DE2200373A1 - Brenn- und/oder brutelement fuer kernreaktoren - Google Patents

Brenn- und/oder brutelement fuer kernreaktoren

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DE2200373A1 DE19722200373 DE2200373A DE2200373A1 DE 2200373 A1 DE2200373 A1 DE 2200373A1 DE 19722200373 DE19722200373 DE 19722200373 DE 2200373 A DE2200373 A DE 2200373A DE 2200373 A1 DE2200373 A1 DE 2200373A1
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metallic
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DE19722200373
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Alfred Dr Boettcher
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Gelsenberg AG
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Gelsenberg AG
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/04Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
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    • GPHYSICS
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Description

  • Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren 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 maximalzulässige Zentraltemperatur des Brennstoffes und andererseits unter anderem durch den Wärmeübertragungswiderstand des Spaltes zwischen Brennstoff und seiner metallischen Umhüllungsowie durch die Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffes Gegenüber den heute üblichen Brennstoffen - Uran- und Plutoniumoxiden sinddaher Karbide, Nitride und ähnliche Verbindungen wegen ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit vonwesentlichem Interesse. Aufgrund ihres niedrigeren Schmelzpunktes sowie ihres Bestrahlungsverhaltens muß bei ihnen aber die Zentraltemperatur im Brennstoff deutlich niedriger gehalten werden als bei den Oxiden, was ihnen einen Teil des Vorteils ihrer höheren Wärmeleitfähigkeit wiederum nimmt. Außerdem kann die bessere Wärmeleitfähigkeit nur dann voll genutzt werden, wenn der Wärmeübergangswiderstand im Spalt verringert wird.
  • Bei Verwendung von oxidischem Brennstoff wird der Spalt mit Helium gefüllt wegen dessen im Vergleich zu Luft besseren Wärmeleitfähigkeit. Um die höhere Wärmeleitfähigkeit von Nitriden und Karbiden nutzen zu können, ist schon vor längerer Zeit vorgeschlagen worden, bei natriumgekühltenReaktoren in den Brennstäben den Spalt zwischen Brennstoff und metallischer iTiille mit Natrium zu füllen. Die Natrbimfüllung sollte sich lediglich im Spalt zwischen den üblicherweise verwendeten Tabletten ("Pellets") und der metallischen Umhüllung befinden.
  • Erfindungsgemäß werden zwei entscheidende Fortschritte dadurch erzelt, daß im Brennstab, und zwar im zentralen Bereich des Brenn- (bzw. Brut-)stoffvolumens Hohlräume geschaffen werden, und zugleich soviel Wärmetransportmedium (z.B. Natrium) in den Brenslstab eingefüllt wird, daß bei den noch unbestrahhen Elementen bei Temperaturen, bei denen das Wärmeübertragungsmedium flüssig ist, dieses einen wesentlichen Teil der Hohlräume im zentralen Brennstoffbereich ausfüllt. Die Hohlräume sollen insbesondere in der-achznahen Hälfte des Brenn- bzw. Brutstoffvolumens gelegen und in Achsrichtung durchgehend sein. Dabei können die in verschiedenen Höhen liegenden Hohlräume exakt übereinander liegen, so daß ein oder mehrere geradlinige Kanäle entstehen; sie können aber auch gegeneinander versetzt angeordnet sein, wobei jedoch jeder Hohlraum mit ehem oder mehreren über und einem oder mehreren unter ihm liegenden Hohlräumen durch einen Durchlaß verbunden ist, so daß ein oder mehrere gewundene Kanale entstehen. Außerdem ist es zweckmäßig, weitere rad KanE)ß gleicher Art vorzusehen, die den oder die achsialen Kanäle mit dem Spalt zwischen Brennstoff und metallischer Hülle verbinden.
  • Die Größe der Kanäle wird gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung so bemessen, daß die in dem achsnahen Volumen der Brenn-bzw. Brutstoffzone liegenden Hohlräume bei dem im Reaktorcore eingesetzten Brenn- bzw. Brutelement mindestens lilo des zur Wärmeübertragung in das Element eingebrachten Mediums enthalten.
