DE2840590A1 - NUCLEAR REACTOR - Google Patents
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KernreaktorNuclear reactor
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Die Erfindung betrifft allgemein einen Kernreaktor, insbesondere aber Kernbrennstoffunteranordnungen für flüssigmetallgekühlte Kernreaktoren vom Typ "schneller Brüter".The invention relates generally to a nuclear reactor, but more particularly to nuclear fuel subassemblies for liquid metal cooled Fast breeder nuclear reactors.
Bei bekannten metallgekühlten schnellen Brütern, wie z.B. solchen aus der DE-OS 25 57 910 bekannten, weist die Brennst off anordnung eine Mehrzahl von schlanken Brennelementen oder -stäben auf, über die ein Kühlmittel aus flüssigem Metall, wie Natrium, fließt. Aus praktischen Erwägungen ist die Brennstoffanordnung in eine Mehrzahl von auswechselbaren Unteranordnungen unterteilt, die länglich sind und eine Mehrzahl von Brennstoffstäben aufweisen, die durch einen Mantel, der mit einem Kopf zum Anhaben versehen ist, umschlossen sind. Die Unteranordnungen sind nebeneinander regelmäßig angeordnet und jede ist freitragend durch einen Dorn am unteren Ende festgelegt, der in einen Tragaufbau für die Brennstoffanordnung eingesteckt wird. Die Mäntel weisen röhrenförmige Hülsen mit sechseckigem Querschnitt auf und haben relativ dünne Wände um die Neutronenabsorption zu vermindern. Beim Betrieb des Kernreaktors weitet der Druck des Kühlmittelflusses durch die Unteranordnungen die Mäntel auf, wobei die Aufweitung normalerweise eine elastische Verformung ist. Nach dauernder Bestrahlung kehrt die ursprüngliche Form der Mäntel wegen der Warmdehnung und der Strahlungshärtung nicht mehr zurück. Die Ausweitung in Zusammenwirkung mit einem Umbiegen aufgrund von Hohlräumen, die durch schnelle Neutronen erzeugt werden, lfißt In known metal-cooled fast breeders, such as those known from DE-OS 25 57 910, the fuel arrangement has a plurality of slim fuel elements or rods over which a coolant made of liquid metal, such as sodium, flows. As a practical matter, the fuel assembly is divided into a plurality of interchangeable sub-assemblies which are elongate and comprise a plurality of fuel rods enclosed by a jacket which is provided with a headed attachment. The subassemblies are regularly arranged side by side and each is cantilevered by a mandrel at the lower end which is inserted into a support structure for the fuel assembly. The jackets have tubular sleeves with a hexagonal cross-section and have relatively thin walls to reduce neutron absorption. During operation of the nuclear reactor, the pressure of the coolant flow through the subassemblies expands the shrouds, the expansion usually being an elastic deformation. After prolonged exposure to radiation, the jacket does not return to its original shape due to thermal expansion and radiation hardening. The expansion in cooperation with bending due to voids created by fast neutrons flows
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die Unteranordnungen in der Brennstoffanordnung miteinander verklemmen. Dadurch wird ihr Herausnehmen zum Brennstoffwechsel sehr schwierig. Um der Ausdehnung und dem Umbiegen Rechnung zu tragen, ist es nötig gewesen, beträchtliche Abstände zwischen den Unteranordnungen vorzusehen, aber große Abstände führen zu Schwingungen und Instabilitäten der Reaktivität in der Brennstoff anordnung. Man hat erkannt, daß ein gewisser Radius an jeder Ecke des Mantels die elastische Verformung vermindert und eine weitere Verminderung könnte durch die Vergrößerung der Radien erreicht werden, aber bedauerlicherweise können Ecken mit vergrößerten Radien nur auf Kosten eines oder mehrerer Brennstäbe an den Ecken des hexagonalen Bündels vorgesehen werden und ein verminderter Einsatz an Brennstoff ist nicht erstrebenswert.the subassemblies in the fuel assembly with each other jam. This makes it very difficult to take them out when changing fuel. To account for the expansion and bending To carry, it has been necessary to provide considerable spacing between the sub-assemblies, but large spacing leads to Vibrations and instabilities of reactivity in the fuel arrangement. It has been recognized that a certain radius every corner of the jacket reduces the elastic deformation and a further reduction could be achieved by increasing the radius can be achieved, but unfortunately corners with increased radii can only be achieved at the expense of one or more fuel rods may be provided at the corners of the hexagonal bundle and a reduced use of fuel is not desirable.
