DE1234335B - Brennelement-Einheit mit vieleckigem Querschnitt fuer einen thermischen Kernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES WPWWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1234 335

Aktenzeichen: G 31141 VIII c/21 £

Anmeldetag: 12. Dezember 1960

Auslegetag: 16. Februar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennelement-Einheit mit vieleckigem Querschnitt, die aus einer Mehrzahl von eng benachbarten länglichen, von einem Moderator umgebenen Brennstoffstäben besteht, die in Reihen angeordnet sind. Solche Brennelement-Einheiten werden für thermische Kernreaktoren verwendet, die mit einem Core versehen sind, das aus einer Anzahl solcher einzeln auswechselbarer, im Abstand voneinander innerhalb eines Kessels angeordneter Brennelement-Einheiten aufgebaut ist. Dabei werden Steuerstäbe verwendet, die in den Zwischenräumen längsbeweglich geführt sind, die zwischen den Brennelement-Einheiten überall gleich groß sind und den Neutronen-Moderator enthalten. Ein ständiges Problem solcher Reaktoren besteht darin, daß der Brennstoff in der Nähe der Kanäle für die Steuerstäbe, die mit dem Moderator angefüllt sind, mit einem höheren spezifischen Energieaustausch arbeitet als der andere Brennstoff des Kernes. Das ist die Folge der höheren Erhitzung der Neutronen in der verhältnismäßig großen Moderatormenge im Kanal des Steuerstabes. Diese charakteristische Eigenschaft wird allgemein als der »Wasserloch-Effekt« bezeichnet. In einem thermischen Reaktor werden die Neutronen im Moderator verzögert und dann vom Brennstoff unter Freisetzung thermischer Neutronenenergie aufgenommen. Bei uneinheitlicher Moderator-Verteilung in einer Brennelement-Einheit, die aus mehreren Brennelementen, z. B. Brennstäben oder Brennplatten besteht, ergibt sich eine uneinheitliche Quelle thermischer Neutronen, so daß die Brennelemente, die benachbart zu großen Moderatormengen liegen, mehr Neutronen aufnehmen als jene, die benachbart zu kleineren Moderatormengen liegen. Das Ergebnis ist, daß die einzelnen Elemente mit verschieden großen Energieaustausch arbeiten. Da die Wärmeabgabe der Einheit durch die Fähigkeit des heißesten Elementes, Wärme an die Kühlflüssigkeit abzugeben, beschränkt ist, ergibt sich aus der ungleichmäßigen Verteilung des Energieaustausches in den Brennelementen eine niedrigere Wärmeerzeugung der Einheit im Ganzen, mit anderen Worten, die heißen Stellen des Reaktorkernes beschränken die gesamte Leistung des Reaktors. Diese Beschränkung beträgt bis zu 30% in einzelnen Fällen. Ein Kernreaktor der vorstehend beschriebenen Art ist beispielsweise in der Zeitschrift Nucleonics, Dezember 1959, S. 68 bis 75, beschrieben.

Der einfachste Weg, um dieser Schwierigkeit zu begegnen, wäre eine solche Anordnung der Brennelemente, daß der Moderator in bezug auf die Ele-Brennelement-Einheit mit vieleckigem
Querschnitt für einen thermischen Kernreaktor

Anmelder:

General Nuclear Engineering Corporation,
Dunedin, Fla. (V. St. A.)

