DE4201367A1 - Gasgekuehltes nukleares brennelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein gesprochen Nuklearreaktoren und insbesondere gasgekühlte Hochtemperatur-Reaktoren und ihre Brenn­ elemente.

Bei gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren sind Brennstoffarten wie stiftartige Brennelemente, zylindrische Teilchenpreßlinge in hexagonalen Graphitblöcken (prismatisch), sphärische Partikelpreßlinge (rundlich) und gespritzte bzw. stranggepreßte hexagonale Graphit-Brennstoffstäbe (NER­ VA). Reaktoren, die die prismatischen oder die rundlichen Brennstofformen verwenden, benutzen Kohlenstoff als Matrixmaterial, das umman­ telte Brennstoffpartikel zusammenbindet, und als Reaktor-Reaktionsbremse bzw. -Moderator. Das Anwenden von Kohlenstoff als Reaktionsbremse hat Brennstoffelemente als Ergebnis, die einen begrenzten Brennstoff­ partikelinhalt und sehr große Reaktorkerne aufweisen, und zwar aufgrund des großen Kohlenstoffbetrags, der für die Neutronenmoderierung nötig ist. Patente, die auf Brennstoffelemente für gasgekühlte Reaktoren gerichtet sind, die der Anmelder kennt, enthalten folgendes.

Das U.S. Patent Nr. 45 69 820 offenbart stapelbare Brennstoffelemente, die aus Graphit hergestellt sind und Brennstoffkammern aufweisen, die nuklearen Brennstoff in der Form von beschichteten Partikeln aufnehmen. Kühlmittellöcher sind durch die Graphitblöcke getrennt von den Brenn­ stoffkammern vorgesehen bzw. eingearbeitet, so daß das Kühlmittel den Brennstoff nicht direkt berührt.

Das U.S. Patent Nr. 47 59 911 offenbart ein gasgekühltes nukleares Brennstoffelement, das aus einer Vielzahl miteinander verschachtelter fester poröser Zylinder mit zunehmender Größe gebildet ist, die sich ändernde Mengen nuklearen Brennstoffs darauf abgelagert haben.

Das U.S. Patent Nr. 35 60 339 offenbart ein nukleares Reaktorbrenn­ stoffelement, das eine verlängerte röhrenförmige Plattierung aufweist, die Brennstoffpartikel und eine Vielzahl von Scheiben enthält, die im Durch­ messer kleiner als der innere Durchmesser der Plattierung sind.

Das U.S. Patent Nr. 47 04 248 offenbart ein nukleares Brennelement, das aus einem länglichen Block feuerfesten Materials mit einer Vielzahl getrennter Kühlmitteldurchgänge und länglichen Brennstofflöchern gebildet ist. Endabdichtungen stellen einen geeigneten Kühlmittelfluß durch die Kühlmitteldurchgänge sicher.

Das U.S. Patent Nr. 38 73 420 offenbart eine Brennstoffelementenanord­ nung, die einen prismatischen Block umfaßt, der Brennstoff aufweist, der Bohrungen und interstitielle bzw. Zwischenräume füllende Kühlmittel­ durchführungsbohrungen enthält, die sich von Ende zu Ende erstrecken. Der Brennstoff umfaßt Stapel von ringförmigen Preßlingen, die den Brennstoff ausrichten, der die Bohrungen enthält, und die zentralen Kühl­ mittelflußkanäle durch den Brennstoff definieren. Der Block schafft eine Halterung für die ringförmigen Preßlinge.

Die U.S. Patente Nr. 38 91 502, Nr. 39 88 397 und Nr. 40 17 567 offenbaren Block-Brennstoffelemente, die aus einer Graphitmatrix gebildet sind.

