DE1182362B

DE1182362B - Brennelement fuer vorzugsweise gas- bzw. metallgekuehlte Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1182362B
Application number: DES58958A
Authority: DE
Inventors: Dr Karl Heinz Hoecker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-07-12
Filing date: 1958-07-12
Publication date: 1964-11-26
Also published as: GB921710A; FR1229381A; US3189524A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1182 362

Aktenzeichen: S 58958 VIII c/21 g

Anmeldetag: 12. Juli 1958

Auslegetag: 26. November 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für vorzugsweise gas- bzw. metallgekühlte Kernreaktoren, bestehend aus in einer gemeinsamen Hülle neben- und hintereinander angeordneten und mit dieser über metallische Halterungen verbundenen Formkörpern aus Brennstoff, der aus hochschmelzenden, hitzebeständigen, spaltbaren und gegebenenfalls konvertierbare Stoffe enthaltenden Verbindungen aufgebaut ist.

Bekanntlich kann Wärme von einem heißeren auf einen kälteren Körper außer durch Leitung und Konvektion auch durch Temperaturstrahlung übertragen werden. Hiervon wird beispielsweise bei modernen Dampfkesselanlagen mit indirekt beheiztem Verdampfer- und Überhitzersystem Gebrauch gemacht. Die im Kessel erzeugte Wärme wird im Feuerraum weitgehend durch Strahlung {Strahlungsteil) und in den nachgeschalteten Rauchgaszügen weitgehend durch Konvektion (Berührangsteil) an die Heizflächen übertragen.

Bei bekannten Kernreaktoren wird ebenfalls ein Teil der erzeugten Wärme durch Temperaturstrahlung auf das Kühlmittel übertragen, doch ist der Anteil infolge der bei den üblichen Leistungsreaktoren heterogener Bauart relativ niedrigen Temperatur der Brennstoffoberfläche vernachlässigbar klein. Die Wärmeübertragung durch Temperaturstrahlung ist erst bei Temperaturen oberhalb 1000° C technisch interessant. Bei Kernreaktoren müßte die Wärmebelastung des einzelnen Brennstoffelementes mindestens 60 Watt/cm² betragen.

Würde man beispielsweise einen nach dem Prinzip der Temperaturstrahlung arbeitenden heterogenen Reaktor mit einer Wärmebelastung von 100 Watt/cm² anstreben und sollte dabei die Betriebstemperatur im Kühlkreislauf 500° C betragen, müßten die Brennstoffstäbe im Betrieb eine Oberflächentemper-atur von etwas über 2000° C aufweisen. Hierbei ist noch vorausgesetzt, daß die Kühlkanäle aus rostfreiem Stahl bestehen und die Brennstoffstäbe als schwarze Körper angesehen werden können.

Bei heterogenen Reaktoren mit umhüllten Brennstoffelementen ist nun in manchen Fällen die Betriebstemperatur infolge von Festkörperreaktionen zwischen dem Hüllenmaterial und dem Brennstoff (Aluminium mit Uran) begrenzt. Auch die bekannte Abstützung von Uranstäben innerhalb eines Rohres durch regelmäßig angeordnete Abstandshalter — die örtliche Überhitzung des Brennstabhüllrohres durch ungleichmäßige Abstände soll vermieden werden — begrenzt die Arbeitstemperatur. Weiterhin „kann der Brennstoff durch thermische Ausdehnung, thermische Brennelement für vorzugsweise gas- bzw.
metallgekühlte Kernreaktoren

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Karl Heinz Höcker, Stuttgart-Vaihingen

Wechselbeanspruchung und Strahlenschädigung beim Abbrand mechanisch überbeansprucht werden.

Diese Nachteile werden beim Brennelement gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die Formkörper nicht ummantelt sind und in an sich bekannter Weise durch einen beispielsweise edelgasgefüllten Zwischenraum von der Hülle getrennt und in Graphitkörpern oder auch keramikartigen Körpern, deren gegenseitige Lage mit Äusdehnungsspiel durch metallische, mit der Hülle fest verbundene, zentrierende Haltestücke festgelegt ist, gehaltert, vorzugsweise eingelassen sind. Die Ringräume der Kanäle sind in den Kühl- bzw. Arbeitsmittelkreislauf eingeschaltet.

