DE2019663A1

DE2019663A1 - Simulated nuclear fussion for the study of heat transmission problems

Info

Publication number: DE2019663A1
Application number: DE19702019663
Authority: DE
Inventors: Englmar Dr-Ing Wenk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-23
Filing date: 1970-04-23
Publication date: 1971-11-11

Abstract

The heat transmission problems, esp. of liquid sodium cooled reactors, are studied using dummy fuel rods in which the fission heat is simulated by the exothermic chemical reaction between fuel and oxygen in the form of a gaseous or liquid mixture. The dummy rods, containing no nuclear fuel and virtually empty sheaths, are placed in that part of the core which is to be examined and are covered by the coolant flow. The exothermic reaction is distributed uniformly over the length of the dummy rod and a catalyst is distributed over the internal wall, the fuel-oxygen mixture being fed through uniformly distributed holes in a central coaxial feed pipe.

Description

Einrichtung zur Untersuchung der Wärmeübertraglmgsprobleme an Modellbrennstäben von Kernreaktoren Bei der Entwicklung von Kernreaktoren, insbesondere solchen mit Flüssigmetallkühlung ist die genaue Kenntnis der wärme-, festigkeits- und korrosionstechnischen Bestimmungsgrößen der Brennelemente bzw. der Brennstäbe von großer Wichtigkeit. Zur experimentellen Untersuchung dieser Faktoren werden Modellbrennelemente bzw. Modellbrennstäbe benötigt, die nach Möglichkeit die tatsächlichen Verhältnisse im Reaktor mit bestmöglicher Annäherung zu simulieren gestatten. Dazu ist u.a. erforderlich, daß sie den mechanischen und thermischen Eigenschaften eines wirksamen Brennstabes hinsichtlich Abmessungen, Material, Masse, Federkonstante usw. entsprechen.Device for investigating the heat transfer problems on model fuel rods of nuclear reactors In the development of nuclear reactors, especially those with Liquid metal cooling is the exact knowledge of the heat, strength and corrosion-related Determining variables of the fuel elements or the fuel rods are of great importance. For the experimental investigation of these factors, model fuel elements or Model fuel rods are required which, if possible, reflect the actual conditions in the Allow the reactor to be simulated as closely as possible. This requires, among other things, that they have the mechanical and thermal properties of an efficient fuel rod in terms of dimensions, material, mass, spring rate, etc.

Während die mechanischen Charakteristiken an einem Modellbrennstab relativ leicht nachgebildet werden können, ist die Nachbildung der thermischen Leistung mit Schwierigkeiten verbunden.While the mechanical characteristics on a model fuel rod can be simulated relatively easily, is the simulation of the thermal performance associated with difficulties.

Nicht zuletzt deshalb, weil die mechanischen Abmessungen des Hüllrohres in den meisten Fällen die Installation einer elektriaschen Beheizung hoher Leistungsdichte und genügender Durchechlagsfestizkeit verbieten.Not least because of the mechanical dimensions of the cladding tube in most cases the installation of electrical heating with high power density and prohibit sufficient penetration resistance.