Vertreter:

DipL-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:
John Merle West, Dunedin, Fla.;
Robert William Deutsch,
Clearwater, Fla. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. März 1960 (14 723)

mente überall gleichmäßig verteilt ist. Dies ist jedoch nicht möglich, weil es aus mechanischen Gründen nötig ist, die Brennelemente zu Einheiten zusammenzufassen. Diese sind von bestimmter begrenzter Größe, so daß eine uneinheitliche Verteilung des Moderators die Folge ist. Außerdem werden Steuerelemente, z. B. Stäbe von kreuzförmigem Querschnitt üblicherweise zwischen den Brennelement-Einheiten angeordnet. Da diese Steuerelemente einen bestimmten Raum beanspruchen, ist es nicht möglich, diesen Zwischenraum so zu bemessen, daß der Moderator einheitlicher verteilt ist. In der Tat erhöhen Kanäle für Steuerstäbe die Menge des Moderators in der Nähe der benachbarten Brennelemente im Vergleich zu den Kanälen innerhalb der Brennelemente einer Brennelement-Einheit.

Diese Nachteile des Standes der Technik will die Erfindung vermeiden, indem eine im wesentüchen gleichmäßige Leistungsverteilung über den gesamten Querschnitt des Kernes hergestellt wird. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Brennstoffstäbe innerhalb einer jeden Brennelement-Einheit in einer oder mehreren Doppelreihen symmetrisch die Achse der Brennelement-Einheit umgebend angeordnet sind derart, daß die jeweils

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innere Reihe der Brennstoffstäbe einen wesentlichen, nur von dem Neutronen-Moderator erfüllten Raum umschließt, das ganze derart und zu dem Zweck, daß die Brennstoffstäbe jeder Doppelreihe unmittelbar von einer erheblichen Menge des Moderators umgeben werden und die Brennstoffstäbe jeder Brennelement-Einheit im wesentlichen im gleichen Neutronenfluß arbeiten.

Die Erfindung ist sowohl bei Reaktoren mit flüssigem als auch bei solchen mit festem Moderator anwendbar.

Man kann die Brennstäbe in mehreren Doppelreihen ineinander und im Abstand voneinander anordnen. Die Brennelement-Einheit kann einen quadratischen Querschnitt besitzen und außen mit sechs Brennstoffstäben je Seite, innen aber mit vier Brennstoffstäben je Seite besetzt sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, bei gleichem Querschnitt jede Seite außen mit fünf Brennstoffstäben und innen mit drei Brennstoffstäben je Seite zu besetzen.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nun an Hand der Zeichnungen beschrieben:

F i g. 1 zeigt schematisch die Ansicht eines senkrechten Schnittes durch einen Kernreaktor, der mit Brennelement-Einheiten nach der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;

F i g. 2 ist die Ansicht eines Querschnittes entlang der Linie 2-2 der F i g. 1;

F i g. 3 stellt einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Querschnitt durch den Rektorkern dar; es sind Einzelheiten in bezug auf die Konstruktion und die Ausbildung einer Brennelement-Einheit und ihre Anordnung gegenüber den benachbarten Einheiten erkennbar;

F i g. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine der Brennelement-Einheiten der F i g. 3, ihre Anordnung in bezug auf benachbarte Einheiten und auf den Steuerstab;

F i g. 5 zeigt eine der F i g. 3 ähnliche Ansicht einer abgewandelten Brennelement-Einheit;

F i g. 6 zeigt eine ähnliche Ansicht wie die F i g. 3, jedoch ist die Brennelement-Einheit in anderer Weise abgewandelt wie die nach der F i g. 5.

In den Zeichnungen sind gleiche Bezugszeichen durchgehend für die gleichen Elemente benutzt. Der mit 10 bezeichnete Kernreaktor weist einen Reaktorkern 12 auf, der in einem Behälter 14 angeordnet ist. Dieser Kern besteht aus einer Anzahl getrennter Brennelement-Einheiten 16, die sich länglich in senkrechter Richtung erstrecken und deren Achsen parallel zur Längsachse des Behälters 14 verlaufen. Die Brennelement-Einheiten sind in gegenseitigem Abstand etwa wie in der F i g. 2 angeordnet. Der Kern selbst besitzt obere und untere Endplatten oder Gitter 18 und 20, die dazu dienen, die Brennelement-Einheiten zu stützen und in der richtigen Stellung zu halten. Wie erwähnt, ist jede Brennelement-Einheit von den anderen Einheiten getrennt und unabhängig davon, so daß jede Brennelement-Einheit unabhängig von den benachbarten Einheiten aus dem Kern entfernt werden kann.