Die Erfindung schafft daher einen sechseckigen Mantel für eine Kernbrennstoffunteranordnung, der einen erhöhten Widerstand gegen Ausdehnung über die Flächen hat und einen verbesserten flüssigmetallgekühlten schnellen Brüter, bei dem Schwingungen der Unteranordnungen und Reaktivitätsinstabilitäten vermindert sind.The invention therefore provides a hexagonal jacket for a Nuclear fuel subassembly that has increased resistance to expansion across the surfaces and improved Liquid metal-cooled fast breeder, in which vibrations of the sub-assemblies and reactivity instabilities are reduced are.
Gemäß der Erfindung weist eine Kernbrennst off anordnung eine Mehrzahl von im Abstand voneinander befindlichen Brennstäben innerhalb eines röhrenförmigen Mantels auf, worin der Querschnitt des Mantels eine geschlossene Gestalt mit sechs geraden Hauptseiten in hexagonaler Anordnung· aufweist, wobei die HauptseitenAccording to the invention, a nuclear fuel off arrangement A plurality of spaced apart fuel rods within a tubular jacket, wherein the cross-section of the jacket has a closed shape with six straight main sides in a hexagonal arrangement, the main sides
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I.I. --
durch Nebenseiten verbunden sind, die gerade oder in einer 'alternativen Ausbildung zum Mittelpunkt der Gestalt konvex sind. Die Erfindung liegt gemäß einem anderen Aspekt in einer Kernbrennstoffunteranordnung mit einer Mehrzahl von im Abstand befindlichen Brennstäben innerhalb eines röhrenförmigen Mantels mit im wesentlichen sechseckigem Querschnitt, wo Jedoch die Ecken durch flache Seiten oder Radien, deren konvexe Oberflächen nach innen zum Mantel angeordnet sind, ersetzt sind. Gerade Nebenseiten des Querschnitts eines Mantels einer Kernbrennstoffunteranordnung gemäß der Erfindung haben die Wirkung, daß sie 'die Länge der Hauptseiten verkürzen und dadurch die Durchbiegung aufgrund der Belastung durch den Kühlmitteldruck vermindern, und aus diesem Grunde ist der Widerstand gegen die Ausdehnung eines Mantels über die Flächen vermehrt, indem die geraden Haupt- und Nebenseiten des Querschnittes von gleicher Länge gemacht werden, so daß der Mantel sich mehr einer (kreis-)zylindrischen Form annähert. Zur Karstellung sei gesagt, daß der Begriff "Länge" in Bezug auf die Hauptseiten der geschlossenen Gestalt, die durch den Querschnitt des Mantels begrenzt wird, dasselbe bedeutet wie "Breite" mit Bezug auf die flachen Flächen oder Seiten des länglichen Mantels.are connected by secondary sides that are straight or convex in an 'alternative configuration to the center of the shape are. In another aspect, the invention resides in a nuclear fuel subassembly having a plurality of spaced apart located fuel rods within a tubular jacket with a substantially hexagonal cross-section, but where the Corners are replaced by flat sides or radii, the convex surfaces of which are arranged inwards towards the jacket. Just Adjacent sides of the cross section of a shell of a nuclear fuel subassembly according to the invention have the effect that they '' Shorten the length of the main sides and thereby the deflection decrease due to the load from the coolant pressure, and for this reason the resistance to expansion is a Mantle increased over the surfaces by making the straight main and secondary sides of the cross-section of the same length, so that the jacket approximates more of a (circular) cylindrical shape. As regards the illustration, the term "length" refers to the main sides of the closed shape that goes through limiting the cross-section of the shell means the same as "width" with reference to the flat surfaces or sides of the elongated mantle.
