DE2551896A1 - Verfahren zum gleichmaessigen zuenden einer langgestreckten zuendmasse, sowie brennstab zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

GESELLSCHAFT FÜR KERN- 75 Karlsruhe, den 13.11.1975

FORSCHUNG MBH PLA 7562 Sdt/jd

Verfahren zum gleichmäßigen Zünden einer langgestreckten Zündmasse, sowie Brennstab zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichmäßigen Zünden
einer langgestreckten, in einem Rohr befindlichen Zündmasse in radialer sowie in axialer Richtung mittels eines elektrisch ber heizten Leiters. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Brennstab zur thermischen Simulation von schmelzenden Kernreaktor-Brennelementen für hohe spezifische Leistung unter Anwendung dieses Verfahrens, bestehend aus einem Hüllrohr, gefüllt mit einem
Reaktionsgemisch bzw. einer Zündmasse wie z.B. Thermit und
einem darin angeordneten elektrischen Leiter zur Zündung des
Gemisches über die gesamte aktive Stablänge.

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Im Rahmen der Sicherheitsuntersuchungen von Kernreaktoren muß auch der Ablauf von schweren Störfällen betrachtet werden. Hierzu gehört u.a. das Niederschmelzen von Brennelementen bei Kühlungsverlust oder bei überhöhter Reaktorleistung.

Experimentelle Untersuchungen zu diesem Thema wurden bisher überwiegend in besonderen Kreisläufen in Versuchsreaktoren durchgeführt. Solche Experimente sind durch den hohen technischen Aufwand kostspielig, zeitraubend und in ihrer Parametervariation eng be- """ grenzt. Große Bündel mit z.B. 169 Einzelstäben kommenn wegen des damit verbundenen Aufwandes für solche Experimente nicht in Frage.

Die nukleare Wärmefreisetzung im Reaktor kann mit gewissen Einschränkungen kurzzeitig durch eine chemische Reaktion simuliert werden. Die Erfindung geht daher von der bekannten Technik der Wärmeerzeugung durch die Reaktion von Thermit aus.

Eine Simulation der thermohydraulischen Bedingungen in einem Kernreaktor-Brennelement setzt voraus, daß die Wärmeerzeugung, wie dies beim Brennelement der Fall ist/ In den einzelnen Stäben stattfindet. D.h., das chemische Reagenz muß in Hüllrohren mit den Dimensionen der Brennstäbe zur Zündung gebracht werden. Diese Zündung muß nahezu gleichzeitig über die volle Länge aller Stäbe erfolgen. Aufgrund des großen Längen-Durchmesserverhältnisses der Stäbe und der relativ geringen Abbrandgeschwindigkeit der gängigen Thermite wird diese Bedingung durch einen axialen Abbrand der Thermitmasse in den Stäben nicht erreicht. Der Abbrand muß radial erfolgen, was eine Linienzündung im Zentrum eines jeden Stabes voraussetzt. Die bisherigen Versuche dieses Problem zu lösen, gingen davon aus, im Zentrum des Stabes einen isolierten Widerstandsdraht anzuordnen und diesen durch hohe elektrische Ströme und Spannungen rasch auf Temperaturen über der Zündtemperatur des Gemisches aufzuheizen. Abgesehen von den hohen erforderlichen Leistungen gelingt es mit dieser Methode nicht, eine gleichmäßige Zündung über der Länge des Stabes zu erreichen. Dies hat ver-

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schiedene Ursachen wie: **

Ungleichmäßiger Wärmeübergang vom Widerstand zur Thermitmasse, Inhomogenitäten in der Isolierschicht, unterschiedliche Örtliche Zundtemperatür der Thermitmasse und anderes mehr.

Es wird daher nur an wenigen Stellen die Zundtemperatur erreicht. Dort tritt eine hohe Wärmeerzeugung auf und der Widerstandsdraht schmilzt. Der Stromkreis und damit die Wärmeerzeugung wird unterbrochen und eine Zündung an anderen Stellen tritt nicht mehr ein, weil der Widerstand sich sofort abkühlt.

Ausgehend von den vorstehend gemachten Ausführungen hat nun die vorliegende Erfindung zur Aufgabe ein Verfahren zur gleichmäßigen Zündung eines solchen Brennstabes sowie einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Brennstab selbst anzugeben, bei dem eine gleichmäßige Zündung über die gesamte Länge des Stabes in radialer Richtung erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vor, daß eine ebenfalls langgestreckte, zusätzliche Zündmasse mittels des Leiters unter Wärmeisolierung gegenüber der zu zündenden Masse auf Zündtemperatur gebracht wird, reagiert und danach unter Verzögerung durch die Wärmeisolierung die Hauptreaktionsmasse gezündet wird. Erfindungsgemäß wird zur Durchführung eines solchen Verfahrens ein Brennstab der eingangs beschriebenen Art angegeben, bei welchem in der Hauptreaktionsmasse koaxial zum Hüllrohr ein Widerstandsrohr als elektrischer Leiter angeordnet ist, welches seinerseits mit einer Reaktionsmasse, wie z.B. Thermit gefüllt ist und an seiner Außenseite mit einem Isoliermantel umgeben ist. Dabei ist es vorteilhaft, daß der Isoliermantel aus Keramik, Glasgewebeschlauch, Gas, Luft, Wendeldraht oder einer Kombination derselben besteht.

