DE2142744B2 - Brennelement in Stabform für Kernreaktoren - Google Patents
Brennelement in Stabform für KernreaktorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Brennelement in Stabform für Kernreaktoren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um Corevolumen und spezifisches Spaltstoffinventar in einem Reaktor niedrig zu halten, ist man an einer
möglichst großen spezifischen Volumenleistung im Brennstoff interessiert. Diese wird einerseits begrenzt
durch die maximal zulässige Zentraltemperatur des Brennstoffes und andererseits unter anderem durch den
Wärmeübertragungswiderstand des Spaltes zwischen Brennstoff und seiner metallischen Umhüllung. Gegenüber
den heute üblichen Brennstoffen — Uran- und Plutoniumoxiden — sind daher Karbide, Nitride und
ähnliche Verbindungen aufgrund ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit von wesentlichem Interesse. Aufgrund
ihres niedrigeren Schmelzpunktes sowie ihres Bestrahlungsverhaltens muß bei ihnen die Zentraltemperatur im
Brennstoff deutlich niedriger gehalten werden als bei den Oxiden, was ihnen einen Teil des Vorteils ihrer
höheren Wärmeleitfähigkeit wiederum nimmt. Hinzu kommt, daß die bessere Wärmeleitfähigkeit nur dann
voll genutzt werden kann, wenn der Wärmeübergangswiderstand im Spalt verringert wird. Bei Verwendung
von oxidischem Brennstoff wird der Spalt mit Helium gefüllt wegen dessen im Vergleich zu Luft besserer
Wärmeleitfähigkeit. Um die höhere Wärmeleitfähigkeit von Nitriden und Karbiden nutzer! zu können, ist schon
vor längerer Zeit bekannt geworden, bei mit Natrium gekühlten Reaktoren in den Brennstäben den Spalt
zwischen Brennstoff und metallischer Hülle mit Natrium zu füllen. Die Natriumfüllung sollte sich lediglich im
Spalt zwischen den üblicherweise verwendeten Pellets und der metallischen Umhüllung befinden.
Durch die DE-AS 12 92 262 ist ein Brennelement für Siedeüberhitzer-Kernreaktoren bekannt, bei dem der
Brennstott im Ringraum zwischen zwei konzentrisch
to zueinander angeordneten metallischen Hüllrohren angeordnet ist. Das Brennelement wird im Betrieb außen
von einem siedenden Kühlmittel umspült und innen von dampfförmigem Kühlmittel durchströmt Der zwischen
den Hüllrohren angeordnete Brennstoff besteht aus Sinterkörpern, die über den äußeren oder inneren
Umfang mit Ausnehmungen versehen sind, in die Sicken des äußeren oder inneren Hüllrohres hineinragen. Die
Sicken sind über die ganze Länge des Brennelementes verteilt und sollen als Kompensatoren für temperaturbedingte
mechanische Längsspannungen in den Innenoder Außenhüllrohren dienen. Bei einer speziellen
Ausführungsform des Brennelementes nach der DE-AS 12 92 262 sind die hohlzylinderförmigen Brennstoffstükke
längsgeteilt ausgebildet, um den Zusammenbau der Brennelemente zu ermöglichen. Das hohlzylindrische
Brennelement wird zwar über das äußere und innere Hüllrohr gekühlt, da aber keine Maßnahmen zur
Wärmeabfuhr in radialer Richtung getroffen sind, besteht die Gefahr, daß im Zentralbereich des
ι« Brennstoffes unzulässig hohe Temperaturen auftreten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Brenn- und/oder Brutelement der
eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine niedrigere Zentraltemperatur erreichbar ist.
J5 Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen nach dem
Kennzeichen des Anspruchs I gelöst.
Durch die Ausbildung gemäß der Erfindung werden im zentralen Bereich des Brenn- oder Brutstoffvolumens
Hohlräume geschaffen und wird zugleich soviel
4» Wärmetransportmedium (z. B. Na) in den Brennstab
eingefüllt, daß bei den noch unbestrahlten Elementen bei Temperaturen bei denen das Wärmeübertragungsmedium
flüssig ist, dieses einen wesentlichen Teil der Hohlräume im zentralen Brennstoffbereich ausfüllt. Auf
diese Weise ergeben sich zwei wesentliche Vorteile.
1. Aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit (im Vergleich mit oxidischen Brennstoffen) und des
größeren Flächenkontaktes mit dem Brennstoff
r»o vermag das Übertragungsmedium den radialen
Wärmetransport wesentlich zu verbessern, wodurch die Zentraltemperatur stärker herabgesetzt
werden kann.