Der Reaktorkern wird von Stützgliedern 22 getragen, die von der Wandung des Behälters 14 nach innen hereinragen. Wie gezeigt, ist der Kern von quadratischem Querschnitt und der Raum zwischen Kern und Behälterwandung wird durch die seitlichen Abstandhalter 24 derart aufgeteilt, daß die Kühlflüssigkeit für den Reaktor vom Einlaßstutzen 26 aufwärts

durch den Kern strömt und den Behälter durch den Auslaßstutzen 28 verläßt. Als Kühlflüssigkeit können Wasser, aber auch andere bekannte Kühlflüssigkeiten, die auch als Moderatoren wirken, verwendet werden.

Beim Durchströmen des Kernes umspült die Flüssigkeit die Brennelemente oder -stäbe 34 in jeder der Brennelement-Einheiten. Dabei erhitzen die Elemente die Kühlflüssigkeit beim Betrieb des Reaktors. Um die Temperatur eines jeden Brennelementes über den ganzen Querschnitt des Reaktors im allgemeinen gleich zu halten, sind die Brennelement-Einheiten 16 so konstruiert, wie es in den F i g. 3 und 4 dargestellt ist. Diese Figuren stellen eine vollständige Brennelement-Einheit dar sowie ihre Anordnung auch in bezug auf eine Anzahl benachbarter Einheiten. In diesen Figuren sind die verschiedenen Einheiten 16 in Abständen voneinander angeordnet und bilden einen Kanal 30, der den Steuerstab 31 aufnimmt. Der letztere hat vorzugsweise einen kreuzförmigen Querschnitt. Jede der Einheiten 16 wird von einer äußeren Wandung 32 umgeben, die aus einem Material geringerer Neutronenabsorption besteht, z. B. aus Zirkonium. In dem aus den Wandungen 32 bestehenden Gehäuse ist eine verhältnismäßig große Zahl von Brennelementen oder Brennstäben 34 angeordnet. Diese bestehen aus geeigneten Rohren aus z. B. Zirkonium, nichtrostendem Stahl, Aluminium, die ihrerseits Kügelchen aus UO₂ enthalten. Die Brennelemente 34 sind in Doppelreihen 36, 38 und 40 parallel zum Gehäuse und in geringem Abstand voneinander angeordnet. Es entstehen die Kanäle 42, 44 und 46, die durch die Wandungen 48 begrenzt werden. Die Wandungen 48 ihrerseits bestehen wiederum aus einem Material geringer Neutronenabsorption. Die Kanäle 42, 44 und 46 sind mit einem Neutronen-Moderator gefüllt. Es kann dies die Moderator-Kühlflüssigkeit sein, die in dem Reaktorkern nach oben strömt. Es kann aber dieser innere Moderator auch irgendein anderes Material und nicht die Kühlflüssigkeit sein. Man kann z. B. eine organische Verbindung oder einen festen Moderator, wie z. B. Beryllium, Berylliumoxyd oder Graphit verwenden. Wenn die Kühlflüssigkeit als Moderator in den Kanälen 42, 44 und 46 verwendet wird, dann kann man die Wandungen 48 fortlassen. Dagegen sind die Wandungen nötig, wenn die Kühlflüssigkeit von dem andersartigen Moderator getrennt werden muß.

Die verschiedenen Elemente der Brennelement-Einheiten einschließlich der Wandungen und der Brennstäbe werden durch nicht dargestellte Befestigungsmittel fest miteinander verbunden, so daß ihre gegenseitige Lage unveränderlich ist. Jede der Einheiten 16 kann einzeln aus dem Reaktorkern entfernt werden. Dadurch wird der Zusammenbau des Kernes erleichtert und der Ersatz einzelner Teile ermöglicht, wenn es nötig sein sollte.

