DE2219124A1

DE2219124A1 - Kernbrennstoffelementanordnung

Info

Publication number: DE2219124A1
Application number: DE19722219124
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Schaller Karl Skok Jean Aix-en-Provence; Venobre Henri Vinon sur Verdon; Chenal (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-04-20
Filing date: 1972-04-19
Publication date: 1972-11-23
Also published as: FR2134104B1; IT954716B; FR2134104A1

Description

PATENTANWALT

DR. HANS ULRICH MAY D 8 MÖNCHEN 2, OTTOSTRASSEIa TELEGRAMME! MAYPATENT MÖNCHEN TELEFON CO81O G9 36 82

CP 423/1066

_—_ München, den 19. April 1972

B 3959.3 PG Dr.M/rt

Commissariat ä I¹Energie Atoraique in Paris / Frankreich Kernbrennstoffelementanordnung

Die Erfindung betrifft eine Kernbrennstoffelementanordnung von dem Typ₉ der mindestens ein Bündel langer umhüllter Nadeln von Kernbrennstoff, die parallel zueinander in einem regelmäßigen Neta angeordnet sind » und einen Mantel aufweist, der das Bündel enthält und von einem Kühlmedium durchströmt wird. Die Nadeln ein und desselben Bündels werden im allgemeinen von einem mit dam Mantel fest verbundenen Gitter getragen, das Schienen trägt, auf die die Endstopfen der Nadeln aufgeschoben sind. Der Mindestabstand der Nadeln über die Länge des Bündels ist durch Abstandshalter festgelegt, die als Spirale mit großer Ganghöhe um jede Nadel gewickelt sind. Derartige Anordnungen werden insbesondere in mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktoren benutzt, die durch einen Kreislauf von flüssigem Natrium gekühlt sind. Die Nadeln ein und desselben Bundeis sind dabei in einem regelmäßigen Dreiecksnetz in einem Mantel mit hexagonalem Querschnitt angeordnet .

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In den gegenwärtig projektierten oder im Bau befindlichen Kern reaktoren mit schnellen Neutronen ist im allgemeinen die Verwendung von Kernbrennstoffelementanordnungen von mehreren Metern vor gesehen, die ein Bündel von Nadeln enthalten, deren Hülle aufeinanderfolgend in Richtung des Kühlmittelstroms eine Ausdehnungskammer zur Aufnahme der Spaltgase, eine mit Brutmaterial gefüllte Zone (im allgemeinen ein Stapel von Urandioxidtabletten), eine mit Spaltmaterial gefüllte Zone (z.B. ein Stapel von Tabletten von gemischtem Uran- und Plutoniumoxid) und einen Raum, der die Blähung und Dehnung der Tabletten gestattet, begrenzt. Eine vollständige Beschreibung einer derartigen Nadel, die im allgemeinen als "integrierte Nadel" .bezeichnet wird, findet sicn in der französischen Patentanmeldung Nr. EN 7018868 vom 22. Mai 1970 des Anmelders.

Die Kernbrennstoffelementanordnungen des oben definierten Typs, die hohe spezifische Abbrände von mindestens 100 000 Mwj/t in den projektierten Kernreaktoren erreichen sollen, müssen die Aufblähung der den Mantel bildenden Materialien unter Bestrahlung berücksichtigen. Alle praktisch verwendbaren Werkstoffe blähen sich merklich auf, wenn die Fluenz einen in den Kernreaktoren bei weitem erreichten Wert übersteigt, wobei eine je nach den Materialien verschiedene und der Ansammlung von Kei?nan entsprechende Verzögerung auftritt. Die in einer Spaltzone, wo der Neutronenfluß einen hohen Gradienten aufweist, angeordneten Brennelementanordnungen erfahren eine bogenförmige Verformung des einen hexagonalen Querschnitt aufweisenden Mantels, wenn keine Gegenmaßnahme ergriffen wird. Diese bogenförmige Verformung kann die Anordnungen einklemmen und die Handhabung des Brennstoffs erschweren. Außerdem führt diese bogenförmige Verformung zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Querschnitts bestimmter Unterkanäle und aur Bildung

