DE3920673A1

DE3920673A1 - Feder-gepacktes partikelbett-brennstoffelement

Info

Publication number: DE3920673A1
Application number: DE3920673A
Authority: DE
Inventors: Richard Vail Demars
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1988-06-27
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1990-01-04
Also published as: JPH0245797A; DE3920673C2; US4911881A; FR2633434B1; FR2633434A1; JPH0631743B2

Description

Die vorliegende Erfndung betrifft allgemein Kern-Brennstoffelemente und im besonderen Partikelbett-Brennstoffelemente.

Partikelbettreaktoren (Particle Bed Reactors (PBR′s)), über die zuerst in den frühen 60er Jahren nachgedacht wurde, wurden als Verbesserung gegenüber den Festkernreaktoren betrachtet, die in Verbindung mit Raketenantriebsprogrammen entwickelt worden sind. Die PBR′s, die dann vorgeschlagen worden sind, bestanden im allgemeinen aus einem ringför migen Bett mit Kernbrennstoffpartikeln, die auf der Außenseite mittels eines porösen Rohrs (Außenfritte) festgehalten sind. In einigen Konzepten wurde das Partikelbett an der Außenfritte durch Zentrifugalkräfte festge halten, indem das Bett und die Fritte gedreht wurden, was als Rotations bett bezeichnet wurde. In einem anderen Konzept, das als fixiertes Bett bezeichnet wurde, wurden die Partikel zwischen einer Innenfritte und einer Außenfritte festgehalten. In beiden Vorrichtungen trat Kühlmittelgas durch die Außenfritte, strömte radial einwärts durch das Brennstoffparti kelbett, wo es erwärmt bzw. aufgeheizt wurde, und strömte axial entlang dem zentralen Hohlraum des Bettes aus. Eine andere Ausführungsform des Partikelbettreaktors verwendet ein Feld von einzelnen Brennstoffelemen ten, die aus einer Außenfritte und einer Innenfritte bestehen, ein Bett für die Brennstoffpartikel und geeignete Armaturen bzw. Fittings, die die Vorrichtung zusammenhalten. Diese Brennstoffelemente haben typischer weise ein Längen- zu Außendurchmesserverhältnis von 4 : 1 oder größer, wohingegen das oben erwähnte Rotationsbett und das fixierte Bett im allgemeinen ein Verhältnis von ungefähr 1 : 1 aufweisen. Während des Betriebes weisen Kernbrennstoffelemente Probleme auf, die mit der Vergrößerung der Brennstoffpartikel während des Aufheizens und der unterschiedlichen Wärmeexpansion und -kontraktion des Partikelbetts und der Innenfritte und der Außenfritte zusammenhängt. Während der Änderungen in den Temperaturen der Bestandteile verursachen unterschied liche Wärmeausdehnungen oder -kontraktionen, daß das Brennstoffpartikel bett einem erhöhten Druck bzw. Kompression ausgesetzt ist, oder an ders herum, Kompressionsbelastungen können verschwinden bzw. aufgeho ben werden, wodurch das Bett gelockert wird. Zu hohe Kompressionsbela stungen können verursachen, daß die Brennstoffpartikel aufgrund Zerbre chens ausfallen oder die eingrenzenden Fritten zerstört werden. Ein gelockertes Bett führt dazu, daß Kühlmittelgas freier bzw. beweglicher durch einige Gebiete im Vergleich zu anderen strömen kann, was zu unerwünschten kalten und heißen Gebieten bzw. Flecken bzw. Spots innerhalb des Brennstoffpartikelbetts führt. Ein geeignet ausgelegtes Partikelbettreaktor-Brennstoffelement muß dazu fähig sein, sich an bestimmte Änderungen in der Temperatur und sich daraus ergebenden unterschiedlichen Ausdehnungen anzupassen.

Eine bekannte Annäherung zur Lösung des oben beschriebenen Problems bestand darin, eine Wellenfeder, die an jedem Ende des Brennstoffbettes angeordnet ist, vorzusehen.

Der Anmelderin bekannte Patente, die auf das unterschiedliche Ausdeh nungs-/Kontraktionsproblem abzielen, beinhalten das folgende.

