen nahezu vollständig ausgeschlossen werden kann, sich übergangslos anschließenden brennstofffreien
so daß die Kontamination des Formkörpers durch Zone aus der gleichen Graphitmatrix umschlossen
freies Uran auch bei relativ hohen Brennstoffgehal- 30 sind, und bei dem die Brennstoffkörper an ihrer
ten auf sehr geringe Werte vermindert wird. Die Oberfläche Abstandshalterstege aufweisen,
beschriebenen Formkörper sind aber ebenfalls zum Für die Anwendung als Brennelement für Lei-Einsetzen in außengekühlte Graphithüllrohre be- stungsreaktoren ergibt die neue Konstruktion der stimmt, d. h., die mit ihnen hergestellten Brennele- Brennstoffkörper als wesentlichen Fortschritt eine mente haben gleichfalls die erwähnten Nachteile für 35 erhebliche Verbesserung der Wärmebilar 7 entweder den Wärmeübergang zum Kühlgas. durch Steigerung der Leistung oder durch Senkung
beschriebenen Formkörper sind aber ebenfalls zum Für die Anwendung als Brennelement für Lei-Einsetzen in außengekühlte Graphithüllrohre be- stungsreaktoren ergibt die neue Konstruktion der stimmt, d. h., die mit ihnen hergestellten Brennele- Brennstoffkörper als wesentlichen Fortschritt eine mente haben gleichfalls die erwähnten Nachteile für 35 erhebliche Verbesserung der Wärmebilar 7 entweder den Wärmeübergang zum Kühlgas. durch Steigerung der Leistung oder durch Senkung
Außerdem sind auch gepreßte, kapseiförmige der Brennstofftemperatur. Dies wird erzielt durch
Brennelemente, vorzugsweise in Kugelform, bekannt, die Kopplung der beiden wichtigsten Konstruktion s-
die den Brennstoff, beispielsweise in Form von be- priuzipien:
schichteten Partikeln, eingebettet in einer Graphit- 4» 1. Direkter Wärmeübergang vom Brennstoff zur
matrix enthalten, wobei die brennstoffhaltige Matrix gekühlten Oberfläche des Brenr.stoffkörpers
den Kern des Elements bildet, auf den eine brenn- (ohne Zwischenspalte).
stofffreie Graphitschale aufgepreßt ist (französische 2. Große Kühlfläche (durch Innen- und Außen-
Patentschrift 1 330 985). Die beschriebenen Elemente kühlung).
können zwar direkt dem Kühlgasstrom ausgesetzt 45 Als zusätzliches Konstruktionsprinzip kommt
werden, sind jedoch tür die Herstellung hochbean- hinzu:
spruchter blockförmiger Brennelemente für Hoch- 3. Pressen in einem Stück mit aufgepreßten Ab-
temperatur-Leistungsreaktoren in ihrer Formgebung standshaltern, dadurch geringe Herstellkosten,
nicht optimal, da auf die Ausgestaltung einer mög- Die Verbesserung der Wärmebilanz ergibt sich
liehst großen Kühlfläche nicht Rücksicht genommen 50 aus thermodynamischen Rechnungen, nach denen
wird (keine Innenkühlung vorgesehen). Außerdem durch den Wegfall des Spalts eine erhebliche
sind keine Abstandshalter für den Einsatz in das Leistungserhöhung von beispielsweise 1 kW auf
Strukturmaterial vorgesehen. 2 kW pro cm Kühlkanallänge möglich ist. falls die
Es ist ein weiterer Typ von Brennstoffkörpern für übrigen Bed:ngungen, insbesondere die Brennstoffden
Einsatz in prismatische Hochtemperatur-Brenn- 55 temperatures konstant gehalten werden. Bei konelemente
bekannt, bei dem beschichtete Brennstoff- stant gehaltener Leistung kann die Brennstofftempepartikel
in einer Matrix aus Siliziumkarbid (SiC) ein- ratur gesenkt werden, was eine Erhöhung der Lebensgebettet
sind. Die brennstoffhaltige Matrix bildet den dauer und eine Verbilligung des Brennstoffkreislaufs
Kern des zylindrischen oder hohlzylindrischen Kör- bewirken kann.
pers, der Kern IsL allseits von einer SiC-Schicht um- 60 Die neue Konstruktion vermeidet durch die
geben, und die Brennstoffkörper sind gebündelt in Verwendung einer einheitlichen Graphitmatrix für
einem großen SiC-Uohr an SiC-Halteplatten be- Innen- und Außenzone die Schwierigkeiten, die bei
festigt (deutsche Auslegeschrift 1227 572). Gegen- unterschiedlichen Stoffen bei der Neutronenbestrah-
über Graphit ergeben sich für die Verwendung von lung im Reaktoreinsatz dadurch entstehen, daß die
SiC als Matrix- und Strukturmaterial neutronen- 65 unterschiedlichen Dimensionsänderungen entweder
physikalische Nachteile und verschiedene technisch durch Spalterweiterung oder zusätzliche Spaltbildung
und physikalisch bedingte Schwierigkeiten, insbeson- eine Erhöhung der Brennstofftemperatur oder aber
dere für die Strahlenbeständigkeit der in SiC einge- mechanisrhe Spannungen verursachen.
