NO135939B - - Google Patents

Description

Brenselelement for kjernereaktor samt skjede for slike brenselelementer.

En av de kjente metoder til å bedre

varmeutvekslingen mellom kjernereakto-rers brenselelementer og kjølefluidet som

sirkulerer i kontakt med disses skjeder,

består i å lage hule elementer, vanligvis

hulsylindriske elementer, hvori brenselet

er fordelt ringformet mellom en utvendig

og en innvendig metallkledning innbyrdes

forbundet ved begge ender av elementet

ved tettende ringformede endevegger, vanligvis under anvendelse av sveising.

Allerede i kold tilstand kan kontakten

mellom brenselet og skjeden være mer eller

mindre god. Eterhvert som reaktorenes effekt økes, kan den bli klart dårligere i visse

soner på grunn av forskjellene i varmeutvidelse mellom skjedemetall og brensel.

Dermed nedsettes varmeovergangen, og

dette fenomen begrenser mulighetene for

å benytte hule brenselelementer som be-kvemt lar seg kjøle. Anvendelsen av et

brensel som vider seg ut meget mer eller

meget mindre enn skjedemetallet, kan dermed føre til gap mellom skjede og brensel.

Dette er så meget mer uheldig som en

sterk utvidelse av brenselet i forhold til

skjeden begunstiger kontakten mellom

skjedens utvendige vegg og brenselet og

derfor burde tilstrebes hvis den ikke til

gjengjeld medførte en økning av spille-rommene mellom skjedens innvendige

vegg og brenselet.

Den foreliggende oppfinnelse går ut

på en forbedring ved kapslingen for hule

brenselelementer for kjernereaktorer kjø-

let med et fluidum under trykk, resp. ved de dermed forsynte brenselelementer.

Den omtalte forbedring er i første rekke karakterisert ved at skjedens innvendige vegg, som er myk og er utformet slik under elementets fremstilling at den ikke slutter seg til brenselet, legger seg mot dette i selve reaktoren under drift ved å deformeres plastisk eller elastisk i varme under trykket av kjølefluidet.

Anbringelsen av innerveggen mot brenselet bevirkes således av kjølefluidets trykk idet fluidet strømmer samtidig på yttersiden og på innersiden av brenselelementet. Skjedens innvendige vegg og even-tuelt også den utvendige kan være forsynt med ribber, som likeledes har til virkning å bedre varmeutvekslingen mellom fluidet og brenselet. Forbedringen av varmeutvekslingen skyldes også det forhold at den foreliggende forbedring muliggjør effektiv overgang av varme fra brenselet til skjeden på grunn av den intime kontakt mellom disse.

Ifølge oppfinnelsen er de nevnte ribber i den innvendige vegg langsgående og rettlinjet og rettet mot skjedens midtakse samt utført hule for å tillate den indre vegg å deformeres elastisk og legge seg mot brenselet.

Skjeden har i alminnelighet en egen varmeutvidelse forskjellig fra brenselets og i regelen mindre enn denne, noe som gjør det mulig, når temperaturen stiger, å la brenselet presse seg mot elementets yttervegg. Denne utvidelse er tilbøyelig til å fjerne brenselet fra den indre vegg i og med at dennes varmeutvidelse er mindre enn brenselets. Ovenfor en viss tem-peratur har trykket av kjølefluidet som sirkulerer i det indre av elementet, til virkning å føye en mekanisk deformasjon til den termiske varmeutvidelse av den innvendige vegg.

Når denne deformasjon først finner sted etter en viss utvidelse av brenselet, vil dette under den begynnende oppvarm-ning fjerne seg fra den innvendige vegg hvis varmeutvidelse er mindre enn brenselets. Når trykket av kjølefluidet og temperaturen er tilstrekkelig høye, kan den indre vegg ikke lengre holde stand mot kjølefluidets trykk og deformere seg, så den legger seg mot brenselet. Idet temperaturen fortsetter å stige, blir utvidelsen av den innvendige vegg begrenset av brenselet som vider seg ut langsommere, hvor-ved veggen vil få anlegg mot brenselet med et visst trykk.