2. Überraschende; weise zeigt sich ferner, daß bei « solchen Brennelementen, die über der Spaltstoffzone
ein Spaltgasplenum haben, ein zweiter Wärmetransportmechanismus sehr wirksam wird, wenn
das Wärmeübertragungsmedium im Zentralbereich des Brennstabes aufgrund der dort herrschenden
feu höheren Brennstofftemperaturen verdampft. Verwendet
man beispielsweise als Wärmeübertragungsmedium Natrium, so tritt der Metalldampf in
das zum Brennstoff hin offene, darüberliegende Spaltgasplenum und kondensiert dort an den außen
b5 gekühlten Wänden. Das kondensierte Metall läuft
nach unten in den Spalt zwischen Brennstab und Hülle, tritt von dort wieder in den inneren, heißeren
Brennstoffbereich und verdarneft von neuem. Es
wird auf diese Weise ein Wärmetransportmechanismus geschaffen, der dem in einer Heat Pipe
entspricht, wobei dieser auch funktioniert, wenn keine Kapillaren am Brennhüllrohr geschaffen
werden, da das kondensierte Natrium der Schwerkraft folgend wieder in den Brennstoff enthaltenden
Teil des Brennstabes zurückfließt Durch Einbringen von Kapillaren in der Innenseite des
Hüllrohres kann der Transport des kondensierten Natriums zurück in den Brennstoff beschleunigt
werden, was den Wärmetransport begünstigt.
Wesentlich für den verbesserten Wärmetransport ist ein hinreichend großes, brennstoffreies Volumen für das
Durchströmen des Natriumdampfes. Dies kann in vorteilhafter weiterer Ausgestaltung dsr Lösung gemäß
Anspruch 2 dadurch realisiert werden, daß der Brenn- und/oder Brutstoff in Gestalt von sphärischen Teilen in
die Hülle eingefüllt ist Die Teilchen können Kernels mit einem Durchmesser von vorzugsweise 0,1 bis 1,0 mm
sein. Es entsteht dann im gesamten Brennstoff enthaltenden Teil des Brennstabes ein Porenvolumen,
das, je nachdem ob Teilchen nur eines Durchmessers oder gegebenenfalls zweier oder dreier Durchmesser
verwandt werden, zwischen 15 und 50% liegt. Auf diese
Weise kann das an der Innenwand des Hüllrohres von unten nach oben fließende Natrium zwischen den
einzelnen Kernels in den Zentralbereich strömen, wo es verdampft und in das Spaltgasplenum einströmt. Die
Strömungsgeschwindigkeit des Natriumdampfes wird durch den Strömungswiderstand im Porenvolumen und
durch die Druckdifferenz zwischen Spaltgasplenum und Zentralbereich des Brennstoffes bedingt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Brenn- und/oder Brutstoff in
Gestalt von Hohlpellets in die Hülle eingefüllt. Diese Pellets können Brennstofftabletten der üblichen zylindrischen
Form sein, die, um das erforderliche Porenvolumen im Zentralbereich des Brennstoffes zu schaffen, im
Achsnähebereich entweder mit einem zentralen Loch oder um die Achse herum mit 2 bis 4 Löchern versehen
werden. Auf den Stirnflächen solcher Pellets können zusätzlich Vertiefungen ausgebildet sein, die ein
Einströmen des Natriums vom Außenbereich in das oder die zentrale(n) Leervolumen (-volumina) erleichtern.
Im Falle der Verwendung eines einzigen zentralen Loches kann, um das Hineinfallen größerer Teile der
Brennstofftabletten zu verhindern, ein neutronenphysikalisch unschädlicher Werkstoff aus Keramik oder
Metall eingebracht werden, der von dem für die Durchströmung des Natriumdampfes notwendigen
Volumens nur einen möglichst niedrigen Anteil wegnimmt.
Durch den Wärmetransport aus dem Brennstoffbereich in das Spaltgasplenum und die Kondensation des
Natriumdampfes an der metallischen Umhüllung des Plenums wird die zur Wärmeleitung zur Verfügung
stehende Fläche gegenüber anderen Brennelementen, bei denen dieses Prinzip nicht angewendet wird,
wesentlich vergrößert, was wiederum zu einer Steigerung der spezifischen Wärmeleistung im Brennstab
führt. Die Korrosionsprobleme durch Verwendung flüssigen Metalls im Inneren des Brennstabes sind weder
quantitativ noch qualitativ schwieriger als im Falle der üblichen Verwendung von Natrium im Spalt zwischen
Brennstoff und Hülle. Das Brennelement gemäß der Erfindung ermöglicht es, bei Verwendung von oxidischem
Brennstoff die spezifische Wärmeleistung der Brennstäbe auf gleiche Höhe zu bringen wie sonst bei
der Verwendung von karbidischen Brennstoffen. Im Falle der Anwendung der Erfindung bei Brennstäben
mit karbidischen oder nitridischen Brennstoffen wird
in die spezifische Wärmeleistung weiter erhöht.