Nebenseiten, des Querschnittes eines Mantels einer erfindungsgemäßen Kernbrennst off Unteranordnung, und insbesondere solche, die gegen den Mittelpunkt des Querschnitts konvex sind, erhöhen die Festigkeit der Ecken des Mantels und erhöhen darüber hinaus den Widerstand gegen Ausdehnung. . . ,Secondary sides, the cross section of a jacket of one according to the invention Nuclear fuel off subassembly, and in particular those which are convex towards the center of the cross-section, increase the strength of the corners of the mantle and increase about it in addition, resistance to expansion. . . ,
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Obwohl es bei einem Mantel für eine BrennstoffUnteranordnung gemäß der Erfindung nötig ist, einige der Brennstäbe, die normalerweise in einem hexagonalen Bündel mit denselben Abmessungen vorgesehen sind, wegzulassen, hat sich herausgestellt, daß die Unteranordnungen gemäß der Erfindung in der Brennstoffanordnung mit kleinerem Abstand untereinander eingesetzt werden können, was, wegen der verminderten Ausdehnung, neben der Verminderung der Schwingung und der ReaktivitätsInstabilität, es auch ermöglicht, daß eine Brennstoffanordnung mehr Brennstoffunteranordnungen enthält als eine Brennstoffanordnung gleicher Abmessungen in einem herkömmlichen Kernreaktor. Dementsprechend liegt die Erfindung in einem flüssigmetallgekühlten schnellen Brüter der Art ,.bei dem die Kernbrennstoffanordnung eine Mehrzahl von in geringem Abstand voneinander angeordneten länglichen Brennstoffunteranordnungen aufweist, die nebeneinander auf einer Traganordnung stehen, und wobei jede Unteranordnung ein Bündel von im Abstand voneinander befindlichen Brennstäben innerhalb eines röhrenförmigen Mantels aufweist, in dem der Querschnitt des Mantels einen geschlossenen Umriß mit 6 geraden Hauptseiten,die in hexagonaler Anordnung angeordnet sind, aufweist, wobei die Hauptseiten durch Neben-Seiten verbunden sind, die gerade oder, in einer alternativen Form, konvex zum Zentrum des Umrisses sind.Although there is a jacket for a fuel subassembly according to the invention it is necessary to have some of the fuel rods normally in a hexagonal bundle with them Dimensions are provided to omit, it has been found that the sub-assemblies according to the invention in FIG Fuel assemblies can be used with a smaller distance from one another, which, because of the reduced expansion, besides the reduction of the vibration and the reactivity instability, it also allows a fuel assembly to contain more fuel subassemblies than a fuel assembly same dimensions in a conventional nuclear reactor. Accordingly, the invention resides in a liquid metal cooled fast breeder of the type in which the nuclear fuel assembly comprises a plurality of closely spaced elongated fuel subassemblies which stand side by side on a support assembly, and each subassembly is a bundle of spaced apart Having fuel rods within a tubular jacket in which the cross-section of the jacket is closed Outline with 6 straight main pages, which are arranged in a hexagonal arrangement, the main pages by minor pages that are straight or, in an alternative shape, convex to the center of the outline.
Nachfolgend wird der Aufbau eines flüssigmetallgekühlten schnellen Brüters und einer BrennstoffUnteranordnung, bei denen die Srfindung verwirklicht ist, als AusführungsbeispielIn the following, the construction of a liquid metal-cooled fast breeder and a fuel subassembly in which the invention is implemented is shown as an exemplary embodiment
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_ Of __ Of _
beschrieben. Hierbei wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, auf die wegen ihrer großen Klarheit und Übersichtlichkeit bezüglich der Offenbarung ausdrücklich hingewiesen wird.described. Reference is made to the drawings, because of their great clarity and clarity is expressly pointed out with regard to the disclosure.
