DE2303992A1 - Brennstoffstab fuer einen mit fluessigem metall gekuehlten schnellen brutreaktor - Google Patents

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C, USA

Brennstoffstab für einen mit flüssigem Metall gekühlten schnellen Brutreaktor.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffstab für einen mit flüssigem Metall gekühlten schnellen Brutreaktor.

Bevor mit flüssigem Metall gekühlte schnelle Brutreaktoren kommerziell verwendbar sind, muß nicht nur sicher sein, daß kein Unfall ein Freisetzen von Radioaktivität bewirkt, sondern es muß auch sichergestellt sein, daß verhältnismäßig kleine Reaktivitätshinzufügungen oder Leistungsanstiege den Reaktor nicht für eine längere Zeit außer Betrieb setzen. Ein Brennstoffelement für einen schnellen Brutreaktor muß daher die Folgen von Brennstoffelementausfällen oder von über der Leistungsgrenze liegenden vorübergehenden Vorgängen (transiente Vorgänge) ausschließen. Ernste Unfälle infolge erhöhter Reaktivität können dadurch abgeschwächt werden, daß man den Brennstoff axial von der Coremittelebene wegführt. Es wurde gezeigt, daß die Übergangsenergie, die erforderlich ist, um einen bestrahlten Oxydbrennstoffstab zum Ausfall zu

309831/0B53

bringen, dadurch beträchtlich vergrößert werden kann, daß der Brennstoffstab einen Volumenanstieg des geschmolzenen Brennstoffs aufnimmt und eine Innendruckentlastung vorsieht. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man einen ringförmigen Mantel oberhalb des Brennstoffs vorsieht. Vergleiche zu diesem Zweck den Report Nr. GEAP-13543 von T. Hikido und J. H. Field. Dieser Report kann bei folgender Stelle erhalten werden: Clearing House for Federal Scientific and Technical Information, National Bureau of Standards, U.S. Department of Commerce, Springfield, Virginia (USA).

Die Bewegung des Brennstoffs axial innerhalb des Brennstoffstabes, bringt nicht nur eine Druckentlastung, welche den Ausfall des .Brennstoffstabes infolge der radialen Ausdehnung des Brennstoffs zur Folge haben kann, sondern vermindert auch die Reaktivität, da der Brennstoff von einer Hochwertstellung im Reaktorcore zu einer Stellung mit niedrigerem Wert sich bewegt. Das Schmelzen des Brennstoffs mit der darauffolgenden Axialbewegung bewirkt somit auf inhärente Weise eine Reduktion der Reaktivität. Nachdem der geschmolzene Brennstoff jedoch axial nach oben in den oberen Mantel bewegt wurde, könnte er sodann infolge der Schwerkraft wieder zurück in eine Hochwertstellung im Reaktor fallen, was ein Ansteigen der Reaktivität zur Folge hätte. Ein solcher Anstieg kann natürlich nicht hingenommen werden.

Die Erfindung bezweckt die Ausbildung eines Brennstoffstabes derart, daß die Folgen von Übergangsvorgängen oberhalb der Leistungsgrenze oder von Brennstoffstabausfällen ausgeschlossen oder abgeschwächt werden. Ferner soll der Brennstoffstab so ausgebildet sein, daß sich beim Schmelzen des Brennstoffs eine irreversible Brennstoffbewegung ergibt. Ferner sieht die Erfindung einen Brennstoffstab vor, der Mittel zur Erhöhung der Axialbewegung des geschmolzenen Brennstoffs und zur Verhinderung des Wiedereintretens des geschmolzenen Brennstoffs in die Corezone aufweist, wenn zusätzliche Reaktivität oder ein Leistungsanstieg das Schmelzen des Brennstoffs bewirkt. .

309831/0553

Demgemäß sieht die Erfindung Mittel zur Erhöhung der Axialbewegung des geschmolzenen Brennstoffs und zur Verhinderung des Wiedereintretens des geschmolzenen Brennstoffs in die Brennstoffzone bei einem Brennstoffstab vor, der einen ringförmigen oberen Mantel aufweist. Diese Mittel weisen dabei eine konische Düse auf, deren Nase nach oben weist; die Düse bewirkt, daß der geschmolzene Brennstoff nach oben in den Mantel hineingedrückt wird, wenn ein Unfall auftritt, wobei der geschmolzene Brennstoff dann aufgefangen wird, wenn er zurück in den Brennstoffstab fallen sollte. Ferner sieht die Erfindung ein Traggitter für den Ringmantel vor, in welches die Nase der konischen Düse hineingeschweißt ist; dieses Drahtgitter ist am oberen Ende der konischen Düse vorgesehen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten .der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Äusführungsbeispiels an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Brennstoffstabes für einen Kernreaktor der schnellen Brüterbauart;

