DE1087284B - Stabfoermiges Brennstoffelement fuer Atomreaktoren - Google Patents
Stabfoermiges Brennstoffelement fuer AtomreaktorenInfo
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Description
DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft ein stabförmiges Brennstoffelement für Atomreaktoren, das aus einer Reihe von
Stäben oder Klötzen aus atomarem Brennstoff besteht, die von einer wärmleitend mit dem Brennstoff
verbundenen, mechanisch festen Hülle allseitig umschlossen
sind.
In heterogenen Atomreaktoren wird der Brennstoff im allgemeinen in Form kleiner Stäbe oder Klötze
verwendet. Diese kleinen Stäbe oder Klötze aus Uran, Uranoxyd oder -carbid sind von einer mechanisch
festen Hülle allseitig umschlossen, die wärmeleitend mit dem Brennstoff verbunden ist, die mechanische
Festigkeit des Elementes bedingt und den Brennstoff gegen das Kühlungsmedium isoliert, das die Kanäle
eines Moderators durchströmt, in denen die Brennstoffelemente angeordnet werden.
Um den Bedingungen hinsichtlich der mechanischen Festigkeit der Brennstoffelemente zu genügen, muß
die Hülle des Brennstoffelementes eine ausreichende Wandstärke aufweisen; eine relativ große Wandstärke
zieht jedoch unerwünschterweise eine zusätzliche Absorption von Neutronen nach sich und erschwert
außerdem den Wärmeübergang bzw. die Wärmeübertragung an das Kühlmedium.
Die vorliegende Erfindung (die auf Arbeiten von Jaques Andre Stohr und Maurice Gauthron beruht)
führt zu einer günstigeren Ausbildung derartiger, im wesentlichen stabförmiger Brennstoffelemente.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffelement ist vor allem dadurch gekennzeichnet, daß es aus relativ kurzen
Brennstoff-Einzelstäben oder -klotzen mit unterschiedlichen Durchmessern besteht, die abwechselnd in
einer unter plastischer Deformation auf die Brennstoffstäbe oder -klotze aufgedrückten gemeinsamen Hülle
sitzen. Das Aufdrücken der gemeinsamen Hülle auf die abwechselnd unterschiedlichen Durchmesser aufweisenden
Brennstoff-Einzelstäbe oder -klotze kann in weiterer Ausbildung der Erfindung derart erfolgen,
daß sich — gegebenenfalls nur örtliche — Falten und Ausbauchungen in der Hülie ausbilden, die vorzugsweise
in Längsrichtung des Brennstoffelementes verlaufen.
Die plastische Deformation der Hülle läßt sich beispielsweise durch hydrostatischen Außendruck erreichen,
wobei die Verformung entsprechend den mechanischen Eigenschaften des Hüllenmaterials (Aluminium,
Zirkonlegierung, nichtrostender Stahl usw.) warm oder kalt erfolgen kann. Dabei dienen der
Brennstoff bzw. Einzelstäbe oder -klotze unterschiedlichen Durchmessers als Kern oder Preßdorn, an den
das Hüllenmaterial angedrückt wird. Um dem fertigen Brennstoffelement eine geeignete stabartige Form zu
geben, werden die Einzelstäbe oder -klotze aus dem Stabförmiges Brennstoffelement
für Atomreaktoren
für Atomreaktoren
Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique,
Paris
Paris
Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10
München 22, Steinsdorfstr. 10
Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 7. Juli 1958
Frankreich vom 7. Juli 1958
Maurice Gauthron., Paris,
und Jacques Andre Stohr, Bures-sur-Yvette,
und Jacques Andre Stohr, Bures-sur-Yvette,
Seine-et-Oise (Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden
sind als Erfinder genannt worden
Brennstoffmaterial vorher in geeigneter Weise zentriert, so daß sie eine gemeinsame gerade Achse haben.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelemente lassen sich in einfacher Weise herstellen;
man erhält, ausgehend von einer anfänglich glatten Hülle, unterschiedliehe endgültige äußere Formen des
Elementes, die diesem eine bessere mechanische Festigkeit verleihen, als sie mit einer Hülle gleicher Wandstärkej
aber vollkommen glatter Form erreichbar ist; außerdem wird eine Verschiebung der beispielsweise
4-5 aus Uranoxyd bestehenden kurzen Stäbe oder Klötze
in der Hülle verhindert.