Das US-Patent 36 79 545 von Leirvik offenbart ein Nuklearreaktor-Kern element, das eines oder mehrere gewellte bzw. geriffelte röhrenförmige Abstandsbauteile gebraucht, die innerhalb einer abgedichteten Plattie rungsröhre entweder nukleares Brennstoffmaterial oder Neutronen absor bierendes Material abfedernd unterstützt bzw. abstützt und anordnet. Jedes gewellte Abstandsteil ist in einem völlig ausgefüllten Raum bzw. einer völlig ausgefüllten Zone (plenum zone) innerhalb der Platierungs röhre angeordnet und verstärkt den Röhrenwandabschnitt um diesen völlig ausgefüllten Raum herum radial gegen Einfallen bzw. Eindrücken durch externen Fluiddruck.

Das US-Patent 39 89 590 von Wehrli, III et al offenbart ein intern unter Druck gesetztes hermetisches Plattenbrennstoffelement für einen Nukle arreaktor, das eine abgedichtete zusammendrückbare bzw. kollabierbare Kapsel innerhalb des völlig ausgefüllten Brennstoffelementraumes aufweist. Die Kapsel wird steuerbar in einen Einknickmodus zusammengedrückt bei Erhöhungen des Plenum- bzw. Raumdruckes, um den Brennstoffelement druck im wesentlichen konstant über seine betriebliche Lebensdauer aufrecht zu erhalten.

Das US-Patent 36 47 623 von Hepps et al offenbart ein metallisches Plattenbrennstoffelement für Nuklearreaktoren, das ein blasebalgartiges Element intern unterstützt bzw. gelagert in sich aufweist und das ver bindbar mit der Umgebung des Brennstoffelementes gekoppelt ist, um einen internen Druck im wesentlichen gleich dem externen oder Umge bungsdruck während des Aufwärmens bzw. Aufbrennens aufrechtzuerhal ten.

Das US-Patent 36 77 894 von Ferrari offenbart ein Brennstoffelement für einen unter Druck gesetzten Nuklearreaktor, das ein abgedichtetes Plattie rungsgehäuse, nuklearen Brennstoff darin und Einrichtungen zum Erzeugen einer intern unter Druck gesetzten Atmosphäre aufweist, so daß das Brennstoffelement freisteht, und ist charakterisiert durch eine Metall wandplattierung, die eine reduzierte Verdickung für Bedingungen bei Reaktoranwendungen aufweist.

Die US-Patente 30 09 869 von Bassett, 37 72 147 von Bratton et al, 32 74 067 von Greebler et al, 32 91 698 von Fortescue, 36 71 393 von Williams, 40 11 134 von Stehle et al, 46 99 757 von Cloue und 41 11 748 von Hayashi et al zielen auf verschiedene Abstandselemente ab, die den bekannten Stand der Technik wiedergeben.

Die Patente zielen alle auf abgedichtete Brennstoffelemente ab, die vollständig ausgefüllte Kammern bzw. Plenumkammern haben, um Spaltga se, die durch den Brennstoff darin während des Aufbrennens erzeugt werden, einzufangen und zurückzuhalten, während sie auch eine gewisse Längsausdehnung der Brennstoffsegmente erlauben. Dieses ist unterschied lich von dem Problem, auf das die vorliegende Erfindung abzielt, nämlich die unterschiedliche bzw. differentielle Ausdehnung und Kontraktion von porösen nicht abgedichteten Brennstoffelementen und Brennstoffpartikeln, wobei das Kühlmittelgas direkt durch ein Bett von Brennstoffpartikeln, nicht durch große Brennstoffsegmente, in direktem Kontakt mit den Brennstoffpartikeln fließt. Der einzige oben erwähnte Lösungansatz für dieses Problem wird als unzureichend angesehen aufgrund seiner Begren zung auf das Längen- zu Breitenverhältnis des Brennstoffelementes. Eine Lösung dieses Problems wird benötigt, wobei Ausdehnung und Kontraktion ohne das Bewirken von Schäden der Brennstoffpartikel oder Spiel der Brennstoffpartikel auftreten kann, eine signifikante Menge von Brennstoff nicht verschoben wird, eine signifikante Menge von Neutronen absorbie rendem Material nicht zugefügt wird, und kein signifikanter Einfluß bezüglich der günstigen Verteilung des Kühlmittelgasflusses auftritt.