Obwohl die obigen Patente eine Verschiedenheit von Brennstoffelementen offenbaren, sorgen alle offenbarten festen Blöcke für getrennte Kühl­ mittelkanäle und brennstoffenthaltende Kanäle, wodurch durch den Brennstoff erzeugte Hitze von den Blöcken entfernt wird und das Kühl­ mittel keinen direkten Kontakt mit dem Brennstoff selbst hat. Dies führt zu einer erhöhten Brennstoffelementen-, Kern- und Reaktorgröße. Es gibt eine Notwendigkeit für ausgekühlte Brennstoffelemente, die größenmäßig kleiner als jetzige Brennstoffelemente sind, die aber die gleiche Energiemenge erzeugen können.

Die vorliegende Erfindung geht die obige Notwendigkeit auf direktem Wege an. Was geschaffen ist, ist ein gasgekühltes nukleares Brenn­ stoffelement, das für direkten Kontakt des Kühlmittels mit dem brenn­ stofftragenden Material sorgt. Eine Vielzahl brennstofftragender Scheiben ist aufeinander gestapelt und innerhalb eines zylindrischen Rohrs durch End-Anschlußstücke gehalten. Das zylindrische Rohr schafft einen Kühl­ mittelflußpfad außerhalb des Scheibenstapels, schafft strukturelle Steifig­ keit und trennt das Kühlmittel und Brennstoffpreßlinge von jeder benut­ zten Neutronenreaktionsbremse. Die Scheibenpreßlinge können für radia­ len oder axialen Kühlmittelfluß hergestellt sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen­ den Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbin­ dung mit der Zeichnung, wobei:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht der Erfindung ist,

Fig. 2 eine Daraufsicht ist, die die Erfindung in einem Nuklear- bzw. Kernreaktor-Gefäß darstellt,

Fig. 3 eine einzelne Scheibe aus dem Scheibenstapel der Erfindung darstellt,

Fig. 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer einzelnen Scheibe der Erfindung darstellt,

Fig. 5 eine Seitenansicht ist, die das Befestigungspaß- bzw. -Anschluß­ stück der Scheiben der Erfindung darstellt, und

Fig. 6 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsseiten ist in Fig. 1 zu sehen, daß die Erfindung im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Ein gasgekühltes nukleares Brennstoffelement 10 ist im allgemeinen aus einer Vielzahl einzelner Scheiben 12, einem zylindrischen Rohr 14 und End-Anschlußstücken 16 aufgebaut.