Eingehende Versuche, die mit Hiillrohren unterschiedlicher Durchmesser ausgeführt worden sind,
haben gezeigt, daß ein Grenzwert in den Unterschieden zwischen den Durchmessern der Brennsfoffstäbe
oder -klotze und der Hülle besteht, oberhalb dessen beim Aufpressen der Hülle infolge örtlicher Auswölbungen
sich jederzeit in gleicher Weise ausbildende Längsfalten formen, deren Anzahl ganz allgemein -von
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dem Material, der Wandstärke und dem Durchmesser der Hülle abhängt.
Die auf diese Weise entstandenen Längsfalten versteifen das Brennstoffelement; man kann überdies bei
gleicher mechanischer Festigkeit des Brennstoffelementes
die Wandstärke der Hülle verringern.
Bei Ausführung des Brennstoffelementes mit geringerer Wandstärke der Hülle werden von dem Hüllenmaterial
weniger Neutronen absorbiert, und die Wärmeübertragung an das Kühlmedium wird verbessert.
Außerdem vergrößern die sich ausbildenden Wölbungen und Falten, die sich bei der plastischen
Deformation der Hülle einstellen, die Übergangsfläche zu dem Kühlmedium. Auch die flächenhafte Berührung
der Hülle mit dem Brennstoff wird durch eine derartige Deformation begünstigt; hieraus folgt eine Verbesserung
des Wärmeüberganges von Brennstoff auf das Hüllenmaterial.
Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung lediglich als Beispiele zu
wertende Ausführungsformen von erfindungsgemäß hergestellten Brennstoffelementen für Atomreaktoren
dargestellt. Es dürfte klar sein, daß die Erfindung keinesfalls auf die in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es zeigt
Fig. 1 ein stabförmiges Brennstoffelement gemäß der vorliegenden Erfindung mit geschnittener Hülle,
Fig. 2 ein anderes, gemäß der Erfindung ausgeführtes Brennstoffelement,
Fig. 3 einen Querschnitt durch das Brennstoffelement gemäß Fig. 2,
Fig. 4 ein mit einer abweichend ausgeführten Hülle versehenes erfindungsgemäßes Brennstoffelement,
Fig. 5 einen Querschnitt durch das Element gemäß Fig. 4, -.-.
Fig. 6 und 7 Außenansichten von weiteren erfindungsgemäß hergestellten Brennstoffelementen.
In der Fig. 1 umschließt die Hülle 1 die koaxial aufeinandergesetzten zylindrischen Brennstoffklötze 2
und 3, die unterschiedliche Durchmesser haben.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform des Brennstoffelementes, bei der in der Hülle 4, die auf
die koaxial aufeinandergesetzten kurzen Brennstoffstäbe oder -klotze 5 und 6 aufgepreßt wird, Längsfalten
7 entstehen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Hülle 4 aus nicht rostendem Stahl,_ sie hat einen ursprünglichen
lichten Durchmesser von 13 mm und eine Wandstärke von 1 mm. Der Grenzwert in den Unterschieden
zwischen den Durchmessern der Brennstoffstäbe oder -klotze und der Hülle, oberhalb dessen sich
in der Hülle Auswölbungeh bilden, liegt bei ungefähr
I mm: wenn man die tablettenartigen Klötze mit Durchmessern von 12 mm und 13 mm ausführt,
schmiegt sich die Hülle nach Ausüben des äußeren hydrostatischen Druckes sehr vollkommen der Einlage
an, die durch die Brennstoffklötze gebildet wird (vgl. Fig. 1). Wenn man jedoch tablettenartige Brennstoffklötze
5 von 13 mm Durchmesser und Klötze von
II mm Durchmesser in der zunächst noch glatten
Hülle aufeinanderschichtet (wobei der Durchmesserunterschied größer ist als 1 mm), so bilden sich Auswölbungen
bzw. Längsfalten 7.