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heißer Punkte. Die sofort ins Auge fallende Lösung dieses Problems besteht darin, die Richtung oder Stellung der Brennelementanordnungen periodisch zu verändern, was jedoch in der Praxis außerordentlich unbequem ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kernbrennstoffelementanordnung zu schaffen, die den praktischen Bedürfnissen besser als die bisher bekannten entspricht und welche insbesondere den oben erwähnten Nachteil ausschaltet oder mindestens weitgehend mindert. Es wurde gefunden, daß die Blähung des den Mantel bildenden Metalls im allgemeinen nur in einem bestimmten und verhältnismäßig engen Temperaturbereich erheblich ist> in welchem Temperaturbereich jedoch im allgemeinen die Temperaturen liegen, auf die mindestens ein Teil des Mantels um das mit Spaltmaterial gefüllte Bündel gebracht wird. Dieser Bereich geht von 450 ⁰C bis etwa 500°C im Fall von Mänteln aus rostfreiem Stahl»

Ausgehend hiervon wird zur Lösung der gestellten Aufgabe eine Kernbrennstoffelementanordnung des eingangs angegebenen Typs vorgeschlagen, die erfindungsgemäß insbesondere gekennzeichnet ist durch Einrichtungens um längs des Mantels Kühlmittel.mit einer solchen Temperatur strömen zu lassen, daß es die Temperatur des Mantels im Bereich des Bündels auf einem vfert halt, bei dem die Blähungsrate unter Bestrahlung sehr, viel kleiner als die maximale Blähungsrate ist.

im Fall einer Hülle aus rostfreiem Staiii sind die Einrichtungen so ausgebildet, daß der Mantel bei einer außerhalb des zwischen 450 und 500⁰C liegenden Temperaturbereichs gehalten wird»

Da die Eintrittstemperatur und Austrittstemperatur des flüssigen Natriums in die Brennelementanordnungen eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors im allgemeine«, außerhalb des oben

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erwähnten Bereichs,liegen, verfügt man über zwei einfache Lösungen, um den Mantel bei einer geeigneten Temperatur zu halten: Die erste Lösung besteht darin, ihn mit dem Kühlmittel bei der Eintrittstemperatur in die Anordnungen (z.B. 400⁰C) zu spülen; die zweite darin, ihn mit dem Kühlmittel bei der Austrittstemperatur aus den Anordnungen (z.B. 58O⁰C) zu spülen.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung zweier Brennstoffelementanordnungen, welche nur als Beispiele Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig. 1 schematisch zwei in der Spaltzone des Reaktors nebeneinander angeordnete Brennelementanordnungen, von denen eine im Schnitt längs ihrer senkrechten Mittellinie dargestellt ist, welche mit Einrich-ΐμ^βη versehen sind, um ihren Mantel bei einer Temperatur über dem Temperaturbereich der maximalen Blähung unter Bestrahlung zu halten;

Fig, 2 eine Einzelheit in größerem Maßstab im Schnitt längs der Linie II-Il der Fig. 1 ;

Fig. 3 ähnlich Fig, 1 einen schematischen Schnitt einer

Brennelementanordnung, deren Mantel bei einer Temperatur unter dem Bereich der maximalen Blähung gehalten ist;

Fig. 4 eine Einzelheit in größerem Maßstab im Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3.

Fig. 1 zeigt zwei der Brennelementanordnungen, welche die Spaltzone eines mit schnellen Neutronen arbeitenden und durch einen aufsteigenden Strom von flüssigem Natrium gekühlten Kernreaktors bilden. Jede der Anordnungen 10 und 10° weist einen Fuß 11 auf, der in einen Gitterrost 12 eingesetzt ist, der die Spaltzone trägt