Fig. 2 einen Vertikalquerschnitt eines Teils des Stabs, in dem eine Vorrichtung angeordnet ist, um die Axialbewegung des geschmolzenen Brennstoffs zu erhöhen und um zu gewährleisten, daß die Bewegung nicht umkehrbar ist;

Fig. 3 einen Horizontalquerschnitt längs der Linie 3—3 in Fig. 2;

Fig. 4 einen Teilquerschnitt längs der Linie 4—4 der Fig.3.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist ein Brennstoffstab für einen schnellen Brutreaktor eine Brennstoffzone 10, einen unteren Mantel 11, einen oberen Mantel 12, ein Plenum 13 und eine Isolator-

-309831/0553

zone 14 auf, wobei noch eine obere Endkappe 15 und ein unterer Endstopfen 16 hinzukommt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine konische Düse 17 zwischen dem oberen Mantel 12 und der Brennstoffzone 10 eingeschlossen? dieses Merkmal wird im folgenden in Verbindung mit den Figuren 2, 3 und 4 beschrieben.

Im einzelnen weist der Brennstoffstab ein Hüllrohr 18 auf, welches eine Vielzahl, die Brennstoffzone 10 bildender Festkeramik-Brennstoffpellets 19 und eine Vielzahl ringförmiger Keramikmantelpellets 20 umschließt, welche zusätzlich zum unteren Mantel 11 den oberen Mantel 12 bilden. Die konische Düse 17 ist zwischen der Brennstoffzone 10 und dem oberen Mantel 12 angeordnet und weist eine Nase. 21 auf, die in die Mittelöffnung einer Gitterplatte 22 hineingeschweißt ist. Die Gitterplatte 22 erstreckt sich vollständig über das Hüllrohr 18 und dient zur Halterung des oberen Mantels 12. Man erkennt, daß die Gitterplatte 22 zur Aufnahme der konischen Düse etwas deformiert ist. Das untere, weitere Ende der konischen Düse 17 stößt an das Hüllrohr 18 an, um eine Tasche 23 zwischen der konischen Düse und dem Hüllrohr auszubilden. Eine Abschrägung 24 ist vorgesehen, um Axialöffnung 25 im untersten Pellet 20 des oberen Mantels zu vergrößern,/ um Tasche 23 für die Axialöffnung in den Pellets des oberen Mantels zu öffnen.

Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Hüllrohr aus rostfreiem Stahl von 0,25 Zoll (0,25 χ 2,54 cm) im Durchmesser gebildet, wobei die Brennstoffzone 10 36 Zoll (36 χ 2,54 cm)/,¹^: untere Mantel 11 12 Zoll (12 χ 2,54 cm) lang, der obere Mantel 12 12 Zoll (12 χ 2,54 cm) lang und die Axialöffnung 25 darin 0,070 Zoll (0,070 χ 2,54 cm) im Durchmesser ist, während das Plenum 13 3 Fuß (3 χ 30,5 cm) lang und die Isolatorzone 14 0,5 Zoll (0,5 χ 2,54 cm) lang ist, und die konische Düse 17 aus rostfreiem Stahl besteht und eine Länge von 3 Zoll (3 χ 2,54 cm) besitzt. Das untere Ende der Düse 17 paßt mit Gleitpassung in das Hüllrohr 18, wobei der Durchmesser der Nase 0,070 Zoll (0,070 χ 2,54 cm) beträgt, während die darin befindliche öffnung einen Durchmesser von 0,040 Zoll

309831/0553

(0,040 χ 2,54 cm) aufweist. Zudem besteht die Gitterplatte 22 aus zwei parallel verlaufenden, aus rostfreiem Stahl bestehenden Platten, die rechtwinklig zu zwei anderen parallelen, aus rostfreiem Stahl bestehenden Platten angeordnet sind. Die Platten haben eine Dicke von 0,015 Zoll (0,015 χ 2,54 cm) und besitzen eine Höhe von 0,062 Zoll (0,062 χ 2,54 cm), wobei der Abstand zwischen den Platten 0,062 Zoll (0,062 χ 2,54 cm) beträgt. Schließlich ist das verwendete Brennstoffmaterial ein Gemisch aus UO₂-PuO₂ und das Mantelmaterial ist verarmtes