Når den mekaniske deformasjon av den indre vegg skjer fra og med utvidelsen av brenselet, vil ikke avstanden mellom brenselet og den indre vegg tilta i forhold til kold tilstand. Spesielt hvis denne avstand er meget liten, inntrer der ikke noen effektiv løsgj øring mellom brenselet og den innvendige vegg. Denne blir således straks trykket mot brenselet og forskyvningene av den mot veggen vendende overflate av brenselet blir således identiske med forskyvningene av denne vegg.

Ved passende valg av arten av inner-veggens metall og av dennes utførelse for-øvrig er det mulig å la den mekaniske deformasjon av skjeden i henhold til oppfinnelsen begynne enten samtidig med eller i løpet av oppvarmningen.

I henhold til oppfinnelsen kan denne deformasjon være plastisk eller elastisk. Den plastiske deformasjon bevirkes alene ved trykket av kjølefluidet når minsknin-gen av metallets mekaniske fasthet under virkningen av temperaturstigningen blir tilstrekkelig. Den plastiske deformasjon ville kunne oppnås i kold tilstand, men for å fremkalle den ville det da være nødven-dig å benytte fluider med for høye trykk, som er uforenlige med de kjølefluidum-trykk som benyttes i kjernereaktorer, og som gjerne er av størrelsesordenen 25 kg/ cm2, men kan gå opp . i 100 kg/cm2. Den elastiske deformasjon nødvendiggjør en egnet utformning av den innvendige vegg og anvendelsen av et metall til dette formål med andre mekaniske egenskaper enn i tilfellet av plastisk deformasjon, idet der vil behøves et materiale som stål eller lig-nende. I dette tilfelle opphører kontakten mellom brenselet og den innvendige vegg når det komprimerte kjølefluidum ikke lengre sirkulerer i det indre av brenselelementet, idet veggen da straks går til-bake til sin utgangsstilling.

Under henvisning til den skjematiske tegning vil der i det følgende bli beskre-vet tre ikke-begrensende eksempler på kapsling av hule brenselementer for kjernereaktorer, kjølet med et fluidum under trykk, og utført i overensstemmelse med oppfinnelsen.

Det første eksempel gjelder en plastisk deformasjon av innkledningen for et hult brenselelement. Fig. 1 viser tverrsnitt av dette element ved begynnelsen av oppvarmningen og før den plastiske deformasjon. Fig. 2 viser snitt etter linjen II—II på fig. 1 av den øvre del av det samme element.

Det annet og det tredje eksempel gjelder en elastisk deformasjon av det hule brenselelements innerkledning.

Fig. 3 viser tverrsnitt av elementet

ifølge det annet eksmpel.

Fig. 4 viser en detalj av fig. 3 i større

målestokk.

Fig. 5 viser tverrsnitt av elmentet iføl-ge det tredje eksempel. Fig. 6 viser en detalj av fig. 5 i større

målestokk.

På fig. 1 og 2 betegner 1 brenselelementet. Skjeden 2 av magnesium er sam-mensatt av en innvendig og en utvendig vegg henholdsvis 3 og 4 innbyrdes forbundet ved en fastsveiset tetningskrans 5. Når kjernereaktoren settes i drift, sirkulerer kjølefluidet på yttersiden av elementet og i dets sentrale hulrom 6. Brenselet 1 vider seg ut under virkningen av temperaturstigningen, og dets ytterflate kommer i in-tim kontakt med ytterveggen 4, som vider seg langsommere enn brenselet. Derimot løser brenselets innerflate seg fra den innvendige vegg 3, og det derved dannede spillerom kan gå opp i 1 å 2 mm. Varmen blir da ført bort utelukkende fra yttersiden av elementet, idet kontakten mellom skjeden 2 og brenselet 1 bare fore-kommer ved dettes berøringsflate med yterveggen 4. Kjølegassen varmer seg opp suksessivt. Man unnlater å avkjøle den i reaktorens varmeutvekslere. Når temperaturen av denne gass når 200° C, som er forutsatt som inngangstemperatur i reaktoren, blir innerveggen 3 så deformert plastisk ved gassens trykk, som da bør være minst 30 kg/cm2. Disse data svarer til en godstykkelse av magnesium av stør-relsesordenen 1—2 mm. Når innerveggen 3 har lagt seg mot brenselet, øver skjeden så på normal måte sin varmeoverførende funksjon, og man kan begynne å kjøle kullsyregassen i reaktorens varmeutvekslere, som da kan virke med full effekt.

