DE1942433B2 - Brennelement fuer kernreaktoren - Google Patents
Brennelement fuer kernreaktorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für Kernreaktoren der im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Art.
so Bei dem aus der BE-PS 6 68 870 bekannten Brennelement für Kernreaktoren der genannten Art
sind lange Stäbe vorgesehen, die an ihrem unteren Ende mit einer Durchgangsöffnung des Gas-Leitmittels in
Verbindung steht, welche ihrerseits mit einer Sammelkammer des Gas-Leitmittels verbunden ist. Diese
Kammer steht über ein Entlüfungsrohr mit der oberen flüssigkeitsdichten Gas-Auffangkammer in Verbindung
die ihrerseits über verschiedene Verbindungsöffnungen mit dem Außenbereich des Brennelements verbunder
bo ist. Nachteilig hieran ist, daß die obere Kammer, die al«
Sperre wirken sollte, nicht verhindern kann, daß die Kühlflüssigkeit in das Rohr des Gas-Leitmittels und vor
dort in die untere Kammer des Gas-Leitmittels strömt.
Ein weiterer Nachteil hesteht darin, daß ein Brecher
μ oder Reißen eines der Brennstoffstäbe das Eindringer
von Kühlflüssigkeit in alle Stäbe zur Folge hat, da nacl dem Überfluten des gebrochenen Stabes die Kühlflüs
sigkeit in die gemeinsame Durchgangsöffnung de:
las-Leitmittels und von dort in die anderen Stäbe
trömen kann. Da bei dem bekannten Brennelement das 3as-Leitmittel, durch das die gasförmigen Produkte aus
ien Brennstoffstäben die obere Auffangkammer errei- ;hen, zuerst einen nach unten führenden Weg, der die
-lohlen Anschlußbereiche der Stäbe, die Eintrittsbohrung
in die untere Kammer und die obere Kammer enthält, und dann ei?~,en nach oben führenden Weg mit
dem Entlüftungsrohr aufweist, kann im Falle eines Stabbruches die Kühlflüssigkeit nicht nur in die anderen
Stäbe eindringen, die mit der Durchgangsöffnung des Gas-Leitmittels verbunden sind, sondern auch durch die
Zugangsbohrung in die untere Kammer eindringen, wodurch ein Austragen des Gases längs dieses
genannten Weges verhindert oder zumindest behindert wird. Diese Nachteile werden dadurch noch verstärkt,
daß die Enllüftungsöffnungen der Brennstoffstäbe an ihren unteren Enden angeordnet sind. Somit wird im
Falle eines Stabbruches der Strom der Kühlflüssigkeit von der Ausgangsöffnung des gebrochenen Stabes
durch den hydrostatischen Druck begünstigt, der entsprechend dem Niveauunterschied zwischen dem
gebrochenen Bereich des Stabes und seinem unteren Endes besteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennelement für Kernraktoren der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei dem in jedem Fall ein Eindringen von Kühlfüssigkeit in die obere Kammer und bei einem
Stabbruch oder -riß ein Eindringen von Kühlflüssigkeit in die unbeschädigten Brennstoffstäbe vermieden ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß jeder einzelne Brennstoffstab an
seinem oberen Hülsenende mit einer eigenen gasführenden Röhre dicht verbunden ist, welche durch eines von
entsprechend vielen Löchern in der Bodenwandung der Kammer hindurchgeführt ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennelement ist jeder Brennstoffstab nach oben durch ein Kapillarrohr
getrennt belüftet, das sich unter der Decke der oberhalb der Brennstoffstäbe angeordneten Auffangkammer
öffnet. Kühlflüssigkeit kann deshalb niemals durch diese Sperre hindurchgelangen. Ergibt sich ein Brechen,
Reißen od. dgl. eines Brennstoffstabes und wird dieser mit Kühlflüssigkeit überflutet, so wird diese längs des
betreffenden Stabes geleitet und nach außerhalb abgeleitet, ohne daß sie in andere Brennstoffstäbe
eindringen kann. Da beim erfindungsgemäßen Brennelement der Gasaustritt jedes Brennstoffstabes an
dessen oberem Ende angeordnet ist, ist er steis über einer möglichen Bruch- bzw. Rißstelle angeordnet. Da
beim erfindungsgemäßen Brennelement im Gegensatz zum bekannten Brennelement, bei dem eine flüssigkeitsdichte
Verbindung zur Durchgangsöffnung vorgesehen ist, jeder Brennstoffstab in die Gasauffangkammer ->5
durch eine nicht flüssigkeitsdichte Bohrung eintritt, ergibt sich der weitere Vorteil, daß ein Verschieben und
ein Ausdehnen der Brennstoffstäbe aufgrund von Temperaturschwankungen möglich sind.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemä- «i
Ben Brennelements sind für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen zu ersehen. In den Zeichnungen zeig i
Fig. I ein Brennelement mit den erfindungsgemäßen ιλ
Gasleitmitteln,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Brennelement nach Fig. I,
Fin. 3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Brennstoffstab,
F i g. 4,6 und 8 drei verschiedene Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Brennelements,
Fig. 5, 7 und 9 Querschnitte durch die entsprechenden
Brennelemente nach den F i g. 4,6 und 8.