Jede Scheibe 12 benutzt vorzugsweise ein Matrixmaterial wie beispielwei­ se Kohlenstoff, um nukleare Brennstoffpartikel in eine Scheibenform zu binden, wie jene, die dargestellt ist. Während des Herstellungsprozesses werden Flußkanäle gemäß dem gewünschten Kühlmittelflußpfad durch die Scheiben eingebaut. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 und 3 zu sehen ist, ist ein einzelner axialer Kanal 18 durch im wesentlichen die Mitte jeder Scheibe 12 vorgesehen. Scheibe 12 ist auch mit einer Vielzahl kleiner radialer Kanäle oder Vertiefungen 20 versehen, die sich von der äußeren Kante der Scheibe 12 zu dem axialen Kanal 18 erstrecken. Die Vertiefungen 20 können entweder an der oberen oder der unteren Fläche jeder Scheibe oder an beiden Flächen vor­ gesehen sein. Wenn die Scheiben aufeinander gestapelt sind, wie es in Fig. 1 zu sehen ist, erzeugen die Vertiefungen 20 einen Pfad für einen Kühlmittelfluß radial um die Scheiben zu dem axialen Kanal 18. Der Stapel von Scheiben ist innerhalb eines zylindrischen Rohrs 18 positio­ niert, und wird durch ein oberes und ein unteres End-Anschlußstück 16A, B am Platz gehalten, um einen ringförmigen Raum 21 zu den Scheiben 12 und dem zylindrischen Rohr 18 zu definieren. Das zylin­ drische Rohr 18 wird vorzugsweise an seinem oberen Ende geschlossen und ist an seinem unteren Ende offen. Eine Feder 22 ist zwischen dem oberen End-Anschlußstück 18A und dem oberen Ende des zylindrischen Rohrs 14 positioniert. Diese läßt eine axiale Ausdehnung der Scheiben 12 während der Reaktoroperationen zu. Das obere End-Anschlußstück 16A kann auch mit einem zurückgesetzten zentralen Bereich zum Auf­ nehmen der oberen Scheiben 12 versehen sein, um eine laterale Halte­ rung zu schaffen und um eine Seitwärtsbewegung der Scheiben zu verhin­ dern. Das untere End-Anschlußstück 16B hat im wesentlichen den gleichen äußeren Durchmesser wie die Scheiben 12. Das untere End- Anschlußstück 16B ist mit einer zentralen Bohrung 24 dadurch versehen.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Scheiben ist in Fig. 4, 5 darge­ stellt, wo eine Vielzahl axialer Bohrungen 26 für einen Kühlmittelfluß vorgesehen ist. Dies eliminiert die Notwendigkeit für Vertiefungen 20 aufgrund des erhöhten Oberflächenbereichs der Scheiben 12 in Kontakt mit einem Kühlmittelfluß und läßt den Gebrauch nur eines axialen Kühlmittelflusses durch die Scheiben 12 zu. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, kann jedes Ausführungsbeispiel der Scheiben 12 auch mit Eigenschaften versehen sein, die veranlassen, daß die Scheiben 12 in einer geeigneten Position relativ zueinander bleiben. Die untere Fläche jeder Scheibe 12 kann mit einer Kerbe 28 neben ihrer äußeren Kante versehen sein. Ein Dorn bzw. Stift 30, der größenmäßig der Kerbe 28 entspricht, kann an der oberen Fläche jeder Scheibe 12 vorgesehen sein. Beim Stapeln der Scheiben 12 wird der Dorn 30 in der Kerbe 28 einer benachbarten Scheibe aufgenommen. Dies verhindert eine Drehung der Scheiben 12 relativ zueinander und ein Beibehalten einer geeigneten Ausrichtung der axialen Bohrungen 26. Eine weitere Eigenschaft, die für jedes Aus­ führungsbeispiel benutzt werden kann, besteht darin, jede der Scheiben 12 derart zu formen, daß seine obere Fläche konkav ist und seine untere Fläche im gleichen Maße konvex ist wie die obere Fläche konkav. Dies ist durch eine Dimensionsangabe D in Fig. 5 gezeigt. Die An­ passung der konkaven und der konvexen Oberfläche, wenn die Scheiben 12 gestapelt sind, schafft eine laterale Halterung und verhindert ein Ver­ rutschen der Scheiben 12 relativ zueinander.

Eine Vielzahl von gasgekühlten nuklearen Brennstoffelementen 10 wird in einem gasgekühlten Nuklearreaktor 32 verwendet, wie beispielsweise jener, der in Fig. 2 dargestellt ist. Der Reaktor 32 ist aus einem Reaktorgefäß 34, Steuertrommeln 36, einer Reaktionsbremse 38, Fluß­ ablenkungen 40, gasgekühlten nuklearen Brennstoffelementen 10, Steuer­ stäben 42 und Kühlrohren 44 gebildet. Der einfacheren Darstellung halber wird nur eine kleine Anzahl von Kühlrohren 44 gezeigt, und es sollte verstanden werden, daß mehr Kühlrohre 44 benutzt werden kön­ nen.

