DE2125010A1 - Brennelement fur Kernreaktor - Google Patents

Description

Patentanwälte

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B Manchen 22, Steinsderfsta. ÜB

4io-1T,O57P(17.058h) . 19.5.1971

Commissariat a !'^Energie Atomique, Pari s (Frankreich)

Brennelement für Kernreaktor

Die Erfindung betrifft Brennelemente für Kernreaktoren und insbesondere solche, die in senkrechter Stellung verwendet werden und in einer dichten Hülle einen auf einem Stützglied ruhenden Stapel von aufeinandergeschichteten Plättchen und einen Sammelraum für die Spaltgase enthalten.

Brennelemente dieser Art, üblicherweise "Nadeln" genannt, werden in Brutreaktoren benutzt. Bei diesen Reaktoren mit aufsteigendem Kühlmittelumlauf im Reaktorkern ist der Sammelraum, welcher zur Aufnahme der Spaltgase und zur Begrenzung des Innendruckes nötig ist, in der Hülle unterhalb des Stützgliedes angeordnet, d. h. dort, wo die Temperatur im Betrieb am niedrigsten ist. Im Stützglied muß ein Durchgangskanal vorhanden seil} damit die Spalt-

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gase aus dem Plattchenstapel zum Sammelraum fließen können. Dieser Kanal darf natürlich nicht verstopft werden durch Bruchstücke, die durch die Brennstoffplättchen abfallen, oder durch Spaltprodukte, die aus den Brennstoffplättchen austreten und sich in Höhe des Stützgliedes, wo die Temperaturen niedriger als im Plättchenstapel ist, niederschlagen. Ferner muß das Stützglied stabil genug sein, dem Brennstoffplättchen-Stapel sicheren Halt zu geben.

Die bisher benutzten Brennelemente, in denen der Brennstoffstapel auf dem Stützglied, das durch einen in der Hülse befestigten Zwischenstopfen gebildet wird, unmittelbar aufruht, erfüllen nicht alle oben genannten Bedingungen vollkommene Insbesondere kann der Durchgangskanal, der in einem einzigen, in der Achse des Stopfens angeordneten Loch zu bestehen pflegt, sich leicht durch Bruchstücke der Spaltstoffplättchen oder durch Niederschläge verstopfen. Aber die Befestigung des Stopfens an der Hülse macht es schwierig, andere Kanäle als ein axiales oder mehrere achsparallele Löcher anzuordnen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Kernreaktor-Brennelement der oben genannten Art zu liefern, das besser als die früheren den Erfordernissen der Praxis entspricht, indem es deren Mangel vermeidet oder wenigstens sehr merklich vermindert.

Die Erfindung betrifft also ein Brennelement für einen Kernreaktor, das in senkrechter Stellung verwendet wird und in dem in einer dichten Hülse ein Stapel von Plättchen durch ein Stützglied getragen wird, das in der

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Hülse befestigt ist und mindestens einen zur Achse parallelen Kanal aufweist, der unterhalb des Stützgliedes in einen Gassammelraum mündet. Die Erfindung besteht darin, daß ein Zwisehenstück, das zwischen dem Stapel und dem Stützglied in der Hülse verschiebbar angeordnet und an seinen beiden Stirnwänden mit Quernuten und an seiner Umfangswand mit Längsnuten versehen ist, welche sich von der einen zur anderen Stirnseite erstrecken und in die Quernuten einmünden.

Das genutete Zwischenstück bildet eine Leitvorrichtung, die dem Spaltgas mehrere Kanäle bietet, die sich kaum verstopfen können. Ifenn der Durchgangskanal des Stützgliedes in dessen Achse angeordnet ist, münden die Quernuten der am Stützglied anliegenden Stirnfläche des Zwischenstücke» in diesen Kanal ein. ¥enn statt eines solchen in der Achse angeordneten Kanals mehrere, gleichmäßig um die Achse des Stützgliedes herum verteilte Löc-her vorhanden sind, dann können die Quernuten der unteren Stirnfläche des Zwischenstückes durch eine ringförmige Verteilungsnut ergänzt werden.

Vorteilhaft ist es, das Zwischenstück an jeder Stirnseite mit zwei Quernuten zu versehen, die sich kreuzen und in achsparallele Längsnuten münden. Diese Anordnung erlaubt einfache Herstellung, z_e B. durch Präzisionsfeinguß oder durch Formpressen aus Metallpulver mit Sintern; dieses zweite Verfahren senkt den Preis und gestattet, das Stück aus nichtrostendem Stahl herzustellen.

Natürlich muß in der oben gegebenen Begriffsbestimmung das Wort "Brennelement" dahin gedeutet werden, daß

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es sowohl ein Brennelement mit nur einem einzigen Stapel spaltbaren Stoffes als auch Brennelemente mit mehreren, übereinander angeordneten Brennstoffstapeln umfaßt, von denen einer aus spaltbarem Stoff und der andere aus brütbarem Stoff (Brutstoff).besteht oder auch alle aus Brutstoff bestehen können.