Der in Fig.3 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffstab
1 besteht aus einer Metallröhre 9, in welcher der Brennstoff 8 enthalten ist. Über dem Brennstoff 8
befindet sich ein Raum 10, der eine Expansion des Brennstoffs erlaubt und die kondensierten Spaltprodukte
aufnimmt. Über dem Brennstoffbereich 8 ist ein Bereich mit Brutmaterial 11 und eine Zwischenwand 12
aus porösem Medium placiert. Das obere Ende der Metallröhre 9 ist mit einer Kapillarrohre 3 mittels einer
Steckhülse 13 verbunden. Unter dem Brennstoffbereich befindet sich ein weiterer Abschnitt von Brutmaterial 14
und eine Hülse 15, welche an die Metallröhre 9 dicht angeschweißt ist. Die Steckhülse 13 kann ebenfalls an
die Metallröhre 9 und die Kapillarrohre 3 angeschweißt werden.
Wie Fig. 1 zeigt, sind die Brennstoffstäbe 1 in einem
hexagonalen Kanal 2 eingeschlossen und stehen mit ihren oberen Enden mit ebenso vielen Kapillarröhren 3
in Verbindung, die sich durch einen tassenförmigen Boden in Form eines perforierten Gitters 4 in eine
Gassammeikammer 6 erstrecken, in der sie annähernd bis zu deren Decke reichen.
Die Kapillarröhren 3 verbinden die Brennstoffmasse in den Brennstoffstäben 1 mit dem oberen Abschnitt der
Kammer 6, welche mit einer Vielzahl von Öffnungen 7 in
dem Bereich versehen sind, in welchem das Gitter 4 mit den Wänden 5 der Kammer 6 verbunden ist.
Die äußeren Oberflächen der Kammer 6 und des Gitters 4 und die innere Oberfläche des Kanals 2 bilden
einen Raum, durch welchen das Kühlmittel fließt. Da die Querschnitte dieses Raums bei verschiedenen Höhen
verschiedene Ausmaße haben, ist die Geschwindigkeit des nach oben fließenden Kühlmittelstroms bei
verschiedenen Querschnitten verschieden. Insbesondere erreicht die Geschwindigkeit des nach oben
fließenden Kühlmittelstroms beim größten Querschnitt der Kammer 6, d.h. in dem Gebiet, in welchem das
Gitter 4 mit den peripheren Wandungen der Kammer 6 verbunden ist, ein Maximum.
Der KühlmiUelstrom durch den Raum, der durch die äußere Wandung der Kammer 6 und die innere
Oberfläche des Kanals 2 gebildet ist, ist während des Reaktorbetriebs Schwankungen unterworfen. Wenn
sich die Fließgeschwindigkeit erhöht, erhöhen sich auch die Reibungsverluste entlang der Kammer 6; als Folge
tritt eine Erhöhung des Drucks an den öffnungen 7 ein.
Eine derartige Erhöhung des Drucks an den öffnungen 7 kann partiell durch den Venturi-Effekt
kompensiert werden, der durch eine geeignete Form der äußeren Profile der Kammer 6 erhalten wird. Eine
derartige Kompensation wird tatsächlich automatisch durch dieselbe Erhöhung der Flußgeschwindigkeit
erzeugt, welche die Erniedrigung der Reibungsverluste verursacht.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen
Brennelements im stationären Zustand anhanc der Fig. 1, 2 und 3 erläutert. Die aus dem Brennstof
aufgrund der Bestrahlung austretenden Gase werden nachdem sie die Abschnitte 10,11 und 12 passiert habei
und demgemäß partiell gereinigt sind, zum obcrei
Abschnitt der Kummer 6 mittels der Kapillaren 3. mi welchen jeder Stab versehen ist, geleitet. Das Kühlmii
tel. das sich evtl. in der Kammer 6 befindet, wird zuer;
durch die öffnungen 7 durch das einströmende Gas nach außen gedrückt. Anschließend strömen die Gase
selbst aus der Kammer 6 durch die öffnungen 7 aus und
werden durch das Kühlmittel in einen geeigneten Bereich des Kühlsystems transportiert, in welchem
Vorrichtungen zur Abtrennung der Gase von der Kühlflüssigkeit vorgesehen sind.
