DE2746555C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernbrennstoffanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine solche Kernbrennstoffanordnung ist aus der US-PS 36 77 893 bekannt und ist aus Kernbrennstoffgruppen gebildet, die aus eng nebeneinander und parallel zueinander angeordneten Brennstoffstäben bestehen.

Die Brennstoffstäbe sind von einem rohrförmigen Mantel umgeben, der seinerseits einen Kühlkanal begrenzt, der aus kernphysikalisch beding­ ten Gründen sowie zur Erzielung einer kompakten Bauweise verhältnismäßig schmal ist.

Stromabwärts vom rohrförmigen Mantel ist ein Meßwertwandler angeordnet, der die mittlere Austrittstemperatur des flüssigen Metalls im Kühlkanal überwacht.

Es kann nun, obwohl dies unwahrscheinlich ist, der Fall eintreten, daß die Kühlmittelströmung im Kühlkanal in einem oder mehreren seiner Durchlässe aus irgendwelchen Gründen gedrosselt wird. Dann besteht die Gefahr, daß an der Abströmseite des Strömungshindernisses liegende Teile der Oberflächen der Brennstoffstäbe ungenügend gekühlt werden, weil dort das Kühlmetall verdampft ist. Der sich daraus ergebende Tem­ peraturanstieg kann sich schädigend auf die Ummantelung der Brennstoff­ stäbe auswirken.

Der Meßwertwandler ist nicht imstande, einen solchen örtlichen Tempera­ turanstieg rechtzeitig festzustellen, denn die von diesem gemessene Austrittstemperatur aus dem Kühlmittelkanal wird durch den örtlichen Temperaturanstieg innerhalb dessen nicht oder nur wenig beeinflußt, da das Kühlmittel an der Abströmseite des Strömungshindernisses gewöhnlich dazu neigt, örtliche und von der Hauptströmung des Kühlmittels getrenn­ te Wirbel zu bilden.

Ausgehend von dieser Problemlage ist es Aufgabe der Erfindung, den in­ folge von Strömungshindernissen innerhalb einer Kernbrennstoffanordnung der eingangs genannten Art örtlich hervorgerufenen Temperaturanstieg des Kühlmittels schneller zu erfassen, um dadurch dessen örtliches Sie­ den zu verhindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentan­ spruchs gelöst, gemäß dessen Wärmeübertragungsrohre vorgesehen sind, die sich durch die Durchlässe im Kühlkanal erstrecken, im Inneren aber keinerlei Strömungshindernisse aufweisen. Das die Wärmeübertragungs­ rohre durchströmende Metall steht durch deren Wände hindurch in thermi­ scher Verbindung mit jenem Metall, das den Kühlkanal selbst durchströmt und sich in den Durchlässen befindet, so daß eine örtliche Temperatur­ erhöhung sofort eine entsprechende Temperaturerhöhung jenes Metalls verursacht, das die Wärmeübertragungsrohre durchströmt. Die Temperatur­ erhöhung dieses letztgenannten Metalls wird jedoch unmittelbar dem Meßwertwandler mitgeteilt, der dann imstande ist, ein zur Einleitung erforderlicher Maßnahmen geeignetes Signal auszulösen.

Es ist zwar bereits bekannt (DE-OS 25 41 200), in dem Brennelement eines Kernreaktors zusätzliche Kühlmittelleitungen vorzusehen, doch diese Leitungen enden innerhalb des Brennelements, um hierdurch eine gezielte und bessere örtliche Kühlung des Brennelements zu erreichen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht eines mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktors in senkrechtem Schnitt,

Fig. 2 eine Ansicht eines Kühlmittelkanals des Kern­ reaktors in waagerechtem Schnitt,

Fig. 3 eine schematisierte Ansicht im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 und

Fig. 4 eine grafische Darstellung der gemäß der Erfindung erzielbaren Wirkung.

Ein in Fig. 1 dargestellter, mit flüssigem Metall gekühlter Kernreaktor des Typs schneller Brüter hat einen aus Brennstoffgruppen zusammengesetzten Reaktor­ kern 1, welcher innerhalb eines Außenbehälters 3 in einem Bad aus flüssigem Natrium 2 als Kühlmittel eingetaucht ist.

Der Außenbehälter 3 hängt an der Decke einer Sicherheits­ kammer 4 und enthält jeweils eine Anzahl von Kühlmittel­ pumpen 5 und Wärmetauschern 6, von denen jeweils nur eine bzw. einer dargestellt ist. Die Brennstoffeinheiten sind auf einem durchlässigen Traggitter 7 angeordnet, welches zusammen mit den Wärmetauschern 6 in einem Innenbehälter 8 untergebracht ist, während die das Kühlmittel zum Trag­ gitter 7 fördernden Pumpen 5 außerhalb des Innenbehälters angeordnet sind. Die Brennstoffgruppen sind eng neben­ einander aufrecht stehend auf dem Traggitter 7 angeordnet und von einem Außenmantel 7 a umgeben und zusammengehalten. Durch die Decke der Sicherheitskammer sind Kontroll­ stäbe 9 und Instrumentierungsleitungen 10 hindurchgeführt. Eine in Fig. 2 dargestellte Brennstoffgruppe weist ein Bündel aus langen Brennstoffstäben 12 auf, welche von einem rohrförmigen Mantel 13 mit sechseckigem Querschnitt umgeben sind. Der Mantel 13 begrenzt einen Kühlmittel­ kanal, welcher durch die Brennstoffstäbe in zwischen diesen verlaufende Durchlässe unterteilt ist. Die Brenn­ stoffstäbe 12 sind von einer (nicht gezeigten) Gitter­ anordnung, welche beispielsweise 284 Gitterpositionen definiert, parallel zueinander und zur Längsachse des Mantels 13 gehalten. In bekannten Anordnungen sitzt in jeder Gitterposition ein Brennstoffstab 12, wobei die Achsen der Brennstoffstäbe parallel zueinander und zur Längsachse des Mantels verlaufen. Die Zwischenräume zwi­ schen den Brennstoffstäben 12 bilden die einzelnen Durch­ lässe 15, durch welche das dem unteren Ende des Kühl­ mittelkanals, dargestellt durch den Mantel 13, zuge­ führte Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Natrium, hindurchströmt und dabei Wärme von den Brennstoffstäben abführt. Das dabei erhitzte Kühlmittel tritt am oberen Ende des Mantels aus. Ein dort angeordneter Meßwertwandler 16 spricht auf die durchschnittliche Austrittstemperatur des Kühlmittels oder auf einen davon abhängigen Parameter an. Der Meßwertwandler 16 dient somit der Überwachung der Küh­ lung der Brennstoffgruppen. Die ermittelten Werte werden über die Leitungen 10 einem Verstärker 11 zuge­ leitet, welcher über (nicht dargestellte) Betätigungs­ einrichtungen mit den Kontrollstäben 9 verbunden ist. Tritt in einem oder mehreren Durchlässen 15 ein vollstän­ diges oder partielles Strömungshindernis auf, wie in Fig. 2 und 3 durch eine Schraffierung B angedeutet, dann werden an der Abströmseite des Strömungshindernisses lie­ gende Bereiche der Brennstoffstäbe weniger gekühlt, da die normale axiale Strömung des Kühlmittels hier durch eine Wirbel-Rücklaufströmung E gestört werden kann (Fig. 3). Zwischen dem Kühlmittel in der Wirbelströmung und dem die benachbarten Durchlässe durchströmenden Kühlmittel findet nur ein sehr begrenzter Wärmeaustausch statt, so daß das Kühlmittel in der Wirbelströmung seine Sättigungs­ temperatur nahe dem Siedepunkt erreichen kann. Dabei kann jedoch der Meßwertwandler 16, welcher die durchschnittliche Austrittstemperatur ermittelt, nicht auf die an der Ab­ strömseite des Strömungshindernisses auftretende erhöhte Temperatur ansprechen. Somit kann ein örtlicher Bereich der Brennstoffstäbe gefährdet sein, ohne daß der Wandler ein Warnsignal abgibt. Um dieser Gefahr zu begegnen, ist eine Anzahl von in gegenseitigem Abstand liegenden Gitterposi­ tionen mit an beiden Enden offenen Wärmeübertragungs­ rohren 17 von einer der der Brennstoffstäbe entsprechenden äußeren Form besetzt. Die Rohre 17 sollen gewährleisten, daß bestimmte Bereiche des Gesamt-Strömungsquerschnitts jederzeit von einer bestimmten Mindestmenge des Kühl­ mittels durchströmt werden. Sollte dabei ein Strömungs­ hindernis auftreten, so wird der an dessen Abströmseite liegende Bereich unabhängig von der Hauptströmung des Kühlmittels ausreichend gekühlt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß zwischen dem die Wärmeübertragungsrohre 17 durchströmenden Kühlmittel und der Wirbelströmung ein um das Mehrfache stärkerer Wärmeaustausch stattfindet als zwischen der Wirbelströmung und dem Hauptstrom des Kühlmittels.

Die Wärmeübertragungsrohre 17 sitzen jeweils in der Mitte einer in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie 18 eingegrenzten Gruppe von Durchlässen 15. Jede solche Gruppe umfaßt achtzehn Brennstoffstäbe. Tritt in irgendeinem Bereich einer Gruppe ein Strömungshindernis auf, so wird die Wärme von der Abströmseite desselben von dem das zunächst angeordnete Wärmeübertragungsrohr 17 durchströmenden Kühlmittel abgeführt, wodurch das Sieden des Kühlmittels verhindert oder wenig­ stens verzögert wird. Falls sich das Strömungshindernis über eine größere Anzahl von Durchlässen erstreckt, dann tragen mehrere Wärmeübertragungsrohre 17 dazu bei, die Wärme aus den Bereichen, in denen Temperaturspitzen auftreten, abzu­ führen. Dadurch bleibt die Temperatur des Kühlmittels unter dem Sättigungspunkt, während am Austrittsende des Kühlmittelkanals ein Anstieg der Durchschnittstemperatur stattfindet. Der auf die Durchschnittstemperatur anspre­ chende Meßwertwandler 16 erzeugt daher ein Signal, welches das Überschreiten der Sicherheitsgrenze anzeigt, und leitet es zum Verstärker 11, worauf eine Gegenmaßnahme ausgelöst wird.

Berechnungen haben gezeigt, daß der Strömungsquerschnitt innerhalb eines Mantels bis zu 20% blockiert sein kann, ohne daß sofort eine Gegenmaßnahme ausgelöst wird. Dar­ über hinaus steigt jedoch das Signal des Meßwertwandlers 16 in Abhängigkeit von einer prozentualen Blockierung des Strö­ mungsquerschnitts progressiv an, so daß der Meßwertwandler auf die Temperatur anspricht und Gegenmaßnahmen ausgelöst werden, lange bevor die Blockierung ein Ausmaß erreicht hat, bei welchem das Kühlmittel siedet und die Brenn­ stoffstäbe zerstört werden würden. Fig. 4 zeigt diese Wirkungsweise für eine hypotetische Brennstoffgruppe. Entlang der Abszisse in Fig. 4 ist die axialsymmetrische Blockierung in Prozenten des Gesamt-Strömungsquerschnitts aufgetragen, die linksseitige Ordinate zeigt die Spitzen­ temperatur an einer beliebigen Stelle des Kühlmittel­ kanals, und die rechtsseitige Oridnate bezieht sich auf die durchschnittliche Austrittstemperatur und setzt die Abszisse in Beziehung zur untersten Kurve A′ welche sich auf eine Anordnung mit zwischen den Brennstoffstäben ver­ teilten Wärmeübertragungsrohren bezieht. Die mittlere Kurve B zeigt die Spitzentemperaturen des Kühlmittels in Abhän­ gigkeit vom Grad der Blockierung bei Vorhandensein der Kühlmittelrohre, und die obere Kurve C zeigt die Spitzen­ temperaturen ohne die erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohre. Anhand der Kurve B ist zu erkennen, daß bei Vorhanden­ sein der Kühlmittelrohre erheblich niedrigere Spitzen­ temperaturen auftreten, obgleich auch hier die Sätti­ gungstemperatur erreicht werden würde, wenn man die Kurve verlängerte. Bei einer Blockierung von 20% des Strömungsquerschnitts würde der am Auslaß angeordnete Wandler noch nicht auf den Anstieg der Durchschnitts­ temperatur ansprechen, da im Betrieb des Reaktors noch andere Einflüsse auftreten, etwa durch den Verbrauch der Brennstoffstäbe, beim Beschicken und Austragen sowie durch Bewegungen der Kontrollstäbe, welche eine Änderung des Ausgangssignals des Wandlers in einer ver­ gleichbaren Größenordnung bewirken können. Oberhalb einer Blockierung von 30% steigt jedoch die Durchschnittstem­ peratur schneller an, bis der Temperaturanstieg bei einer Blockierung von beispielsweise 50% mit Bestimmtheit zu einem Ansprechen führen würde.

Wie vorstehend ausgeführt haben die Wärmeübertragungsrohre vor­ zugsweise eine der der Brennstoffstäbe ähnliche oder gleiche Außenform. Sie können jedoch auch eine für eine wirksame Wärmeübertragung besonders geeignete Form er­ halten. Sie können etwa sehr dünne Wände mit profilierten, beispielsweise in Schraubenlinien genuteten Oberflächen haben und aus einem Metall sein, welches eine bessere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der für die Umkleidung der Brennstoffstäbe üblicherweise verwendete rostfreie Stahl.

Falls nahe dem Umfang eine Gefahr des Blockierens besteht und der Mantel an der Außenseite nicht vom Kühlmittel umströmt ist, können am Umfang angeordnete Brennstoff­ stäbe durch weitere Wärmeübertragungsrohre ersetzt sein. An­ derenfalls können auch die Längsversteifungen 19 des Mantels flüssigkeitsgekühlt sein. Nahe dem Auslaß des Kühlmittelkanals kann ein akustisch mit den Wärmeübertragungs­ rohren gekoppelter akustischer Wandler angeordnet sein, welcher auf irgendwo im Kühlmittelkanal erzeugte Geräusche anspricht. Derartige Geräusche können etwa das bevorstehende Sieden des Kühlmittels anzeigen oder auf Änderungen in der Dichte der Kühlflüssigkeit hin­ deuten.

Die Verwendung der Wärmeübertragungsrohre hat hauptsächlich die fol­ genden Wirkungen: ein örtliches Sieden der Kühlflüssig­ keit wird verzögert und der Betrieb der Brennstoffein­ heit kann sicher fortgesetzt werden, selbst wenn die Durchlässe soweit blockiert sein sollten, daß sich die Gesamtdurchströmung der Einheit verringert. Ein dabei am Auslaß der Brennstoffeinheit auftretender Temperatur­ anstieg ist dabei sicher und rechtzeitig feststellbar.

Claims (2)

1. Kernbrennstoffanordnung für einen mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor, bestehend aus

   • a) Kernbrennstoffgruppen mit einer Anzahl parallel zueinander verlaufender Brennstoffstäbe, die von einem rohrförmigen Mantel umgeben sind, der einen Kühlkanal begrenzt, wobei dieser durch die auf Gitterplätzen angeordneten Brennstoffstäbe in zwischen diesen verlaufende Durchlässe unterteilt ist, durch die das flüssige Metall hindurchströmt und dabei Wärme von den Brennstoffstäben abführt, und
   • b) einem am Auslaßende des rohrförmigen Mantels angeordneten Meßwert­ wandler zur Überwachung der mittleren Austrittstemperatur des flüssigen Metalls aus dem Kühlmittelkanal,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • c) im Kühlmittelkanal eine Anzahl von in gegenseitigem Abstand und im Abstand zu den Brennstoffstäben (12) angeordneten Wärmeübertra­ gungsrohren (17) vorgesehen sind, die gemeinsam mit den Durchlässen (15) von dem flüssigen Metall in gleicher Richtung durchströmt werden und durch dessen Wände das sich innerhalb der Wärmeübertra­ gungsrohre (17) befindliche Metall mit dem in den Durchlässen (15) thermisch in Verbindung steht, bevor es anschließend dem Meßwert­ wandler (16) zugeführt wird.