Im Falle, daß mehrere Stapel übereinander angeordnet sind und durch voneinander getrennte Stützglieder getragen werden, kann unter dem untersten Stützglied ein einziger, gemeinsamer Gassammelraum angeordnet sein»

Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Brennelemente sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigern

Fig. 1 ein erstes Brennelement im (sehr schematischen) Längsschnitt,

Fig. 2 das Zwischenstück des in Fig. 1 gezeigten

Brennelements in perspektivischer Darstellungin größerem Maßstab,

Fig. 3 ein zweites Brennelement ähnlich demjenigen der Fig. 1.

Das in Fig. 1 gezeigte Brennelement ist für einen schnellen Brutreaktor mit Kühlung durch steigenden Umlauf von flüssigem Natrijm bestimmt. Es weist eine dichte Hülse auf, die aus zwei Rohrstücken 12 und Ik besteht, welche durch einen als Stützglied dienenden Zwischenstopfen 16

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miteinander verbunden und oben und unten durch einen oberen Stopfen 18 bzw. unteren Stopfen 20 verschlossen sind; alle drei Stopfen sind mit den Rohrstücken verschweißt. Der Zwischenstopfen ist mit einem axialen Kanal 21 für den Durchgang von Gas versehen» Das Rohrstück 14 begrenzt mit dem Zwischenstopfen 16 und dem unteren Stopfen 20 einen Raum 22 für das Sammeln von Spaltgas. Der Stapel 24 von Brennstoffplättchen (diese Plättcvhen sind z. B. aus Urandioxyd und Plutoniumdioxyd gesintert) ruht auf dem Stopfen 16 auf; er ist von diesem durch ein Zwischenstück 26 getrennt. Der Stapel wird auf den Stopfen 16 durch eine Haltefeder 28 gedrückt, die in einem Ausdehnungsraum 31 untergebracht ist, der die Aufblähung des Brennstoffes im Laufe der Strahlung zulassen soll. Diese Feder hält den Plättchenstapel 24 beim Transport und bei den Handhabungen, die den Einbau des Brennelements im Reaktorkern vorausgehen, an seinem Platz.

Das in Fig. 2 dargestellte Zwischenstück 26 ist ein zylindrischer Körper mit Läiigsnuten und Quernuten, nämlich vier zu seiner Achse parallelen und um 90 in Umfangsrichtung gegeneinander versetzten Längsnuten 30 und an jeder Stirnfläche je a*rei sich rechtwinklig kreuzenden radialen Nuten 29» die in die Längsnuten 30 einmünden. Die Breite und die Tiefe der Nuten 29 und 30 können beliebig gewählt sein; jedoch empfiehlt sich, die Breite der Längsnuten und der Quernuten gleichgroß zu machen, und zwar so, daß die zwischen den Quernuten stehengeblxebene Stirnfläche mindestens halb so groß wie der lichte Querschnitt der Hülse ist, damit dem Brennstoffstapel eine ausreichende Stützfläche geboten wird. Die Tiefe sollte so sein, daß das Zwischenstück nicht übermäßig geschwächt wird. Das Profil

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der Nuten kann offenbar so gewählt werden, daß die Herstellung erleichtert wird; es kann z„ B, rechtwinklig mit leichter Verjüngung sein.

Zum Beispiel hatte das Zwischenstück 26 bei einem ausgeführten Brennelement mit einer Hülse von 5» 65 nun Innendurchmesser und mit 0,1 - 0,2 mm Spiel zwischen Hülse und Zwischenstück eine Gesamthöhe von 4 mm; es bestand dort aus gesintertem, nichtrostendem Stahl.

Das Zwischenstück 26 kann auf verschiedenerlei 1/eise hergestellt werden. Es kann aus Metallpulver formgepreßt werden; wegen seiner mechanischen Aufgabe darf es nicht brüchig sein, und man kann davon ausgehen, daß seine Dichte mindestens 80 ^cß> der theoretischen Dichte des Werkstoffes betragen muß, aus dem das Pulver besteht (das ist im allgemeinen nichtrostender Stahl). Aber man kann das Zwischenstück auch durch Präzisionsguß herstellen.

Das Zwischenstück 26 kann natürlich auch andere Form als die in Fig. 2 gezeigte haben. Es kann mehr oder weniger Längsnuten als vier haben; es kann z. B. sechs gleichmäßig über den Umfang verteilte Längsnuten und würde dann an jeder Stirnseite drei Quernuten haben.