Im Betrieb wird Kühlmittel durch das Reaktorgefäß 34 zu gasgekühlten nuklearen Brennstoffelementen 10 gerichtet, um Hitze von den Brennstoff­ elementen zu entfernen. Wie es durch die Pfeile in Fig. 1 angezeigt ist, tritt Kühlmittel zwischen dem Stapel der Brennstoffscheiben 12 und der inneren Wand des zylindrischen Rohrs 14 in den ringförmigen Raum 21 ein, fließt radial zwischen den Brennstoffscheiben 12 durch die Vertiefun­ gen 20 in den axialen Kanal 18, und dann durch den axialen Kanal 18 und die zentrale Bohrung 24 in das untere End-Anschlußstück 16B nach unten. Das Kühlmittel wird dann zu einer Energieumwandlungsvorrich­ tung gerichtet, die die Hitze in nützliche Energie umwandelt. Die folgenden Vorteile werden durch das gasgekühlte nukleare Brennstoff­ element 10 geschaffen. Ladungen hohen Volumens von beschichteten Brennstoffpartikeln können in den Scheiben 12 erhalten werden, und zwar aufgrund der Notwendigkeit für wenig überschüssiges Matrixmaterial, um die Scheibe zu bilden und die nötige Steifigkeit zu erhalten. Dies reduziert die Brennelementengröße und die Größe des gesamten Kerns. Die Trennung des Brennstoffs von der Reaktionsbremse, trennt, da sie entgegengesetzt zu dem bekannten Stand der Technik ist, der die Reak­ tionsbremse in die Brennstoffelemente einbaut, auch die Reaktionsbremse von dem Reaktorkühlmittel. Dies läßt das Anwenden einer relativ gerin­ gen Temperatur zu und von wasserstoffhaltigen Reaktionsbremsen, die eine größere Volumeneffizienz als Kohlenstoff oder Graphit haben, und resultiert in einer Reduzierung des Reaktorvolumens. Ein weiterer Vorteil der Trennung von Reaktionsbremse und Kühlmittel besteht darin, daß sie einen unabhängigen einzelnen Hitzeentfernungsmechanismus schafft, um den Reaktor in dem Fall zu kühlen daß ein normaler Kühlmittelfluß verloren ist. Die einfache Form der Scheiben 12 erlaubt ihnen, aus feuerfestem Material für hohe Temperaturen gebildet zu sein, wie beispielsweise mit Graphit versetztem Kohlenstoff mit abgerundeten Ecken, um einen Widerstand gegenüber mechanischer und thermischer Spannung zu verstärken, und somit die Spannkraft bzw. Widerstands­ fähigkeit der Brennstofform gegenüber Bedingungen zu erhöhen, die normalerweise hohe Spannungen induzieren würden. Dies wird weiterhin durch die zusätzliche strukturelle Halterung verstärkt, die durch das zylindrische Rohr 14 vorgesehen ist. Die einfache Geometrie der Schei­ ben 12 läßt das Verwenden allgemeiner Herstellungstechniken zu, wäh­ rend das Potential für eine Zerstörung der beschichteten Brennstoff­ partikel in der Scheibe 12 minimiert wird, weil Spannung auf die Brenn­ stoffpartikel während der Herstellung sehr gering gehalten werden kann.

Fig. 6 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines gasgekühlten nuklearen Brennstoffelements 10 dar, wobei das zylindrische Rohr 14 an beiden Enden offen ist. Der Stapel nuklearer Brennstoffscheiben 12 ist für einen radialen Fluß konstruiert, und zwar durch die Verwendung von Vertiefungen 20, wie sie oben beschrieben sind, wodurch das Kühlmittel radial zwischen den Scheiben fließt, und dann axial aus dem Stapel durch den axialen Kanal 18. Bei diesem Ausführungsbeispiel fließt das Kühlmittel jedoch in das gasgekühlte nukleare Brennstoffelement 10, und zwar an einem Ende, und aus dem Brennstoffelement 10 an dem ent­ gegengesetzten Ende. Dieses wird auf die folgende Art erreicht. Das obere End-Anschlußstück 116A ist nicht porös und mit einer axialen Bohrung 46 versehen, die in koaxialer Ausrichtung mit den axialen Kanälen des Stapels von Brennstoffscheiben 12 ist. Das untere End- Anschlußstück 116B ist mit einer Einrichtung 48 versehen, um eine axiale Ausdehnung der Brennstoffscheiben 12 während der Reaktoropera­ tionen zuzulassen. Die Einrichtung 48 kann aus einer Feder oder Balgen gebildet sein. Wie es durch die Pfeile angezeigt ist, fließt das Kühlmittel in den axialen Kanal 21 durch die Öffnung 50 an dem unteren Ende des zylindrischen Rohrs 14. Das Kühlmittel wird dann gezwungen, radial über die Brennstoffscheiben 12 durch die Vertiefungen bzw. Rillen 20 in den axialen Kanal 18 zu fließen, und dann axial aus dem Brennstoffelement 10 durch die axiale Bohrung 46.

