DE2063876A1

DE2063876A1 - Brennelement für Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2063876A1
Application number: DE19702063876
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr.; Faßbender Josef Dr.; Katscher Werner Dipl.-Ing.; 5170 Jülich. M Bartheis
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1970-12-24
Filing date: 1970-12-24
Publication date: 1972-06-29
Also published as: FR2119083A1; DE2063876B2; FR2119083B1; GB1372103A; US3801450A; DE2063876C3

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Brennelement für Kernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für Kern- *

reaktoren, mit einem aus einem mit pyrolytischen Kohlenstoff, Silizium-Karbid oder einem sonstigen geeigneten Werkstoff beschichteten, unter der Bezeichnung coated-particles bekannten Brennstoffteilchen, deren Durchmesser etwa zwischen 1O^ ,um und 5· 10** ,um liegt, gebildeten porösen Körper bestehender Brennelementkörper, wobei der Brenn st ο f f körper Zuführ- __ \ und Abströmkanäle für das Kühlmittel aufweist.

Brennelemente, die unter Verwendung von sphärischen, an ihrer Außenfläche mit Kohlenstoff-Karbiden oder Metallen beschichteten Brennstoffteilchen hergestellt sind, sind bekannt. Dabei sind die beschichteten Teilchen im allgemeinen in eine Hülle ä aus Graphit oder aus karbidischem oder metallischem Werkstoff eingeschlossen und werden entweder mittels des, den Reaktorkern durchströmenden Kühlmittels von außen oder bei hohlzylinderförmiger Ausbildung zugleich auch an der, dem Innenraum des Hohlzylinders zugekehrten Fläche gekühlt»

Es ist auch schon vorgeschlagen wordtm, Brennelemente für Kernreaktoren dadurch zu bilden, daß beschichtete Brennstoff-»

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teilchen zu einem porösem Verbundkörper mit einer für den Reaktorbetrieb hinreichenden mechanischen Festigkeit miteinander verbunden wurden.

Schließlich ist auch ein Brennelement für Kernreaktoren mit einseitig geschlossenem Hauptkanal bekannt geworden, bei dem die den Kanal umgebende Brennstoffschicht durchlässig für das Kühlmittel ist. Dabei strömt das Kühlmittel bei diesem bekannten Brennelement von der Peripherie des Elements her in den innerhalb des Elements angeordneten Hauptkanal. Der„Brennstoffkörper weist eine verhältnismäßig geringe Schichtdicke auf. Sie liegt etwa zwischen 3 und 40 mm. Diese geringe Schichtdicke ist notwendig, weil andernfalls der Strömungswiderstand zu hohen Druckverlusten des Kühlmediums führen würde. Das birgt die Gefahr in sich, daß durch einen mechanischen Sprung, der während des Reaktorbetriebes eintritt, ein Kurzschluß des Kühlmediums eintritt. Diese Nachteile sind um so mehr von Bedeutung, je höher die Leistungsdichte in dem Brennelement ist. Ein weiteres bekanntes Brennelement besteht darin, daß beschichtete Brennstoff teilchen in einer perforierten metallischen Umhüllung enthalten sind, wobei die Umhüllung so ausgebildet ist, daß dadurch ein Hohlzylinder entsteht. An den beiden Enden dieses Brennelements sind jeweils Siebplatten angeordnet. Beim Einsatz dieses Brennelements im Reaktor haben sich jedoch dadurch Schwierigkeiten ergeben, daß es aus strömungstechnischen Gründen nur schwer erreichbar ist, an allen Stellen eines zylindrischen Hohlörpers - insbesondere dann, wenn er von anderen

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gleichartigen Hohlkörpern umgeben ist - eine gleichmäßige Kühlmittelströmung zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennelement zu schaffen, das bei hoher Leistungsdichte eine gleichmäßige Kühlmittelströmung durch die infolge der Porösität gebildeten Kapilaren aufweist und bei dem die Gefahr des Auftretens von Rissen oder Sprüngen mit der Folge ausgeschlossen ist, daß das Element eine hohe Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Brennelement der oben genannten Art dadurch gelöst, daß der Brennelementkörper aus porösen Stützwänden mit einer zwischen diesen gelagerten Schüttung aus beschichteten Brennstoffteilchen gebildet ist. Die Anordnung einer losen Schüttung von Brennstoffteilchen hat außerdem für den Betrieb eines Reaktors den erheblichen Vorteil, daß dadurch ermöglicht wird, den innerhalb eines Brennelements örtlich unterschiedlichen Strömungswiderstand der jeweils unterschiedlichen Wärmeerzeugung anzupassen. Die Wandungen des Brennelements gemäß der Erfindung können dabei entweder aus einem, aus beschichteten Brennstoffteilchen in an sich bekannter Weise gebildeten festen porösen Körper oder aber auch aus Sieben oder Lochblechen bestehen. In beiden Fällen ist es ohne weiteres möglich, durch Anpassung von Lochgröße oder Lochanzahl oder , wenn die Wandung aus miteinander verbundenen beschichteten Brennstoffteilchen hergestellt ist, durch entsprechende Veränderung der Menge des zugesetzten Bindemittels für den Teil des Brennelements, der thermisch geringer oder höher belastet wird, den Strömungswiderstand jeweils herauf- oder herabzusetzen.