Zur Lösung dieses Problemes, also der Aufheizung eines Modellbrennstabes 4it genügend hoher Leistungedichte, wird erfindungsgemäß vorgesdhlagen, Modellbrennstäbe ohne Kernbrennstoff, also praktisch lehre Hüllrohre, in der Geometrie eines Teilbereiches des zu untertuchenden Reaktorkernes anzuordnen sowie von einem Kühlmittel zA umströmen und zur Erzeugung der Heizleistung eine über die ganze Brennstabl gleichmäßig verteilte exotherme Reaktion eines Gas- bzw. P1Ussigkeitsgemlsches innerhalb der Rohre vorzusehen. Der 3brennstoff wird dabei vorzugsweise gasförmiger Natur sein und z.3. aus Wasserstoffgas, Azetylen oder anderen Kohlenwasserstoffen bestehen. Grundsätlich ist jedoch auch die Möglichkeit der Zuführung flüssiger L;ohlenwasserstoPfe gegeben. Die exotherme Reaktion besteht dabei in einer gleichmäßigen Oxydation dieser Brennstoffe im Innern der HUllrohre, die durch Katalysatoren, wie z.B. Nickel oder Platin in entsprechend feiner Verteilung, ausgelöst und aufrechterhalten wird. Die Zufuhrung des Oxydationsmittels, vorzugsweise Sauerstoff, kann in wenigstens stöchiometrischen Verhältnissen getrennt vom Brennstoff oder mit diesem gemischt erfolgen. In beiden Fällen ist es zweckmäßig, in das Innere des Hüllrohres ein Zuführungsrohr mit seitlichen Austrittsbohrungen für den Brennstoff oder das Brenastoff auerstoff-Gemisch einzuführen.To solve this problem, i.e. the heating of a model fuel rod According to the invention, model fuel rods are proposed with a sufficiently high power density without nuclear fuel, i.e. practically empty cladding tubes, in the geometry of a partial area of the reactor core to be submerged and a coolant to flow around it and to generate the heating power a uniformly distributed over the entire fuel rod Provide an exothermic reaction of a gas or liquid mixture within the pipes. The fuel is preferably more gaseous Be nature and z.3. consist of hydrogen gas, acetylene or other hydrocarbons. In principle, however, it is also possible to supply liquid oil given. The exothermic reaction consists in a uniform oxidation of these Fuels inside the cladding tubes, which are produced by catalysts such as nickel or Platinum in a correspondingly fine distribution, is triggered and maintained. the Supply of the oxidizing agent, preferably oxygen, can be at least stoichiometric Ratios take place separately from the fuel or mixed with this. In both In some cases, it is useful to have a feed tube with a lateral feed tube in the interior of the cladding tube Introduce outlet holes for the fuel or the fuel oxygen mixture.

Der Katalysator wird dabei vorzugsweise auf der Hüllrohrinnenwand angebracht, z.B. in Form von Folien oder von galvanischen Überzügen, Diese Lösung sei nun anhand von zwei schematischen Skizzen in Fig. 1 und Fig. 2 näher erläutert. In beiden Figuren ist das den Modellbrennstab bildende Hüllrohr mit 1 bezeichnet. In seinem Innern ist das Verteilerrohr 2 angeordnet, das mit Austrittsöffnungen 3 für das gasförmige Reaktionsgemisch 5 versehen ist. Letzteres besteht aus dem eigentlichengasförmigen Brennstoff und Sauerstoff. Auf der Hüllrohrinnenseite ist für die Einleitung und gleichmäßige Verteilung der Verbrennung im Zwischenraum zwischen diesem Verteilerrohr und dem Hüllrohr 1 ein Katalysator 4, zB. in Gestalt einer Folie oder eines galvanischen berzuges, aufgebracht. Das Kühlmittel strömt außerhalb des Büllrohres, es ist durch Strömungspfeile 8 angedeutet.The catalyst is preferably placed on the inner wall of the cladding tube attached, e.g. in the form of foils or galvanic coatings, this solution will now be explained in more detail with reference to two schematic sketches in FIGS. 1 and 2. The cladding tube forming the model fuel rod is denoted by 1 in both figures. In its interior, the distributor pipe 2 is arranged, which has outlet openings 3 is provided for the gaseous reaction mixture 5. The latter consists of the actual gaseous fuel and oxygen. On the inside of the cladding tube is for the initiation and even distribution of the combustion in the space between this manifold and the cladding tube 1, a catalyst 4, for example. in the form of a Foil or a galvanic coating applied. The coolant flows outside of the bell tube, it is indicated by flow arrows 8.

Für die praktische Untersuchung sind eine ganze Reihe derartiger Hüllrohre 1 in einer geometrischen Anordnung, wie sie im Reaktorkern bzw. im Brennelement vorgesehen sind, parallel zueinander angeordnet. Auch die Kühlmittelströmung entspricht dabei den Verhältnissen im geplanten Reaktorkern. Die bei der chemischen Reaktion im Inneren des llrohres t entatehenden Verbrennungsgase treten amoffenen Ende des Hüllrohres aus oder können auch von dort zusätzlich abgesaugt werde Bei dieser Art der Zuleitung des Reaktionsgemisches wäre auch eine Ableitung der Verbrennungsgase aus beiden Enden des Hüllrohres 1 möglich.There are a number of such cladding tubes for the practical investigation 1 in a geometric arrangement as in the reactor core or in the fuel assembly are provided, arranged parallel to one another. The coolant flow also corresponds the conditions in the planned reactor core. The one in the chemical reaction Combustion gases arising inside the tube emerge at the open end of the Cladding tube or can also be extracted from there this The way in which the reaction mixture is fed in would also be a discharge of the combustion gases from both ends of the cladding tube 1 possible.