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Letztlich schlägt die Erfindung vor, daß der Isoliermantel sowohl thermisch als auch elektrisch isolierend ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Figur näher erläutert:

Die Figur zeigt den schematischen Aufbau eines Brennstabes, in dem das Verfahren zur gleichmäßigen Zündung verwirklicht wird.

In dem Hüllrohr 1 befindet sich die Hauptreaktionsmasse 2, die hier in Form von Pellets eingefüllt ist. Als Hauptreaktionsmasse dient ein Thermit, bestehend aus Eisenoxid und Aluminium. Der Durchmesser des Hüllrohres 1 ist 10 mm. Im Inneren der Hauptreaktionsmasse 1 ist zentrisch ein elektrisch geheiztes Widerstandsrohr 3 eingesetzt, welches mit einer Reaktionsmasse 4, die ebenfalls aus dem gleichen Thermit besteht, gefüllt ist. Um das Wider stand särohr 3 ist ein Isoliermantel 5 aus Keramik, Glasfieber, Luft oder anderen Materialien angeordnet, der das Widerstandsrohr 3 von der Hauptreaktionsmasse 2 trennt. Die Stromzuführung zu dem Widerstandsrohr folgt über die koaxial eingesetzte Leitung 6.

Das elektrisch beheizte Widerstandsrohr 3 bzw. der innere Zündmechanismus des Brennstabes besteht aus einem Rohr von 3 mm Durchmesser und 0,2 mm Wandstärke. Dieser Zündmechanismus wird durch die Stromzufuhr über die Leitung 6 bis über die Z und temper a tür von mehr als 1000 aufgeheizt. Durch den Isolationsmatel 5 wird verhindert, daß die Hauptreaktionsmasse 2 bei der Aufheizung des Zünders bzw. der zusätzlichen Zündmasse 4 schon die Zündtemperatur erreicht. Erst wenn die zusätzliche Zündmasse 4 gezündet hat und schmelzflüssig geworden ist, erfolgt ein Durchschmelzen des Isoliermantels 5 und eine Zündung der äußeren Thermitladung bzw. der Hauptreaktionsmasse

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die sich in engem Kontakt mit dem Isolationsmantel 5 befindet. Der Außendurchmesser des Hüllrohres 1 beträgt etwa 7 mm, die Wandstärke ungefähr 0,3 mm.

Versuche mit dem erfindungsgemäßen Brennstab haben gezeigt, daß seine Handhabung problemlos ist und er die Möglichkeit bietet, Brennelemente im Originalmaßstab der Kernreaktor-Brennelemente zu simulieren. Als besonierer Vorteil der Erfindung zeigte sich, daß eine gleichmäßige Zündung in radialer Richtung über die Länge des Stabes erreicht werden konnte. Die Abbrandqeschwindigkeit der Thermitmischung betrug ca. 10 mm/Sekunde, d.h., bei gleichzeitiger Zündung gemäß dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Abbrennen der ringfürmigen Hauptreaktionsmasse von 1,3 mm Stärke bei dem neuen Brennstab von einem zentral aus liegenden Zündmechanismus her in ca. 0,13 Sekunden. Durch Vorheizen auf höhere Temperaturen läßt sich die; Abbrennzeit der Hauptreaktionsmasse noch weiter verkürzen.

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Claims (7)

1. GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 13.11.1975

   KERNFORSCHUNG MBH PLA 7562 Sdt/jd

   Patentansprüche:

   Verfahren zum gleichmäßigen Zünden einer langgestreckten, in einem Rohr befindlichen Reaktionsmasse in radialer sowie in axialer Richtung mittels eines elektrisch beheizten Leiters , dadurch gekennzeichnet, daß eine ebenfalls langgestreckte, zusätzliche Zündmasse mittels des Leiters unter Wärmeisolierung gegenüber der zu zündenden Masse auf Zündtemperatur gebracht wird, reagiert und danach unter Verzögerung durch die Wärmeisolation die Hauptreaktionsmasse gezündet wird.
2. 2. Brennstab zur thermischen Simulation von schmelzenden Kernreaktor-Brennelementen für hohe spezifische Leistungen unter Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Hüllrohr, gefüllt mit einem Reaktionsgemisch, wie z.B. Thermit und einem darin angeordneten elektrischen Leiter zur Zündung des Gemisches über die gesamte aktive Stablänge, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptreaktionsmasse -(2) koaxial zum Hüllrohr (1) ein Widerstandsrohr (3) als elektrischer Leiter angeordnet ist, welches seinerseits mit einer zusätzlichen Zündmasse (4) wie z.B. Thermit gefüllt ist und an seiner Außenseite mit einem Isoliermantel (5) umgeben ist.
3. 3. Brennstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliermantel (5) aus Keramik, Glasgewebeschlauch, Sas ,Luft, Wendeldraht oder einer Kombination derselben besteht.

   ORSGJMAL INSPECTED

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4. 4. Brennstab nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliermantel (5) sowohl thermisch als auch elektrisch isolierend ist.
5. . Brennstab nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Widerstandsrohres (3) koaxiale Zuführungsleitungen (6) für den Zündstrom eingesetzt sind.
6. ORIGINAL !NSPECTED
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