DE2229295A1

DE2229295A1 - Kernbrennstoff-anordnung mit zumindest einem buendel von umkleideten brennstoffnadeln

Info

Publication number: DE2229295A1
Application number: DE2229295A
Authority: DE
Inventors: Andre Cayol; Georges Clottes; Pierre Loriot; Jean Skok
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-06-16
Filing date: 1972-06-15
Publication date: 1973-05-10
Also published as: FR2141559B1; GB1336968A; IT959161B; ES403950A1; BE784652A; CH554054A; FR2141559A1

Description

«- «ttentanwälte

Mün«i:ar. LIl, CUir.

410-13.916P 15. 6. 1972

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE. Paris (Frankreich)

Kernbrennstoff-Anordnung mit zumindest einem Bündel von umkleideten Brennstoffnadeln

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernbrennstoffanordnung mit zumindest einem Bündel von umkleideten Brennstoffnadeln, die nach einem regelmäßigen Netz in einer Hülle angeordnet sind, welche einen Strömungsweg für ein Kühlfluid umgrenzt, und von denen jede Nadel, zumindest auf dem größeren Teil ihrer Länge, ein Abstandselement in Schraubenlinienform trägt, das den kleinsten Abstand zwischen der Nadel und den ihr benachbarten Nadeln oder der Hülle festlegt.

Derartige Kernbrennstoff-Anordnungen sind für Kernreaktoren mit hoher Leistungsdichte, wie Brutreaktoren, geeignet, die durch Umlauf von flüssigem Metall gekühlt

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werden. Die Nadeln des Bündels sind langgestreckt und bestehen ans spaltbarem oder Brutmaterial, das von ihnen gebildete Netz ist im allgemeinen ein Hexagonalnetz; die Abs taridse lemente bestehen üblicherweise aus Drähten oder Rohren mit kleinem Durchmesser oder aus Rippen, die in Form einer Schraubenlinie oder Wendel mit großer Steigung auf jede Nadel aufgewunden sind.

Aus der am 11. 12. 1970 eingereichten älteren deutschen Patentanmeldung Nr. P 2O611146.5 ist eine Kernbrennstoff-Anordnung der oben geschilderten Bauart zu entnehmen, bei der- Ungle ichmäßigkei ten in der Erwärmung des Kühlfluids vermieden werden sollen, das unterschiedliche Unterkanäle durchströmt, welche durch benachbarte Nadeln untereinander und Nadeln sowie die Hülle begrenzt werden. Diese den Gegenstand der älteren Patentanmeldung bildende Kernbrennstoff anordnung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abstandsglied einer seitlichen bzw. äußeren-Nadel des Nadelbündels einen relativ zur Nadel radial gerichteten Vorsprung aufweist, der in denjenigen Zonen, in denen die Nadel sich auf die Hülle abstützt, wesentlich kleiner ist als in anderen Zonen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Karnbrennstoff-Anordnung zu schaffen, die noch besser den Forderungen dar Praxis entspricht als diejenigen Anordnungen, die in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben sind; die neue Anordnung soll ganz unabhängig von der Anzahl der Nadeln des NadelbUndels, des Nadeldurchmessers, ihrer Notas-Anordnung und ihrem theoretischen Abstand anwendbar sein und es gestatten, dass gleiche Ergebnis mit lauter völlig gleichen Nadeln zu erzielen (obgleich diese Bedingung nicht zwingend ist).

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Eine diese Aufgabe lösende Kernbrennstoffanordnung der eingangs gekennzeichneten Art ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle an ihrer .Innenfläche Ausnehmungen aufweist, in die sich die Abstandselemente der seitlichen bzw. äußeren Nadeln des Bündels teilweise einfügen.

