DE3248376A1

DE3248376A1 - Brennstoffelement fuer mit fluessigmetall gekuehlte schnelle brueter

Info

Publication number: DE3248376A1
Application number: DE19823248376
Authority: DE
Inventors: Robert E. North Huntingdon Pa. Lacko; Roger W. Monroeville Pa. Tilbrook
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1982-04-30
Filing date: 1982-12-28
Publication date: 1983-11-03
Also published as: US4462958A; FR2526212B1; JPS58191988A; FR2526212A1; GB2119560A

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für mit Flüssigmetall gekühlte Schnelle Brüter mit einem Bündel von Brennstäben umschließenden Kühlkanalmantel, wobei jeder Brennstab in einer Umhüllung Brennstoffpellets zwischen an gegenüberliegenden axialen Enden angeordneten Brutpellets und ferner ein Spaltgasplenum enthält.

Bei der Planung von mit Flüssigmetall gekühlten Schnellen Brütern werden Störfälle analysiert, wobei auch der hypothetische Fall angenommen wird, daß die Störung mit einer Zerstörung des Kern einhergeht. Bei einem solchen Fall wird davon ausgegangen, daß ein wesentlicher Teil des Kernbrennstoffs und dessen Ummantelung schmilzt. Der Brennstoff im Schnellen Brüter wird normalerweise durch einen senkrecht aufsteigenden und an der Oberfläche der Brennstäbe entlang fließenden Kühlmittelstrom, ζ. Β. aus flüssigem Natrium, gekühlt. Während einem mit einer Kernzerstörung einhergehenden Unfall wird es als möglich angesehen, daß die Strömung des geschmolzenen Materials blockiert wird, wodurch die permanente Entfernung von Brennstoff aus dem Kernbereich reduziert verläuft und somit ein permanent kritischer Zu

stand entstehen kann.

Der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, mit welchen erreicht wird, daß die Möglichkeit eines Blockierens des Kernbereichs durch sich erhärtendes Material aus Ummantelung und Brennstoff reduziert oder ausgeschaltet wird. Diese Aufgabe der für ein eingangs ge- * nanntes Brennstoffelement wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brutpellets in der Umhüllung in einem Abstand von den Brennstoffpellets gehalten sind, wobei zumindest ein Teil des Spaltgasplenums zwischen den Brutpellets und den Brennstoffpellets ausgebildet ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Der Aufbau eines Brennstoffelementes für einen mit Flüssigmetall gekühlten Schnellen Brüter hat in vorteilhafter Weise in den einzelnen Brennstäben Bereiche für die Brutzone und die Spaltzone sowie das Spaltgasplenum, die unterschiedlich lokalisiert sind. Dabei werden die Stäbe im Brennstoffelement derart angeordnet, daß aufgrund dieser unterschiedlichen axialen Anordnungen des Brutbereiches und des Spaltgasplenums verteilte Kühlmittelwege in axialer Richtung geschaffen werden, sodaß geschmolzenes Material über diese Wege abgeführt werden kann.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Brennstoffelements für einen mit Flüssigmetall gekühlten Schnellen Brüter;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Brennstab für ein Brennstoffelement gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilschnitt durch das Brennstoffelement gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Brennstab mit unterschiedlicher Anordnung der Brutzone und des Spaltgasplenums;

WS353P-2572 Fig. 5

- r-

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen weiteren Brennstab mit unterschiedlicher Anordnung der Brutzone und des Spaltgasplenums;

Fig. 6 einen Schnitt durch den Brennstab im Bereich einer Stützseheibe; 5

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Stützscheibe gemäß Fig. 5;

Fig. 8 eine perspektivische schematisierte Darstellung zur Erläuterung des verteilten Kühlmittelflusses im Brennstoffelement;