Die Brennstoffstäbe der oben beschriebenen Bauart können an bestimmten ausgewählten Stellen innerhalb eines schnellen Reaktorcores angeordnet sein, oder aber sämtliche Brennstoffstäbe können auf diese Weise ausgebildet sein. Eine detaillierte Analyse ist für jeden Reaktor erforderlich, um die optimale Anordnung dieser Brennstoffstäbe zu bestimmen. Der hier beschriebene Brennstoffstab ist speziell für einen mit flüssigem Metall gekühlten Reaktor konstruiert; jedoch kann die hier beschriebene Erfindung auch gleich gut bei Brennstoffstäben für gasgekühlte Reaktoren verwendet werden.

Wie in dem oben erwähnten Bericht hervorgehoben ist, hat die plötzliche Freigabe von Spaltgasen während eines Übergangsvorgangs (eines transienten Vorgangs) das Schmelzen des Brennstoffs zur Folge, was die Innendrücke auf wesentliche Werte ansteigen läßt und eine wesentliche Druckkraft erzeugt, um den Brennstoff zu verlagern und zu verteilen. Wenn somit der Brennstoff in einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Brennstoffstab schmilzt, wird der Brennstoff nach oben durch die konische Düse 17 in die Mittelöffnung im Ringmantel 12 ausgestoßen, wobei der vom geschmolzenen Brennstoff durchlaufene Abstand größer ist als dies der Fall wäre, wenn keine Düse vorhanden ist. Zudem hat der offene Aufbau des Gitters 18 und die kleine öffnung in der Nase der konischen Düse 17 zur Folge, daß in der zwischen der konischen Düse und dem Hüllrohr 18 gebildeten Tasche 23 ein wesentlicher Anteil jedweden geschmolzenen Brennstoffs aufgefangen wird, der darauffolgend aus dem Ringmantel heraus nach unten fließt. Das Einfangen des

309831 /0553

Brennstoffs verhindert somit, daß der Brennstoff wieder in die Brennstoffzone eintritt und einen Reaktivitätsanstieg verursacht. Das Vorsehen einer konischen Düse gemäß der Erfindung gewährleistet also, daß die Brennstoffbewegung schnell vor sich geht, daß der Brennstoff eine wesentliche Strecke durchläuft, und daß diese Bewegung irreversibel ist.

309831/0553

Claims (3)

1. Patentansprüche

   Θ Brennstoffstab für einen mit flüssigem Metall gekühlten schnellen Brutreaktor mit einem Hüllrohr, einer Vielzahl keramischer Brennstoffpellets, die eine in dem Hüllrohr angeordnete 'Brennstoffzone bilden, mit einer Vielzahl ringförmiger keramischer Mantelpellets, die einen oberen Mantel bilden, der in dem Hüllrohr oberhalb der Brennstoffzone angeordnet ist, und mit einer den oberen Mantel tragenden Gitterplatte, gekennzeichnet durch

   eine konische Düse, deren Nase in die Gitterplatte (22) eingeschweißt ist, die zwischen der Brennstoffzone (10) und dem oberen Mantel (12) angeordnet ist und auf den Brennstoffpellets aufliegt, wobei die konische Düse die Axialbewegung des Brennstoffs erhöht und eine Rückkehrbewegung des Brennstoffs verhindert, wenn der Brennstoff infolge eines Reaktivitätseinsatzes oder Leistungsanstiegs schmilzt.
2. 2. Brennstoffstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Brennstoff UO₂-PuO., und die Mantelpellets verarmtes UO₂ sind.
3. 3. Brennstoffstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (18) aus rostfreiem Stahl von 0,25 Zoll Durchmesser besteht, daß die konische Düse aus rostfreiem Stahl besteht und 3 Zoll lang ist, daß der Außendurchmesser der Nase 0,070 Zoll und die darin ausgebildete öffnung 0,040 Zoll im Durchmesser beträgt, daß die Mittelöffnung im Ringmantel 0,070 Zoll im Durchmesser ist, und daß die Innenkante des untersten Mantelpellets abgeschrägt ist (24) , um die öffnung zu vergrößern.

   30983 1/0553

   Leerseite