Claims (10)

1. Gasgekühltes nukleares Brennstoffelement, das aufweist:

• a. ein zylindrisches Rohr mit einem offenen Ende;
• b. eine Vielzahl nuklearer Brennstoffscheiben, die innerhalb des zylindrischen Rohrs gestapelt sind, um einen ringförmigen Raum zwischen den Scheiben und dem Rohr zu definieren;
• c. wobei jede der nuklearen Brennstoffscheiben einen axialen Kanal dadurch hat; und
• d. ein oberes und ein unteres End-Anschlußstück in dem zylin­ drischen Rohr, die die nuklearen Brennstoffscheiben in dem Rohr stützen.

2. Nukleares Brennstoffelement nach Anspruch 1, wobei das untere End-Anschlußstück mit einer zentralen Bohrung in koaxialer Aus­ richtung mit dem axialen Kanal in den Brennstoffscheiben versehen ist.

3. Nukleares Brennstoffelement nach Anspruch 1, wobei eine Ober­ fläche jeder der Brennstoffscheiben mit Rillen versehen ist, die sich radial zwischen dem axialen Kanal und der äußeren Kante der Scheiben erstrecken.

4. Nukleares Brennstoffelement nach Anspruch 1, wobei jede der Brennstoffscheiben eine obere konkave Oberfläche und eine untere konvexe Oberfläche aufweist.

5. Gasgekühltes nukleares Brennstoffelement, das aufweist:

• a. ein zylindrisches Rohr mit einem offenen Ende;
• b. eine Vielzahl nuklearer Brennstoffscheiben, die innerhalb des zylindrischen Rohrs gestapelt sind, um einen ringförmigen Raum zwischen den Scheiben und dem Rohr zu definieren;
• c. wobei die nuklearen Brennstoffscheiben jeweils einen axialen Kanal dadurch und Rillen an einer Oberfläche jeder Scheibe aufweisen, die sich radial zwischen dem axialen Kanal und der äußeren Kante der Scheiben erstrecken; und
• d. ein oberes und ein unteres End-Anschlußstück in dem zylin­ drischen Rohr, die die nuklearen Brennstoffscheiben in dem Rohr stützen, wobei das untere End-Anschlußstück eine zentrale Bohrung in koaxialer Ausrichtung mit dem axialen Kanal in den Brennstoffscheiben aufweist.

6. Nukleares Brennstoffelement nach Anspruch 5, wobei jede der Brennstoffscheiben eine obere konkave Oberfläche und eine untere konvexe Oberfläche aufweist.

7. Gasgekühltes nukleares Brennstoffelement, das aufweist:

• a. ein zylindrisches Rohr, dessen beide Enden offen sind;
• b. eine Vielzahl nuklearer Brennstoffscheiben, die in dem zylin­ drischen Rohr gestapelt sind, um einen ringförmigen Raum zwischen den Scheiben und dem Rohr zu definieren;
• c. wobei die nuklearen Brennstoffscheiben jeweils einen axialen Kanal dadurch haben; und
• d. ein oberes und ein unteres End-Anschlußstück in dem zylin­ drischen Rohr, die die nuklearen Brennstoffscheiben in dem Rohr stützen.

8. Nukleares Brennstoffelement nach Anspruch 7, wobei das obere End- Anschlußstück mit einer axialen Bohrung in koaxialer Ausrichtung mit den axialen Kanälen in dem Stapel nuklearer Brennstoffscheiben versehen ist.

9. Nukleares Brennstoffelement nach Anspruch 7, wobei eine Ober­ fläche jeder der Brennstoffscheiben mit Rillen versehen ist, die sich radial zwischen dem axialen Kanal und der äußeren Kante der Scheiben erstrecken.

10. Nukleares Brennstoffelement nach Anspruch 7, wobei jede der Brennstoffscheiben eine obere konkave Oberfläche und eine untere konvexe Oberfläche aufweist.