DE2757396A1

DE2757396A1 - Brennelement fuer schnelle kernreaktoren

Info

Publication number: DE2757396A1
Application number: DE19772757396
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Phys Jung; Peter Rau
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1979-07-05
Also published as: JPS5495893A; GB2011151A; FR2412914A1; GB2011151B; US4274921A

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Brennelement für schnelle Kernreaktoren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelement für schnelle Kernreaktoren, insbesondere solche gasgekühlter Art, das aus einem Bündel parallel angeordneter und von einem, der Strömungsführung dienenden, Mantel oder Kasten umfaßter Brennstäbe besteht. Beim heutigen Stand der Technik schneller Kern reaktoren ist es allgemein bekannt, daß die Brennelemente zur Strömungsführung von Kästen umschlossen sind. Jedes Brennelement verfügt daher über eine eigene, einstellbare Kühlmittelströmung, was zur Gewährleistung einer zuverlässigen Wärmeabführung aus den thermisch außerordentlich hoch belasteten Brennelementen notwendig ist. Im allgemeinen haben die Brennelementkästen sechseckigen Querschnitt, da sich dieser aus der Dreieckteilung des Brennstabgitters einfach ableitet. Diese Dreieckteilung wird deshalb gewählt, weil der Stababstand bei gleicher Strömungsfläche wesentlich größer ist, als bei der z.B. in Druckwasserreaktoren üblichen Viereckteilung.

Da es, wie bereits erwähnt, die Aufgabe der Kästen ist, die Strömungen im Element so zu führen, daß alle Stäbe gleiche Kühlbedingungen haben, ist es notwendig, die Sechseckkästen mit hoher Präzision herzustellen. Bei einem Stababstand zwischen

Mü 2 Ant / 15.12.1977

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Hüllrohr und Kasteninnenfläche von theoretisch 1,12 mm macht eine Genauigkeit von + 1 mm, wie sie zur Zeit für Sechseckrohre von etwa 170 mm Schlüsselweite erreicht werden kann, bereits eine erhebliche Vergrößerung der außenliegenden Unterkanäle aus. Das hat eine Strömungsverteilung im Element zur Folge, bei der die Innenstäbe relativ weniger gekühlt werden, als die Außenstäbe. Dieser Effekt wird zur Zeit bei der Auslegung des Elementes berücksichtigt.

Während der Lebensdauer eines solchen sechseckigen Brennelementes besteht die Gefahr, daß dieses unter dem Innendruck bestrebt ist, sich möglichst einer Kreisform anzunähern. Wenn auch die elastische Aufweitung unbedeutung ist, so kann es aber durch Kriechen unter Bestrahlung und Temperatur zu einer plastischen Deformation kommen, die mit der Lebensdauer zunimmt. Vergrößerungen der Schlüeselweite aber um mehr als 1 mm - diese müssen befürchtet werden - stellen die homogene Kühlung des BrennstabbUndels lnfrage.

Daraus geht hervor, daß bei den bisher üblichen Sechseckkästen die Maßgenauigkeit nur durch entsprechende Wanddickenvergrößerung sichergestellt werden kann. Dies ist aber nicht nur teuer In der Herstellung, sondern bedingt auch noch neutronenphysikalische Nachteile.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Brennelementform zu finden, bei der die dargestellten Schwierigkeiten nicht auftreten bzw. ganz wesentlich verringert sind und die außerdem eine einfachere und genauere Herstellbarkeit, verbunden mit verringertem Materialaufwand, ermöglicht.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennstäbe so angeordnet sind, daß ihre Achsen gedachte, konzentrisch zueinander angeordnete Kreise schneiden und das Bündel dieser Brennstäbe von einem kreiszylindrischen Kasten umgeben ist.

Zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung sei auf die Fig. 1 bis 4 verwiesen.

Fig. 1 zeigt die bisher übliche Ausbildung der Brennelemente im Querschnitt. Jedes Brennelement ist von einem sechseckigen Kasten 3 umgeben und besteht aus einer in einem Dreieckgitter angeordneten großen Anzahl von einzelnen Brennstäben 2. Die sechseckigen Brennelemente sind in der dargestellten Weise dicht nebeneinander angeordnet und bilden damit den eigentlichen Reaktorkern. Die einzelnen Brennelemente sind selbstverständlich nicht lückenlos aneinander geschichtet, da sie sich sonst nicht ohne Schwierigkeiten ein- und ausbauen ließen. Der Abstand zwischen benachbarten Brennelementkästen beträgt etwa 3 - 5 mm. Er ermöglicht somit auch die eingangs geschilderte plastische Deformation, die nur durch eine entsprechende Erhöhung der Wandstärke der Kästen 3 in Grenzen gehalten werden kann.

Die Fig. 2 zeigt nun den Aufbau eines Reaktorkernes mit Hilfe der Brennelementkästen 4, die kreiszylindrische Gestalt haben. Dies ist festigkeitsmäßig die optimale Form, so daß bei gleicher Festigkeit wesentlich geringere Wandstärken benötigt werden. Die im Vergleich zum Stande der Technik verbleibenden Zwickel 5 zwischen den Brennelementen sind vom neutronenphysikaiischen Standpunkt aus praktisch ohne Bedeutung.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Anordnungsmöglichkeiten der Brennstäbe innerhalb der Kästen 4, die Brennstäbe liegen dabei alle auf konzentrischen Kreisen. Ein gewisser Nachteil dieser Brennelementkonstruktion scheint zunächst darin zu liegen, daß bei

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gleichem Strömungsquerschnitt im Vergleich zum Stande der Technik die Fläche pro Brennelement, also einschließlich der Spalte zwischen diesen um rund 5 % größer ist. Diese aus der Verwendung von runden Elementen resultierende Zunahme des gesamten Kernvolumens um ca. 5 % wird jedoch durch die Abnahme des Stahlanteiles des Kastens von 6 % auf 1,5 96 bei runden Elementen mehr als wettgemacht.

Je nach dem Durchmesser der runden Brennelemente können sich bei Verwendung von Brennstäben gleicher Anreicherung in der Zentralzone höhere Temperaturen einstellen. Dies kann aber verhindert werden durch entsprechend große Durchmesser der Brennelemente oder durch die Besetzung der zentralen Zone mit Stäben niedrigerer Anreicherung. Außerdem ist es möglich, für die Zentralzone eine getrennte, entsprechend angepaßte Strömungsführung vorzusehen. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Gestaltung der Kühlmittelzufuhr am Eintritt desselben in das Brennelement erfolgen.

Eine weitere Möglichkeit besteht entsprechend Fig. 5 Im Weglassen der Brennstäbe der Zentralzone, z.B. des Zentralstabes und der beiden inneren Stabkränze. Zur Strömungsführung wird dann ein zweites, ebenfalls kreiszylindrisches Innenleitrohr 41 vorgesehen. Der Innenraum desselben kann dann z.B. ein aus Absorbermaterial bestehendes Kontrollelement 6 pder ein zusätzliches Brutelement 7 aufnehmen. Der gesamte Kern des Reaktors kann dabei aus gleichartigen Brennelementen aufgebaut werden.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß sich durch die Kreiszylinderform der Kästen die Kopf- und Fußstücke der Brennelemente besonders einfach als Drehteile gestalten lassen,

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wogegen beim sechseckigen Brennelement komplizierte übergänge zwischen dem hexagonalen Bündel und den runden Anschlußteilen hergestellt werden mußten.

Hieraus ergibt sich zusammenfassend, daß das runde Brennelement entsprechend dieser Erfindung von der Herstellungsseite her billiger und einfacher ist, als das bisher übliche hexagonale Element, daß die Wanddicke des Kastens und somit der Stahlanteil des Elementes erheblich geringer sind, als beim hexagonalen Element und daß die Anpassung der Kühlung der inneren Stabreihen unkompliziert ist und durch die beschriebenen Maßnahmen durchgeführt werden kann. Die einfachste ist dabei jene, die einen entsprechend großen Durchmesser der Brennelemente vorsieht.

Abschließend sei erwähnt, daß es von anderen Kernreaktortypen her bekannt ist, Brennelemente mit kreisrundem Querschnitt einzusetzen, allerdings jeweils innerhalb besonderer Kühlkanäle. Für schnelle Kernreaktoren jedoch war man bestrebt, den gesamten Kernquerschnitt möglichst lückenlos mit Brennstäben zu füllen, wozu sich die Sechseckgeometrie der einzelnen Elemente anbot. Daß die konstruktiven sowie herstellungstechnischen und neutronenphysikalischen Vorteile kreisrunder Brennelemente für schnelle Kernreaktoren, die scheinbaren Nachteile durch die entstehenden leeren Zwickel zwischen den einzelnen Brennelementen mehr als wettmachen, wurde nicht erkannt. Des weiteren die Tatsache, daß die Verwendung solcher Brennelemente die Entstehung den Reaktorbetrieb behindernder Langzeitschäden an den Kästen vermeidet.

5 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

11JBrennelement für schnelle Kernreaktoren, insbesondere gasgekühlter Art, das aus einem Bündel parallel angeordneter und von einem der Strömungsführung dienenden Mantel oder Kasten umfaßter Brennstäbe besteht, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennstäbe (2) so angeordnet sind, daß ihre Achsen gedachte, konzentrisch zueinander angeordnete Kreise schneiden und das Bündel dieser Brennstäbe von einem kreiszylinderförmlgen Kasten (4) umgeben ist.
2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstabachsen auf, zu vom Brennelementmittelpunkt ausgehenden 60°-Radien, symmetrisch verlaufenden V-förmigen Linien liegen.
3. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zentrum des Bündels verlaufenden KUhlmittel-Unterkanäle durch zusätzliche konzentrisch zum Kasten (4) angeordnete und rohrförmige Strömungsleiteinrichtungen (41) eine verbesserte Kühlmittelströmung aufweisen.
4. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zentrum des Bündels verlaufenden KUhlmittel-Unterkanäle von Brennstäben verringerter Leistung - also z.B. niedrigerer Anreicherung - begrenzt sind.
5. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konzentrisch zum Kasten (4) angeordnetes zentrales Leitrohr (41) mit einem im Innenraum desselben eingesetzten Brutstoff element (7) oder darin axial verstellbaren, aus Absorbermaterial bestehendem Kontrollelement (6) vorgesehen ist.

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