Die Ausnehmungen bestehen vorzugsweise aus Rinnen konkaver Form, welche sich den Abstandselementen anschmiegen und in Reihen angeordnet sind; der Abstand zwischen zwei in einer gleichen Reihe aufeinanderfolgenden Ausnehmungen ist gleich der Schraubenliniensteigung der Abstandselemente,

Nach einer speziellen Ausführungsforra der Erfindung besteht die Hülle aus einer äußeren dünnwandigen Hülse bzw. einem "Hemd" und zwischen die Buchse und das Nadelbündel eingefügten geformten Platten. Eine derartige Ausbildung erleichtert die Montage der Kernbrennstoff-Anordnung; die Platten werden dem Bündel angepaßt,und dann wird diese Baugruppe in die dünnwandige Buchse eingeschoben.

Die äußere dünnwandige Hülse kann entweder eine im wesentlichen gleiche Wandstärke haben oder eine Wandstärke, die in dem vorderen Teil, in dem das Kühlmedium austritt, kleiner ist, wie dies in der Beschreibung der deutschen Patentanmeldung P 2222215.7 vom 5. 5. 1972 beschrieben ist.

Nach einer anderen speziellen Ausführungsform der Erfindung hat die Hülle auf ihrer Innenfläche Längswülste, von denen jeder zwischen zwei äußeren benachbarten Nadeln des Bündels vorspringt und den freien Querschnitt des entsprechenden Unterkanals für den Umlauf des Kühlfluids zwi-

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sehen zwei Nadeln verringert; diese Wülste haben vorzugsweise einen Dreieckquerschnitt; es sind aber auch andere Formen möglich.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun ein Ausführungsbeispiel einer Kernbrennstoff-Anordnung beschrieben, die einer der möglichen Ausführungsformen entspricht. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnung, in der zeigen?

Fig. 1 in sehr schematischer Weise einen Querschnitt der Kernbrennstoffanordnung, die für einen Brutreaktor bestimmt ist, welcher durch geschmolzenes Natrium gekühlt wird;

Fig. 2 einen Rand-Ausschnitt der Fig. 1 in größerem Maßstab;

Fig. 3 in schematischer Aufsixht einen Abschnitt einer seitlichen bzw. äußeren Nadel des Nadelbündels und einen Teil der Platte, mit der diese Nadel zur Ktihlfluid-Kanalbildung zusammenwirkt.

Die Kernbrennstoff-Anordnung, deren Querschnitt in Fig. 1 dargestellt wurde, hat einen allgemeinen Aufbau wie er z. Z. weit verbreitet ist. Sie umfaßt ein Bündel von langgestreckten Brennstoffnadeln 10 aus umkleidetem Kernbrennstoff, die im Querschnitt an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Dreiecksnetzes angeordnet sind. Die Nadeln werden von einem (in der Fig. 1 nicht sichtbaren) Stützgitter gehalten, das an einer Hülle 11 befestigt ist, die ihrerseits einen Strömungsweg des Kühlströmungsmittels be-

grenzt. Der Minimale Abstand der Nadeln voneinander ist durch Abstandselemente sichergestellt, die für jede Nadel 10 einen Metalldraht 12 umfassen, der in einer Schraubenlinie oder Wendel auf die Umkleidung der Nadel aufgewikkelt ist und der sich gegen die Umkleidungen der benachbarten Nadeln oder gegen die Wand der Hülle abstützen.

Das Kühlmittel strömt in einer im allgemeinen senkrecht zur Ebene der Fig. 1 verlaufenden Richtung in einer größeren Zahl von Unterkanälen, die miteinander in Verbindung stehen und entweder allein durch die Nadeln oder durch Nadeln und die äußere Hülle begrenzt sind. In dem dargestellten Fall, in dem das Netz der Nadeln dreieckförmig ist und die Hülle einen Sechseckquerschnitt hat, kann man die Unterkanäle in drei Gruppen unterteilen?