Die vorliegende Erfindung löst das obige Problem auf direkte Art und Weise. Vorgesehen ist ein Partikelbett-Brennstoffelement, das Kompres sionsbauteile hat, die strategisch bzw. zielgerichtet innerhalb des Parti kelbettes angeordnet sind. Eine poröse innere Fritte und eine poröse äußere Fritte sind miteinander an einem Ende durch eine Kappe verbun den. Eine Schulter zwischen den zwei Fritten ordnet diese am anderen Ende radial an, behindert bzw. verspannt diese axial jedoch nicht. Eine Feder und eine Unterlegscheibe bzw. Scheibe können an einem Ende oder an beiden Enden plaziert werden, um eine Packkraft (packing force) auf das Brennstoffpartikelbett aufrechtzuerhalten. Ein oder mehrere Kompres sionsbauteile sind innerhalb des Brennsoffpartikelbettes zwischen den Enden der inneren Fritte und der äußeren Fritte angeordnet bzw. einge bracht. Die Kompressionsbauteile sind benachbart zu der äußeren Fritte angeordnet und dimensioniert, um etwa eine Hälfte des Raumes der Bettdicke zwischen den zwei Fritten einzunehmen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht der Erfindung, die die Kompressionsbauteile im ausgedehnten Zustand zeigt.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Erfindung, die die Kompressionsbauteile im komprimierten Zustand zeigt.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Kompressionsbauteiles.

Fig. 4 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kompressionsbauteiles.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kompressionsbauteiles.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß die Erfindung im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Das Partikelbettbrennstoffelement 10 weist im allgemeinen eine innere Fritte 12, eine äußere Fritte 14, ein Brennstoffpartikelbett 10, erste Kompres sionsbauteile 18 und zweite Kompressionsbauteile 20 auf.

Die innere Fritte 12 und die äußere Fritte 14 können aus irgendeinem Material des bekannten Standes der Technk gebildet werden, das für Nuklearreaktorbedingungen geeignet ist. Die Fritten 12, 14 sind porös, um den Fluß des Kühlmittelgases durch die Fritten und über das Brennstoff partikelbett 16 zu erlauben. Die innere Fritte 12 ist im Durchmesser kleiner als die äußere Fritte 14. Die Fritten 12, 14 sind miteinander an einem ersten Ende durch eine Endkappe 22 verbunden, die die Fritten in ihren axialen und radialen Positionen bezüglich zueinander zurückhält bzw. hält. Am zweiten Ende sind die Fritten 12, 14 durch eine Schulter 24 radial positioniert bzw. festgelegt, sind jedoch axial unbelastet bzw. unbehindert. Dieses formt einen Ringraum 26 zwischen den zwei Fritten, der das Brennstoffpartikelbett 16 hält. Das Brennstoffpartikelbett 16 weist eine Vielzahl von Brennstoffartikeln auf, die geeignet dimensioniert sind zur Wärmeleitung an ein Kühlmittelgas, welches durch den Ringraum 26 und das Partikelbett 16 geleitet wird. Beim normalen Betrieb wird das Kühlmittelgas direkt radial durch das Partikelbett 16 in die innere Boh rung 28 der inneren Fritte 12 und dann axial aus einem Ende der Bohrung 28 geleitet. Die Endkappe 22 verhindert den Fluß aus dem anderen Ende. Die Brennstoffpartikel sind relativ klein im Vergleich zu Brennstoffseg menten die in abgedichteten Brennstoffelementen eingesetzt werden und sie werden durch Kompressionsbauteile in einem gut gepackten Zustand gehalten.