Die Anordnung in Fig. 2 ist so getroffen, daß die Komponenten des Reaktionsgemisches getrennt zugeführt werden. Aus dem verteilerrohr 2 bzw. den Austrittsöffnungen 3 strömt daher lediglich das Brenngas 6, der Sauerstoff für die chemische Reaktion 7 wsrd dagegen über die Zuführungskammer 9 gleichmäßig dem Zwischenraum zwischen dem Verteilerrohr 2 und dem Hüllrohr 1 zugeleitet. Die Anordnung des Katalysators 4 ist in ähnLicher Weise wie nach Fig. 1 vorgesehen. Da sich das Reaktionsgemisch erst im eigentlichen Reaktionsraum bildet, können hier reaktionsfreudigere Komponenten verwendet werden als im Beispiel nach Fig. 1, bei dem evtl. bereits innerhalb des Zufuhrungsrohres 5 eine Rundung explosionsartigen Charakters vorkommen könnte. In diesem zweiten Beispiel ist die Abführung der Reaktionsgase allerdings nur nach der einen Seite möglich.The arrangement in Fig. 2 is made so that the components of Reaction mixture are fed separately. From the distribution pipe 2 or the outlet openings 3 therefore only the fuel gas 6, the oxygen for the chemical reaction, flows 7, on the other hand, over the feed chamber 9 uniformly between the space between the distributor pipe 2 and the cladding tube 1 supplied. The arrangement of the catalyst 4 is provided in a manner similar to that of FIG. As the reaction mixture only forms in the actual reaction space, more reactive components can be used here are used as in the example according to FIG. 1, in which possibly already within the Feed pipe 5 a rounding of explosive character could occur. In However, this second example is only followed by the removal of the reaction gases one side possible.

Um eine bessere Vrstellung von räumlichen Größen derartiger Modellbrennstäbe zu geben, sei erwähnt, daß beispielsweise das Hüllrohr 1 einen Außendurchmesser von 6 mm und das Verteilerrohr einen solchen von 3 mm haben kann. Versuche haben gezeigt, daß Wärmestromdichten an der Hüllrohroberfläche von 300 W/cm2 erreicht werden können. Zweckmäßigerweise erfolgt die Speisung derartiger Einrichtungen aus Gasflaschen, wobei in die Zuführungsleitungen durch Schlauchventile und Rückschlagsicherungen an sich bekannter Bauweise eingesetzt werden müssen.To better visualize the spatial dimensions of such model fuel rods to give, it should be mentioned that, for example, the cladding tube 1 has an outer diameter of 6 mm and the distribution pipe can have one of 3 mm. Have attempts has shown that heat flux densities at the cladding tube surface of 300 W / cm2 are achieved can be. The feeding of such devices is expediently carried out from Gas bottles, being in the supply lines through hose valves and non-return devices known construction must be used.

Zur weiteren Veranschaulichung der Funktionsweise dieser Einrichtung sei erwähnt, daS beispielsweise bei Verwendung von Methan (CH4) als Brenngas in einer zugeführten Menge von 10 1/sec.To further illustrate how this facility works it should be mentioned that, for example, when using methane (CH4) as fuel gas in an added amount of 10 1 / sec.

eine Oberflächenleistung von 100 W/cm erreicht werden konnte.a surface power of 100 W / cm could be achieved.

