DE2236494A1

DE2236494A1 - Kernbrennstoffelementanordnung mit nadelbuendeln

Info

Publication number: DE2236494A1
Application number: DE2236494A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Chenal
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-07-29
Filing date: 1972-07-25
Publication date: 1973-02-08
Also published as: GB1343877A; FR2146975B1; FR2146975A1

Description

PATENTANWAI.r

DFI. HANS UURICH MAY __/Q/

D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1a £&0OH V H

TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN TELEFON CO8113 C93682

CP 434/1099 München, 25.JuIi 1972

ι ι., .ι · Dr.M/rt

B 4196.3 PG

Commissariat a I*Energie Atomique in Paris, Frankreich

—irr—ι———

!•rnbrennitoffelementanordnung mit Nadelbündeln.

Di· frfindung betrifft eine lernbrennstofelementanordnung, wie sie gegenwärtig In *it schnellen Neutronen betriebenen und mit flüssigem Natrium gekühlten Kernreaktoren benutzt wird» Bine solche Anordnung enthält mindesten* ein Bündel von langen Mädeln aus umhülltera Kernbrennstoff _t aim parallel sueinander in einem regelmäßigen Neta angeordnet flad» und einen Hantel» der vom Reaktorkühlmittel durchströmt i«t und da· Bündel enthält* Alle Nadeln eines Bündels sind in der Anordnung auf gleicher Höhe durch eine Vorrichtung gehalten« dl« «in «ft Mantel befestigtes Gitter sein kann, welches Schienen trägt, auf die dl« Indstopfen der Nadeln aufgesogen sind· Der Mindestabstand der »adain voneinander ist durch Abstandshalter bestimmt, die alt Spiralen «it großer Ganghöhe um die Nadeln gewickelt sind* Im allgemeinen weist der Mantel einen sechseckigen Querschnitt auf. während die Nadeln eines Bündels in eine* regelmäßigen Dreiecknet* angeordnet sind. ,., . - .■ . ; ._;__; ■ ■':".■ ■■';■:■..■.■

Die ternbrennstuffelementanordnungen des oben definierten Typs, welche hohe Abbrandraten von IQQ OQO MWj/t erreichen sollen* wie sie bei gegenwärtig i* Bau befindlichen oder projektierten Kernreaktoren

BAD ORJGiNAt

vorgesehen sind, mUs*er> die vut^r Bestrahlung auftretende Blähung der den Hantel und die HUlIe der Nadeln bildenden Werkstoffe berücksichtigen. Alle bekannten praktisch verwendbaren Werkstoffe, besonders rostfreier Stahl, blähen sich merklich, wenn der Strahlenfluß einen in solchen Reaktoren bei Vteitem erreichten Wert Übersteigt. Die Blähung der Nadeln und die verschieden starke Blähung des Kanteis und- der Hüllen der Nadeln haben sehr störende Auswirkungen* Besonders fUhxt die Blähung der Nadeln dazu» das Bündel radial aussudehhen, nachdem die Nadeln mit ihren Abstandshaltern in Berührung gekommen sind. Venn sich nun der Mantel nicht entsprechend ausdehnt, kOnnen mechanische Spannungen infolge des Drucks des Bündels gegen den Mantel auftreten, wobei jedoch ein solcher Andruck erforderlich ist» um vor der Aufblähung Vibrationen der Nadeln und den Eursschluß der Ttilkanäle des Kühlmittelstroas Üurch das Spiel wischen den äußeren nadeln und dem Mantel zu vermeiden» wodurch die äußeren Nadeln bu stark gekühlt und sich verbiegen würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe augrunde, eine Kernbrennstoffelementanordnung zu schaffen» welche diese Nachteile beseitigt oder wenigstens veitgehend verringert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Kernbrennstoff-

element der oben angegebenen Art erfindungsgemäß ein fegen den Mantel angedrücktes Blech vorgesehen ist. das mit tu den nadeln nicht parallelen Kippenprägungen versehen ist, welch· den Mindestabstand swischen den Auöennadeln und de» Mantel festlegen·

Gfit Tiefe der Bippen kann entweder so gewählt sein« daü das Bündel im neuen Zustand, vor der Inbetriebnahme,kos$**t₍ de» heifit «it allen seinen Abstandshaltern in Berührung gehalten ist, oder so, dad erst nach einer merklichen Blähung die Berührung der Abstandshalter «ad eine sunehmende Stauchung der lippen eintreten.