Erste Kompressionsbauteile 18 können an einem oder an beiden Enden des Ringraumes 26 in dem Partikelbettbrennstoffelement 10 angeordnet werden. ln der bevorzugten Ausführungsform werden die Kompressionsbauteile 18 an beiden Enden vorgesehen, da dieses ein größeres Längen- zu Breiten verhältnis für das Brennstoffelement 10 erlaubt. Das erste Kompressions bauelement 18 wird aus einer Feder 30 und einer Unterlegscheibe bzw. Scheibe 32 benachbart zu jedem Ende des Brennstoffelementes 10 gebildet. Die Feder 30 wird als eine Wellenfeder (wave spring) gezeigt, kann jedoch ein anderer geeigneter Typ sein. Am ersten Ende ist die Feder 30 gegen die Endkappe 22 gelagert und am zweiten Ende gegen die Schulter 24. Die Unterlegscheibe 32 ist gleitbar zwischen der inneren Fritte 12 und der äußeren Fritte 14 gegen die Feder 30 angeordnet. Auf diese Art und Weise wird eine Packkraft auf das Brennstoffpartikelbett 16 aufrechterhalten, die Ausdehnung und Kontraktion innerhalb des Brennstoffpartikelbettes 16 ermöglicht bzw. erlaubt, ohne eine ungewollte Belastung oder ungewolltes Spiel zwischen den Brennstoffpartikeln. Viele Partikel bettreaktor-Anwendungen benötigen Brennstoffelement-Auslegungen, um ein hohes Verhältnis von Bettlänge zu effektivem Bettdurchmesser zu haben. Dies führt zu Reibungskräften in dem mittleren axialen Abschnitt des Brennstoffbettes, die nicht überwunden werden können und einen Reibungsverschleiß (friction lock up) der Brennstoffpartikel hervorrufen, sowie ungewöhnlich hohe Kompressionsbelastungen.

Ein zweites Kompressionsbauteil 20 ist in dem Ringraum 26 innerhalb des Brennstoffpartikelbettes 16 angeordnet, was eine solche lokale Ausdehnung unterstützt. Obwohl aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung nur ein zweites Kompressionsbauteil 20 gezeigt wird, kann mehr als eines verwen det werden. Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des zweiten Kompres sionsbauteiles 20. In der bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kompressionsbauteil 20 zwei geschlitzte Belleville-Unterlegscheiben bzw. -Ringe oder Federn 34 mit den geringeren Umfangsenden auf, die benach bart zueinander angeordnet sind. Dies führt zur Bildung einer v-Form die sich nach außen bezüglich der inneren und äußeren Fritte 12, 14 öffnet. Der äußere Durchmesser der Belleville-Federn 34 ist dimensioniert bzw. ausgelegt um sich an die äußere Fritte 14 anzupassen und zwar nur mit einem ausreichenden Spiel, um die erwünschte Federbewegung zu ermögli chen bzw. zu erlauben. Die Federn 34 sind mit Schlitzen 36 versehen, um das Kühlmittelgas durch die Feder fließen zu lassen und sie abzukühlen bevor das Kühlmittelgas auf jeder Seite der Federn 34 in das Brennstoff partikelbett eintritt. Die Schlitze 36 dienen auch zur Erhöhung der elastischen Kompressionsfähigkeit der Federn 34. Es ist anzumerken, daß die Schlitze 36 schmaler sein müssen als die Brennstoffpartikel, um zu verhindern daß diese in den Hohlraum zwischen den Federn 34 eintreten und um eine volle bzw. vollständige Kompression zu verhindern. Wenn die Federn 34 vollständig zusammengedrückt sind, sind sie flach und nehmen in dem Partikelbett 16 nur einen Raum ein, der ihrem Materialvolumen entspricht. Das offene Ende des V ist benachbart zu der äußeren Fritte 14 angeordnet und ausgelegt, um nur etwa die Hälfte der Dicke des Brenn stoffpartikelbettes 16 einzunehmen wenn es in der vollständig ausge dehnten Position ist. Da hauptsächlich der äußere Bereich des Brenn stoffpartikelbettes eingenommen wird, kann die Temperatur des zweiten Kompressionsbauteiles 20 auf einer Temperatur gehalten werden die niedrig genug ist, was erlaubt, daß das zweite Kompressionsbauteil 20 aus einem der herkömmlichen Federmaterialien hergestellt werden kann. Bei einer gegebenen axialen Höhe kann das zweite Kompressionsbauteil 20 eine größere Bettvolumenveränderung ausgleichen, wen das V zu der äußeren Fritte 14 hin angeordnet ist, als wenn es zu der inneren Fritte 12 hin angeordnet ist. Da der innere Bereich des Brennstoffpartikelbettes 16 nicht ausgefüllt bzw. okkupiert wird, wird der inneren Fritte 12, der heißeren der Fritten auch eine ungehinderte Bewegung von dem zweiten Kompressionsbauteil 20 erlaubt.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform 120 des zweiten Kompres sionsbauteiles 20, das eine mehrlagige Wellenfeder 38 umfaßt, eine Feder einfassung 40 und eine flache Scheibe 42, die gleitbar um die Federeinfas sung 40 eingreift. Die Federeinfassung 40 ist mit einem perforierten vertikalen Abschnitt versehen der an der inneren Fritte 12 eingreift und mit einer nach außen gebogenen oberen Lippe, die verhindert, daß die Scheibe 42 von der Einfassung 40 mittels Krafteinwirkung abgehoben wird. Die Anordnung der Wellenfeder 38 und der Schlitze in der Federeinfassung 40 läßt den erwünschten bzw. gewünschten Fluß des Kühlmittelgases die Federpackung abkühlen bevor es in das Brennstoffbett eintritt. Die Anordnung der Wellenfeder 38 stellt auch mehrfachpunkt- und gleich förmig aufgebrachte Belastungen bzw. Lasten auf die flache Scheibe 42 zur Verfügung, was eine Verkämmung (cocking) und demzufolge eine Verriegelung auf der Federeinfassung 40 verhindert. Diese Anordnung des Kompressionsbauteiles 120 kann eine große Volumenveränderung des Brennstoffartikelbettes 16 ausgleichen.