Unter dynamischen Bedingungen verursacht jede Erhöhung des Druckes des flüssigen Metalls an den
öffnungen 7 und/oder jede gleichzeitige Erniedrigung der Temperatur der gasförmigen Spaltprodukte in der
Kammer 6 und in den inneren Räumen des Stabs 1 das Wiedereintreten des Kühlmittels in die Kammer 6 durch
die Öffnungen 7 bis sich an den öffnungen 7 zwischen dem inneren und dem äußeren Druck ein Gleichgewicht
eingestellt hat. Die Kammer 6 ist so geformt, daß — auch nicht bei maximalem vorhersagbarem
dynamischen Druck der gasförmigen Produkte — der Kühlflüssigkeitsstand in der Kammer während des
Betriebs des Reaktors keinesfalls das Niveau der oberen offenen Enden der gasführenden Mittel 3 erreicht. Das
flüssige Kühlmittel kann daher unter keinen Bedingungen in die Stäbe eindringen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennelements ist in den F i g. 4 und
5 dargestellt, wobei der Hauptunterschied zu der ersten Ausführungsform gemäß den F i g. 1 und 2 darin liegt,
daß die Kammer 16, in der die gasförmigen Spaltprodukte gesammelt werden, an ihren Seiten durch die
Wandungen des Kanals 2 (der, obowhl er im allgemeinen mit hexagonalem Querschnitt ausgebildet
ist, auch einen anderen Querschnitt entlang seiner Länge entsprechend der Kammer 16 aufweisen kann),
an ihrer Oberseite durch einen keilförmigen Verschluß 18, an ihrem Boden durch eine Wand 19, welche
kegelstumpfförmig ausgebildet ist und mit einer Vielzahl von Löchern versehen ist, durch welche die
Kapillarröhren nach unten geführt werden, begrenzt ist. Eine zweite kegelstumpfförmige Wand 17 ist mit ihrer
größeren Basis nach oben weisend mit dem kegelstumpfförmigen Bodenteil vereinigt; eine Reihe von
Öffnungen 21 ist rund um den Bereich der Vereinigung der beiden kegelstumpfförmigen Teile vorgesehen. Die
kegelstumpfförmigen Wände 17, 19 bilden mit ihrer Innenseite eine Venturi-Düse, durch welche das
Kühlmittel, welches vom Stabbündel kommt, fließt. Aufgrund des Fließens wird an den öffnungen 21 ein
Sog gebildet; im stationären Zustand des Reaktors werden die gasförmigen Spaltprodukte aus der Kammer
16 gezogen und dem durch die Verengung 20 fließenden Kühlmitteistrom zugemischt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennelements ist in Fig.6 und 7
dargestellt, wobei der Hauptunterschied gegenüber den anderen Ausführungsformen darin besteht, daß die
Kammer 26, in der die gasförmigen Spaltprodukte gesammelt werden, im Inneren durch eine gerade Wand
22, die zylindrisch oder prismatisch sein kann, durch eine erste kegelstumpfförmige Wand 24, die mit dem unteren
Ende der geraden Wand 22 vereinigt ist und sich nach außen und abwärts von der geraden Wand 22 erstreckt
und durch eine zweite kegelstumpfförmige Wand 24', die sich vom oberen Ende der geraden Wand 22 nach
oben und auswärts erstreckt, begrenzt ist; die erste kegelstumpfförmige Wand 24 ist mit Löchern versehen,
durch welche die Vielzahl der Kapillarröhren 3 durchgeführt ist. Beide kegelstumpfförmigen Wände 24,
24' sind peripher mit der inneren Oberfläche des Kanals 2 verschweißt, wodurch eine dichte Vereinigung
erreicht ist. Ein Strukturelement in Form eines Rings 23 mit einem keilförmigen Querschnitt ist zur Verstärkung
ίο und Sicherung der Verbindung zwischen Kanal 2 und
der inneren Wand 24' am oberen Ende der inneren Wand 24' vorgesehen. Eine Vielzahl von äquidistanten
öffnungen 25 ist um den Kanal 2 herum in Höhe des unteren Bereichs der Kammer 26 angebracht.