  • Auf diese Weise kann das Wärmeübertragungsmedium zweifach wirksam werden Durch seine gegenüber oxidischen Brennstoffen bessere Wärmeleitfähigkeit vermag das Wärmeübertragungsmedium zum radialen Wärmetransport wesentlich beizutragen, wodurch die Zentraltemperaturen stark herabgesetzt werden. tberraschenderweise hat sich gezeigt, daß darüberhinaus insbesondere bei solchen Brennelementen, die über der Spaltstoffzone einen leeren Raum ("Spaltgasplenum'!) aufweisen, ein zweiter Wärmetransportmechanismus sehr wirksam wird, wenn das AJärmeübertragungsmedium im Zentralbereich des Brennstabes bei den dort herrschenden höheren Brennstofftemperaturen verdampft Verwendet man beispielsweise als Wärmeübertragungsmedium Natrium, BO tritt der Metalldampf in das zum Brennstoff hin offene, darüberliegende Spaltgasplenum und kondensiert dort an den außen gekühltenWänden 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. Dieser Wärmetransportmechanismue ist auch wirksam, wenn keine Kapillaren am Brennhüllrohr vorhanden sind, 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 das Funktionieren des Wärmetransportmechanismus ist ein hinreichend großes, brennstoffreies Volumen für das Durchströmen des Natrium-dampfes. Dies kann auf verschiedene Weise erzielt werden.
  • Füllt man den Brennstoff in Form kleiner sphärischer Teilchen (Kernels) mit einem Durchmesser von vorzugsweise o,1 bis l,o mm ein, so entsteht im gesamten Brennstoff enthaltenden Teil des Brennstabes ein Porenvolumen, das in Abhängigkeit davon, ob Teilchen nur eines Durchmessers oder zweier oder dreier verschiedener Durchmesser verwandt werden, zwischen lo und 50 % liegt. Auf diese Weise kann das an der Innenwand des Hüllrohres von oben nach unten fließende Natrium zwisden den einzelnen Kernels in den Zentralbereich strömen, wo es verdampft und in das Spaltgasplenum strömt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Natriumdampfes wird durch den Strömungswiderstand im Porenvolumen und durch die Druckdifferenz zwischen Spaltgasplenum und Zentralbereich des Brennstoffes bedingt.
  • Eine andere Möglichkeit, das erforderliche Porenvolumen in den Zentralbereich des Brennstoffes zu schaffen, besteht darin, Brennstofftabletten der üblichen zylindrischen Form zu verwenden, die jedoch entweder ein zentrales Loch oder im Achsnähebereich 2 bis 4 Löcher aufweisen. Auf den Stirnflächen solcher Pellets können Vertiefungen angebracht sein, die das Strömen des Natriums vom Außenbereich zur Achse des Brennelements erleichtern. Im Falle der Verwendung eines einzigen zentralen Loches kann, um das Hineinfallen größerer Teile der Brennstofftabletten zu verhindern5 ein neutronen-physikalisch unschädlicher Werkstoff aus Keramik oder Metall eingebracht werden, der von dem für die Durchströmung des Natriumdampfes notwendigen Volumen nur einen geringen 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 bekannten Verwendung von Natrium im Spalt zwischen Brennstoff und Hülle Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, bei Verwendung von oxidischem Brennstoff die spezifische Wärmeleistung der Brennstäbe auf gleiche Höhe zu bringen, die bei der Verwendung von karbidischen Brennstoffen ohne die Erfindung erreicht wird. Im Falle der Verwendung der Erfindung bei Brennstäben mit karbidischen oder nitridischen Brennstoffen wird die spezifische Wärmeleistung weiter erhöht.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Brenn- bzw. Brutelemente ist die Verringerung der freigesetzten Spaltgasmenge durch die Senkung der Zentraltemperatur des Brennstoffes.
  • Das Spaltgasplenum befindet sich bei der erfindungsgemäßen Konstruktion zweckmäßigerweise nur über dem Brennstoffbereich, damit bei dem Transport des flüssigen Metalls auf kapillare Kräfte verzichtet werden kann.
  • Das Prinzip ist anwendbar für alle Arten von Brenn- und Brutstoffen wie Oxide, Karbide, Nitride und für verschiedene Wärmetransportmaterialien wie Natrium, Kalium.

Claims (5)

Patentansprüche
1. Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren mit metallischer Umhüllung des Brenn- und1oder Brutstoffes, bei dem im Inneren des Brenn- und/oder Brutstabes neben dem Brenn- und/oder Brutstoff ein ein zurWärmeübertragungvom 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 der achsnahen Hälfte des Volumens der Brenn- und/oder Brutstoffzone in Achsrichtung durchgehende Hohlräume enthält.
2. Brenn- und/oder Brutelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume bei dem im Reaktorcore eingesetzten Element mindestens 10 % des zur Wärmeübertragung in das Element eingebrachten Mediums enthalten.
3 Brenn- und/oder Brutelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn- und/oder Brutstoff in Gestalt von sphärischen Teilchen eingefüllt wird.
4. Brenn- und/oder Brutelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn- und/oder Brutstoff in Gestalt von Hohlpellets eingefüllt wird.
5. Brenn- und/oder Brutelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Brenn- und/oder Brutstoffzone und 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.
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