1 930
Die Herstellung der Brennelemente kann in der größtmöglichen Dimensionsänderungen aufgefangen
Weise erfolgen, daß isotrope Brennstoffkörper (Hohl- werden können. Bei dieser Ausführung ist eine Drezylinder)
aus einer Mischung von Naturgraphit und/ hung der Brennstoffeinsätze möglich. Die Abstandsoder
Elektrographit und Binder sowie beschichteten halter haben bei dieser Ausführung die Aufgabe, an
Brennstoffteilchen gemeinsam mit einer allseits um- 5 allen Stellen der Brennstoffkörpermantelfläche eine
schließenden brennstofffreien Schale der gleichen gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten und die aus-Matrixzusammensetzung
isostatisch oder quasi isosta- legungsgemäße Aufteilung des Kühlgasstromes auf
tisch gepreßt werden, den Kühlspalt 6 und den inneren Kühlkanal 7
Die Brennstoffkörper werden im Brennelement sicherzustellen.
durch die auf dem Brennstoffkörper angebrachten io Nach der Ausführung entsprechend F i g. 2 wird
Abstandshalterstege fixiert. Zwischen den Stegen und eine Drehung des Brennstoffkörpers durch einen
der gegenüberliegenden Wand der Graphitblockboh- Abstandshaltersteg 8 verhindert, der gegenüber den
rung wird so viel Spiel vorgesehen, daß mögliche übrigen Stegen 4 radial verlängert ist und in eine
Dimensionsänderungen aufgefangen werden. Nut 9 in der Blockbohrungswand eingreift.
Zweckmäßig ist es, daß die Brennstoffkörper min- 15 Nach Fig. 3 kann durch radiale Verlängerung
destens drei Stege aufweisen, von denen einer in aller drei Stege 8, die in Nuten 9 eingreifen, der
eine entsprechende Nut des Gegenstücks eingreift, Brennstoffkörper exakt in seiner Position gehalten
um eine Verdrehung des Brennstoffkörpers zu ver- werden, wobei Dimensionsändervngen keinen Einhindern,
fluß haben.
In den Abbildungen sind beispielsweise Ausfüh- ao Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit mehreren in
rangen der erfindungsgemäßen Brennelemente dar- einer Bohrung hintereinander angeordneten Brenngestellt,
stoffkörpem im Längsschnitt längs der Linie A-A in
In der Ausführung nach Fig. 1 befinden sich die Fig. 1 mit dem Kühlspalt6 zwischen dem Brenn-
Brennstoffkörper mit auf der Oberfläche angebrach- stoffeinsau und dem Graphitblock 5 und dem
ten Abstandshalterstegen in der glatten Bohrung des as inneren Kühlkanal 7.
Blocks. Der Brennstotfkörper ist aufgebaut aus der Die beschriebenen Brennstoffkörper haben zylinbrennstoffhaltigen
Innenzone 1, der brennstofffreien drische Geometrie. Der erfindungsgemäße Vorteil
Außenmantelzone 2, der brennstofffreien Innen- bleibt aber auch dann erhalten, wenn andere Quermantelzone
3 und den Abstandshalterstegen 4. Zwi- schnitte, z. B. quadratische oder sechseckige mit
sehen den Abstandshalterstegen 4 und der Bohrung*- 30 scharfen oder abgerundeten Kanten, Verwendung
wand 5 ist so viel Spiel vorgesehen, daß die finden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Blockförmigem Brennelement für Hochtemperaturrcaktoren
mit hoher Leistungsdichte, bei S dem in zylindrische Bohrungen des Graphitblocks
zylinderförmige Brennstoffkörper mit durchgehendem zentralem Hohlraum, die innen
und außen vom Kühlgas umspült werden sollen, eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die BrennstoSkörper im Inneren aus einer Graphitmatrix mit homogen verteilten beschichteten
KernbrennstoSteüchen (1) aufgebaut sind und an ihrer Oberfläche innen und außen all-
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DE1930182C3 DE1930182C3 (de) | 1976-04-01 |
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BE741879A (de) | 1970-05-19 |
DE1930182A1 (de) | 1971-01-21 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |