DE2653250B2

DE2653250B2 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2653250B2
Application number: DE2653250A
Authority: DE
Inventors: Paul Robert Pittsburgh Pa. Betten (V.St.A.)
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1976-01-02
Filing date: 1976-11-24
Publication date: 1978-05-11
Also published as: FR2337406B1; US4097331A; DE2653250C3; FR2337406A1; DE2653250A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Kernbrennstoffelement ist aus der DE-OS 22 36 494 bekannt, bei dem eine zur Aufnahme der Brennstoffstäbe dienende Kassette an ihrer Innenwandung mit einei Hülse ausgekleidet ist, die nach innen einspringende Teilbereiche aufweist, die sich bis nahe an die peripheren Brennstoffstäbe erstrecken und so eine Drosselung der Kühlmktelströmung um diese peripheren Brennstoffstäbe bewirken. Andererseits wird jedoch durch die Abstützung der Vorsprünge in Form von Rippen od. dgl. der Abstand zwischen dem Auskleidungsabschnitt, der im wesentlichen koplanar mit den unmittelbar anstoßenden Wandteilen der Kassette ist, in einem vergrößerten Abstand zu den benachbarten peripheren Brennstoffstäben gehalten, so daß der Strömungsquerschnitt für das Kühlmittel verglichen mit den inneren Unterkanälen zwischen den Brennstoffstäben noch vergrößert wird. Eine Lösung des Problems, eine gleichförmigere Wärmeabfuhr von den Brennstoffstäben zu erzielen, wird hierdurch nicht geliefert, vielmehr dienen die nach innen vorspringenden Rippen zur Kompensation des Anschwellens der Brennstoffstäbe und des strahlungsinduzierten Wachstums zwischen den Brennstoffstäben, der Drahtumhüllung und den Kassettenwandungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kernbrennstoffelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem sich eine gleichmäßigere Wärmeabfuhr von den Brennstoffstäben über den gesamten Querschnitt der Kassette ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Ein derartiges Kernbrennstoffelement ist insbesondere für flüssigmetallgekühlte Schnelle Brüter geeignet Die nach innen gerichteten Teilbereiche der Hülse werden in einem sich wiederholenden Muster angebracht, das durch die Steigung der spiralförmig angeordneten Distanzelemente der Brennstoffstäbe vorgegeben ist. Hierdurch wird eine Verringerung des Abstandes zwischen dem Auskleidungsabschnitt der Hülse, der im wesentlichen koplanar mit den unmittelbar anstoßenden Wandteilen der Kassette ist, und den peripheren Brennstoffstäben in diesen Bereichen hervorgerufen. Dies verstärkt die Kühlmittelströmung in den inneren Unterkanälen des Kernbrennstoffelements auf Kosten der Kühlmittelströmung in den peripheren Unterkanälen, so daß man insgesamt ein verbessertes Kühlmitteltemperaturprofil erzielt

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen von oben gesehenen Querschnitt eines hexagonalen Brennstoffelements,

Fig.2 ist eine Teilansicht vor dem Zusammenbau einer Hülse gemäß einer ersten Ausführungsform,

F i g. 3 ist ein Teillängsschnitt in Seitenansicht eines Brennstoffelements unter Verwendung der Hülse nach Fig. 2,

Fig.4 zeigt teilweise einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht auf ein Brennstoffbauelement mit der Hülse nach F i g. 2, und

Fig.5 ist eine Teilseitenansicht vor der Montage einer Hülse gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Das in Fig. 1 dargestellte im Schnitt hexagonale Kernbrennstoffelement 10 für einen flüssigmetallgekühlten schnellen Brutreaktor umfaßt eine in sich geschlossene äußere Kassette 12 etwa aus korrosionsfestem Stahl, mit darin gleichförmig angeordneten Brennstoffstäben 14, die äußere Hüllen aus korrosionsfestem Stahl aufweisen. Die Brennstoffstäbe 14 sind parallel mit Abstand zueinander angeordnet, wobei der Abstand zwischen benachbarten Stäben bestimmt wird und aufrechterhalten wird durch spiralig aufgewundene Distanzelemente 16 aus Draht aus korrosionsfestem Stahl. Zwischen der äußeren Reihe von Brennstoffstäben 14 und der Innenseite der Kassette 12 befindet sich eine Hülse 18.

Die Hülse 18 ist geprägt, um alternierende einwärts zu den Brennstoffstäben 14 gerichtete Teilbereiche 20 und 20' für einen ersten Seitenteil der Hülse 18 und 22 und 22' für einen zweiten Seitenteil der Hülse 18, die vertikal gegeneinander, progressiv von einem Seitenteil bis zum nächsten versetzt sind, zwischen nicht ausgebogenen Teilbereichen 24 bis 26 der Hülse 18 auszubilden.

Die Teilbereiche 24 bis 26 sind mit auswärts gerichteten Noppen oder Rippen 28, 30 versehen; gemäß F i g. 3 erstrecken sich die Rippen 28 in Richtung der Kassette 12, stehen mit der Innenwandung der Kassette 12 in Kontakt und bestimmen damit die Ausgangspositionierung der Hülse 18 relativ zur Kassette 12.

