DE1109798B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einer Vielzahl von in Abstand voneinander angeordneten länglichen Brennstoffkörpern besteht, die nach einem regelmäßigen Muster in Form eines Bündels angeordnet sind.

Erfindungsgemäß besitzen die an der Peripherie des Bündels befindlichen Brennstoffkörper einen geringeren Gehalt an spaltbarem Stoff als die innen gelegenen Brennstoffkörper.

Es ist an sich bekannt, ein Brennstoffelement so aufzubauen, daß am Umfang desselben eine geringere Konzentration an Spaltstoff vorliegt als im zentralen Bereich. Bei diesen bekannten Brennstoffelementen besteht jedoch die Hülle aus einem Brutstoff, der Kern hingegen aus einem Spaltstoff.

Andererseits ist es bekannt, im zentralen Teil eines Reaktorkerns höhere Spaltstoffkonzentrationen vorzusehen als im Außenbereich.

Zur Lehre der Erfindung führten gegenüber diesem Stand der Technik folgende Gesichtspunkte:

Bei heterogenen Kernreaktoren sind spaltbarer Stoff und Moderator in diskreten Gebilden gewöhnlich nach einem bestimmten geometrischen Muster zu einem Reaktorherz zusammengestellt, in dem eine Kettenreaktion stattfinden kann. Die innerhalb eines Reaktorherzes erzeugte Wärme, welche auf die Kettenreaktion zurückzuführen ist, wird ihrerseits in andere Energieformen umgesetzt. Um die erzeugte Wärme möglichst gut auszunutzen, insbesondere bei der kommerziellen Energiegewinnung, muß man die Anordnung des spaltbaren Stoffes oder, wie man schlechthin sagt, des Brennstoffes innerhalb des Reaktorherzes besonders beachten, und auch die Strömung des Kühlmittels in der Umgebung der Brennstoffelemente ist von großer Bedeutung.

Bei heterogenen Kernreaktoren besteht das Reaktorherz gewöhnlich aus einer Anzahl von Brennstoffelementen. Das Brennstoffelement ist die Grundeinheit, innerhalb der der Brennstoff im Reaktorherz angeordnet ist, und diese Brennstoffelemente wiederum sind aus einer Anzahl von Brennstoffkörpern aufgebaut. Die Brennstoffkörper enthalten spaltbaren Stoff, gewöhnlich in Verbindung mit brütbarem Stoff. Unter brütbarem Stoff versteht man ein Material, welches in spaltbarem Stoff dadurch umgesetzt werden kann, daß man es Neutronen einfangen läßt. Ein Beispiel für einen solchen brütbaren Stoff ist Thorium, welches über das Zwischenelement Protaktinium zerfällt und ein spaltbares Isotop von Uran, nämlich U²³³ ergibt.

Eines der bei heterogenen Kernreaktoren bisher ungelösten Probleme ist die ungleichmäßige Leistungsverteilung innerhalb des Reaktorherzes. Dieses Pro-

Anmelder:

The Babcock & Wilcox Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann, Dr.-Ing. A. Weickmann und Dipl.-Ing H. Weickmann, Patentanwälte,

München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. April 1959

James Carroll Deddens, Lynchburg, Va.,
und Howard Shelton Barringer, Rustburg, Va.

CV. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

blem war schuld daran, daß es bisher schwierig gewesen ist, in einem Kernreaktor ein bestimmtes Leistungsniveau einzustellen, ohne dabei Gefahr zu laufen, daß einige Brennstoffelemente ausbrennen, während andere mit unwirtschaftlich geringer Leistung arbeiten. Ein Ausbrennen der Brennstoffelemente tritt im allgemeinen dann ein, wenn die erzeugte Wärmemenge in dem Brennstoff größer ist als diejenige Wärmemenge, die durch das Kühlmittel abgeführt werden kann. Ein Ausbrennen eines Brennstoffelementes hat zur Folge, daß dieses für den Reaktorbetrieb ausfällt. Verursacht wird das Ausbrennen eines Brennstoffelementes entweder durch Leistungsspitzen innerhalb eines Teiles des Reaktorherzes oder durch Blockierung eines Kühlmittelflußkanals.

