DE2063876C3

DE2063876C3 - Brennelement für Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2063876C3
Application number: DE2063876A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Barthels; Josef Dr. Fassbender; Werner Dipl.- Ing. Katscher
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1970-12-24
Filing date: 1970-12-24
Publication date: 1978-12-14
Also published as: DE2063876A1; FR2119083A1; US3801450A; DE2063876B2; FR2119083B1; GB1372103A

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

Patentansprüche:

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.