DE2402511A1 - Brennelement fuer schnelle kernreaktoren - Google Patents
Brennelement fuer schnelle kernreaktorenInfo
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- G21C—NUCLEAR REACTORS
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Description
.17.1.1974 Go/Di 24.249.1
INTERATOM
Internationale Atomreaktorbau GmbH 506 Bensberg
Brennelement für schnelle Kernreaktoren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelement für schnelle Kernreaktoren, bestehend aus einem Bündel von
Brennstäben, die mittels mehrerer gitterförmiger Abstandshalter
in einem Hüllkasten angeordnet sind. Diese gitterförmigen Abstandshalter sind unter realistischen Bedingungen in den Hüllkästen weder absolut zentrisch angeordnet
noch absolut starr fixiert. Mit Rücksicht auf das durch die Bestrahlung verursachte Schwellen des Werkstoffes,
die durch die unterschiedlichen Temperaturen bedingten unterschiedlichen Ausdehnungen der Abstandshalter relativ
zum Hüllkasten und um eine Montage auch unter Berücksichtig gung der fertigungstechnisch nun einmal notwendigen Toleranzen
zu ermöglichen, müssen zwischen Abstandshalter und Hüllkasten-Innenwand Abstände, wenn auch geringe, zugestanden
werden, die im Betrieb des Reaktors zu einer unkontrollierbaren exzentrischen Anordnung des Brennstabbündels im Hüllkasten
führen. Aufgrund dieser exzentrischen Lage des Brennstabbündels im Hüllkasten haben die freien Kühlmittelkanäle
zwischen den Brennstäben am äußeren Umfang des Brennstabbündels unterschiedliche freie Querschnitte und führen damit
auch zu unterschiedlichen Austrittstemperaturen..An die im vorliegenden Fäll angesprochenen Leistungskernreaktoren wer-
— 2 —
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'*
den aus Gründen der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit folgende Anforderungen gestellt:
Außer der an sich selbstverständlichen Forderung, daß die Kühlmitteltemperaturen über den
Reaktorquerschnitt möglichst gleichmäßig sein sollen, ist man bestrebt, die in der Praxis;
tatsächlich auftretenden maximalen Temperaturen möglichst in das Innere eines Brennstabbündels
zu verlegen, damit nicht die maximal zulässige Temperatur in einigen wenigen Randkanälen eines
Brennstabbündels gegenüber den vielen Kanälen im Inneren eines Brennstabbündels temperaturbegrenzend
wirkt. Der Temperaturformfaktor, definiert als das Verhältnis von maximaler Aufwärmspanne
im Brennelement zur mittleren Aufwärmspanne im Brennelement soll möglichst klein sein, um
ein gleichmäßiges Temperaturprofil zu erhalten. Die Temperaturdifferenz am Umfang eines Brennstabes
soll möglichst klein sein, um unzulässig große Verbiegungen zu verhindern.
Aus diesen Gründen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die Auswirkungen der praktisch gegebenen exzentrischen Lage auf das thermo-hydraulische Verhalten eines
Bündels von Brennstäben in einem Hüllkasten zu verringern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennelement für schnelle Kernreaktoren vorgeschlagen,-bestehend aus einem Bündel
von Brennstäben, die mittels gitterförmiger Abstandshalter in einem Hüllkasten angeordnet sind, bei dem die
Teilung der Brennstäbe im Randbereich des Stabbündels gegenüber der Teilung im Inneren des Bündels vergrößert ist.
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Bisher wurden die Brennelemente schneller Kernreaktoren mit konstanten Abständen der Brennstäbe voneinander ausgeführt
bzw. geplant. Bei thermischen Reaktoren wurde sogar vorgeschlagen, die Brennstäbe im Randbereich des
Reaktorkerns mit geringeren Abständen -voneinander als im mittleren Bereich anzuordnen, um eine gleichmäßige
Wärmeerzeugung über den Querschnitt zu erreichen. (Siehe NUCLEONICS vom September 1954 auf Seite 42 bis 45).
Auch in der deutschen Auslegeschrift 10 22 710 wird ein Kernreaktor mit festem Moderator und Brennstoffstäben, die
mit Kühlrippen versehen sind, vorgeschlagen, bei dem die Durchmesser der Kühlkanäle nach der Reaktoraußenseite hin
abnehmen.
In der deutschen Auslegeschrift 17 64 478 wird für einen Reaktor, dessen Kühlmittel Moderatoreigenschaft aufweist,
vorgeschlagen, die Hüllkästenwände auf oder in der Nähe von nicht völlig besetzten Gitterlinien verlaufen zu lassen.
Dies entspricht praktisch einer Vergrößerung des Abstandes zwischen den Randbrennstäben benachbarter Brennelemente
und ist insbesondere von Bedeutung für das kernphysikalische Verhalten dieser Randbrennstäbe. Eine Lösung
für die besonderen Probleme aufgrund der exzentrischen Anordnung von Brennstabbündeln in den Hüllkästen schneller
Kernreaktoren wird dort allerdings nicht angegeben.
