DE2063876C3 - Brennelement für Kernreaktoren - Google Patents
Brennelement für KernreaktorenInfo
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Description
bO
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für Kernreaktoren mit wenigstens einem für Kühlmittel
durchlässigen Brennstoffkörper, der mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtete Brennstoffteilchen mit einem h>
Durchmesser von etwa Κ^μπι bis SxIO3 μηι als
Haufwerkangeordnet enthält, und mit zumindest je einem Zufuhr- und einem Abströmkanal für das
Kühlmittel, die mit dem Brennelement so verbunden sind, daß die An- beziehungsweise Abströmrichtung des
Kühlmittels längs der vom Kühlmittel zu durchsetzenden Oberfläche des Brennstoffkörpers gerichtet ist,
wobei der dem Kühlmittel zur Verfugung stehende freie
Strömungsquerschnitt in An- beziehungsweise Abströmrichtung des Kühlmittels gesehen längs der vom
Kühlmittel zu durchsetzenden Oberfläche des Brennstoffkörpers im Zufuhrkanal sich stetig verjüngt und im
Abströmkanal sich stetig erweitert
Brennelemente, die unter Verwendung von sphärischen, an ihrer Außenfläche mit Kohlenstoff-Karbiden
oder Metallen beschichteten Brennstoffteilchen hergestellt sind, sind bekannt Die beschichteten Teilchen sind
dabei im allgemeinen in eine Hülle 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 (DE-PS 12 41451). Bei diesem Brennelement
steht das Kühlmittel jedoch nur mit den Oberflächen der Umhüllung in Kontakt Daher ist der Wärmeübergang
unbefriedigend.
Es ist auch schon bekannt geworden, Brennelemente für Kernreaktoren dadurch zu bilden, daß beschichtete
Brennstoffteilchen zu einem porösen Verbundkörper mit einer für den Reaktorbetrieb hinreichenden
mechanischen Festigkeit miteinander verbunden wurden (DE-Gbm 18 02 794). Dabei treten jedoch hohe
Strömlingswiderstände auf.
Bekannt ist auch ein Brennelement für Kernreaktoren mit einseitig geschlossenem Hauptkanal, 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 (DE-OS 19 05 790). Der Brennstoffkörper darf dabei nur eine verhältnismäßig geringe
Schichtdicke aufweisen, die etwa zwischen 3 und 40 mm liegt, weil anderenfalls der Strömungswiderstand zu
hohen Druckverlusten des Kühlmediums führen würde. Das birgt die Gefahr in sich, daß während des
Reaktorbetriebes ein eintretender mechanischer Sprung des Brennstoffkörpers zu einem Kurzschluß des
Kühlmediums führt. Diese Nachteile sind um so mehr von Bedeutung, je höher die Leistungsdichte in dem
Brennelement ist Ein weiteres bekanntes Brennelement besteht darin, daß beschichtete Brennstoffteilchen 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 (zu vergleichen: Proceedings of a Symposium Jülich, 21. bis 25. Oktober 1968, »Advanced and
High-Temperature Gas-Cooled Reactors«, Seiten 359 bis 365). 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 Hohlkörpers — insbesondere dann, wenn er von
anderen gleichartigen Hohlkörpern umgeben ist — eine gleichmäßige Kühlmittelströmung zu erzielen.
Zum bekannten Stand der Technik gehört ferner ein Brennelement für Kernrekatoren mit einem für das
Kühlmittel durchlässigen Brennstoffkörper, der mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtete Brennstoffteilchen als Haufwerk angeordnet enthält. Außerdem weist
das Brennelement einen Zufuhr- und einen Abströmkanal für das Kühlmittel auf. Die Kanäle sind mit dem
Brennelement so verbunden, daß die An- beziehungsweise Abströmrichtung des Kühlmittels längs der vom
Kühlmittel zu durchsetzenden Oberfläche gerichtet ist Dabei verjüngt sich der dem Kühlmittel zur Verfugung
stehende freie Strömungsquerschnitt in An- beziehungsweise Abströmrichtung des Kühlmittels gesehen längs
der vom Kühlmittel zu durchsetzenden Oberfläche des Brennkörpers im Zufuhrkanal stetig, während er sich im i«
Abströmkanal stetig erweitert (GB-PS 12 13 557).