Die Kanäle 42, 44 und 46 sind in bezug auf die Kanäle 30 so angeordnet und bemessen und der Moderator in diesen verschiedenen Kanälen ist so dosiert, daß der Neutronenfluß, in dem jedes der Brennelemente arbeitet, im allgemeinen einheitlich über den ganzen Querschnitt des Kernes ist. Bei der Anordnung nach der Erfindung ist jede Reihe von Brennelementen einem Kanal benachbart, der mit einem Moderator gefüllt ist, so daß sich diese einheitliche Flußdichte ergibt und die heißen Stellen vermieden werden, die bisher so vorherrschend waren.

Claims (5)

Bei der Anordnung nach der Fig. 5 besitzt die Brennelement-Einheit 50 nur zwei Reihen von Brennelementen 34 und im Inneren der Einheit wird ein Kanal 52 gebildet. Dabei besitzt die Brennelement-Einheit eine innere Wandung 54 und eine äußere Wandung 56. Diese Einheit 50 besitzt eine äußere Reihe von sechs Elementen je Seite und eine innere Reihe von vier Elementen je Seite und wird deshalb als 6-6-Einheit bezeichnet. Der mittlere Kanal ist von einer solchen Größe, daß er vier Brennelemente aufnehmen könnte, wie dies bisher üblich war. Gemäß der Erfindung werden jedoch diese Elemente fortgelassen, um einen Kanal für den Moderator zu bilden, der der innersten Reihe von Brennelementen benachbart ist und dadurch die Energieerzeugung abflacht. Bei dieser abgewandelten Anordnung sind natürlich mehr Brennelement-Einheiten in einem bebestimmten Reaktor enthalten als in der früher beschriebenen Ausführungsform. Wie aus der F i g. 5 ersichtlich ist, sind die Brennelement-Einheiten im Abstand voneinander angeordnet, so daß Kanäle 58 zwischen benachbarten Einheiten entstehen. Diese Kanäle enthalten dann den Steuerstab. Der Erfolg in bezug auf die einheitliche Verteilung der Energieerzeugung ist bei dieser Ausführungsform der gleiche wie bei dem früher beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel, weil jede Reihe von Brennelementen einem Kanal benachbart ist, in dem sieh ein Moderator befindet. Wie die Kanäle 42, 44 und 46 des früheren Ausführungsbeispieles kann auch der Kanal 52 die Moderator-Kühlflüssigkeit führen, die aufwärts durch den Reaktorkern strömt. Der Kanal 52 kann aber auch andere bekannte Moderatoren enthalten. Die Ausführungsfonn nach der F i g. 6 ist wieder der nach der F i g. 5 ähnlich mit der Ausnahme, daß in der F i g. 6 eine 5 · 5-Anordnung verwendet wird und daß die Brennelemente ringförmigen Querschnitt haben. In der F i g. 6 enthält die Brennelement-Einheit 60 zwei Reihen von Elementen 34'. Ein Kanal 62 wird im Inneren der Brennelement-Einheit gebildet. Die Brennelement-Einheit besitzt eine innere Wandung 64 und eine äußere Wandung 66. Die äußere Element-Reihe der Brennelement-Einheit hat fünf Brennelemente je Seite und die innere drei Elemente je Seite. Die Brennelement-Einheit wird deshalb als 5 · 5-Einheit bezeichnet. Der innere Kanal ist von solcher Größe, daß bei der üblichen Anordnung dort ein einziges Element angeordnet sein würde. Dieses Element ist also hier weggelassen, um einen Moderator zur Energieabflachung vorsehen zu können. Bei der Ausführungsform nach der F i g. 6 sind die Brennelement-Einheiten 60 so angeordnet, daß Kanäle 68 zwischen benachbarten Brennelement-Einheiten entstehen, die ihrerseits wieder den Steuerstab aufnehmen. Der Erfolg in bezug auf gleichmäßige Energieverteilung ist auch bei dieser Ausführung der gleiche wie bei den früher beschriebenen Ausführungsformen, und zwar deshalb, weil jede Reihe von Brennelementen einem Kanal benachbart ist, der einen Moderator enthält. Auch bei dieser Ausführungsform kann der mittlere Kanal 62 entweder das Moderator-Kühlmittel führen, das im Reaktorkern nach oben strömt oder auch andere bekannte Moderatoren enthalten. Als Brennstäbe werden bei der Ausführungsfonn nach der Fig. 6 vorzugsweise solche der »Ringtype« verwendet, bei der zwei Schutzrohre ineinandergeschoben sind und der zwischen ihnen entstehende Ring mit Brennstoff, z. B. UO2 gefüllt und dann an beiden Enden verschlossen wird. Es ergibt sich also, daß durch die gleichmäßige Verteilung der Energieerzeugung bei den Anordnungen nach der Erfindung das Problem der heißen Stellen, die durch die ungleichmäßige Verteilung des Neutronen-Moderators in bezug auf die Brennelemente früher bei bekannten Anordnungen entstanden, vermieden, zumindest aber ganz wesentlich erleichtert wird. Die Anordnung nach der Erfindung hat aber zusätzlich zu der gleichmäßigen Energieverteilung im Kern andere Vorteile, die sich wegen der verhältnismäßig großen Durchlässe ergibt, die sich durch die ganze Länge der Breimelement-Einheiten erstrecken. Diese Vorteile sind:

1. Der Reaktor kann in diesen Bereichen mit Hilfe des Moderators gesteuert werden. Bei flüssigen Moderatoren kann dies z. B. durch Veränderung der Standhöhe des Moderators im Behälter geschehen oder durch Verdrängung der Flüssigkeit mit Hilfe eines festen metallischen Stabes geringer Absorption. Feste Moderatoren können in der Größe, in der Gestalt oder in ihrer Lage verändert werden, um die Reaktionsfähigkeit, die Flußverteilung und das Übertragungsverhältnis zu ändern.

2. Es ist auch eine zusätzliche Kontrolle des Reaktors durch Einführung von Beilagestäben in den Zwischenraum für den inneren Moderator möglich. Giftstäbe oder -kugeln können oberhalb des Moderatorbereiches schweben, um in den Zwischenraum geworfen zu werden zu dem Zweck, den Reaktor teilweise zu steuern oder aber auch, um den Reaktor vollständig außer Betrieb zu setzen.

3. Es ist möglich, den Reaktor bezüglich der Energieerzeugung und des Neutronenflusses durch Einführung entsprechender Überwachungsinstrumente in den Moderatorzwischenraum zu überwachen. Auch andere Instrumente, z. B. solche zur Anzeige fehlerhafter Brennelemente, können in den Zwischenraum eingebracht werden.

4. Es kann ein Bereich vorgesehen sein, um verschiedene Elemente, z. B. Kobalt oder Lithium zu bestrahlen, um dadurch wertvolle Isotopen zu erzeugen.

5. Es ist möglich, mechanische Befestigungsglieder vorzusehen, die durch den inneren Moderatorbereich hindurchgreifen und am Boden des Reaktors befestigt werden.

Patentansprüche:

1. Brennelement-Einheit mit vieleckigem Querschnitt, bestehend aus einer Mehrzahl von eng benachbarten länglichen, in Reihen angeordneten und von einem Moderator umgebenen Brennstoff-Stäben, für einen thermischen Kernreaktor mit einem Core, das aus einer Anzahl solcher einzeln auswechselbarer, im Abstand voneinander innerhalb eines Kessels angeordneter Brennelement-Einheiten aufgebaut ist, und mit Steuerstäben, die in den den Neutronen-Moderator enthaltenden, überall gleich großen Zwischenräumen zwischen