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BAD OFUGlNAL

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Das gleiche Blech kann sämtliche Flächen des Hanteis abdecken, jedoch ist es oft vorteilhaft, gesonderte Platten zu verwenden, die ijeweils eine der Flächen abdecken, beispielsweise sechs Platten, wenn der Mantel einen sechseckigen Querschnitt aufweist*

Die Rippenprägungen können verschiedene Formen aufweisen. Sie können insbesondere einen halbkreisförmigen oder halbelliptischen Querschnitt aufweisen oder aus einfachen Falten mit scharfen Winkeln bestehen. Aucft ihre Richtung kann sehr verschieden sein. Die Rippenprägungen können sich quer, jedoch auch schräg zu den Nadeln erstrecken, wobei die Neigung zur Achse jedoch groß genug sein muß, *daß mindestens einige der Rippen gegen mehrere Außennadeln drücken. A**s- 4em gleichen Grund wird für die schrägen Rippenprägungen-vorteilhafterweise eine Neigung entgegengesetzt zu der Neigung der Abstandshalter in der Berührungszone gewählt.

Das Blech ist vorteilhafterweise mit Löchern versehen, damit das Kühlmittel frei in den Rippen strömen kann und das Blech verformendende Druckkräfte vermieden werden. Diese Löcher können sehr verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise in - regelndeigen Abständen in den Rippen gebohrte Löcher, Unterbrechungen der Rippen an einigen Stellen, Sägeschnitte, welche die Rippen durchschneiden·

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung zweier verschiedener Ausführungsformen einer solchen Kernbrennstoffelementanordnung für einen mit schnellen Neutronen betriebenen Kernreaktor» Die Ausführungsforaen sind nur als Beispiel angegeben. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig» ι ichematisch einen Teil eines Schnitts durch die Kernbrennstoff eleitentanordnung gemäß einer zu ihrer Achse senkrechten EbeneJ

Die Figuren 2 und 3 schematisch den Aufriß von mit Rippen geprägten Blechen zur Verwendung in der Anordnung der Fig. 1;

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Fig. 4 ähnlich Fig. Ί eine abgewandelt* Ausführungsform.

Die in Fig. 1 schematisch im Querschnitt gezeigte Cernbrennstoffelementanordnung veist einen im ganzen klassischen Aufbau auf. Sie enthält ein Bündel von Kernbrennstoffnadeln 10 (im allgemeinen Uran- und/oder Plutoniumoxid), die mit einer Hülle aus rostfreiem Stahl Überzogen sind. Die Nadeln 10 sind in einem regelmäßigen Dreiecknetz in einem Mantel 12 mit sechseckigem Querschnitt angeordnet» der einen Kanal für den Kühlmittelstrom, im allgemeinen flüssiges Na-

nictf trium, umgrenzt. Die Nadeln 10 sind von einem in Fig. 1 /sichtbaren, am Mantel 12 befestigten Haltegitter gehalten. Der Mindestabstand der Nadeln des Bündels untereinander ist durch eine Einrichtung festgelegt, die für jede der Nadeln 10 einen Abstandshalter 14 aufweist, der aus einem spiralförmig um die Nadel gewickelten Draht besteht. Jeder Draht 14 ist an den in Fig. 1 nicht sichtbaren Bndstopfen der Nadel befestigt, und der Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Nadeln entspricht der Berührung des Drahtes 14 der Nadel mit der Nachbarnadel.