- Eine erste Kanalgruppe besteht aus Unterkanälen 16 von im allgemeinen dreieckiger Querschnittsform, von denen jeder durch den freien Raum gegeben ist, der zwischen drei einander benachbarten, mit ihren Achsen auf den Scheiteln eines Dreiecks liegenden Nadeln begrenzt ist. Diese Unterkanäle i6, die am zahlreichsten sind, werden an der Hälfte ihres Umfangs durch wärmeabgebende Oberflächen begrenzt; sie werden weiterhin "innere Unterkanäle" genannt, und diejenigen Nadeln, die allein von solchen Unterkanälen umgeben sind, sollen "innere Nadeln" genannt werden. Mit Di wird der Kühlmitteldurchsatz bezeichnet, der durch jeden inneren Unterkanal strömt.

- Eine zweite Unterkanalgruppe besteht aus den Unterkanälen 18, die "Rand-Unterkanäle" genannt werden und jeweils durch den Raum gegeben sind, der für das Strömungs-

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medium zwischen zwei am Umfang des Bündels liegenden Nadeln ("Randnadeln") und durch den entsprechenden Teil einer Fläche der Hülle lh begrenzt ist. Diese Unterkanäle sind von wärmeabgebenden Oberflächen begrenzt, die - wie bei den vorhergehenden Kanälen - ungefähr die Hälfte der Oberfläche einer Nadel einnehmen. Der Durchsatz durch jeden derartigen Rand-Unterkanal wird mit Db bezeichnet.

- Eine dritte Gruppe wird von den Unterkanälen 20 gebildet, die "Ecken-Unterkanäle" genannt werden, deren Anzahl gleich der Anzahl der Ecken des Querschnitts der Hülle 24 ist, und die jeweils durch den freien Raum gegeben sind, der dem Kühlfluid zwischen einer "Eckennadel", die in einem Zweiflächner der Hülle 14 liegt, und den beiden Teilen der Hüllenwand begrenzt ist, welche diesen Zweiflächner bilden. Das Kühlfluid, das einen Ecken-Unterkanal durchströmt, fließt nur an einer Wärmeaustauschfläche entlang, die lediglich 1/6 der Oberfläche einer Nadel darstellt. Man bezeichnet den Durchsatz durch einen Ecken-Unterkanal mit Dc.

Schließlich werden die Nadeln und ihre Unterkanäle, die zur zweiten Gruppe und zir dritten Gruppe gehören, insgesamt mit "seitliche Unterkanäle" und "seitliche Nadeln" bezeichnet, im Gegensatz zu den inneren Unterkaiiälen und den inneren Nadeln.

Wenn man die einzelnen DruckVerluste in den Unterkanälen vernachlässigt, Druckverluste, die im wesentlichen ■luf die Abs tandda lernen te oder Drähte zurückzuführen sind, !.-j t die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärmo nur dann in allen als voneinander isoliert anzunehmenden Unterkanälen gleich, wenn die folgende Beziehung gilt:

Di = Db i ■) Dc

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Wenn diese Bedingung erfüllt wird, sind die Austrittstemperaturen des Kühlfluids bei sämtlichen Unterkanälen gleich, zumindest wenn die Eintrittstemperaturen dieselben sind.

Im Fall einer Kernbrennstoff-Anordnung bekannter oder klassischer Art, die vollkommen gleich ausgeführte Brennstoffnadeln und eine Hülle von sechseckigem Querschnitt hat, deren innere Fläche aus ebenen und glatten Prismenflachen gebildet wird, ist der oben angegebenen Gleichheitsbedingung nicht Genüge getan, sobald das Bündel kompakt ausgeführt ist (wobei das Abstandselement jeder Nadel in unmittelbare Berührung mit den benachbarten Nadeln oder der äußeren Hülle ist). Für diesen Fall gilt nämlich;

Di < 3 Dc < Db

Die Erfindung macht es möglich, die Bedingung Di = Db zu erfüllen oder sich ihr zumindest anzunähern, indem man dem Abstand zwischen jeder Randnadel und der Hülle einen Vert gibt, der kleiner ist als das Vorsprungsmaß der Abstandselemente. In dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem sämtliche Nadeln einheitlich gleich gestaltet sind und Abstandselemente tragen, deren Vorsprungsmaß auf der ganzen Nadellänge konstant ist, wird dieses Ergebnis dadurch erreicht, daß man eine Hülle benutzt, deren innere Fläche, anstatt dem mit seinen Abstandselementen versehenen Nadelbündel umschrieben zu sein, diese Abstandselemente als Hülle schneidet, wenn sie eben wäre und keine Verstärkungen aufwiese. Da man praktisch die Lösung ausschließen muß, die darin bestände, die Abstandselemente anzuschneiden oder abzuflachen, hat die