Für eine wirkungsvolle Betriebsweise eines Reaktorherzes ist es wesentlich, daß der Unterschied zwischen der maximalen Leistung und der durchschnittlichen Leistung begrenzt ist. Dadurch, daß man eine gleichmäßigere Leistungsverteilung in dem Reaktorherz herstellt, kann eine bestimmte Leistung erhalten werden, ohne daß die Gefahr eines Ausbrennens besteht.

Einer der Gründe, welche eine ungleichmäßige Leistungsverteilung bedingen, ist das Auftreten von Leistungsspitzen in den Strömungsmittelkanälen zwi-

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sehen den Brennstoffelementen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffelementenaufbau zu schaffen, bei dem lokalisierte Leistungsspitzen in den Strömungsmittelkanälen nicht auftreten.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es stellt dar

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffelementes nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilaufriß einer bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffelementes, teilweise im Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 3,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch ein Brennstoffelement gemäß der Erfindung nach der Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 einen vergrößerten vertikalen Schnitt durch den Endzapfen eines Brennstoffelementes, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

In der Fig. 1 ist die äußere Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffelementes 10 dargestellt. Das Brennstoffelement 10 besteht aus einer äußeren Gehäusewand 11, welche eine längliche Strömungskammer 12 von quadratischem Querschnitt bildet. An einem Ende dieser Strömungskammer ist eine Einlaßöffnung 14 und am anderen Ende eine Auslaßöffnung 16 angeordnet.

Das Brennstoffelement 10 umfaßt ferner eine Reihe von vertikal angeordneten länglichen Brennstoffstäben 18, die in einem quadratischen Gitter gleichmäßig angeordnet sind und ein Bündel 20 von annähernd quadratischem Querschnitt ergeben. Das Bündel 20 ist von den Wänden 11 der Strömungskammer gering beabstandet.

Jedes der Brennstoffelemente 18 (s. Fig. 2 und 4) weist ein Rohr 22 mit offenem Ende und gleichförmigem Querschnitt auf. Innerhalb dieses Rohres ist eine Säule von zylindrischen Brennstofftabletten 24 untergebracht, und zwar liegen diese Ende an Ende. Die Brennstofftabletten sind aus einem Gemisch von spaltbarem und brütbarem Stoff hergestellt. Ein hanteiförmiges Endstück 26, welches aus zwei äußeren Körpern 26 A und einem Zwischenstück 26 B besteht, ist auf das eine Ende der Säule aufgelegt. Das Ende des Rohres 22 ist durch eine hohle, schalenförmige Kappe 28 abgeschlossen, welche mit dem Rohr dicht vereinigt ist.

Die Brennstoffstäbe 18 des Bündels 20 sind untereinander verschieden. Man unterscheidet zwischen peripheren Brennstoff stäben 18 A und inneren Brennstoffstäben 18 B. Die peripheren Brennstoffstäbe 18 A enthalten weniger spaltbaren Stoff als die inneren Brennstoffstäbe 18 B. Zweck dieser Anordnung ist es, Leistungsspitzen zu vermeiden, welche in den Strömungsmittelkanälen zwischen den Brennstoffelementen auftreten könnten. Diese Leistungsspitzen rühren von einer Zunahme thermischer Neutronen her, welche ihrerseits darauf zurückzuführen ist, daß der zur Verfügung stehende Moderator innerhalb des Reaktorherzes dort am stärksten vertreten ist, wo das meiste Kühlmittel vorliegt. Da die peripheren Brennstoffstäbe am nächsten bei den Strömungsmittelkanälen liegen, welche außerhalb der Brennstoffelemente, d. h. zwischen diesen, gebildet sind, können lokalisierte Leistungsspitzen dadurch vermindert werden, daß man den Gehalt an spaltbarem Stoff in diesen peripheren Brennstoffstäben vermindert. Man erhält als Resultat eine gleichförmigere Leistungsverteilung innerhalb des Reaktorherzes.