Durch die Verwendung des Katalysators wurde ein Herauswandern der Flammen vermieden und eine gleichmäßige Aufheizung der Hüllrohroberfläche erzielt. Die zange eines derartigen Modellbrennstabes ist dabei in Abhängigkeit seines Durchmessers von der Abführungsmbglichkeit für die Verbrennungsgase bestimmt. In allen Fällen ist eine intensive Kühlung des Hüllrohres notwendig, da sonst dessen Festigkeitseigenschaften derart leiden, daß durch den Druck des Reaktionsgemisches bzw. der Reaktion selbst Beschädigungen nicht zu vermeiden sind. Höhere Heizleistungen als die genannte lassen sich mit anderen Gasen, z.B. Azetylen oder Wasserstoff, erzielen, wobei sich die Heizleistung außerdem durch das Mischungsverhältnis sowie die in der Zeiteinheit in die Modellbrennstäbe einströmende Mischungsmenge einstellbar ist. Eine weitere Möglichkeit zur Leistungserhöhung sowie zur Sicherstellung der gleichmäßigen Reaktion besteht darin, die Reaktionsbestandteile vor ihrem Eintritt in dem Modellbrennstab oder die Modellbrennstäbe aufzuheizen, wozu die Reaktionsabgase selbst Verwendung finden können.The use of the catalyst prevented migration of the Avoided flames and achieved a uniform heating of the cladding tube surface. The pliers of such a model fuel rod is dependent its diameter is determined by the discharge possibility for the combustion gases. In all cases, intensive cooling of the cladding tube is necessary, otherwise it will Strength properties suffer so much that by the pressure of the reaction mixture or the reaction itself damage cannot be avoided. Higher heating output other gases than those mentioned, e.g. acetylene or hydrogen, achieve, with the heating output also by the mixing ratio as well the amount of mixture flowing into the model fuel rods in the unit of time can be set is. Another possibility to increase performance and to ensure the uniform reaction consists in the reaction constituents before their occurrence in the model fuel rod or to heat the model fuel rods, including the reaction gases can be used by themselves.

Das genannte Beispiel zeigt, daß sich bei sehr kleinen Hüllrohrdurchmessern eine sehr hohe Oberflächenbelastung erzielen läßt. Selbstverständlich können bei größeren Hüllrohrdurchmessern noch größere Heizleistungen erzielt werden, wobei darauf hingewiesen werden muß, daß das erwähnte Leistlmgsbeispiel bei weitem nicht den bestmöglichen erzielbaren Wert darstellt.The example mentioned shows that with very small cladding tube diameters can achieve a very high surface load. Of course, at larger cladding tube diameters even greater heating power can be achieved, with It must be pointed out that the performance example mentioned is far from being represents the best possible realizable value.

2 Figuren 7 Patentansprüche2 Figures 7 claims

Claims

Patent claims device for investigating heat transfer problems on surfaces with high power density, in particular fuel rods from liquid metal-cooled ones fast nuclear reactors, characterized in that model fuel rods without nuclear fuel, thus practically empty ducts, in the geometry of a part of the area to be examined The reactor core is arranged and a coolant flows around it and that for generation the heating power is an exothermic temperature evenly distributed over the entire length of the fuel rod Reaction of a gas or liquid mixture provided within the cladding tubes is.

2. Device according to claim 1, characterized in that the feed of the reaction mixture over the entire length of the model fuel rods to be heated is provided and a catalyst over this to initiate the exothermic reaction Length is arranged inside the rods.

3. Device according to claim 2, characterized in that the reaction mixture consists of fuel and oxygen in at least a stoichiometric composition and as such via a central pipeline with lateral outlet holes is distributed in the model fuel rods or in its separate individual components through this tube or the space to the model fuel rod cladding tube distributed in this will.

4. Device according to claim 1, characterized in that the heating power by the type of fuel - such as hydrogen gas, acetylene or other hydrocarbons -, the mixing ratio and the time unit in the model fuel rods inflowing mixture volume is adjustable.

5. Device according to claim 2, characterized in that the catalyst, which can consist of platinum or nickel, for example, with the largest possible surface area inside the} lodellbrem8täbs is distributed.

6. Device according to claim 1, characterized in that the combustion gases Flow from the open ends of the model fuel rods into the Preie or sucked off from there will.

7. Device according to claim 6, characterized in that the combustion gases can be used to preheat the fuels or fuel mixtures.