Bei diese/u Brennelement läßt sich jedoch eine konstante Kühlmittelgesch windigkeit im Brennstoffkörper
nicht erreichen, weil im Betriebsfalle auf der Abströmseite des Brennstoffkörpers unübersichtliche
Querströmungen auftreten, die die Strömungsverhältnisse im Brennstoffkörper störend beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennelement zu schaffen, das bei hoher Leistungsdichte eine gleichmäßige
Kühimittelströmung durch die infolge seiner Porösität gebildeten Kapilaren aufweist und bei dem die
Gefahr des Auftretens von Rissen oder Sprüngen ausgeschlossen ist, so daß das Brennelement eine hohe
Lebensdauer aufweist
Diese Aufgabe wird bei einem Brennelement der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß sich der freie Strömungsquerschnitt im Zuströmkanal so verjüngt und im Abströmkanal so
erweitert, daß die Geschwindigkeitskomponente in Längsrichtung des Brennelements über die gesamte !l)
Länge des Zu- beziehungsweise Abströmkanals konstant bleibt
Zweckmäßig ist es, das Brennelement so auszubilden, daß wenigstens zwei hohlkegelförmig ausgebildete
Brennstoffkörper in einem gemeinsamen Hüllrohr *■"> jeweils spiegelbildlich zueinander, hintereinander angeordnet
sind. Eine sehr hohe Geschwindigkeitskonstanz wird dadurch erreicht, daß ein von einem Hüllrohr
umgebener Brennstoffkörper im Längsschnitt nach Art eines Wellrohres ausgebildet ist. 4"
Eine weitere, sehr vorteilhafte Ausführungsform des Brennelements, die eine sehr weitgehende Anpassung
an die unterschiedlichen Bedingungen innerhalb eines Reaktorkerns ermöglicht, besteht darin, daß der
Brennstoffkörper Brennstoff teilchen mit gleichem ^ Durchmesser enthält, die einen unterschiedlichen
Brennstoffgehalt aufweisen. Sind als Wandungen, zwischen denen die beschichteten Brennstoffteilchen
angeordnet sind, Siebe oder Lochbleche vorgesehen, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß zur Aufnahme so
von Dehnungen des Haufwerks der Brennstoffteilchen und zu deren unveränderlichen Einlagerung zwischen
den Wandungen des Brennstoffkörpers und dem Haufwerk der Brennstoffteilchen jeweils eine Schicht
aus einem an sich bekannten flexiblen porösen r>r>
Werkstoff mit kleinem Einfangquerschnitt für Neutronen, wie Filze oder Gewebe aus Graphit, S1O2 oder
anderen bekannten geeigneten Werkstoffen angeordnet ist. 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 Kurz- '"
Schlüssen für die Kühlmittelströmung führen könnten, vermieden werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildungsform besteht darin, daß innerhalb des Haufwerks der Brennstoffteilchen
Zwischenlagen aus einem flexiblen Werkstoff, wie Graphitfilz oder Graphitgewebe so eingelagert sind,
daß eine ungehinderte Dehnung des Haufwerks infolge Temperaturschwankungen möglich ist
Durch die Verwendung des Brennelements gemäß der Erfindung konnte — wie sich gezeigt hat — eine
erhebliche Verbesserung des Wärmeüberganges gegenüber den bisher bekannten Brennelementen 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 paralle 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 vorligenden Gegebenheiten. Vorteilhaft ist ferner, daß im Bedarfsfall, beispielsweise
beim Einsatz des Brennelements in Forschungsreaktoren, sich eine Notkühlung sehr viel einfacher durchführen
läßt als bei Verwendung der bisher bekannten Elemente, da in diesem Falle die Schwierigkeit entfällt
den für die Notkühlung zur Verfügung stehenden Kühlmittelstrom auf mehrere Kühlmittelspalten oder
Brennstoffrohre gleichmäßig zu verteilen. Es genügt vielmehr, das Kühlmittel am oberen Rand des
Brennstoffkörpers zuzuführen. Statt dessen ist es auch möglich, den Brennstoffkörper von innen oder von
außen quer zur Oberfläche anzusprühen. 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 für die Anordnung von Kühlkanälen benötigte Raum im Brennelement für andere Zwecke 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 erläutert. Es zeigen
F i g. 1 bis 3 drei Ausbildungsformen eines Brennelements mit ringförmigem Querschnitt
Fig.4 bis 6 drei weitere Ausbildungsformen eines
rohrförmigen Brennelements.