Die einwärts gerichteten Teilbereiche 20 und 20' sind so positioniert, daß sie in Bereichen liegen, in denen sich Distanzelemente 16 nach innen von der Hülse 18 weg erstrecken. Diese Anordnung führt zu einer Minimierung des Spiels zwischen Hülse 18 und den peripheren Brennstoffstäben 14; die Bereiche verringerten Spiels haben ein alternierendes Muster aufgrund der Steigung der spiralförmigen Distanzelemente 16. Die Verringerung des Spiels ergibt aufgrund der einwärts gebogenen Teilbereiche 20, 20', 22, 22' der Hülse 18 eine Reibungsbarriere für die Kühimittelströmung in den peripheren Unterkanälen des Brennstoffelements 10. Hierdurch ergibt sich eine größere ICühlmittelströmung in den inneren Unterkanälen und eine geringere in den peripheren Unterkanälen und damit ein verbessertes Kühlmitteltemperaturprofil. Die Überleitung von Kühlmittel von den peripheren Unterkanälen zu den inneren Unterkanälen führt auch zu einer größeren zwischen den Kanälen erfolgenden Turbulenz und Durchmischung. In der Ausführungsform nach Fig.2 wird die Überleitung von Kühlmittel von den peripheren zu den inneren Unterkanälen unterstützt durch den Steuerungseffekt der schräg verlaufenden Vorder- und Rückkanten jedes einwärts gebogenen Teilbereichs 20, 20', 22,22'der Hülse 18.

Ein Anschwellen der Brennstoffstäbe 14 oder ein strahlungsinduziertes Wachstum zwischen den Brennstoffstäben 14, den Distanzelementen 16 und der Kassette 12 wird in der Ausführungsform nach Fig.2 bis 4 aufgefangen durch Eindrücken oder Abflachen der Rippen 28,30 usw^ d. h. letztere haben die Funktion von Federn in Kontakt mit der Innenwandung der Kassette 12. Das Anschwellen kann auch aufgefangen werden durch Deformation der gesamten Hülse 18 gemäß der Ausführungsform von Fig.4, bei der die aufeinander zulaufenden Kanten der Hülse 18 an der Stelle, an der sie sich in sich selbst schließt, nicht miteinander verschweißt, sondern nur mittels einer Vielzahl von Federn 32 verbunden sind. Bei Anschwellen der Brennstoffstäbe 14 verlängern sich die Federn 32 und nehmen das weitere Wachstum auf. Die Verwendung einer Hülse mit den eindrückbaren Rippen und/oder das Vorsehen von Hülsenfedern 32 erlauben eine erhebliche Verringerung der Herstellungskosten, da die Hülse 18 die Spieltoleranzen auffängt, die vorher erforderlich waren, um das Anschwellen und Wachstum aufzufangen.

Die Hülse nach Fig.5 unterscheidet sich von der nach F i g. 2 dahingehend, daß die einwärts gebogenen Teilbereiche 34 jedes Seitenteils vertikal stufenweise versetzt sind, und zwar fortschreitend rings um die Hülse 18 herum. Demgemäß haben diese einwärts gebogenen Teilbereiche 34 im wesentlichen horizontale Vorder- und Hinterkanten anstatt schräg verlaufender Vorder- und Hinterkanten gemäß F i g. 2. Auch diese Hülse 18 kann mit Rippen 28 versehen sein, die als Federn zum Auffangen des Anschwellens und Wachstums dienen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement mit einem in einer Kassette untergebrachten Bündel langgestreckter, parallel zueinander angeordneter Brennstoffstäbe, von denen jeder mit einem auf ihm spiralig aufgewundenen Distanzelement versehen ist, und mit einer in der Kassette zwischen deren Innenwandung und das Brennstoffstabbündel eingesetzten Hülse, die in ihrer Form der Innenform der Kassette angepaßt ist, wobei die Hülse einen Auskleidungsabschnitt umfaßt, der im wesentlichen koplanar mit den unmittelbar anstoßenden Wandteilen der Kassette ist, und wobei der Auskleidungsabschnitt eine Mehrzahl von in Vertikalabstand zueinander angeordneter, von ihm nach innen einspringender Teilbereiche aufweist, die bis nahe an die peripheren Brennstoffstäba reichen und so eine Drosselung der Kühlmittelströmung um diese peripheren Brennstoffstäbe bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (20, 22,34) in Länge und Breite so in Abhängigkeit von der Steigung der Distanzelemente (16) ausgelegt sind, daß sie nur an Stellen vorliegen, an denen die Distanzelemente (16) der peripheren Brennstoffstäbe des Bündels sich an den von der Kassettenwandung abgewandten Seite der Brennstoffstäbe befinden.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse in ihrem Auskleidungsabschnitt Federelemente (28, 30, 32) aufweist, die eine Expansion des Auskleidungsabschnitts in Richtung auf den Leitabschnitt ermöglichen.

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente nach außen ragende Vorsprünge (28, 30) auf den Teilen des Auskleidungsabschnitts umfassen, die zwischen den einspringenden Teilbereichen (20, 22) angeordnet sind.

4. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge als Rippen (28,30) ausgebildet sind, die im wesentlichen quer zur Achse der Brennstoffstäbe gerichtet sind und sich nach außen in Kontakt mit der Innenwandung der Kassette (12) erstrecken.

5. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, welches eine Mehrzahl von durch gerade Wandungsteile des Kühlmittelleitabschnitts definierte Seiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen einspringenden Teilbereiche (28, 30) an benachbarten Seiten des Auskleidungsabschnitts vertikal zueinander versetzt sind.

6. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen einspringenden Teilbereiche (20, 22) parallelogrammförmig sind.

7. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen einspringenden Teilbereiche (34) rechteckige Form aufweisen.

8. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen einspringenden Teilbereiche mit schräg verlaufenden oberen und unteren Kanten versehen sind, die eine im wesentlichen gerade Linie um den Auskleidungsabschnitt herum definieren.

9. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 4 oder 4 und 5, gekennzeichnet durch mindestens zwei

Rippen (28, 30) in jedem Auskleidungsabschnitteil zwischen den einspringenden Teilbereichen.

10. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen sich von der Mitte jeder Seite des Auskleidungsabschnitts beidseits wegerstrecken und mehr als 50% der Breite jeder Seite des Auskleidungsabschnitts übergreifen.