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und einen Kasten bildet, aus dem das von den Wärmetauschern kommende flüssige Natrium in die Spaltzone gemäß den Pfeilen f eintritt. Diese Anordnung ist durch einen Mantel 14 mit hexagonalem Querschnitt, der am Fuß 11 befestigt ist und einen Kanal für den Kreislauf des Natriums bildet, und von einem am Mantel befestigten Handhabungskopf 16 begrenzt· Das Innere des Kopfes 16 ist mit einem Ring 18 aus heutronenabsorbierendeni Material ausgestattet. Die nebeneinander liegenden Ringe 18 bilden einen oberen Neutronenschutz der Spaltzone. Von den Köpfen 16 getragene Füße 20 (Fig. 1 und 2) halten zwischen den Mänteln der beiden benachbarten Anordnungen 10 und 10' einen Zwischenraum j frei, dessen Rolle im folgenden erläutert wird.

Jeder Mantel 14 enthält einen Innenmantel 22, der am Fuß 11 und in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform an dem den Kopf 16 fortsetzenden Neutronenschutzschild 18 befestigt ist. Zwischen diesem Innenmantel und dem Mantel, die im allgemeinen beide aus rostfreiem Stahl bestehen, ist ein radialer Zwischenraum vorhanden, der einen Ringkanal 24 bildet. Die Menge des aus dem Bündel von Nadeln, dessen Platz schematisch durch den gestrichelten Rahmen 26 angegeben ist, austretenden Natriums verteilt sich auf zwei Fraktionen. Der größere Teil tritt aus der Anordnung durch den Mittelkanal des Stopfen 16 aus. Ein viel geringerer Teil tritt durch Fenster 28, die oberhalb des Bündels im Innenmantel 22 vorgesehen sind, in den Ringkanal 24 ein. Dieser abgenommene Teil strömt im Ringspalt 24 nach unten, wobei er den Innenmantel 22 und Mantel 14 bestreicht und sie bei einer Temperatur hält, die auf jedem axialen Niveau höher als die des im Bündel auf dem gleichen Niveau aufwärts strömenden Kühlmittels ist. Die abgeleitete Menge tritt ... durch die unmittelbar oberhalb des Fußes 11 ausgebildeten Öffnungen 30 in den zwischen swei Anordnungen liegenden Spalt 25 mit

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der Dicke j aus und strömt darin nach oben, um sich mit der Hauptfraktion zu mischen.

Die Weite des Ringkanals 24 und der Abstand j zwischen zwei benachbarten Anordnungen sind einerseits in Abhängigkeit von Erwägungen des Neutronenflusses, andererseits so gewählt, daß der Druckabfall der Hauptfraktion des durchströmenden Natriums im Kopf und der abgeleiteten Fraktion im Spalt 25 zwischen den Anordnungen und dem Ringkanal 24 im Gleichgewicht sind, wenn die abgeleitete Menge den gewünschten geeigneten Teil der Gesamtmenge bildet.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung weist ein einziges Bündel von Nadeln auf, die gleichzeitig Brutmaterial und Spaltmaterial enthalten können, jedoch ist die gleiche Ausbildung ebenfalls bei einer Anordnung verwendbar, die ein zusätzliches, mit Brutmaterial gefülltes Bündel enthält, das oberhalb des Bündels 26 angeordnet ist, und zu einem oberen Deckel gehört. Da die das Brutbündel bildenden Nadeln viel kürzer als die anderen sind, kann es dann genügen, den Mantel längs des Bündels von Spaltmaterial zu erwärmen. Man verfügt also über einen bestimmten Spielraum für die Anordnung der Fenster 28.

Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform wird dar Mantel bei einer Temperatur über dem Bereich der maximalen Blähung unter Bestrahlung gehalten. In der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsform dagegen wird der Mantel bei einer tieferen Temperatur gehalten. Zur Vereinfachung sind die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Teile, die ein Gegenstück in den Figuren 1 und 2 haben, mit den gleichen Bezugszahlen unter Beifügung eines Index-Striches bezeichnet.

