DE4201367C2 - Gasgekühltes nukleares Brennelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gasgekühltes nukleares Brennelement.

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) benutzt worden. Reaktoren, die die prismatischen oder die rundlichen Brennstofformen verwenden, benutzen Kohlenstoff als Matrixmaterial, das umman­ telte Brennstoffpartikel zusammenbindet, und als Reaktor- 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 US Patent Nr. 45 69 820 offenbart stapelbare Brennelemente, die aus Graphit hergestellt sind und Brennkammern aufweisen, die nuklearen Brennstoff in der Form von beschichteten Partikeln aufnehmen. Kühlmittellöcher sind durch die Graphitblöcke getrennt von den Brenn­ kammern vorgesehen bzw. eingearbeitet, so daß das Kühlmittel den Brennstoff nicht direkt berührt.

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

Das US-Patent Nr. 35 60 339 offenbart ein nukleares Reaktorbrenn­ element, 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 US-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 US Patent Nr. 38 73 420 offenbart eine Brennelementenanord­ nung, die einen prismatischen Block umfaßt, der Brennstoff aufweist, der Bohrungen und die 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 US-Patente Nr. 38 91 502, Nr. 39 88 397 und Nr. 40 17 567 offenbaren Block-Brennelemente, die aus einer Graphitmatrix gebildet sind.

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

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein gasgekühltes nukleares Brenn­ element zu schaffen, 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.

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 Draufsicht ist, die die Erfindung in einem Nuklear- bzw. Kernreaktor-Gefäß darstellt,

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

Fig. 4 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 Brennelement 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. 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 14 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 14 zu definieren. Das zylin­ drische Rohr 14 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 versehen.

Eine Vielzahl von gasgekühlten nuklearen Brennelementen 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 Brennelementen 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 Brennelementen 10 gerichtet, um Wärme von den Brenn­ 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 Turbine gerichtet, die die Wärme in nützliche Energie umwandelt. Die folgenden Vorteile werden durch das gasgekühlte nukleare Brenn­ element 10 geschaffen.

Es wird wenig Matrixmaterial gebraucht, 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 vom Moderator, trennt, da sie entgegengesetzt zu dem bekannten Stand der Technik ist, der den Moderator in die Brennelemente einbaut, auch den Moderator von dem Reaktorkühlmittel. Dies läßt das Anwenden einer relativ gerin­ gen Temperatur zu und von wasserstoffhaltigen Moderatoren, die eine größere Volumeneffizienz als Kohlenstoff oder Graphit haben, und resultiert in einer Reduzierung des Reaktorvolumens. Ein weiterer Vorteil der Trennung von Moderator und Kühlmittel besteht darin, daß sie einen unabhängigen einzelnen Kühlmechanismus schafft, um den Reaktor im Notfall zu kühlen. 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. 4 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines gasgekühlten nuklearen Brennelements 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 an einem Ende in das gasgekühlte nukleare Brennelement 10, und zwar an dem ent­ gegengesetzten Ende wieder heraus. Dieses wird auf die folgende Art erreicht. Das obere End-Anschlußstück 116A ist nicht porös und mit einer axialen Bohrung 46 versehen, die mit dem axialen Kanal des Stapels von Brennstoffscheiben 12 in koaxialer Ausrichtung 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 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 Brennelement 10 durch die axiale Bohrung 46.

Claims (5)

1. Gasgekühltes nukleares Brennelement, das aufweist:

• a. ein zylindrisches Rohr (14) mit mindestens einem offenen Ende;
• b. eine Vielzahl nuklearer Brennstoffscheiben (12), die innerhalb des zylindrischen Rohrs (14) gestapelt sind, um einen ringförmigen Raum (21) zwischen den Scheiben (12) und dem Rohr (14) zu definieren;
• c. die nuklearen Brennstoffscheiben (12) mit jeweils einem axialen Kanal (18) durch diese, wobei zur Ermöglichung eines gesteigerten Kühlmittelflusses Rillen (20) an der Oberfläche jeder Scheibe (12) sich radial zwischen dem axialen Kanal (18) und der äußeren Kante der Scheibe erstrecken.
• d. ein oberes und ein unteres End-Anschlußstück (16A, B) in dem zylindrischen Rohr (14), die die nuklearen Brennstoffscheiben (12) in dem Rohr (14) stützen.

2. Gasgekühltes nukleares Brennelement nach Anspruch 1, wobei beide Enden des zylindrischen Rohrs offen sind.

3. Gasgekühltes nukleares Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Brennstoffscheiben eine obere konkave Oberfläche und eine untere konvexe Oberfläche aufweist.

4. Gasgekühltes nukleares Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das untere End-Anschlußstück mit einer zentralen Bohrung in koaxialer Ausrichtung mit dem axialen Kanal in den Brennstoffscheiben versehen ist.

5. Gasgekühltes nukleares Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das obere End-Anschlußstück mit einer axialen Bohrung in koaxialer Ausrichtung mit den axialen Kanälen in dem Stapel nuklearer Brennstoffscheiben versehen ist.