DE2449597C3 - Brennstab für fliissigmetallgekühlte Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstab mit nichtbenetzender Oberfläche für flüssigmetallgekühlte Kernreaktoren.

Bei Kernreaktoren, deren Brennstäbe mit Flüssigmetallen, bevorzugt mit Natrium, gekühlt weiden, besteht wegen der ungleichmäßigen Wärmestromverteilung auf der Brennstaboberfläche die Möglichkeit der örtlichen Erwärmung des Kühlmineis auf Siedetemperatur und damit die Gefahr des Siedeverzuges. Bei diesem unkontrollierbaren Einsetzen des Siedens führt die in der überhitzten Flüssigkeit gespeicherte Wärme zur schlagartigen Verdampfung von Kühlmittel, wobei der Dampf ein bis zu 2000 mal größeres Volumen einnehmen kann als das des flüssigen Natriums. Die Folge im Kernreaktor ist, daß zumindest aus den Kühlkanälen der näheren Heißstellenumgebung die Kühlflüssigkeit explosionsartig verdrängt wird und die thermisch hochbelasteten Heizflächen (Größenordnung 200 bis 400 W/c.n²) durchbrennen. Diese Erscheinung führt neben einer Schädigung des Reaktorkerns zu einer erheblichen Beeinträchtigung des Stabilitätverhaltens im Reaktor und kann im katastrophalsten Fall zur nuklearen Explosion im Kühlkreislauf führen. Um schwerwiegende Reaktorstörungen auszuschließen, ist eine zuverlässige Unterdrückung des Siedeverzuges im Kühlmittel erforderlich. Bei der Verwendung nichtbenetzender Edelstahlrohre, mit z. B. nitrierter Oberfläche, als Brennstabhülle wird zwar der Siedeverzug von Flüssigmetallen vermieden, es werden aber beim Reaktorkühlmittel Natrium schon weit unterhalb der Siedetemperatur und bei relativ niederen, in der Praxis nicht ausreichenden Heizratendichten (50 bis 70 W/cm²) auf der gleichmäßig beheizten Hüllrohroberfläche überhitzte Flecken (hot spot) beobachtet, die unabhängig vom Siedeverzug zum Schmelzen der Brennstabhülle führen. Diese Störung des Wärmeübergangs wird nur an nichtbenetzenden Oberflächen beobachiet und tritt bei vollkommen fiüssigmetallbenetzten Oberflächen nicht in Erscheinung.

Um die Heizflächenbelastbarkeit von Brennstäben zu erhöhen, wurde bereits bekannt (brit. PS 9 80 395), die Hüllrohroberfläche von Brennstäben mit einer Drahtwendel zu versehen. Diese Maßnahme erbringt im allgemeinen eine relativ niedrige Steigerung der Heizflächenbclastbarkeit durch Vergrößerung der wärmeabgabefä'higen Oberfläche eines Hüllrohres, ohne aber der Bildung überhitzter Flächen entscheidend entgegenzuwirken.

Es besteht also die Aufgabe, einen nichtbenetzenden Brennstab so auszubilden, daß seine Heizflächenbelastung erheblich gesteigert ist und im Reaktorbetrieb die Bildung von Dampfblasen und örtlich überhitzten Flecken an den Brennstäben mit Sicherheit vermieden ist.

An einem Brennstab mit nichtbenetzender Hüllrohroberfläche für flüssigmetallgekühlte Kernreaktoren ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise auf der ganzen thermisch aktiven Länge seines Hüllrohres eine benetzende Drahtwendel aufgebracht ist, und daß der Windungsabstand der Drahtwendel Vi₀ ihres Drahtdurchmessers beträgt.

In Weiterbildung der Erfindung besteht die Drahtwendel aus einem reaktorverträglichem Edelstahldraht mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,5 mm, der unter Vorspannung auf die Hüllrohroberfläche aufgebracht ist und durch Diffusionsschweißung oder -Lötung mit dem Hüllrohr des Brennstabes verbunden ist.

Die durch diese spezielle Ausbildung und Anordnung einer Drahtwendel sich ergebenden Vorteile sind nachfolgend ausführlich anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung in der F i g. 1 einen Brennstab mit einer im Bezug auf den Stab stark vergrößert dargestellten Drahtwendel und in der Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Brennstabhülle mit der oberflächlich angeordneten Drahtwendel bei verzugsfrei beginnender Dampfblasenbildung (Überschreitung der Siedetemperatur des Kühlmittels an einer Heißstelle der Hüllrohroberfläche).

Der in Fig. 1 dargestellte Brennstab 1 für einen mit Flüssigmetall gekühlten Kernreaktor hat ein Hüllrohr mit einer Oberfläche, die vom heißen Natrium nicht benetzt wird, beispielsweise ein Edelstahlrohr mit aufniirierter Außenwandung. Über die gesamte thermisch aktive Länge A des Brennstabes 1 ist auf diesen eine Drahtwendel 3 angeordnet, die vom heißen Natrium vollkommen benetzt wird.

Die Drahtwendel 3 wird vorzugsweise aus reaktorverträglichem Edelstahldraht mit einem Durchmesser (d) von 0,05 bis 0,5 mm unter Einhaltung eines Windungsabstandes (a) von angenähert Vi₀ des Drahtdurchmessers gefertigt und durch Diffusionsschweißung mit dem Brennstab-Hüllrohr verbunden.

Wie die Ursachen des Durchbrennens (burn out) — Siedeverzug oder überhitzte Flächen (hot spots) — bei dem beschriebenen Brennstah vermieden werden, ist nachfolgend ausgeführt.