In den F i g. 1 bis 3 sind drei verschiedene Ausführungsformen des Brennelements gemäß der
Erfindung schematisch dargestellt bei denen eine besonders gleichmäßige Verteilung des Kühlmittelstromes,
der in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist, erzielt wird. Bei diesen Ausführungsbeispieien sind 1
und 2 die äußere und die innere Rohrwandung des hohlzylinderförmig ausgebildeten Brennelements, wäb-
rend der Brennstoffkörper 3, der zwischen den aus Sieben gebildeten Wandungen 4 angeordnet ist,
entweder — wie in F i g. 1 dargestellt — kegelförmige oder — wie in F i g. 2 wiedergegeben — doppeiförmig
oder — wie aus Fig.4 ersichtlich — wellrohrförmig
ausgebildet ist Entsprechende Ausführungsformen des Brennelements gemäß der Erfindung für ein rohrförmiges
Brennelement sind in den F i g. 4 bis 6 wiedergegeben.
Selbstverständlich ist durch die angeführten Ausführungsbeispiele die Vielzahl der Möglichkeiten,
Brennelemente mit den Merkmalen gemäß der Erfin-
dung zu verwirklichen, nicht begrenzt.
Dadurch, daß — wie in der Zeichnung nich dargestellt ist — die beschichteten Brennstoffteilche
entweder durch die feste Verbindung miteinander ode durch die Einlagerung von Graphitfilz oder Graphitge
webe unveränderlich in ihrer Lage festgehalten werdei ist eine stabile geometrische Konfiguration gewährte
stet, so daß Änderungen der Leistungsverteilung ir Reaktor während des Betriebes sowie Reaktivität!
spränge vermieden werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Brennelement für Kernreaktoren mit wenigstens einem für Kühlmittel durchlässigen Brennstoff-
körper, der mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtete Brennstoffteilchen mit einem Durchmesser von
etwa ΙΟ2 μπι bis 5 χ ΙΟ3 um als Haufwerk angeordnet
enthält, und mit zumindest je einem Zufuhr- und einem Abströmkanal für das Kühlmittel, die mit dem ι ο
Brennelement so verbunden sind, daß die An- beziehungsweise Abströmrichtung des Kühlmittels
längs der vom Kühlmittel zu durchsetzenden Oberfläche des Brennstoffkörpers gerichtet ist,
wobei der dem Kühlmittel zur Verfügung stehende '5
freie Strömungsquerschnitt in An- beziehungsweise Abströmriclitung des Kühlmittels gesehen längs der
vom Kühlmittel zu durchsetzenden Oberfläche des Brennstoffkörpers im Zufuhrkanal sich stetig verjüngt und im Abströmkanal sich stetig erweitert,
dadurch gekennzeichnet, daß sich der freie Strömungsquerschnitt im Zuströmkanal so
verjüngt und im Abströmkanal so erweitert, daß die Geschwindigkeitskomponente in Längsrichtung des
Brennelements Ober die gesamte Länge des Zu- 2s beziehungsweise Abströmkanals konstant bleibt
2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei hohlkegelförmig ausgebildete Brennstoffkörper in einem gemeinsamen Hüllrohr jeweils spiegelbildlich zueinander, 3"
hintereinander angeordnet sind.
3. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Hüllrohr
umgebener Brennstoffkörper im Längsschnitt nach Art eines Wellrohres ausgebildet ist.
4. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkörper Brennstoffteilchen mit gleichem Durchmesser enthält, die einen unterschiedlichen Brennstoffgehalt aufweisen. 4l)
5. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme von Dehnungen des Haufwerks der Brennstoffteilchen und zu deren unveränderlichen Einlagerung zwischen den Wandungen des Brennstoff-
körpers und dem Haufwerk der Brennstoffteilchen jeweils eine Schicht aus einem an sich bekannten
flexiblen porösen Werkstoff mit kleinem Einfangquerschnitt für Neutronen, wie Filze oder Gewebe
aus Graphit, S1O2 oder anderen bekannten geeigneten Werkstoffen angeordnet ist.
6. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb
des Haufwerks der Brennstoffteilchen Zwischenlagen aus einem flexiblen Werkstoff, wie Graphitfilz
oder Graphitgewebe so eingelagert sind, daß eine ungehinderte Dehnung des Haufwerks infolge
Temperaturschwankungen möglich ist.
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