Es wird aber noch eine weitere Maßnahme vorgeschlagen: Die in den Ecken liegenden peripheren Brennstoffstäbe erhalten erfindungsgemäß einen besonderen Aufbau. In diesen peripheren Brennstoffstäben der Ecken sollen die Brennstofftabletten an den Enden den gleichen relativen Gehalt an spaltbarem und brütbarem Stoff, besitzen wie die Tabletten in den übrigen peripheren Brennstoffstäben. Die Brennstofftabletten in der Mitte, d. h. in dem mittleren Drittel der Stäbe, sollen jedoch nur brütbaren Stoff enthalten.

Es hat sich gezeigt, daß die Brennstoffstäbe eines Bündels in radialer Richtung sich auszubiegen suchen, und zwar vom Zentrum des Reaktorherzes weg. Bei dem hier besprochenen Aufbau des Bündels von Brennstoffstäben besteht die Gefahr, daß sich das Bündel vom Zentrum des Reaktorherzes weg diagonal durch die es einschließende Strömungskammer verbiegt. Wenn eine solche Verbiegung eintritt, kommt das mittlere Stück desjenigen peripheren Brennstoffstabes, welches am weitesten entfernt vom Zentrum des Herzes liegt, in Kontakt mit der Wandung 11 der Strömungskammer 12, mit der Folge, daß der Kühlmittelfluß im Bereiche dieses Stabes blockiert wird. Wenn, wie vorgeschlagen, ursprünglich kein spaltbarer Stoff in dem mittleren Abschnitt dieses peripheren Eckstabes vorhanden ist, so wird in diesem mittleren Abschnitt nur dann Wärme erzeugt, wenn eine Spaltung des langsam durch den Brütvorgang aus brütbarem Stoff gewonnenen spaltbaren Stoffes eintritt. Die in dem mittleren Abschnitt gewonnene Wärmemenge ist deshalb wesentlich geringer als diejenige Wärmemenge, welche in den Endabschnitten, in denen sowohl spaltbarer als auch brütbarer Stoff enthalten ist, erzeugt wird. Die Kühlmittelstömung in der Nachbarschaft des Kontaktes zwischen dem peripheren Eckbrennstoffstab und der Gehäusewandung reicht deshalb aus, um die dort erzeugte Wärmemenge zu beseitigen und die Zerstörung des peripheren Eckbrennstabes infolge Überhitzung zu vermeiden.

Kurze runde Ringe 30 deren Achsen parallel zu den Längsachsen der Brennstoffstäbe verlaufen, sind innerhalb des Bündels 20 untergebracht und halten die Brennstoffstäbe auf Abstand. Darüber hinaus sind kurze runde Ringe 32 auch an der Peripherie des Brennstabbündels angebracht. Diese sind sowohl in ihrer Länge als auch in ihrem Durchmesser kleiner als die Ringe 30, welche zwischen den Brennstoffstäben untergebracht sind. Die Aufgabe der Ringe 32 ist es, die Brennstoffstäbe 18^4 in Abstand von der Gehäusewandung 11 zu halten.

Das Bündel 20 ist innerhalb der Strömungskammer 12 so gehalten, daß jedes Ende des Bündels 20 an einer Schulter 34 anliegt (s. Fig. 2). An den Enden der peripheren Brennstoffstäbe sind Traghülsen 36 angebracht. Im Inneren dieser Traghülsen 36 unterscheidet man zwischen einem ersten Abschnitt 38 A und einem zweiten Abschnitt 38 B. Beide Abschnitte haben verschiedene Innendurchmesser. Der Innendurchmesser des ersten Abschnittes 38 A ist so bemessen, daß dieser Abschnitt satt am Ende des Brennstoff Stabes anliegt, während der zweite Abschnitt 38 B einen kleineren Durchmesser besitzt und in axialer Richtung vom Ende des Brennstoffstabes absteht und gegen die Schulter 34 anliegt.