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Hülle auf ihrer inneren Fläche Ausnehmungen, in die sich die Abstandsdrähte der seitlichen Nadeln des Bündels teilweise einfügen. Dies gilt für die Randnadeln und die Ecknadeln. Diese Ausnehmungen 22 sind im Schnitt im unteren Teil der Fig. 1 und 2 erkennbar. Die Länge dieser Ausnehmungen parallel zur Achse muß natürlich genügend groß sein, um ein Zerdrücken der Abstandselemente 12 zu vermeiden. Ganz allgemein gilt die Regel, daß die Länge der Ausnehmungen einen Bruchteil zwischen 1/3 und 1/h der Steigung der Schraubenlinie der Abstandselemente ist, wobei dieser Bruchteil mit dem Verhältnis zwischen der Eindringtiefe h der Abstandselemente in die Hülle und dem Vorspringen dieser Abstandselemente von den Umkleidungen der Nadeln aus bezeichnet ist, auf welche die Abstandselemente aufgewikkelt sind.

Es wäre möglich, die Bedingung Di = Db zu erfüllen, indem man lediglich die oben geschilderte Anordnung anwendet; man käme dann aber zu einem im allgemeinen übermäßig großen Wert für das Verhältnis h zu s. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Gleichheit von Di = Db dadurch erreicht, daß man einen mäßigen Wert für das Verhältnis h : s vorsieht. Hierfür ist die Hülle auf ihrer inneren Fläche mit längsgerichteten Wulsten 2k versehen, von denen jeder zwischen zwei seitlichen benachbarten Nadeln, d. h. zwischen zwei Randnadeln oder zwischen einer Randnadel und einer Ecknadel, in das Nadelbündel vorspringt. Diese Wülste, die im allgemeinen oder im wesentlichen dreieckförmig im Querschnitt sind, wie sie im Ausführungsbeispiel dargestellt wurden, verengen einen Querschnitt derart, daß die Unterkanäle, die zwischen den Randnadeln und der äußeren Hülse offenbleiben, einen Querschnitt aufweisen, der im allgemeinen gleich dem der Innenkanäle ist.

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Durch eine geeignete Entwurfsausbildung der Ecken der Hülse 14 ist es überdies möglich, zumindest angenähert auch für die Eckunterkanäle der Bedingung Di = 3 Dc zu genügen.

Es wäre möglich, die Hülle aus einem einzigen Bauteil herzustellen, aber dadurch würde der Zusammenbau der Kernbrennstoff-Anordnung kompliziert. Die Hülle 14 greift zwischen die seitlichen Nadeln ein und verhindert jede Längsbewegung des Bündels gegenüber der Hülle. Es wäre infolgedessen notwendig, die Hülle auf dem Nadelbündel selbst zu formen. Um diese Zumutung auszuschließen, die sehr störend sein würde, weil es notwendig werden könnte, unter Strahlenschutz zu arbeiten, wobei außerdem die Hülle geschwächt wird, hat man ein Interesse daran, die Hülle aus mehreren zusammenzubauenden Stücken herzustellen.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Hülle eine dünnwandige äußere Hülse 26 von konstanter Wandstärke und ebenen Wandflächen und die Platten 28, der Anzahl nach 6 (es wäre selbstverständlich auch möglich, nur zwei oder drei Platten zu verwenden, von denen jede mehrere Seitenflächen des Bündels umgibt). Diese Platten haben eine äußere ebene Fläche, die sich an die Innenfläche der dünnwandigen Hülse 26 anlegt, und eine mit rinnenförmigen Ausnehmungen 22 versehene innere Fläche, wobei die Ausnehmungen einen etwa halbzylinsrischen Rinnen-Querschnitt haben. Diese Platten haben jeweils gleiche Form, aber ihre Rinnen-Ausnehmungen sind um 1/6 der Steigung im Sinne einer Längsrichtung versetzt, wenn man von einer Fläche zur folgenden fortschreitet. Die Platten lassen zweckmäßigerweise in den Ecken der Hülse einen Unterkanal offen, der der Bedingung Di = 3 Dc entspricht'.