Dadurch, daß die Zentraltemperatur des Brennstoffes gesenkt wird, wird weniger Spaltgas freigesetzt. Das
Spaltgasplenum befindet sich bei dieser Konstruktion zweckmäßigerweise nur über dem Brennstoffbereich,
damit nicht der Transport des flüssigen Metalls durch kapillare Kräfte unerläßlich ist. Gegebenenfalls kann
jedoch eine Konstruktion so abgewandelt werden, daß ein zusätzliches Spaltgasplenum unterhalb des Brennstoffbereiches
möglich ist.
4(i Das Prinzip ist anwendbar für alle Arten von Brenn-
und Brutstoffen (Oxide, Karbide, Nitride usw.) und für verschiedene Wärmetransportmaterialien (Natrium,
Kalium u. a.).
Claims (4)
1. Brenn- und/oder Brutelement in Stabform für Kernreaktoren, mit metallischer Umhüllung des
Brenn- und/oder Brutstoffes, bei dem im Inneren des Brenn- und/oder Brutstabes neben dem Brenn-
und/oder Brutstoff ein zur Wärmeübertragung vom Brenn- und/oder Brutstoff zur metallischen Umhüllung
dienender Stoff eingebracht ist, der bei den Betriebstemperaturen der metallischen Umhüllung
flüssig ist, dadurch gekennzeichnet, daß der unbestrahlte Brenn- und/oder Brutstoff in an
sich bekannter Weise offene und in Achsrichtung durchgehende Hohlräume enthält, daß diese Hohlräume
in den achsnahen 50% des Volumens der Brenn- und/oder Brutstoffzone angeordnet sind und
bei dem in Reaktorcore eingesetzten Element mindestens 10% des zur Wärmeübertragung in das
Element eingebrachten Mediums enthalten.
2. Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brenn- und/oder Brutstoff in Gestalt von sphärischen Teilchen in die Hülle eingefüllt ist
3. Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brenn- und/oder Brutstoff in Gestalt von Hohlpellets in die Hülle eingefüllt ist.
4. Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren nach Anspruch 1 bis 3, mit einem Spaltgasplenum
über der Brenn- und/oder Brutstoffzone, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn- und/oder
Brutstoffzone und das Spaltgasplenum so angeordnet sind, daß das in der axialen Zone des Brenn-
und/oder Brutstoffbereiches verdampfende Wärmeübertragungsmedium an den metallischen Innenwänden
des Spaltgasplenum kondensiert und durch Schwerkraft und/oder Kapillarwirkung in die Brenn-
und/oder Brutstoffzone zurückgeführt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2142744A DE2142744C3 (de) | 1971-08-26 | 1971-08-26 | Brennelement in Stabform für Kernreaktoren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2142744A DE2142744C3 (de) | 1971-08-26 | 1971-08-26 | Brennelement in Stabform für Kernreaktoren |
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Publication Number | Publication Date |
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DE2142744A1 DE2142744A1 (de) | 1973-03-15 |
DE2142744B2 true DE2142744B2 (de) | 1980-03-06 |
DE2142744C3 DE2142744C3 (de) | 1980-11-13 |
Family
ID=5817836
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2142744A Expired DE2142744C3 (de) | 1971-08-26 | 1971-08-26 | Brennelement in Stabform für Kernreaktoren |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2142744C3 (de) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US9214246B2 (en) | 2006-11-28 | 2015-12-15 | Terrapower, Llc | System and method for operating a modular nuclear fission deflagration wave reactor |
US9734922B2 (en) | 2006-11-28 | 2017-08-15 | Terrapower, Llc | System and method for operating a modular nuclear fission deflagration wave reactor |
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US8971474B2 (en) | 2006-11-28 | 2015-03-03 | Terrapower, Llc | Automated nuclear power reactor for long-term operation |
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US9793014B2 (en) | 2008-05-15 | 2017-10-17 | Terrapower, Llc | Heat pipe fission fuel element |
US20090285348A1 (en) * | 2008-05-15 | 2009-11-19 | Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware | Heat pipe fission fuel element |
-
1971
- 1971-08-26 DE DE2142744A patent/DE2142744C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2142744C3 (de) | 1980-11-13 |
DE2142744A1 (de) | 1973-03-15 |
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