In Fig. 1 ist ein Brennstoffelement für einen mit Flüssigmetall gekühlten Schnellen Brüter dargestellt. Dieses Brennstoffelement faßt eine Anzahl von Brennstäben 1 zusammen, von welchen einer in Fig. 2 im Schnitt dargestellt ist. Die zusammengefaßten Brennstäbe 1 werden von einem Kühlkanalmantel 2 umgeben, der den Kühlmittelstrom nach außen begrenzt und dafür sorgt, daß der Kühlmittelstrom über die Oberfläche der Brennstäbe 1 verläuft. Der Abstand zwischen den einzelnen Brennstäben innerhalb des Brennstoffelementes wird mit Hilfe eines Drahtes 3 aufrecht erhalten, der um die einzelnen Brennstäbe, wie in den Fig. 2 und 3 angedeutet, gewickelt ist. Es können auch andere Maßnahmen verwendet werden, um den Abstand zwischen den einzelnen Brennstäben sicherzustellen, indem beispielsweise Honigwabengitter oder andere nicht dargestellte Gitterstrukturen Verwendung finden.

Der Abstand zwischen den einzelnen Brennstäben 1 wird durch die Dicke des Drahtes 3 oder durch entsprechende Abstandsgitter bestimmt. Aufgrund dieser festgelegten Abstände ist ein verhältnismäßig kleiner Raum zwischen den einzelnen Brennstäben für den Kühlmittelfluß vorhanden. Während eines Störfalles mit Zerstörung des Kerns schmilzt sowohl der Brennstoff als auch die Ummantelung und wird aufgrund des Spaltgasdruekes oder Dampfdruckes von verdampften Materialien im Kern verteilt, welcher durch die Kernzerstörung entsteht. Ein Weg, um dieses flüssige Material abzuführen, ist entlang der normalen Kühlmittelströmung innerhalb der Brennstoffelemente.

WS353P-2572 Die Fähigkeit,

Die Fähigkeit, daß geschmolzene Kernmaterial durch die im Brennstoffele- ■ ment angeordneten Brennstäbe hindurchdringen kann, ist von großer Bedeutung, um einen solchen Zwischenfall möglichst rasch beenden zu können. Wenn keine ausreichend große Materialmenge entfernt werden kann, verstärkt sich der Zwischenfall und kann zu erneuten kritischen Zuständen

und damit weiteren Kernzerstörungen führen. Der Verlauf des Zwischenfalles hängt sehr stark von der Blockierung des flüssigen Materials bzw. Brennstoffs im oberen Bereich des Kernes ab. Wenn sich das flüssige Material auf der Oberfläche der Kernstäbe verfestigt, wird der Kühlmittelstrom und damit eine mögliche Abführung dieses flüssigen Materials behindert bzw. blockiert. Auf diese Weise kann sich eine Blockierung im Brennstoffelement ^**¹* ergeben, die das Entfernen von flüssigem Material verhindert.

Unter diesen Bedingungen erscheint es zweckmäßig, die Möglichkeiten zu beseitigen, welche ein Verfestigen oder Erstarren des geschmolzenen Materials und eine Verstopfung des Kühlmittelweges verursachen können. Außerdem ist es notwendig, eine Maßnahme zu finden, mit der der Kühlmittelweg vergrößert und ein Erstarren des Materials weitgehendst verhindert werden kann.

In Fig. 2 ist ein Brennstab 1 dargestellt, in welchem in einem Mittelbereich im Kern 4 die Brennstoffpellets aus spaltbarem Material angeordnet sind. Der dar über liegende Bereich besteht aus einem Material, aus welchem spaltbares Material gebrütet werden soll. Dieser Bereich wird als obere Brutzone 5 bezeichnet und enthält überwiegend Brutmaterial in Form von Brutpellets. Der ■ unterhalb des Kerns liegende Bereich wird als untere Brutzone 6 bezeichnet, und enthält ebenfalls Brutmaterial in Form von Brutpellets. Beide Brutzonen arbeiten bei einer geringeren Temperatur als die Kernzone mit den Brennstoffpellets, da im Kern der Zerfall des Brennstoffs und damit die Energieerzeugung stattfindet. Die gestapelten Pellets sowohl im Brutzonenbereich als im Kernbereich werden in der Regel mit Hilfe eines Federmechanismusses zusammengehalten. Im Bereich der Federn und über dem Stapel der Pellets ist jeweils ein Spaltgasplenum 8 vorgesehen.