Als Kernbrennstoffe im Sinne der Erfindung kommen Stoffe hoher Wärmeschockbeständigkeit in Frage, beispielsweise Gemisthe aus angereicherten Uran- bzw. Plutoniumkarbidverbindungen mit Graphit, Legierungen aus Zirkon^Uran, Cennete. Besteht der Brennstoff aus einem UCg-Graphit-Gemisch, so behält er selbst bei einer Temperatur von 2450° C seinen festen Zustand bei; vor allem bleiben die guten Festigkeitseigenschaften des Graphits erhalten. Bei Verwendung von Thoriumkarbid und Graphit liegen die gleichen Verhältnisse vor.

Die Formkörper der Brennstoffelemente haben die an sich bekannte Gestalt von Stäben oder Platten, sind jedoch nicht direkt ummantelt. Sie können massiv oder hohl ausgeführt und einzeln oder in Bündeln in den Brennstoffelementen angeordnet sein. Der Stabdurchmesser bzw. die Plattendicke ist so gewählt, daß sowohl die Temperaturspannungen als auch die maximale Betriebstemperatur in den zulässigen Grenzen bleiben.

Im folgenden sei die berühirungsfreie Halterung der neuen Brennstoffelemente, sowie ihr Aufbau an Hand der Zeichnungen näher erläutert, es zeigt

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F i g. 1 in Teilansicht einen Schnitt durch einen doppelwandigen Kühlkanal eines Reaktors mit darin gehalterten Brennstoffelementen und

F i g. 2 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß F i g. 1 nach der Linie H-II.

In F i g. 1 ist ober- und unterhalb des Haltestückes 11 je ein Brennstoffelement 12,13 in Teilansicht dargestellt. Mehrere Brennstoffelemente sind in der angedeuteten Weise etagenartig im Inneren der Kühlkanalrohre übereinander angeordnet. Der einzelne Kanal besteht aus den konzentrischen, den Ringraum 14 frei lassenden Stahl- bzw. Zirkonrohren 15,16, von denen das Innenrohr 15 als Brennstoffaufnahmerohr im erwähnten Sinne ausgebildet ist. Der Absorptionskoeffizient der Rohre für Temperaturstrahlung kann durch geeignete Oberflächenbehandlung auf etwa 0,6 verbessert werden. Rohre aus rostfreiem Stahl sind für die obenerwähnte CO.,-Kühlung bis zu einer Kühlmitteltemperatur von 700° C, für Natriumkühlung bis 600° C verwendbar. Bei Zirkonrohren liegen die entsprechenden Temperaturwerte bei 650 und 500° C.

in das innere Kühlrohr 15 ist jeweils am Kopf- und Fußende der Brennstoffelemente das erwähnte Haltestück 11 aus Stahl oder Zirkon eingebaut, das die Nut 17 aufweist. Zum Einbau wird das Haltestück 11 in das innere Stahl- oder Zirkonrohr 15 eingeschoben. Nachfolgendes Einformen des Rohres in die Nut 17 und Andrücken an die oberen und unteren Ränder des Haltestückes (bei 20 und 21) fixieren das Haltestück. Lage und Abstände der Haltestücke werden am besten durch γ- oder Röntgenstrahlung geprüft. Der Abstand von Haltestück zu Haltestück ist gegeben durch die Länge der Brennstoffelemente, die etwa 20 bis 50 cm beträgt, und ferner durch das notwendige Dehnungsspiel in Achsrichtung. In entsprechender Folge wechseln Elemente und Haltestücke miteinander ab. Die Haltestücke sind aus Gründen einer gleichmäßigen Wärmeverteilung und der Materialersparnis von Element zu Element zweckmäßig durchbrochen oder rostartig auszubilden.