Im folgenden ist eine Liste aufgestellt, in der die Anteile von spaltbarem Stoff und brütbarem Stoff in

den Brennstoffstäben der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffelementes aufgeführt sind.

Brennstoffelement

Brennstoff ThO₂-UO₂-Mischung

Typische Konzentration von
TJ235 J_n Form von Brennstoffstäben

Peripherer Brennstoffstab .. 29,69 g/Stab

Peripherer Brennstoffstab an

der Ecke 19,90 g/Stab

Innerer Brennstoffstab .... 37,12 g/Stab
Gesamtgehalt an brennbarem
und brütbarem Stoff

Material 800 g/Stab

Bei dem Brennstoffelement gemäß der Erfindung bringt die Anordnung des spaltbaren Stoffes einen zweifachen Vorteil. Erstens wird die Menge des spaltbaren Stoffes in den peripheren Brennstoffstäben gegenüber der Menge an spaltbarem Stoff in den innen gelegenen Brennstoffstäben des Bündels vermindert, mit der Folge, daß die lokalisierten Leistungsspitzen vermindert und eine gleichmäßigere Leistungsverteilung in dem Reaktorherz erreicht wird. Zweitens erreicht man durch die besondere Ausbildung der in den Ecken der Brennstoffelemente gelegenen Brennstoffstäbe, daß in dem mittleren Drittel ursprünglich nur brütbarer Stoff vorhanden ist, daß keine Überhitzung und deshalb auch keine Zerstörung dieser Eckstäbe eintritt, für den Fall, daß sie mit der Gehäusewandung der Strömungskammer in Kontakt kommen sollten.

Bei dem Brennstoffelement nach der Erfindung ist es deshalb möglich, eine bestimmte Leistung einzustellen, ohne daß die Gefahr eines Ausbrennens besteht. Darüber hinaus kann durch die gleichmäßige Leistungsverteilung die maximale Leistungsabgabe des Reaktorherzes vergrößert werden.

Das Brennstoffelement ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit quadratischem Querschnitt gezeichnet. Es sind jedoch auch andere Querschnittsformen möglich. So kann der Querschnitt rechteckig oder auch polygonal sein. Selbstverständlich können auch in ihrem Querschnitt kreisförmige Brennstoffelemente verwendet werden. Bei Brennstoffelementen mit kreisförmigem Querschnitt tritt aber keine Ecke auf, in der ein besonderer Eckstab eingesetzt werden müßte. Es ist auch möglich, die Brennstoffstäbe eines Brennstoffelementes nicht in einem Behälter einzuschließen, und es können bei dieser Ausführungsform die erfindungsgemäßen Vorteile genauso erreicht werden wie bei der bevorzugten Ausführungsform.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brennstoffelement für Kernreaktoren, bestehend aus einer Vielzahl von in Abstand voneinander angeordneten länglichen Brennstoffkörpern, welche nach einem regelmäßigen Muster in Form eines Bündels angeordnet sind, dadurch gekenn zeichnet, daß die an der Peripherie des Bündels befindlichen Brennstoffkörper einen geringeren Gehalt an spaltbarem Stoff besitzen als die innen gelegenen Brennstoffkörper.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, mit polygonalem Querschnitt, insbesondere mit quadratischem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der in den Ecken liegenden peripheren Brennstoffkörper aus einem Spaltstoff-Brutstoff-Gemisch bestehen, während im mittleren Abschnitt nur brütbarer Stoff vorhanden ist.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Drittel der Länge von den in den Ecken gelegenen peripheren Brennstoffstäben aus brütbarem Stoff besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 014 240,
028 249;
britische Patentschrift Nr. 792170.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 C19/349 6.61