Fig.2 zeigt den Ausschnitt der Heißstelle eines Brennstabes mit ungleichmäßiger Wärmestromverteilung zum Zeitpunkt, an dem an dieser Stelle der Hüllrohroberfläche die Siedetemperatur des heißen Natriums überschritten wird.

Das a'is Edelstahl gefertigte Hüllrohr 2 weist an seiner äußeren, dem Kühlmittel 5 zugewandten Oberfläche eine präparierte Schicht 4 auf, die von heißem Natrium nicht benetzt wird. Auf dieser Schicht 4 sind unier Vorspannung die Windungen VVi bis IVB eines Edelstahldrahtes 3, der von heißem Natrium vollkommen benetzt wird, angebracht. Der erforderliche gute thermische Kontakt und die mechanische Haftung der Windungen auf der Schicht 4 wird durch eine mittels Diffusionsschweißung gebildeten Schweiß-

naht 6 erreicht. Die präparierte, nichtbenetzende Schicht 4 kann durch Aufnitrierung des glatten Hüllrohres 2 gebildet sein. Sie wird durch die Drahtwendel 3 vor einer möglichen Abtragung durch das an der Oberfläche tangential vorbeiströmende heiße s Natrium 5 geschützt.

Zwischen den Windungen Wl bis WB ist ein wendeiförmiger Hinterschneidungskanal 7 gebildet, der mit flüssigem Natrium angefüllt bleibt, solange an der Hüllrohroberfläche nicht die Siedetemperatur des Natriums überschritten wird. Dieser Zustand entspricht dem störungsfreien idealen Reaktorbetrieb, wobei an keiner Stelle im Kühlmittelkreislauf Dampfblasenbildung auftritt. Dadurch, daß sich der Kanal 7 von der glatten nitrierten Oberfläche des Brennstab-Hüllrohres ausgehend in Richtung Kühlkanal verengt, ist an der glatten Wand mit Hilfe von benetztender Drahtwendel 3 und nichtbenetzender Schicht 4 ein auf der gesamten thermisch aktiven Hüllrohroberfläche wirksam werdender permanenter Blasenkeim geschaffen. Dieser permanente Blasenkeim wird von Flüssigmetallen, insbesondere von Natrium bei Überschreiten der Siedetemperatur an beliebiger Stelle der Hüllrohroberfläche ohne Siedeverzug aktiviert. Damit wird das Freiblasen von Kühlflächen mit Sicherheit vermieden.

Der Vorgang des verzugfreien Siedens, d.h. die verzugfreie Aktivierung des Blasenkeims (Dampfreservoir) im Hinterschneidungskanal 7 an einer dafür krtischen Heißstelle des thermisch aktiven Brennstab-Hüllrohres ist ebenfalls in F i g. 2 dargestellt. Zwischen den Windungen Wl und Wi bis WS und WB wird dieser Vorgang, d. h. die Entstehung und das Anwachsen der sich ohne Siedeverzug bildenden Dampfblase im Hinterschneidungskanal 7 idealisiert gezeigt.

Ist im Bereich einer llcißstelle der Hinterschneidungskanal 7 mit Dampf gefüllt, so bildet sich aufgrund der hohen Oberflächenspannung des heißen Natriums und der vollkommenen Benetzung der Drahtwendel durch das Natrium eine neue Phasengrenze (Dampf-Flüssigkeit) in Form eines gekrümmten Flüssigkeilsmeniskus im engsten freien Querschnitt der Drahtwendel 3 aus. An dieser gekrümmten Phasengrenze stellt sich örtlich begrenzt ein anderer Wärmeübergangsmechanismus (Wärmeabfuhr durch Dampfblasenbildung) ein, dessen thermisches Gleichgewicht durch die Blasengröße, d. h. durch den Windungsabstand (u)der Drahtwendel beeinflußt wird. Die örtlich begrenzte stationäre Dampfblasenbildung, von sogenannten Heißstellen ausgehend, führt wegen des effektiven Wärmeübergangs an keiner Minderung der Betriebssicherheit und des Betriebsverhaltens im flüssigmetallgefüllten Kernreaktor, da die Dampfblasen von der tangential vorbeiströmenden unterkühlen Flüssigkeit mitgerissen werden und im Kühlkanal wieder auskondensieren.

Gegenüber bekannten Brennstäben ist eine erhöhte Heizflächenbelastung bei erhöhter Sicherheit zulässig, wozu ferner die günstige Heizflächenvergrößerung mit Hilfe der Drahtwendel beiträgt. Zusätzlich verfügt der neue Brennstab durch die benetzende Drahtwendel über eine saugfähige Kapillarstruktur, so daß bei Kühlkanalvcrstopfungen oder Förderpumpenausfall mittels Dünnschichtverdampfung die Wärme von der Hüllrohr-Oberfläche abgeführt werden kann. Durch seine einfache Bauart ist der beschriebene Brennstab auch hinsichtlich seiner Herstellungskosten anderen Brennstäben mit komplizierter Profilgebung als permanente Blasenkeime bzw. als Notkühlstruktur überlegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Srennstab mit nichtbenetzender Hüllrohroberfläche für flüssigmetallgekühlte Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise auf der ganzen thermisch aktiven Länge seines Hüllrohres (2) eine benetzende Drahtwendel (3) aufgebracht ist, und daß der Windungsabstand (a) der Drahtwendel (3) '/io ihres Drahtdurchmessers /^beträgt.

2. Brennstab nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß für die Drahtwendel (3) ein Draht aus Edelstahl mit einem Durchmesser (d) von 0,05 bis 0,5 mm verwendet ist. '5

3. Brennstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwendel (3) mit Vorspannung aufgebracht und durch Diffuisonsschweißung oder Lötung: mit dem Hüllrohr(2)des Brennstabes(I) verbunden ist.