Es zeigenShow it
Figur 1 einen Schnitt eines Kernreaktoraufbaus;FIG. 1 shows a section of a nuclear reactor structure;
Figur 2 eine Seitenansicht des Aufbaus einer Brennstoffunteranordnung ;Figure 2 is a side view of the structure of a fuel subassembly ;
Figur 3 einen Querschnitt eines Mantels für einen Aufbau einer Brennstoffunteranordnung, in vergrößertem Maßstab;FIG. 3 shows a cross-section of a shell for a structure of a fuel subassembly, on an enlarged scale Scale;
Figur 4 einen Querschnitt eines Mantels für einen weiteren Aufbau einer Brennstoffunteranordnung undFIG. 4 shows a cross section of a jacket for a further construction of a fuel subassembly and
Figur 5 einen Teil eines Querschnitts eines Mantels für einen zweiten weiteren Aufbau einer Brennstoffunteranordnung .FIG. 5 shows part of a cross section of a shell for a second further construction of a fuel subassembly .
Figur 1 zeigt einen flüssigmetallgekühlten schnellen Brüter mit einer Brennstoffanordnung 1, die in einen Tank 2 aus flüssigem Natrium als Kühlungsmittel in einem Primärgefäß eingetaucht ist. Das Primärgefäß ist vom Dach des Sicher- FIG. 1 shows a liquid metal-cooled fast breeder with a fuel assembly 1 which is immersed in a tank 2 made of liquid sodium as a coolant in a primary vessel. The primary vessel is from the roof of the security
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heitsgewölbes 4 abgehängt und es ist eine Mehrzahl von Kühlmittelpumpen 5 und Wärmetausehern 6 vorgesehen, wobei nur eine der Pumpen und einer der Wärmetauscher gezeigt ist. Die Brennstoffanordnung 1, die auf einem Tragaufbau angebracht ist, liegt mit den Wärmeaustauschern in einem Coretank 8jwährend die Pumpen 5, die Kühlmittel zum Gitterrost liefern, außerhalb des Coretanks 8 angeordnet sind. Der Core oder die Brennstoffanordnung 1 weist eine Mehrzahl von Unteranordnungen auf, die von dem Gitterrost in enger Nebeneinanderanordnung nach oben ragen und die Brennstoffanordnung ist von einem Zylinder 7a umgeben, um eine Einfassung am Umfang zu liefern. Steuerstäbe 9 und Instrumentierung 10 durchdringen das Dach des Gewölbes.heitsgewölbes 4 is suspended and there is a plurality of Coolant pumps 5 and heat exchangers 6 are provided, wherein only one of the pumps and one of the heat exchangers is shown. The fuel assembly 1 mounted on a support structure is located with the heat exchangers in a core tank 8j while the pumps 5, which supply coolant to the grating, are arranged outside the core tank 8. The core or fuel assembly 1 has a plurality of subassemblies protruding upwardly from the grate in close juxtaposition and the fuel assembly is of a cylinder 7a to provide a perimeter border. Control rods 9 and instrumentation 10 penetrate the roof of the vault.
Die Unteranordnungen, wie sie in Figur 2 gezeigt sind, weisen jede einen mittleren Brennstoffabschnitt 11, einen Einsetzabschnitt 12 am unteren Ende und einen Neutronenabschirmabschnitt 13 am oberen Ende auf. Der Brennstoffabschnitt weist ein Bündel aus länglichen Brennstäben I1I auf, die in einem röhrenförmigen Mantel 15 von im wesentlichen sechseckige* Querschnitt umgeben sind. Die Stäbe werden innerhalb des Mantels an ihren unteren Enden durch ein Gitter 16 getragen und werden entlang ihrer Länge durch bienenwabenförmige Zellengitter 17 versteift. Der Einsetzabschnitt am unteren Ende weist einen Dorn 18 zum Eingriff in Buchsen im Kernbrennstoff-Tragaufbau 7 auf und hat öffnungen 19, durch die Kühlmittel vom Inneren des AufbausThe subassemblies as shown in Figure 2 each have a central fuel section 11, an insert section 12 at the lower end, and a neutron shield section 13 at the upper end. The fuel section has a bundle of elongated fuel rods I 1 I, which are surrounded in a tubular jacket 15 of essentially hexagonal * cross-section. The rods are supported within the shell at their lower ends by a grid 16 and are stiffened along their length by honeycomb-shaped cell grids 17. The insert portion at the lower end has a mandrel 18 for engaging sockets in the nuclear fuel support structure 7 and has openings 19 through which coolant from inside the structure
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fließen kann. Der obere Abschnitt 13 ist aus massivem Stahl und weist ein röhrenförmiges Teil auf, das einen Auslaß für Kühlmittelfluß und einen Kopf zum Anheben bildet.can flow. The upper section 13 is made of solid steel and has a tubular part which has an outlet for Forms coolant flow and a head for lifting.