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Dank der Verwendung derartiger Platten ist die Montage der Kernbrennstoffanordnung sehr vereinfacht % Nachdem das Nadelbündel zusammengefaßt ist, werden die Platten auf seine Seitenflächen aufgelegt und dann die gesamte Baugruppe in die dünne Hülse 26 von sechseckigem Querschnitt eingeschoben, ^v

Die Erfindung ist natürlich nicht auf das spezielle, zu ihrer Erläuterung verwendete Ausführungsbeispiel begrenzt; es dürfte klar sein, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung auch Varianten der gesamten Konstruktion oder von Teilen der Anordnung umfaßt, soweit diese Varianten im Rahmen von Äquivalenten bleiben.

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Claims

Patentansprüche

1.1 Kernbrennstoff-Anordnung mit zumindest einem Bündel von umkleideten Brennstoffnadeln, die nach einem regelmäßigen Netz in einer Hülle angeordnet sind, welche einen Strömungsweg für ein Kühlfluid umgrenzt, und von denen jede Nadel, zumindest auf dem größeren Teil ihrer Länge, ein Abstandselement in Schraubenlinienform trägt, uas den kleinsten Abstand zwischen der Nadel und den ihr benachbarten Nadeln oder der Hülle festlegt, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülle (i4) an ihrer Innenfläche Ausnehmungen (22) aufweist, in die sich die Abstandselemente (12) der seitlichen bzw. äußeren Nadeln (1O) des Bündels teilweise einfügen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (i4) auf ihrer Innenfläche'Längswulste (zk) aufweist, von denen jeder zwischen zwei seitliche, benachbarte Nadeln vorspringt.

3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wülste {2k) einen im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt haben.

k. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen aus Rinnen (22) konkaver Form bestehen, welche sich den Abstandselementen (12) anschmiegen und in Reihen angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rinnen einer gleichen Reihe gleich dem Steigungsmaß der Abstandselement-Schraubenlinie ist.

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5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln (1O) eines gleichen Bündels identische Abstandselemente (12) tragen, die über die gesamte Nadellänge um einen konstanten Wert radial vorspringen.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (12), das von einer Nadel (1O) getragen wird, aus einem schrauben- oder wendelförmig auf diese Nadel aufgewickelten Draht besteht.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einer äußeren dünnwandigen Hülse (26) und Platten (28) besteht, die zwischen dieser Hülse und dem Nadelbündel angeordnet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (28) auf einem Gitter befestigt sind, das die Nadeln (1O) des Bündels trägt oder abstützt.

9. Anordnung nach Anspruch 1, bei dem die Nadeln nach einem Dreiecknetz angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmungen (22) derart bestimmt ist, daß der Kühlfluid-Durchsatz (Db) in einem Unterkanal am Rande der durch zwei Nadeln (1O) und die Hülse (26, 28) begrenzt ist, im wesentlichen gleich dem Durchsatz (Da) in einem inneren Unterkanal ist, der durch drei Nadeln begrenzt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz der Nadeln (1O) ein Dreiecknetz ist und die

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Ausnehmungen (22) auf zwei aneinander anschließenden Innenflächen der Hülse (26, 28) um einen Zwischenbetrag versetzt sind, der einem Sechstel der Steigung der Abstandselemente-Wendel ist.

11. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9» gekennzeichnet durch ihre Anwendung in Reaktoren mit schnellen Neutronen und Kühlung durch flüssiges Natrium.

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