Das in Fig. 2 gezeigte Zwischenstück ermöglicht einen Durchfluß in jeder Richtung durch den im Stopfen i6 angeordneten axialen Kanal, Diese Möglichkeit würde nicht ,mit Sicherheit erreicht, wenn im Stopfen i6 anstatt eines axialen Kanals mehrere um die Achse verteilte. Löcher vorgesehen wären; in diesem Falle würden an der unteren Stirnseite des

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Zwischenstückes 26 zu den Quernuten noch eine Verteilungs-Ringnut vom Durchmesser des Kreises, auf dem die Löcher angeordnet sind, nötig sein.

Das Brennelement, das in Fig. 3 dargestellt ist (dort haben gleiche Teile gleiches Bezugszeichen wie in Pig. 1, jedoch mit Index), unterscheidet sich von demjenigen der Pig. 1 wesentlich dadurch, daß es zwei Stapel von Brennstoffplättchen enthält, die einem einzigen Gassammelraum zugeordnet sind, und daß während der Handhabung diese Stapel durch ein besonderes Haltestück gehalten werden, welches unten beschrieben, aber Gegenstand einer gesonderten Anmeldung ist.

In der Hülse befindet sich über dem unteren Stopfen 2O¹ der Spaltgas-Sammelraum 22', der von dem unteren Stopfen 20· und einem in der Hülse befestigten Zwischenstopfen 32 begrenzt wird. Ein Stapel 36 von Plättchen aus Brutstoff (z. B. Urandioxyd) ruht auf dem Zwischenstopfen 32 mittels eines ersten Zwischenstückes 3k, Ein erster geschlitzter Ring 38 hält den Plättchenstapel 36 gegen das Zwischenstück 3k und trennt ihn von einem Raum für die Ausdehnung des Brutstoffes, der durch den Zwischenstopfen i6^f begrenzt wird .

Auf dem Stopfen I6¹ ruht mittels des Zwischenstückes 26*, das dem Zwischenstück 3^ gleicht, der Stapel Zk^% aus spaltbarem Stoff (z„ B. einer Mischung aus Uran und Plutonium). Der Zwischenstopfen I6¹ hat noch einen axialen Kanal 21·, der den von den Plättchen 2k^l kommenden Spaltgas den Abfluß zum Brutstoff-Stapel 36 und durch einen axialen

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Kanal 40 dieses Stapels und durch einen axialen Kanal kZ
des Zwischenstückes 32 den Abfluß¹ zum (jassammelraunE 22:* gestattet. Der·-Stapel 2k^r van. Pläij-feclierL aus spaltbarem Stoff wird durch ein Halt es tück 44 zus'ammengeiialteii, das in der Hülse angeordnet und vom oberen Stopfen. 18 ^s durch einen
Ausdehnung-sraum getrennt ist», dessen Länge größer als diejenige ist,, um welche sich der Stapel ausdehnen kann..

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Claims (4)

1. !gat entanspiruche

   Γ1 wBreruielemeirt für ein ein Iernreaktor, das in senfcreclhier Stellung verwendet wird und in dem dm einer dienten Hülse ein Stapel -von Plättchen durch ein Stützglied ge±rja®en Tffiird, das in der Hülse b e fest igt is-t rand mindestens einen zur Achse parallelen Sana! aufweist,, der τζη-1fc©jFhalb des J3tü±.zgliedes in. einen Gassammelraiain mündet,, g <e ik e aa. η :z e d d h η e t durch ein Zwischenstück {26), das zürisciien desm Stapel (2%) und dem Stützglied {i6, 32} Ja! »dei· ffiälse ^rei-sehietohar angeordnet rand an seinen beiden Sixmwaiuien mit %aea^nuten {29} und an seiner ü&afangswand mL& liängsnaiten {3O) versehen ist, welche sich von der einen zur anderen Stirnseite erstrecken und in die Quernuten {29) einmünden»
2. 2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (26) die Form eines zylindrischen Plättchens hat, das an jeder Stirnseite mit zwei sich kreuzenden Quernuten versehen ist, welche in achsparallele Längsnuten (3O) münden.
3. 3· Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützglied durch einen Zwischenstopfen (16; 16*, 32) gebildet wird, der zwei Rohrstücke der Hülee miteinander verbindet.
4. 4. Brennelement nach Anspruch 1, 2 oder 3t für einen Reaktor mit aufsteigendem Kühlmittelumlauf, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Stapel (24^!, 36) von Brenn-

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   stoffplättchen, von denen jeder auf einem Stützglied (l6^r _t 32) aufruht, von dem er durch ein Zwischenstück (26 ·, 3*0 getrennt ist, sowie einen einzigen Spaltgas-Sammelraum (22*) enthält, der sich unterhalb des im Brennelement am tiefsten angeordneten Stützgliedes befindet, wobei die Plättchen des auf diesem tiefsten Stützglied ruhenden Stapels einen axialen Durchgangskanal (4θ) aufweisen (Fig. 3).

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