Die Arbeitsweise der oben beschriebenen dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform ähnelt denjenigen
der anderen Ausführungsformen mit dem Unterschied, daß die gasförmigen Spaltprodukte, die durch die
öffnungen 25 aus der Kammer 26 ausströmen von dem Kühlmittel entfernt werden, das nicht innerhalb,
sondern außerhalb des Kanals 2 fließt.
Eine vierte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennelements ist in den Fig.8 und 9
dargestellt. Nach dieser Ausführungsform hat die Kammer 32, in der die gasförmigen Spaltprodukte
gesammelt werden, eine ringförmige Form, die durch Rotation einer ebenen Figur um die vertikale Achse des
Kanals 2 gebildet wird. Diese Figur besitzt eine äußere gerade vertikale Linie 31, an der Unterseite eine
spitzbogenförmige Linie 29 und eine geneigte gerade Linie 27, die nach oben und außen geneigt ist und die
innere Seite der Figur bildet und eine horizontale gerade Linie, die die oberen Enden der beiden geraden
Linien 31 und 27 verbindet. Durch diese Bauweise werden zwei Durchlässe für den Kühlmittelstrom
gebildet: Der eine Durchlaß befindet sich zwischen der Wandung des Kanals 2 und der äußeren Wandung der
Kammer 32, der andere Durchgang 33, der die Umrisse einer Venturi-Düse besitzt, wird durch die innere
Wandung der Kammer 32 begrenzt. Zur Verbindung des Durchlasses 33 mit dem Inneren der Kammer 32 ist
eine Reihe von öffnungen 28 im engsten Bereich des Durchlasses 33 vorgesehen. Im untersten Teil des
unteren Bereichs der Kammer 32 ist eine Vielzahl von Löchern vorgesehen, durch welche die Kapillarröhren
in die Kammer geführt sind.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ähneli wieder denjenigen der bereits beschriebenen Ausführungsformen
mit dem Unterschied, daß die gasförmiger
Spaltprodukte von der Kammer 32 durch die Öffnunger 28 ausströmen und nur durch den kleinen Teil dei
Kühlmittels, der durch den inneren Durchlaß 33 strömt entfernt werden. Der Durchlaß 33 steht über den Kubu:
30 mit einem Bereich des Kühlsystems in Verbindung, ii
welchem die Gase von dem Kühlmittel abgetrenn werden. Durch diesen Kunstgriff des Austragens de
gasförmigen Spaltprodukte nur mittels eines Teils de Kühlsystems wird die Abtrennung der Gase von den
Kühlmittel in dem Abtrennungsbereich des Kühlsy
wi stems weitgehend vereinfacht, da nur ein begrenzte
Teil der Flüssigkeit-Gas-Mischung verarbeitet werdei muß.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Brennelemente für Kernreaktoren, welches ein Bündel von Brennstoffstäben aufweist, welches von
einem dünnwandigen Kanal mit offenen Enden umgeben ist, wobei das Brennelement in einen
aufsteigenden Kühlstrom aus flüssigem Material getaucht ist, wobei jeder Brennstoffstab aus
übereinanderliegenden Abschnitten von Spaltstoffen und porösen Medien in einer Metallröhre
besieht, deren Enden durch eine untere und eine obere gasdichte Hülse abgeschlossen sind, wobei das
Brennelement eine vertikale, längliche Kammer aufweist, die über dem Stabbündel angeordnet ist
und sich annähernd bis zum oberen Ende des Kanals erstreckt, wobei das Element Gas-Leitmitlel mit
unteren und oberen offenen Enden aufweist, durch welche das Innere eines jeden Brennstoffstabs mit
dem oberen Abschnitt der Kammer verbunden ist und wobei Verbindungsmittel zur Verbindung des
Inneren der Kammer an ihrem unteren Abschnitt mit der Außenseite der Kammer vorgesehen sind,
wobei die gasförmigen Spaltprodukte aus dem Spaltmaterial innerhalb eines jeden Stabes während
des Betriebs des Reaktors durch diese Gasleitmittel in die Kammer und von dort durch die Verbindungsmittel
in die Kühlflüssigkeit ausgetragen werden, wobei die Kammer derart dimensioniert ist, daß der
Kühlflüssigkeitsstand in der Kammer während des Betriebs des Reaktors keinesfalls das Niveau der
oberen offenen Enden der gasführenden Mittel erreicht und wobei die porösen Medien im Element
alle festen Partikeln zurückhalten, um zu gewährleisten, daß die gasführenden Mittel nicht verstopft
werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Brennstoffstab (!) an seinem oberen
Hülsenende mit einer eigenen gasführenden Röhre (3) dicht verbunden ist, welche durch eines von
entsprechend vielen Löchern in der Bodenwandung (4, 19, 24, 29) der Kammer (6, 16, 26, 32)
hindurchgeführt ist.