Zwischen den Randnadeln 10 des Bündels und dem Mantel 12 ist ein Andruckblech 16 angeordnet* Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform besteht das Blech aus sechs dünnen Platten, die jede gegen eine Innenfläche des Mantels 12 anliegen. Die Platten sind durch das nicht gezeigte Gitter, welches auch die Nadeln 10 hält, gehalten. Jede Blechplatte 16 weist parallele halbzylindrische Kippenprägungen 18 auf, die zur Achse der Anordnung so geneigt sind* daß sich mindestens einige der Rippen 18 gegenüber allen Randnadeln befinden, die den Kanälen zugewandt sind* In den Sippenprägungen sind in gleichmäßigen Abständen Löcher 20 gebohrt, damit da· Kühlmittel zwischen dem Innenraum der Prägungen und den von Blech 16 begrenzten Raum strömen kann und die Drücke sich beiderseits des Blechs 16 ausgleichen können. Man vermeidet so das Auftreten von

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Iräften, welche in Richtung auJr ein Zurüokdrücken der Prägungen wirken* .

Bei der in Fig· 1 gezeigten Ausführungsform springen die Rippen 18 ao weit vor, daß das Nadelbündel 10 eingespannt ist. Eine solche Ausführungsform verhindert maxiTial die. Vibrationen der Nadeln. Dagegen zeigt sie den Nachteil eines beginnenden Eindrüclcens der Rippen« sobald eine verschieden starke Blähung der Nadeln und des Mantels beginnt. Das Blech 16 muß also aus einem Werkstoff bestehen, der unter Bestrahlung einen besonders hohen Verformungsgrad vor dem B.ruch ermöglicht.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Blech verlaufen die Rippenprägungen 18 schräg zur Achse der Anordnung. Man kann auch ein Blech 16a des in Fig. 3 gezeigten Typs verwenden, bei dem die Rippenprägungen 18a -senkrecht zur Achse verlaufen und ebenfalls Löcher 20a aufweisen. Dieser Fall bietet im allgemeinen den Vorteil, daß die Rippenprängungen 18a bei jeder Blechplatte 16a in der gleichen Höhe liegen, sodaß sie eine Reihe von Ringen bilden und für jede Ganghöhe der Wicklung des Abstandshalterdrahtes sechs Rippen vorgesehen sind, damit der Andruck der Abstandshalter auf den sechs Seiten befriedigend ist.

Das Blech 16 oder 16a zwingt dem Kühlmittel strom in den. Teilkanälen am Rande erhebliche Einschnürungen undErweiterungen beim Übergang über die Rippen auf · Zahl wa4 Größe der Sippea werden vorteilh'after- weiie so gewählt, daß die am Rande liegenden ._#Teilfcanäle ©inen solchen Druckverlust aufweisen, daB das Verhältnis zwischen dem in- : strömenden Durchfluß

%inem inneren Teilkanal und in eine® am laade liegenden Teilkanal/ dem Verhältnis der an diese Teilkaaäle abgegebenen Wärmefltisse entspricht. Anders gesagt siwd Zahl rniu GröBe der RippeäprägimgeE 1.8 oder 18a vorteilhafterweise so gewählt ₉ daß die Proportionalitäts -

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bedingungen erfüllt sind, die in der ersten Zusatz-Patentanmeldung Nr. EN 7041793 zumfranzösischen Patent Nr. BN 6943162 vom 12. December 1969 des Anmelders angegeben und in dieser Zusatsanmeldung durch andere Mittel erfüllt werden.

Als Beispiel sei bemerkt» daß eine Kernbrennstoffelementanordnung mit hexagonalem Mantel, welche Nadeln von 6,6 mm Durchmesser enthielt, mit einem Blech aus rostfreiem Stahl von 0,3 ram Dicke mit 2 mm vorstehenden Rippenprägungen ausgerüstet wurde.