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Vorteilhaft iet es, das Brennelement so auszubilden,daß die Querschnitte der Zu- und Abströmkanäle derart veränderlich sind, daß die Geschwindigkeit des Kühlmittels in axiale Richtung praktisch konstant bleibt. Dadurch wird eine praktisch

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gleichmäßige und der Wärmeproduktion angepaßte Verteilung des Kühlmittelstromes auf den Brennstoffkörper erzielt» Außerdem wird dadurch der Druckverlust erheblich verringert. Eine sehr zweckmäßige Ausführungsform des Brennelements gemäß der Erfindung durch die dies erreicht wird, besteht darin, daß der Brennstoffkörper hohlkegelförmig so ausgebildet ist, daß nach dem Einsatz des Brennelements im Reaktor der Brennstoff-

" körper von außen nach innen oder von innen nach außen durchströmt wird. Dabei hat sich gezeigt, daß die Länge der kegelförmig ausgebildeten Brennstoffkörper bei gleichbleibendem Gesamtdurchmesser des Brennelements nicht zu groß sein sollte. Zweckmäßig ist es auch, das Brennelement gemäß der Erfindung so auszubilden, daß mehrere hohlkegelförmig ausgebildete Brennstoffkörper vorzugsweise so hintereinander geschaltet sind, daß die Cliütrffn oder die kleineren Umfanglinien der Hohlkegel miteinander in Berührung stehen. Eine sehr hohe Geschwindigkeitskonstanz wird dadurch erreicht, daß der Brennstoffkörper im Längsschnitt nach Art eines Wellrohres ausgebildet ist. Diese Ausführungsform des Brennelements

Ik gemäß der Erfindung ist somit besonders vorteilhaft.

geändert gemäß Eingabe-^
angegangen am ^^LaLJ^

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Eine weitere, sehr vorteilhafte Ausführungsform des Brennelements gemäß der Erfindung, die eine sehr weitgehende Anpassung an die unterschiedlichen Bedingungen innerhalb eines Reaktorkerns ermöglichen, besteht darin, daß der Durchmesser und/oder der Brennstoffgehalt der Brennstoffteilchen innerhalb des Brennelements unterschiedlich sind. Sind als Wandungen zwischen denen die beschichteten Brennstoffteilchen angeordnet sind, Siebe oder Lochbleche vorgesehen, so hat es sich zur Aufnahme von Dehnungen der Schüttung der Brennstoffteilchen und zu ihrer unveränderlichen Einlagerung als vorteilhaft erwiesen, zwischen den Wandungen des Brennelements und der losen Schüttung der Brennstoff teilchen eine Schicht aus einem an sich bekannten flexiblen porösen Werkstoff mit kleinem Einfangsquerschnitt für Neutronen, wie Filze, Gewebe oder dergleichen aus Graphit, SiC^ oder anderen bekannten geeigneten Werkstoffen vorzusehen. Das hat den Vorteil, daß bei unterschiedlicher thermischer Dehnung der Wandungen, die Wandungen nicht deformiert werden, so daß die beschichteten Brennstoffteilchen innerhalb des infolge Dehnung erweiterten von den Wandungen eingeschlossenen Raumes nicht nachrutschen können und somit die unerwünschte Bildung von Hohlräumen, die zu Kurzschlüssen für die Kühlmittelströmung führen könnten, vermieden werden» Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Brennelements gemäß der Erfindung, die eine große Anpassungsfähigkeit an die jeweils vorliegenden Gegebenheiten gewährleistet, besteht darin, daß die Stärke und/oder die Porösität der Schüttung der Brennstoff teilchen und die Stärke und/oder die Porösität der porösen Wandungen Über die Länge des Brennelements unterschiedlich sind.

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Eine weitere vorteilhafte Ausbildungsform besteht darin, daß innerhalb der Schüttungen der Brennstoffteilchen Zwischenlagen aus einem flexiblen Werkstoff wie Graphitfilz oder dergleichen so eingelagert sind, daß eine ungehinderte Dehnung der Schüttung der Brennstoffteilchen infolge TemperaturSchwankungen ermöglicht wird.