In den Fig. 4 und 5 ist ein Brennstoffelement dargestellt, dessen einzelne Brennstoffklötze 8 und 9 sehr 6g
stark unterschiedliche Durehmesser.aufweisen. Außerdem ist bei diesem Element der ursprüngliche Innendurchmesser
der Hülle großer als der Außendurchmesser der den größeren Durchmesser aufweisenden
Klötze 9. Die Differenz -zwischen dem Innendurchmesser der Hülle und dem größten Außendurchmesser
der Brennstoffklötze überschreitet also denjenigen Grenzwert, oberhalb dessen sich in der Hülle bei Anwenden
eines äußeren Überdruckes Auswölbungen bzw. Falten bilden. Diese Falten entstehen bei dem
Brennstoffelement gemäß den Fig. 4 und 5 aber nicht nur im Bereich der Brennstoffklötze 8 mit kleinerem
Durchmesser, sondern auch im Bereich der Brennstoffklötze 9 mit größerem Durchmesser. Die Falten 10
erstrecken sich daher -^- annähernd in Wellenlinien —
über die ganze Länge des Brennstoffelementes und versteifen dieses Element in sehr günstiger Weise,
wobei gleichzeitig eine Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche und damit eine Verbesserung der
Kühlwirkung erreicht wird.
Die Ausbildung der Auswölbungen oder Falten in der Hülle 10 kann dadurch beeinflußt oder begünstigt
werden, daß man die Hülle zunächst durch eine die Biegungs- oder Faltlinien vorformende Ziehvorrichtung
zieht und dann erst die Brennstoffklötze 8 und 9 in die Hülle hineinbringt; durch das Vorformen der
Falten wird auch die Zentrierung der Brennstoffklötze erleichtert.
Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten unterschiedlichen Ausführungsformen von Brennstoffelementen
enthalten Brennstoffstäbe oder -klotze, die nicht—wie
in den vorangegangenen Beispielen — die gleiche Länge oder Höhe aufweisen. Bei dem Element gemäß
der Fig. 6 haben die Klötze mit kleinerem Durchmesser (die jeweils an der mit 11 bezeichneten Stelle
liegen) eine größere Länge oder Höhe als die Klötze mit großem Durchmesser, die im Bereich der Rippen
12 sitzen. Anderseits haben bei dem Element gemäß der Fig. 7 die Brennstoffklötze mit kleinem Außendurchmesser
(13) eine wesentlich geringere Länge als die Brennstoffklötze mit großem Durchmesser (14).
Auch in diesen Fällen bilden sich selbst bei relativ eng anliegender Hülle in der Außenfläche der Hülle
Falten oder Rippen aus, die die Wärmeübertragung an das Kühlmedium begünstigen.
Claims (4)
1. Stabförmiges Brennstoffelement für Atomreaktoren, bestehend aus einer Reihe von Stäben
oder Klötzen aus atomarem Brennstoff, die von einer wärmeleitend mit dem Brennstoff verbundenen,
mechanisch f estenHülle allseitig umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement aus relativ kurzen Brennstoff-Einzelstäben
oder -klotzen mit unterschiedlichen Durchmessern besteht, die abwechselnd in einer unter plastischer
Deformation auf die Brennstoffstäbe oder -klotze aufgedrückten gemeinsamen Hülle sitzen.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesserunterschied
zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Brennstoffstäbe oder -klotze größer ist als ein von einem
»Bezugdurchmesser« abhängiger Minimalwert, oberhalb dessen sich bei der plastischen Deformation
der Hülle Längsfalten ausbilden, die die mechanische Festigkeit und die Wärmeaustauschfähigkeit,
des Brennstoffelementes erhöhen.
3. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei der
plastischen Deformation der Hülle an den kurzen Brennstoffstäben, deren Durchmesser kleiner ist
als der der ihnen benachbarten Stäbe, Längsfalten ausbilden, wobei der Innendurchmesser der Hülle
vor ihrer plastischen "Verformung im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der den größeren
Durchmesser aufweisenden Brennstoffstäbe ist.
4. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß längs der gesamten
Hülle Längsfalten vorhanden sind, die dadurch Zustandekommen, daß die Hülle vor ihrer
plastischen Verformung einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der größte Durchmesser
der in ihr angeordneten Brennstoffstäbe und daß die Hülle vorzugsweise vor ihrem Pressen
auf die Brennstoffstäbe in einer Ziehvorrichtung derart vorgeformt ist, daß ihre Vorformung das
Entstehen der Längsfalten begünstigt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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