Der röhrenförmige Mantel 15 in Figur 3 hat einen im großen und ganzen sechseckigen Querschnitt, wobei jedoch die '-Ecken des Sechsecks durch enge flache Seiten ersetzt sind, d.h. der Querschnitt des Mantels weist einen Umriß mit sechs geraden HauptSeiten 15a, die in hexagonaler Anordnung angeordnet sind, auf und die Hauptseiten werden durch kürzere Nebenseiten, die gerade sind, verbunden. Eine herkömmliche sechseckige Unteranordnung mit denselben Abmessungen über die flachen Seiten und mit verhältnismäßig scharfen Kanten bzw. Ecken würde ein Bündel von 271 Brennstäben enthalten, aber in der beschriebenen Unteranordnung ist es notwendig, drei Brennstäbe von jeder der sechs Ecken zu entfernen, was daher ein Bündel von nur 253 Brennstäben ergibt. Jedoch ist wegen der vergrößerten Steifheit des Mantels die Ausdehnung so vermindert, daß die Unteranordnungen in der Brennstoffanordnung enger zusammen angeordnet werden können und zusätzliche Unteranordnungen hinzugefügt werden können um den Brennstoffeinsätζ zu halten, ohne die Gesamtabmessungen der Brennstoffanordnung zu erhöhen. Demzufolge werden dadurch, daß kleiner Abstände zwischen den Unteranordnungen vorgesehen sind, Schwingung unö;Reaktivitätsinstabilität vermindert und es kann insgesamt ein Gewinn im Brennstoffeinsatz erzielt werden.The tubular jacket 15 in Figure 3 has a generally hexagonal cross-section, but with the 'corners of the hexagon are replaced by narrow flat sides, i.e. the cross-section of the shell has an outline of six straight main sides 15a, which are arranged in a hexagonal arrangement, and the main sides are shortened by Secondary pages that are currently connected. A conventional hexagonal subassembly with the same dimensions over the flat sides and with relatively sharp edges or corners would contain a bundle of 271 fuel rods, but in In the described subassembly, it is necessary to remove three fuel rods from each of the six corners, which is therefore a Bundles of only 253 fuel rods result. However, because of the increased stiffness of the jacket, the expansion is so reduced that that the sub-assemblies can be placed closer together in the fuel assembly and additional sub-assemblies can be added to keep fuel consumption without increasing the overall dimensions of the fuel assembly. Accordingly, by providing small spaces between the sub-assemblies, vibration becomes unö; reactivity instability reduced and it can be achieved overall a profit in fuel use.
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In der ersten abgewandelten BrennstoffUnteranordnung, die in Figur H gezeigt ist, sind die Seiten 15a und 15b des Mantelquerschnittes von gleicher Länge und bilden somit einen röhrenförmigen Mantel mit 12 Seiten gleicher Breite. Der Querschnitt des Mantels nähert sich einer steifen (kreis-) !zylindrischen Form, wobei er die für eine enge Packung geeignete Form eines sechseckigen Querschnittes bewahrt.In the first modified fuel subassembly shown in Figure H, sides 15a and 15b of the jacket cross-section are of equal length, thus forming a tubular jacket with 12 sides of equal width. The cross-section of the shell approximates a rigid (circular) cylindrical shape, while maintaining the shape of a hexagonal cross-section suitable for close packing.
In der zweiten alternativen BrennstoffUnteranordnung, die in Figur 5 gezeigt ist, sind die Nebenseiten 15b des Mantelquerschnitts zum Mittelpunkt des Querschnitts konvex, so daß die Steifheit der Ecken des Mantels den Widerstand gegen Ausdehnung weiter erhöht.In the second alternative fuel subassembly, the is shown in Figure 5, the secondary sides 15b of the jacket cross-section are convex to the center of the cross-section, so that the stiffness of the corners of the shell further increases the resistance to expansion.
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