WS353P-2572 Wenn

Wenn geschmolzenes Mantelmaterial außerhalb der Brennstabumhüllung 9 entlang dem Brennstab aufsteigt, ist die Tendenz zum Erstarren und Blockieren des Strömungsflusses innerhalb des das Brennstoffelement umgebenden Kühlkanalmantels 2 vorhanden, da das geschmolzene Material im Bereich der oberen Brutzone 5 eine Abkühlung erfährt. Im Gegensatz dazu ist mit einer geringen Erstarrung und damit Blockierung im Bereich des Spaltgasplenums 8 zu rechnen, da in diesem Bereich nur verhältnismäßig wenig Wärme über die Ummantelung abgeführt werden kann.

Eine Möglichkeit, diese Schwierigkeit des Blockierens zu verhindern, besteht darin, die obere Brutzone wegzulassen. Andererseits ist gerade die obere Brutzone 5 derjenige Hauptbereich in einem Schnellen Brüter, in welchem Plutonium erzeugt werden kann, und außerdem dient dieser Brutbereich der Neutronenabschirmung nach oben, was von besonderer Wichtigkeit ist. Aus diesem Grund sieht die Erfindung vor, daß die obere Brutzone 5 in axialer Richtung, bezogen auf den Brennstab, in einem Abstand von der Spaltzone vorgesehen wird, sodaß sich in diesem Bereich die Gefahr einer Erstarrung nicht mehr ergibt und ein Strömungsweg für das Abströmen von geschmolzenem Material bei einem Zwischenfall geschaffen wird.

In Fig. 4 ist der Aufbau eines Brennstabes dargestellt, wie er für den einen Typ verwendet wird. Das Spaltgasplenum ist in einen oberen und unteren Abschnitt unterteilt und nimmt dazwischen die obere Brutzone auf, in welcher die Brutpellets 13 angeordnet sind. Auf diese Weise werden die Brutpellets in einem Abstand von den Brennstoffpellets 12 angeordnet. Die Brutpellets sind auf einer Stützscheibe 10 abgelegt, welche auf einen innen umlaufenden Rand 11 oder einem entsprechenden Einschnitt in der Brennstabummantelung gehaltert ist. Eine zweite Art der Anordnung der Brutzone ist in Fig. 5 gezeigt, wobei das Spaltgasplenum 8 ebenfalls in zwei Abschnitte unterteilt ist, von welchen der größere Abschnitt zwischen den Brennstoffpellets 12 und den Brutpellets 13 liegt, die dadurch im Brennstab in einem höheren Niveau angeordnet werden.

WS353P-2572 In Fig.

In Fig. 6 ist ein Schnitt durch die Stützseheibe 10 gezeigt, wobei auch der umlaufende Innenrand 11 erkennbar ist, auf welchem die Stützscheibe aufliegt.

Im Brennstoffelement werden die Brennstäbe 1, welche aus Stäben vom Typ 1 gemäß Fig. 4 und aus Stäben vom Typ 2, gemäß Fig. 5 bestehen, feldweise zusammengefaßt. Die Brennstäbe mit dem größeren Zwischenraum zwischen den Brutpellets 13 und den Brennstoff pellets 12 werden im Zentrum des Brennstoffelementes angeordnet und sind von den Brennstäben des zweiten Typs mit dem kürzeren Zwischenraum zwischen den Brutpellets und den Brennstoffpellets 12 umgeben. Dadurch ergibt sich, daß die Brutzonen in unterschiedlichen Höhenlagen angeordnet sind. Dies geht auch aus Fig. 8 hervor, welche den verteilten Kühlmittelfluß mit Hilfe gestrichelter Linie und Pfeile zeigt, der durch die Anordnung der Brennstäbe innerhalb des Brenn-Stoffelementes entsteht und längs welchem geschmolzenes Material fließen kann, ohne daß es mit Brutzonenbereichen in Berührung kommt, in welchen eine stärkere Abkühlung zwangsläufig ist.