Durch die Verwendung des Brennelements gemäß der Erfindung konnte - wie sich gezeigt hat - eine erhebliche Verbesserung des Wärmeüberganges gegenüber den bisher bekannten Brenne le·?, menten mit oberflächenparalleler Anströmung bereits dann erzielt werden, wenn nur ein Teilstrom von wenigen Prozent der gesamten Kühlmittelmenge den Brennstoffkörper quer zur Oberfläche durchströmte, während der Hauptstrom des Kühlmittels parallel zur Oberfläche gerichtet war. Eine Teilung des Kühlmittelstroms in Abhängigkeit von den jeweiligen Reaktorbedingungen ist bei Einsatz und bei entsprechender Ausbildung des Brennelements gemäß der Erfindung ohne weiteres möglich und erlaubt eine optimale Anpassung an die für den Wärmeübergang vorliegenden Gegebenheiten. Vorteilhaft ist ferner, daß im Bedarfsfalle, beispielsweise beim Einsatz des Brennelements in Forschungsreaktoren, sich eine Notkühlung sehr viel einfacher durchführen läßt als bei Verwendung der bisher bekannten ELernento, da in diesem Falle die Schwierigkeit entfällt, den für die Notkühlung zur Verfügung stehenden Kühlmittels!trom auf mehrere KühlmittelspaLte odor Brenn·» stoffrohre gleichmäßig zu vorteilen. Es genügt vielmehr, das Kühlmittel am .oberen Hunde des Brennstoffkörpers zuzuführen, Statt dessen iat es auch .-möglich» den Brennstoffkörper von innen oder von außen quer zur Oberfläche anzu~

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sprühen. Das ist insbesondere vorteilhaft beim Einsatz von Brennelementen gemäß der Erfindung in wassergekühlten Kernreaktoren, falls durch konstruktive Maßnahmen am Reaktortank dafür Sorge getragen worden ist, daß die Brennelemente auch bei einem Bruch des Primärkühlmittelkreises von außen mit Wasser umgeben bleiben.

Ein sehr beachtlicher Vorteil des Brennelements gemäß der Erfindung besteht schließlich darin, daß der Brennstoff in einem nur wenige Millimeter dicken Brennstoffkörper untergebracht werden kann, so daß der andernfalls für die Anordnung von Kühlkanälen benötigte Raum im Brennelement für andere Zecke frei wird. Das Brennelement gemäß der Erfindung weist damit den weiteren Vorteil auf, daß weitgehende Freiheit bei der Auslegung des Brennstoffkörpers besteht. Bei der Verwendung in Forschungsreaktoren ergibt sich ferner, daß ein zentraler Bestrahlungskanal einen größeren Durchmesser aufweisen kann als es bei einem Brennelement der bisher bekannten Art, an das die gleichen Voraussetzungen zu stellen sind, der Fall war.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die eine Seite eines ringförmig ausgebildeten Brennelements gemäß der Erfindung

die Fig. 2 bis 4 drei andere Ausbildungsformen eines ringförmigen Brennelements

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die Fig. 5 bis 7 drei unterschiedliche Ausbildungsformen eines rohrförmigen Brennelements.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Äusführungsbeispiel sind zwei.Hohlzylinder 1 und 2 koaxial mit Abstand zueinander angeordnet. In dem von den beiden Hohlzylindern 1,2 ge*- bildeten Zwischenraum ist eine Schüttung 3 aus beschichteten Brennstoffteilchen enthalten. Dabei können die beschichteten Brennstoffteilchen entweder in an sich bekannter Weise zu einem Verbundkörper miteinander verbunden sein oder als lose Schüttung vorliegen. Wie in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet, strömt das Kühlmittel am Fuß 4 des Brennelements in den von dem inneren Hohlzylinder 2 und von der gleichfalls zylindrisch ausgebildeten oder angeordneten Schüttung 3 ein. Von dort aus durchströmt das Kühlmittel die Schüttung 3 radial und tritt durch den Zwischenraum zwischen der zylindrischen Schüttung 3 und dem äußeren Hohlzylinder 1 am Kopf des Brennelements wieder aus. Dabei bleibt infolge der sehr großen Durchtrittsflache für das Kühlmittel der Druckverlust im Bereich der Brennstoffteilchen verhältnismäßig gering. Die große wärmeabgebende Oberfläche der beschichteten Brennstoffteilchen, deren Durchmesser im allgemeinen unterhalb 2 mm liegt, erlaubt eine hohe spezifische Volumenbelastung des Brennstoffs. Im Bedarfsfall ist es ohne weiteres möglich, auf den äußeren Hohlzylinder 1 zu verzichten. Selbstverständlich kann auch die Strömungsrichtung durch die Schüttung 3 umgekehrt werden.