Die Brennstoffelemente bestehen im einzelnen aus den Stäben 18 (Durchmesser etwa 1 cm) und den Graphitkörpern 19, in die sie an ihren stirnseitigen Enden eingelassen sind. Sie sind lose in den Haltestücken 11 gelagert, die zugleich mit ihren zylindrischen Wülsten in radialer Richtung als Distanzstücke im Sinne der berührungsfreien Halterung der Elemente in den Kanälen benutzt sind.

Die mit Brennstoffelementen bestückten Innenrohre 15 sind am oberen und unteren Ende gasdicht mit einem nicht dargestellten Stopfen verschlossen, durch die sie entweder evakuiert oder mit inertem Gas gefüllt werden können. Bei Druckgasfüllung im Betrieb kann man Druckgleichheit mit dem Kühlmittel herstellen und somit relativ dünnwandige Innenrohre verwenden. Sodann unterstützt die Wärmeleitung im Gas den Wärmeübergang durch Strahlung. Das obere Ende der Innenrohre ragt zweckmäßigerweise aus der Moderatorzone heraus. Die Außenrohre sind untereinander und mit den Konstruktionsteilen des Moderatorraumes starr zu einem Gerüst verbunden. Zum Brennstoffwechsel werden im vorliegenden Falle jeweils ganze Brennstoffrohre ausgewechselt.

Gemäß F i g. 2 sind die Brennstoffstäbe in kreisförmiger Grundrißanordnung in die Graphithaltestücke eingelassen. Die Anordnung kann auch durch einen einzigen zylindrischen Hohlstab ersetzt werden, der zur besseren Wärmeabfuhr geschlitzt oder geteilt auszuführen ist. An Stelle von Stäben können

ίο aber auch Brennstoffplatten verwendet werden, bei denen eine Anordnung im Geviert oder in Parallelstaffelung unter Belassung von Schlitzen möglich ist. Insbesondere können hier Platten aus Kernbrennstoff, Brutstoff und Graphit (als Moderatorplatten) abwechselnd nebeneinander angeordnet werden. In Anpassung an den Plattenquerschnitt wird man den Kühlkanälen zweckmäßig quadratischen oder rechteckigen Querschnitt geben.
Brennstoffelemente gemäß der Erfindung weisen

ao den Vorteil auf, daß keine Festkörperreaktionen zwischen Umhüllung und Brennstoff stattfinden, daß der Brennstoff auf die übrigen Konstruktionsteile der Elemente und Kühlkanäle keine mechanischen Beanspruchungen ausüben kann und daß dadurch von Seiten des Brennstoffes keine Begrenzung der Arbeitstemperatur des Kühlmittels gegeben ist.

Claims

Patentanspruch:

Brennelement für vorzugsweise gas- bzw. metallgekühlte Kernreaktoren, bestehend aus in einer gemeinsamen Hülle neben- und hintereinander angeordneten und mit dieser über metallische Halterungen verbundenen Formkörpern aus Brennstoff, der aus hochschmelzenden, hitzebeständigen, spaltbaren und gegebenenfalls konvertierbare Stoffe enthaltenden Verbindungen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper (18) nicht ummantelt sind und in an sich bekannter Weise durch einen beispielsweise edelgasgefüllten Zwischenraum von der Hülle (15) getrennt und in Graphitkörpern (19) oder aus keramikartigen Körpern, deren gegenseitige Lage mit Ausdehnungsspiel durch metallische, mit der Hülle (15) fest verbundene, zentrierende Haltestücke (11) festgelegt ist, gehaltert, vorzugsweise eingelassen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 004 744,
1 033 810;

britische Patentschrift Nr. 791 011;
USA.-Patentschrift Nr. 2 741 593;

»Atomkernenergie«, Aprilheft 1957, S. 130, rechte Spalte;

»Nucleonics«, VoI 14, Nr. 3, 1956, S. 34 bis 37;

»Nuclear Fuels« von D. H. Gu r in sky und G. J. Dienes, 1956, S. 84 bis 86 und 104 bis 106;

»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, VoI 3, 1955, S. 330 bis 344 und 158/159.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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