DE2142744C3 - Brennelement in Stabform für Kernreaktoren - Google Patents

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 nutzen 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 Brennstoff im Ringraum zwischen zwei konzentrisch 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 Kondensatoren 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 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

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst

Durch die Ausbildung gemäß der Erfindung werden im zentralen Bereich des Brenn- oder Brutstoffvolumens Hohlräume geschaffen und wird zugleich soviel 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

vermag das Übertragungsmedium den radialen Wärmetransport wesentlich zu verbessern, wodurch die Zentraltemperatur stärker herabgesetzt werden kann.

2. Überraschenderweise 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 höheren Brennstofftemperaturen verdampft Verwendet man beispielsweise als Wärmeübertnigungsmedium Natrium, so tritt der Metalldampf in das zum Brennstoff hin offene, darüberliegende Spaltgasplenum und kondensiert dort an den außen 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 verdampft von neuem. Es

wird auf diese Weise ein Wärmetransportmechanisfflus 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 der Lösung gemäß Anspruch 2 dadurch realisiert werden, daß der Brennunä/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 Verfugung 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 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.

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)

Patentansprüche:

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.