Die Anordnung 10' weist noch einen Außenmantel 14' mit hexagonalem Querschnitt auf, der an einem Fuß 11', welcher in einen nicht ge-

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zeigten Rost eingreift, und an einem Kopf 16·, der mit einem Ring 18'aus neutronenabsorbierendem Material versehen ist, befestigt ist. Die Anordnung enthält ein unteres Bündel von integrierten Nadeln 32, von dem nur eine gezeigt ist, welches Spaltmaterial und Brutmaterial enthält, und ein oberes Bündel von Nadeln 34, die mit Brutmaterial gefüllt sind, wovon nur eine gezeigt ist. Die Nadeln 32 des unteren Bündels sind von einem am Fuß 11' befestigten Gitter 36 getragen. Die Nadeln 34 des oberen Bündels sind ebenfalls an einem schematisch gezeigten Gitter 38 befestigt, das seinerseits am Mantel 14¹ befestigt ist. Die Füße der Nadeln sind so in ihrer Lage zueinander durch die Gitter unveränderlich festgehalten. Der Mindestabstand der Nadeln 32 und 34 über ihre Länge ist durch spiralförmige Abstandshalter 40 festgelegt. Die Abstandshalter, die vorteilhafterweise aus auf die Hülle gewickelten und an den Stopfen befestigten Drähten bestehen, können entweder mit gleichbleibender Ausladung oder nach Art einer der im französischen Patent Nr. EN 6943162 vom 12.- Dezember 1969 oder in dessen erstem Zusatzpatent beschriebenen Typen sein»

Im imteren Teil des Mantels 14'ist ein Innenmantel 22' mit hexagonalem Querschnitt angeordnet, der das von den Nadeln 32 gebildete untere Bündel umgibt. Der untere Teil des Innenmantels 22' ist am Fuß 11' gegebenenfalls mittels des zwischengeschalteten Gitters 36 befestigt. Ein Abstandshalter, der aus einem darum gewickelten Draht 42 von geeignetem Durchmesser besteht, hält zwischen dem Mantel 14' und dem Innenmantel 22' einen Ringkanal 24' offen. Im sich erweiterenden Bereich 46 des im Fuß ausgebildeten Kanals, durch den das Natrium vom kastenförmigen Gitterrost herangeführt wird, ist ein Kegel 48 angeordnet, der einen Zwischenraum

dian
begrenzt, durch/ein Teil des in die Anordnung eintretenden Natriums

zum Ringkanal 24' abgeleitet wird.

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Wie ersichtlich, verteilt sich die Gesamtmenge des in die Anordnung eintretenden Natriums in zwei Fraktionen: Die Hauptfraktion strömt durch das Bündel von Nadeln 32 und erreicht dann das Bündel der Nadeln 34. Die abgeleitete Fraktion strömt durch den Zwischenraum zwischen dem Fuß und dem Kegel 48 und durch öffnungen 50, die im Gitter 36 vorgesehen sind (Fig. 4) in den Ringkanal 24', bestreicht den Mantel 14· und den Innenmantel 22' und gelangt schließlich in das Bündel der Nadeln 34, wo sie sich mit der Hauptfraktion mischt.

Es ist selbstverständlich notwendig, daß die durch den Ringkanal 24* strömende Fraktion der Gesamtmenge sehr gering, höchstens 6 bis 7 % bleibt, jedoch ausreichend sein muß, um den Mantel 14* undden Innenmantel 22' bei einer tieferen Temperatur als die des Temperaturbereichs der maximalen Blähung zu halten. Um dieses Ergebnis zu erreichen, muß man im Strömungsweg der abgeleiteten Fraktion hohe Druckverluste vorsehen. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist der Kegel zu diesem Zweck mit Umlenkkörpern versehen, welche ein Labyrinth bilden, das den Natriumstrom nacheinander Engpässe und Erweiterungen bietet und damit einen hohen Druckabfallkkoffizienten aufweist.