På samme måte kan man benytte en skjede av aluminium, noe som dog forut-setter en forandring av de data som er angitt ovenfor.

Fig. 3 viser ytter- og innerveggen henholdsvis 7 og 8 av en skjede for et annet element, hvis brensel er betegnet med 9. Ytterveggen, som er av typen med langsgående ribber, er f. eks. av aluminium. Veggen 8 utgjøres f. eks. av et aluminiumblikk utformet med tre rette langsgående ribber 10, 11 og 12, som utgjøres av buktninger av blikket. Blikktykkelsen er 1—2 mm. Den ene av disse ribber er vist i detalj på fig. 4. Når brenselet 9 vider seg ut, fjerner dets innerflate seg fra den opprinnelige stilling av innerveggen. Strømningen av komprimert kjølefluidum i elementets midtsone 13 har til virkning elastisk å fjerne partiene 14 og 15 av ribben 10 fra hverandre og dermed å øke diameteren av den innvendige vegg. Denne kan således forbli i varig kontakt med brenselet, forutsatt at kjølefluidet sirkulerer under et tilstrekkelig trykk i den kanal i kjernereaktoren hvori brenselelementet er an-bragt. På fig. 5 og 6 ses brenselet 16 og ytter-og innerkledningen, henholdsvis 17 og 18, hos et tredje brenselelement. Skjeden består i sin helhet av magnesium. Det spe-sielle profil av innerveggen er tilveiebragt ved trekning. Dens tykkelse i områdene uten ribber er 1,5 mm. Hver ribbe, f. eks. 19, har en langsgående spalte 20 og en dermed kommuniserende langsgående kanal 21 med meget liten diameter. Kanalen 21 er tildannet under trekningen, og spalten 20 ved hjelp av en sag. Kapslingen av brenselelementet skjer på samme måte som i det foregående eksempel, idet innerveggen 18 holdes i stadig anlegg mot brenselet ved hjelp av kjølefluidets trykk. Den elastiske deformasjon er gjort mulig ved at de to grener av ribbene gaper. Kanalen 21 har til formål å forhindre dannelsen av en bruddanvisning i forbindelsespunktet mellom ribbens grener.

Denne utførelse gjør det mulig å kom-binere muligheten av elastisk deformasjon

av skjedens indre vegg og anvendelsen av et skjedemateriale med liten neutronab-sorbsjon.

Høyden av ribbene 10, 11, 12 (fig. 2 og 3) målt radialt i forhold til brenselelementet, er 10 mm. Samlet bredde av ribben 19 (fig. 6) ved roten er 5 mm, og bredden av spalten 20 på dette sted 0,5 mm. Diameteren av kanalen 21 er 0,5—1 mm. Disse tallverdier svarer til betingelsene etter idriftsettelse av brenselelementer (under trykk og i varme).

Claims (7)

1. Brenselelement for kjernereaktorer av den art hvor brenselet er anordnet som en hulsylinder i en skjede som danner en utvendig og en innvendig vegg, karakterisert ved at den innvendige vegg, som er myk og er utformet slik under eelmentets fremstilling at den ikke slutter seg til brenselet, legger seg mot dette i selve reaktoren under drift ved å deformeres plastisk eller elastisk i varme under trykket av reaktorens kjølefluidum.

2. Skjede for anvendelse i et brenselelement som angitt i påstand 1, karakterisert ved at den nevnte innvendige vegg oppviser rette langsgående ribber rettet mot skjedens midtakse, og hver av disse ribber er utført hul for å tillate den indre vegg å deformeres elastisk og legge seg mot brenselet.

3. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved at de nevnte ribber utgjøres av bukter i den innvendige vegg, dannet som folder i veggen under dens fremstilling.

4. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved at den innvendige vegg er dannet ved trekning og med langsgående vulster og hulribbene er tilveiebragt etter trekningen ved partiell inn-adrettet utsaging av disse vulster.

5. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved at den består av magnesium.

6. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved at den består av tynt blikk av rustfritt stål.

7. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved at den består av aluminium.