Die vorliegende Erfindung läßt sich für einen natriumgekühlten schnellen Brutreaktor beispielsweise realisieren,
mit funkenerodierten Abstandshaltern gemäß der deutschen Patentanmeldung P 21 45 509 oder mit aus miteinander verlöteten
Folien hergestellten Abstandshaltern gemäß der deutschen Patentanmeldung P 22 50 148. Nach den bisherigen
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Plänen und Entwürfen wurden die Brennstäbe von natriumgekühlten schnellen Brutreaktoren in hexagonaler Anordnung
mit im Hüllkasten überall konstanter Stabteilung vorgesehen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Stabteilung zwischen den beiden äußeren Reihen eines Brennstabbündels
vergrößert. Die Berechnungen zur Temperaturverteilung in solchen Brennelementen wurden mit folgenden
Daten durchgeführt:
Brennstab;
Anzahl der Brennstäbe 169
Außendurchmesser 0.006 m
Stabteilung konstant 0.0079 m
11 unterschiedlich 0.0079-0,0083 m
(siehe Figur)
Stabrauhigkeit 1.6 . 10 m
beheizte Länge 0,95 m
unbeheizte Länge 1.525 m
Gesamtlänge 2.475 m
Hüllkasten:
Schlüsselweite bei konstanter Stabteilung 0.1044 +_ 0.0003 m
bei unterschiedl. " 0.1053 +_ 0.0003 m
Wandrauhigkeit 6.0 . 10 m
Eckenradius 0.003 m angenommene Exzentrizitäten zwischen
Bündel und Hüllkasten 0,0;0,2;O,4;O,6.10"3 m
(Exzentrizität axial konstant)
Thermohydraulische Daten:
Elementleistung Stableistung Stablängenleistung radialer Formfaktor
axialer Formfaktor Eintrittstemperatur mittlere Austrittstemperatur
Elementdurchsatz Mischrate
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| 5,94 | 15 | O | . 10 | C | kg/ | 6 W | S |
| 35, | O | . 1 | C | /m | O3 W | ||
| 370 | - | 49 | 102 | W/m | |||
| 1,0 | 1 | 1,2 | |||||
| 1,0 | |||||||
| 380 | |||||||
| 580 | |||||||
| 23, | |||||||
| 2 |
Für"alle Rechnungen wurde das Unterkanalanalyse-Programm
CIA, eine abgewandelte Version des Programms COBRA II verwendet. (Siehe COBRA II: A Digital Computer Program
for thermal hydraulic subchannel analysis of rod bundle nuclear fuel element BNWL 1229 Feb. 1970).
Wegen der begrenzten Rechenkapazität wurde nur 1/12 eines
Elementes, ein sogen. "Tortenstück11 berechnet. Um Temperaturverteilungen
über das Bündel zu erhalten, werden zwei gegenüberliegende "Tortenstücke" so angepaßt, daß die mittlere
Aufwärmspanne für das Bündel 200° K beträgt.
Unter Berücksichtigung thermo-hydraulischer Auslegungskriterien
bietet ein Brennelement gemäß der Erfindung folgende Vorteile gegenüber dem bisherigen Brennelement mit konstanter
Stabteilung:
Unter realistischen exzentrischen Lagen des Brennstabbündels im Hüllkasten befindet sich der heißeste
Kühlmittelkanal im Bündelinneren. Unter extremen exzentrischen Lagen befindet sich
der heißeste Kühlmittelkanal am Bündelrand, seine Temperatur ist aber nur um wenige Grad höher als
die des heißesten Kühlmittelkanals im Bündelinneren. Bei allen exzentrischen Lagen ist die maximal auftretende
Temperaturdifferenz am Umfang eines jeden
Brennstabes des Brennstabbündels kleiner.
Die Figur zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines waagerechten Querschnittes durch eine
Ecke eines sechskantigen Brennelementes für einen natriumgekühlten
schnellen Brutreaktor. Dabei wurde die Wand 1 eines sechskantigen, mit abgerundeten Ecken versehenen
Hüllkastens nur durch einen kräftigen Strich angedeutet, während die Brennstäbe 2 durch Kreise dargestellt sind« Um
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die auch in diesem vergrößerten Maßstab kaum erkennbaren aber dennoch sehr wesentlichen Unterschiede in den Abständen
deutlich zu machen, wurden sowohl die Abstände benachbarter Brennstabmxtten als auch die Abstände zwischen Brennstabmitte
und Hüllkasteninnenwand durch Angabe der in Millimetern gemessenen berechneten Abstände bei zentrischer Lage dargestellt.
— 7 —
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Claims (1)
17.1.1974
Go/Di
24.249.1
SCHUTZANSPRUCH
Brennelement für schnelle Kernreaktoren» bestehend aus einem Bündel von Brennstäben, die mittels gitterförmiger
Abstandshalter in einem Hüllkasten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilung der Brennstäbe im Randbereich des Brennstabbündels
gegenüber der Teilung im Inneren des Brennstabbündels vergrößert ist.
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