Die beschriebene Ausführungsform ist beispielsweise verwendbar im Fall eines Kernreaktors, bei dem die Eintrittstemperatur in die Brennelementanordnungen 400⁰C und die Austrittstemperatur in Abwesenheit des Ableitungskreises 58O°C ist. Der Mantel kann aus rostfreiem Stahl von 2 bis 3 mm Dicke und der Innenmantel ebenfalls aus rostfreiem· Stahl von 1,5 bis 2 mm Dicke (um den auf seine Innen- und Außenseiten wirkenden Druckunterschieden zu widerstehen) ausgebildet sein. Der Zwischenraum kann in der Größenordnung von 2 mm betragen. Unter diesen Bedingungen kann man eine Fraktion von 6 bis 7 % der Gesamtmenge zwischen dem Mantel 14' und dem

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Innenmantel 22' durchleiten, was zu einem Temperaturabfall von nur 3 bis 4 % gegenüber dem Unterschied zwischen der mittleren Austrittstemperatur des Kernreaktors und der Eintrittstemperatur führt. Der Mantel wird also bei einer Temperatur unter 450°C gehalten und zeigt bei hohen Bestrahlungsraten (z.B. 100 000 Mwj/t) eine Blähung, die nur ein geringer Bruchteil der Blähung unter der gleichen Bestrahlungsrate bei der Temperatur, wo die maximale Blähung auftritt, ist.

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Claims

Patentansprüche

( 1 Λ Kernbrennstoffelementanordnung, welche mindestens ein Bündel langer umhüllter Nadeln von Brennstoff, die parallel zueinander in einem regelmäßigen Netz angeordnet sind, und einen das Bündel enthaltenden und von einem Kühlmedium durchströmten Mantel aufweist, gekennzeichnet durch Einrichtungen, welche längs des Mantels (14) Kühlmedium mit einer solchen Temperatur strömen lassen, daß es die Temperatur des Mantels im Bereich des Bündels (26, 32) bei einem V7ert hält,, bei dem die Blähungsrate unter Bestrahlung weit unterhalb der maximalen Blähungsrate liegt.

2» Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (14, 14') aus rostfreiem Stahl besteht und daß die Einrichtung gen so ausgebildet sind, daß der Mantel bei einer Temperatur außerhalb des zwischen 450 und 500⁰C liegenden Temperaturbereichs gehalten wird«

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen einen Kanal (24, 24*) aufweisen, der teilweise vom Mantel (14„ 14') begrenzt ist und von Kühlmittel durchströmt wird, das mit seiner Eintrittstemperatur in das Bündel oder seiner Austrittstemperatur aus dem Bündel in den Kanal geleitet wird=

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen im Inneren des Mantels (14) angeordneten, das Nadelbündel (26) umgebenden Innenmantel (22), der Fenster für den Einlaß von aus dem Bündel austretendem Kühlmittel in den oberen Teil einer vom Innenmantel und dem Mantel begrenzten Ringkanals (24) aufweist, während der Mantel mit Öffnungen 30 versehen ist, die den unteren Teil des Kanals (24) mit der äußeren Umgebung der Anordnung verbundene

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5= Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. gekennzeichnet durch einen im Inneren des Mantels (14*) um das Bündel (32) angeordneten Innenmantel (22^s ), der mit dem Mantel (14'} einen Ringraum (24*) begrenzt, der an seinem unteren Ende mit dem in die Anordnung eintretenden Kühlmittel und an seinem oberen Ende mit dem aus dem Bündel (32) austretenden Kühlmittel in Verbindung' steht»

6, Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Bündel von mit Brutmaterial gefüllten Nadeln (34) stromabwärts vom Bündel der Brennstoffnadeln und dem Innenmantel in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet enthält«

7, Anordnung nach Anspruch 5_P gekennzeichnet durch stromaufwärts vom Ringraum (24^f) angeordnete Vorrichtungen, welche dem in diesen Raum eintretenden Kühlmittelstrom einen hohen Druckverlust aufzwingen.

8 ο Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestabstand der Nadeln das Brennstoff enthaltenden. Bündels durch spiralförmige Abstandshalter (40) pestgelegt ist ρ deren Ausladung veränderlich ist, mindestens auf den seitlichen Nadeln des Bündels.

BAD ORIGINAL.

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