Fig. 5 zeigt eine zweite alternative Ausführungsform 220 des zweiten Kompressionsbauteiles 20. Das Kompressionsbauteil 220 verwendet eine Federeinfassung 40 und eine flache Scheibe 42, wie oben beschrieben. Eine mit Innendruck versehene, dünnwandige, hohle Metallringröhre 44 ist zwischen der Einfassung 40 und der Scheibe 42 angeordnet, um als Feder zu wirken. Diese Ausführungsform ist für Bedingungen geeignet, wo das Kriechen des Federmaterials normalerweise Verluste bezüglich der Feder rückstellkraft nach sich zieht. Die Rückstellkraft wird durch komprimier tes Gas im Inneren der Metallringröhre 44 zur Verfügung gestellt.

Beim Betrieb erlauben die Kompressionsbauteile 18, 20 eine Ausdehnung und eine Kontraktion innerhalb des Brennstoffpartikelbettes 16 und der inneren Fritte 12 und der äußeren Fritte 14, ohne daß ungewollter bzw. unötiger Druck oder ungewolltes Spiel in dem Brennstoffpartikelbett 16 auftritt. In der bevorzugten Ausführungsform werden optimale Leistungs daten erhalten indem hochfeste Federmaterialien wie hochfeste Legie rungen von rostfreiem Stahl, Nickel und Berylliumkupfer verwendet werden um die Kompressionsbauteile 18, 20 zu bilden.

Claims

1. Partikelbett-Brennstoffelement (10), aufweisend:

a) eine innere Fritte (12);
b) eine äußere Fritte (14), die an der inneren Fritte (12) angebracht ist und einen Ringraum (26) zwischen den Fritten (12, 14) ausbil det;
c) ein Brennstoffpartikelbett (16) in dem Ringraum (26);
d) ein erstes Kompressionsbauteil (18) an jedem Ende des Ringraumes (26); und
e) ein zweites Kompressionsbauteil (20), welches in dem Ringraum (26) innerhalb des Brennstoffpartikelbettes (16) angeordnet ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kompressionsbauteil (18) eine Feder (30) und eine Scheibe (32) aufweist, die gleitbar in dem Ringraum (26) angebracht sind.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß das zweite Kompressionsbauteil (20) zwei geschlitzte Belleville-Federn (34) aufweist, die benachbart zueinander angeordnet sind.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kompressionsbauteil (20) aufweist:

a) eine geschlitzte Federeinfassung (40), die in dem Ringraum (26) angeordnet ist;
b) eine Wellenfeder (38), die auf der Federeinfassung (40) angebracht ist; und
c) eine Scheibe (42), die gleitbar auf der Federeinfassung (40), benachbart zu der Wellenfeder (38), angebracht ist.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kompressionsbauteil (20) aufweist:

a) eine Federeinfassung (40), die in dem Ringraum (26) angeordnet ist;
b) eine mit Innendruck versehene Metallringröhre (44), die auf der Federeinfassung (40) angebracht ist; und
c) eine Scheibe (42), die gleitbar auf der Federeinfassung (40), benachbart zu der Metallringröhre (44), angebracht ist.

6. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Fritte miteinander mittels einer Endkappe (22) an einem ersten Ende verbunden sind und radial durch eine Schulter (24) an einem zweiten Ende geführt werden.