Die Rippenprägungen können sehr verschiedene Formen aufweisen. Statt eines gebogenen Querschnitts, wie im Fall der Figuren 1 und 2, Jcönnen sie auch eine Winkelform zeigender in Fig. 4 gezeigten jtstsftftirungsform, wo die entsprechenden Teile die gleiche Bezugszahl wie in Fig. 1» jedoch mit dem Index b) tragen,bestehen die Rippenprägungen aus scharfkantigen Falten.

Die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Bleche sind über ihre ganze Länge mit Rippenprägungen versehen« Da jedoch die Blähung vor allem in der Höhe des mit spaltbarem Material gefüllten Teil der Nadeln auftritt, wo der Fluß am stärksten ist, kann es vorteilhaft sein, das Blech nur über eine Länge zu falten, welche der vom spaltbaren Material eingenommen entspricht. Die seitlichen Abschnitte des Blechs stromaufwärts und stromabwärts vom gefalteten Teil können dann eine größere Wandstärke haben und sich gegen die Abstandshalter der seitlichen Nadeln abstützen ,.Diese Ausbildung ist besonders vorteilhaft, wenn die Nadeln "integriert·· sind, das heißt außer dem spaltbaren Material eine Säule von Tabletten von Brutmaterial enthalten.

Außerdem können die für den Druckausgleich beiderseits des Bleches bestimmten Bohrungen von den in Fig* 2 und 3 gezeigten Bohrungen verschieden sein. Sie können aus mehr oder weniger langen und auch,

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,; ■- ⁷ - , 223ΒΑ9Α

besonders venn die Xippcnprägungen eie in Fig. 4 gezeigte Form haben, aus Sägeschnitten bestehen* welche die Falten an einigen Stellen unterbrechen.

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Claims

Patent ansprüche

f\j Cernbrennstoffelementanordnung, welche mindestens ein Bündel länglicher umhüllter Kernbrennstoffnadeln in einem regelmäßigen Netz in einem Mantel angeordnet enthält, der einen von einem Kühlmittel durchströmten Kanal begrenzt, wobei der Mindestabstand zwischen jeder Nadel und den benachbarten Nadeln durch einen von den Nadeln Über mindestens den größeren Teil ihrer Länge getragenen spiralförmigen Abstandshalter festgelegt ist, gekennzeichnet durch ein gegen den Mantel (12) anliegendes Blech (16), das mit zu den Nadeln (10) nicht parallelerpippenprägungen (18) versehen ist, welche den Mindestabstand zwischen den außen liegenden Nadeln und dem Mantel festlegen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadeln eines Bündels und das mit dem Bündel zusammenwirkende Blech von einem am Mantel befestigten Gitter gehalten sind.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (16) mit in den Rippenprägungen (18) regelmäßig verteilten Löchern (20) versehen ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem mehreckigen Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Seite des Mantels (12) das Blech (16) als eine gesonderte Platte ausgebildet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenprägungen (18) einen halbkreisförmigen oder halbelliptischen Querschnitt aufweisen.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis'4, dadurch gekennzeichnet» daß die Rippenprägungen von scharfkantigen Falten (18) des Bleches gebildet werden»

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7. Anordnung nach einem der A*)sp;oüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet» daß die Rippenprägungen senkrecht zu den Nadeln verlaufen.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, <laß die Rippenprägungen (18) derart vorspringen, daß die Durchflußmenge des Kühlmittels in den äußeren Teilkanälen dem von den benachbarten außen liegenden Nadeln empfangenen Wärmefluß proportional ist. ' < Λ -
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (16) nur Über einen Teil seiner Länge, der dem mit Spaltmaterial gefüllten Teil des Bündels gegenüberliegt, mit Rippenprägungen versehen ist«
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit Rippenprägungen versehene Teil des Bleches eine größere Dicke als der mit Prägungen versehene Teil aufweist.

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