Aus den vorausstehenden Erläuterungen ist es offensichtlich, daß die Erfindung in unterschiedlichster Weise verwirklicht werden kann. So ist es z.B. möglich, mehr als zwei verschiedene Typen von Brennstäben vorzusehen, um unterschiedlich gestaltete verteilte Ström mittelwage zu schaffen. Es ist auch nicht notwendig, daß das Spaltgasplenum in zwei Abschnitte unterteilt ist, sondern kann lediglich bezüglich der Längenausdehnung vergrößert oder verkleinert sein, um eine entsprechende Wirkung zu erzielen. Bei der Verwendung von mehr als zwei Zonen ergibt sich bezüglich des verteilten Strömungsflusses in Bereichen geringerer Wärmeableitung ein von der Darstellung gemäß Fig. 8 abweichender Verlauf. Auch ist es möglich, die Brennstäbe abweichend von der beschriebenen koaxialen Zuordnung der beiden Typen zu gestalten und beliebige Bereiche, bezogen auf den Querschnitt des Brennstoffelementes, mit Brennstäben eines Typs zu versehen.

Unabhängig von der geometrischen Anordnung der einzelnen Typen von Brenn-

WS353P-2572 Stoffstäben ist

Stoffstäben ist es wichtig, diese so zusammenzufassen, daß immer flüssiges Material nach oben aus dem Kernbereieh 4 abgeleitet werden kann, um dafür zu sorgen, daß der Kernbereieh im unterkritischen Zustand verbleibt.
Es ist auch vorgesehen, die untere Brutzone 6 zu modifizieren, indem auch in diesem Bereich ein Spaltgasplenum 8 vorgesehen wird, das es ermöglicht, nach unten flüssiges Material aus dem Kernbereieh abzuführen, um diesen im unterkritischen Zustand zu halten.

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Leerseite

Claims

FLEUCHAUS&WEHSER

PATENTANWÄLTE

Professional representatives before

ths European Patent Office

•DIPti.-ING. LEO FL ι *80ί$ München 71 Melchiorstraße 42 ® 089-792800 Telegramm: Transmarkpatent, München

DIPL.-ING. WULF WEHSER 3000 Hannover 1 S" 0511-321449

München, den 20. Dezember 1982

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Patentansprüche

lJBrennstoffelement für mit Flüssigmetall gekühlte Schnelle Brüter mit einem ein Bündel von Brennstäben umschließenden Kühlkanalmantel, wobei jeder Brennstab in einer Umhüllung Brennstoff pellets zwischen an gegenüberliegenden axialen Enden angeordneten Brutpellets und ferner ein Spaltgasplenum enthält, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Brutpellets (13) in der Umhüllung (9) in einem Abstand von den Brennstoff pellets (12) gehalten sind, wobei zumindest ein Teil des Spaltgasplenums (8) zwischen den Brutpellets (13) und den Brennstoff pellets (12) ausgebildet ist.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch- gekenn-., zeichnet,

- daß die Brennstoffstäbe im Brennstoffelement in zwei Zonen angeordnet sind, wobei die einzelnen Zonen Brennstoffstäbe (1) umfassen, bei welchen die Länge des zwischen den Brennstoff pellets (12) und den Brutpellets (13) angeordneten Spaltgasplenums (8) verschieden ist.
3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- daß die eine Zone zentriseh innerhalb der anderen Zone angeordnet ist.
4. Brennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Spaltgasplenums (8) der Brennstäbe (1) in der zentriseh gelegenen Zone im wesentlichen eine größere Länge als die in der sie umgebenden äußeren Zone haben.

.j₂ _.:..:.. *..*.:.. WS353P - 2572
5. Brennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die axiale Länge des Spaltgasplenums über den Brennstoffpellets (12) in der einen Zonen größer als die axiale Länge des Spaltgasplenums über den Brennstoffpellets (12) einschließlich der axialen Lange der Brutpellets (13) in der anderen Zone ist.
6. Brennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Brennstäbe (1) eine Stützscheibe (10) aufweisen, welche auf einem umlaufenden inneren Rand (11) aufliegt und das axiale Abstützniveau für den Brutpelletstapel und den Abstand von den Brennstoffpellets innerhalb der Brennstabumhüllung (9) festlegt.