2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (6) eine vertikal
gestreckte Form aufweist und Metallwandungen (5) besitzt, welche untereinander durch gasdichte
Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen, verbunden sind, daß die Breite der Kammer (6)
kleiner als die des Stabbündels ist, wobei ein ringförmiger Raum zwischen der Kammer (6) und
den Wandungen des Kanals (2) gebildet ist, daß der obere Abschnitt der Kammer (6) die Form eines
dünnwandigen abgestumpften Konus aufweist, dessen obere schmalere Basis geschlossen und dessen
untere größere Basis vollkommen offen und entlang ihrem Umfang mit der tassenförmigen Bodenwandung
(4) der Kammer (6) vereinigt, vorzugsweise verschweißt ist, wobei im Bereich der Vereinigung
des oberen und des unteren Teils der Kammer (6) eine zu einer Erhöhung der Fließgeschwindigkeit
des Kühlmittels führende Verengung des ringförmigen Raums vorhanden ist, und daß die Verbindungsmittel
cine rund um den Vereinigungsbereich gebildete Reihe von Öffnungen (7) sind, an denen
durch den aufsteigenden Kühlfüssigkeitsstrorn ein
Sog gebildet ist (F i g. 1,2).
3 Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kammer (16) peripher durch den dünnwandigen Kanal (2) und innen durch die
Wandungen (17,19) durch zwei hohle, abgestumpfte
Konusse begrenzt ist, wobei letztere koaxial zum Stabbündel angeordnet und mit ihren schmalen
Basen vereinigt sind, und daß die Verbindungsmittel eine rund um den Vereinigungsbereich der beiden
Konusse gebildete Vielzahl von öffnungen (21) sind, wobei der Kühlfüssigkeitsstrom im Vereinigungsbereich
der beiden Konusse beschleunigt ist und so an den öffnungen (21) einen Sog bildet (F i g. 4,5).
ίο
4. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kammer (26) peripher durch den dünnwandigen Kanal (2) und innen durch einen
dünnwandigen Kreiszylinder (22) begrenzt ist, mit dessen Enden zwei hohle, abgestumpfte Konusse
(24, 24') jeweils mit ihrer, schmalen Basen vereinigt sind, wobei die breiten Basen der Konusse an ihrer
Peripherie mit den Wänden des Kanals (2) vereinigt sind und daß das Verbindungsmittel eine durch die
Wandungen des Kanals (2) in Höhe des unteren Bereichs der Kammer (26) gebildete Reihe von
öffnungen (.25) ist (F i g. 6,7).
5. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (32) eine ringförmige,
durch Rotation einer ebenen Figur um die vertikale Achse des Kanals (2) gebildete Form
aufweist, wobei die Figur eine äußere vertikale gerade Seite (31) auf Abstand von der Kanalwandung
und eine innere gerade Seite (27), die nach oben und außen geneigt ist, aufweist, daß die Seiten (31,
27) an ihren oberen Enden durch eine gerade horizontale Linie und an ihren unteren Enden durch
eine spitzbogenförmige, mit ihrem Scheitel nach unten weisende Linie (29) verbunden sind, daß zwei
Durchlässe für den Kühlfüssigkeitsstrom vorgesehen sind, wobei der eine Durchlaß zwischen der
Wandung des Kanals (2) und der äußeren Wandung der Kammer (32) und der andere Durchlaß (33)
zwischen der inneren Wand der Kammer (32) liegt, und daß zur Verbindung des Durchlasses (33) mit
dem Inneren der Kammer (32) eine Reihe von öffnungen (28) im engsten Bereich des Durchlasses
(33) vorgesehen sind (F i g. 8,9).
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