In den Figuren 2 bis 4 sind drei verschiedene Ausführungsformen des Brennelements gemäß der Erfindung dargestellt, bei denen

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eine besonders gleichmäßige Verteilung des Kühlmittelstromes, der in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist , erzielt wird. Bei diesem Aüsführungsbeispiel sind 1 und 2 die innere und die äußere Rohrwandung des hohlzylinderförmig ausgebildeten Brennelements, während der Brennstoffkörper 3, der zwischen den aus Sieben gebildeten Wandungen 4 angeordnet ist, entweder wie in Fig. 2 dargestellt kegelförmig oder wie in Fig. 3 wiedergegeben doppelkegelförmig oder wie aus Fig. 5 ersichtlich wellrohrförraig ausgebildet ist. Entsprechende Ausführungsformen des Brennelements gemäß der Erfindung für ein rohrformiges Brennelement sind in den Figuren 5 bis 7 wiedergegeben. Selbstverständlich ist durch die angeführten Ausführungsbeispiele die Vielzahl der Möglichkeiten, Brennelemente mit den Merkmalen gemäß der Erfindung zu verwirklichen, nicht begrenzt.

Dadurch, daß - wie in der Zeichnung nicht dargestellt ist die beschichteten Brennstoffteilchen entweder durch die feste Verbindung miteinander oder durch die Einlagerung von Graphitfilz oder dergleichen unveränderlich in ihrer Lage festgehalten werden, ist eine stabile geometrische Konfiguration gewährleistet, so daß Änderungen der Leistungsverteilung im Reaktor während des Betriebes sowie Reaktivitätsprünge vermieden werden.

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Claims

Patentanspruch e

1./ Brennelement für Kernreaktoren mit einem aus einem mit pyrolytischen Kohlenstoff, Silizium-Karbid oder einem sonstigen geeigneten Werkstoff beschichteten, unter der Bezeichnung coated-particles bekannten Brennstoffteilchen, deren Durchmesser etwa zwischen 1O² Aim und 5·10³ , liegt, gebildeten porösen Körper bestehender Brennelementkörper , wobei der Brennstoffkörper Zuführ- und Abströmkanäle für das Kühlmittel aufweist, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß der Brennelementkörper aus porösen Stützwänden mit einer zwischen diesen gelagerten Schüttung aus beschichteten Brennstoffteilehen gebildet ist.

Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Zu- und Abströmkanäle derart veränderlich sind, daß die Geschwindigkeit des Kühlmittels in axialer Richtung praktisch konstant bleibt.

Brennelement nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Brennstoffkörper hohlkegelförmig so ausgebildet ist, daß nach dem Einsatz des Brennelements im Reaktor der Brennstoffkörper von außen nach innen oder von innen nach außen durchströmt wird.

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eeanaert gemäß Eingäbe tiMMOttW am G, 44* (

4„ Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere hohlkegelförmig ausgebildete Brennstoffkörper vorzugsweise so hitfereinander geschaltet sind, daß die oder die kleineren Umfanglinien der Hohlkegel miteinander in Berührung stehen.

5. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkörper im Längsschnitt nach Art eines Wellrohres ausgebildet ist.

6. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der j Durchmesser und/oder der Brennstoffgehalt der Brennstoffteilchen innerhalb des Brennelements unterschiedlich sind.

7. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme von Dehnungen der Schüttung der Brennstoffteilchen und zu ihrer unveränderlichen Einlagerung zwischen den Wandungen des Brennelements und der Schüttung der Brennstoffteilchen jeweils eine Schicht aus einem an sich bekannten flexiblen porösem Werkstoff mit kleinem Einfangquerschnitt für Neutronen, wie Filze, Gewebe oder dergleichen aus Graphit, SiC>2 oder anderen bekannten geeigneten Werkstoffen angeordnet sind. \

8. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke und/oder die Porösität der Schüttung der Brennstoffteilchen und die Stärke und/oder die Porösität der porösen Wandungen über die Länge des Brennelements unterschiedlich sind.

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9, Brennelemon! nach einem der vorhergehenden Ansprüche _s d a d u r c h g e Ii e η η κ e i c h η e t, daß innerhalb der Schüttung der Brennstoffteilchen Zwischenlagen aus einem flexiblen Werkstoff, wie Graphitfilz oder dergleichen so eingelagert sind, daß eine ungehinderte Dehnung der Schüttung der Hrennstoffteilchen infolge Temperatur Schwankungen ermöglicht wird.

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