DE1236671B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

DEUTSCHES WJTWt PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/20

Nummer: 1236 671

Aktenzeichen: C 24213 VIII c/21 g

1236 67 1 Anmeldetag: 26.Mai 1961

Auslegetag: 16. März 1967

Kernreaktor-Brennstoffelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement, das in einer Reihe gleicher Elemente koaxial in einem Reaktorkanal angeordnet wird und dessen zylindrische, von einem gasförmigen Kühlmedium im wesentlichen in Längsrichtung umströmte Hülle einerseits mit längs Schraubenlinien um die Achse der Hülle verlaufenden Rippen und andererseits mit axialen Radial-Zwischenwänden versehen ist, welche die geneigt zu ihnen verlaufenden Elementarkanäle zwischen einander benachharten Rippen unterbrechen und am Umfang der Hülle mehrere Längszonen gegeneinander abgrenzen, in denen das Kühlmedium längs Schraubenlinienbahnen strömt.

Für die Unterbringung des Brennstoffs in Kernreaktoren ist es vielfach üblich, den Reaktorkern mit Kanälen zu versehen und in diesen patronenförmige Brennstoffelemente koaxial aneinanderzufügen. Die einzelne Patrone besteht dabei im allgemeinen aus einem Zylinder aus dem Brennstoff und einer Schutzhülle aus einem Material mit geringer Neutronenabsorption.

Zur Abführung der während des Reaktorbetriebes in den Brennstoffelementen entwickelten Wärme läßt man in dem Ringraum zwischen der Innenwandung des Reaktorkanals und den Brennstoffpatronen ein Kühlmittel strömen. Dabei stellt sich die Aufgabe, einen möglichst intensiven Wärmeaustausch zwischen den Brennstoffelementen und dem Kühlmittel zu erreichen, ohne daß der Widerstand für die Kühlmittelströmung zu groß wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist es bekannt, die Oberfläche der Brennstoffelemente zu vergrößern, indem man ihre Umhüllung mit Rippen und Ansätzen versieht. Eine bekannte Ausführung einer gerippten Schutzhülle für Brennstoffelemente ist in der französischen Patentschrift 1 181 909 beschrieben. Die bekannten Brennstoffelemente weisen einerseits schraubenlinienförmig um die Patronenachse verlaufende Rippen auf, die Elementarkanäle für das Kühlmittel begrenzen, und sind andererseits mit radial nach außen verlaufenden, zur Hüllenachse parallelen Zwischenwänden versehen, die den Fluß des Kühlmittels längs der Elementarkanäle unterbrechen und dieses umlenken, so daß immer neue Anteile desselben mit der Patronenhülle in Berührung kommen. Auf diese Weise soll erreicht werden, daß die mittlere Kühlmitteltemperatur der Temperatur der Umhüllung der Brennstoffpatronen gleichkommt.

Eine genauere Untersuchung der Verteilung des Wärmeaustausches längs einer Reihe aufeinander-Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris
Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Jean Le Foil, Sevres, Seine-et-Oise;

Jacques Pelce,

Chatillon-sous-Bagneux, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 27. Mai 1960 (828 366)

gestapelter Brennstoffpatronen zeigt jedoch, daß der Wärmeaustauschkoeffizient im in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen vorderen Bereich jeder Patrone beträchtlich niedriger ist als der mittlere Austauschkoeffizient längs der gesamten Umhüllung.

In der F i g. 1 ist der Verlauf des Wärmeaustauschkoeffizienten als Funktion des Ortes des Patronenstapels ausschnittweise dargestellt, wobei die Kanallänge als Abszisse und der Wärmeaustauschkoeffizient als Ordinate gewählt und nur das Übergangsstück von einer Patrone/1 zu einer PatroneB gezeigt ist. Das Kühlmittel strömt bei der Darstellung gemäß der F i g. 1 von links nach rechts, die Patrone/! liegt in Strömungsrichtung gesehen vor der Patrone B. Der Abfall des Wärmeaustauschkoeffizienten im vorderen Abschnitt der Patrone B ist in der F i g. 1 deutlich zu erkennen.

Ein solcher Abfall im Wärmeaustausch hat naturgemäß einen erheblichen Temperaturanstieg an der betroffenen Stelle zur Folge, und der Wirkungsgrad der Anordnung sinkt. Ein naheliegender Ausweg bestände darin, den Wärmeaustausch durch Vergrößerung der an den schraubenförmigen Rippen befestigten, axial verlaufenden Zwischenwände in einem passenden Abschnitt zu vergrößern. Eine solche Lösung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, daß der Druckverlust des Strömungsmittels zwischen Anfang und Ende einer Patrone erheblich zunimmt, so daß die zur Aufrechterhaltung des Kühlmittelumlaufs aufzuwendende Leistung wesentlich größer wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement anzugeben, das sich auch im

709 519/430

Claims (2)

Stapel durch einen über seine ganze Länge konstanten Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel auszeichnet, ohne diesem einen erhöhten Strömungswiderstand entgegenzusetzen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Anfangsteil der Hülle des Brennstoffelementes, auf den das Kühlmedium zuerst auftrifft, zwischen den sich über die ganze Länge des Elementes erstreckenden Zwischenwänden die zwischen den Rippen gebildeten Schraubenlinien-Elementarkanäle durch zusätzliche längsgerichtete Zwischenwände unterbrochen sind, die sich lediglich über einen kleinen Teil der axialen Länge des Elementes erstrecken. Der zusätzliche Druckverlust durch die zusätz-Hchen Zwischenwände ist gering, da deren Länge in bezug auf die Längsabmessungen der Patronen klein ist. In jedem Falle ist die relative Vergrößerung des sich einstellenden Druckverlustes z.B. in Prozent ausgedrückt klein im Verhältnis zur Vergrößerung der Leistung, die durch die Unterdrückung des überhitzten Bereiches der Umhüllung erreicht ist, welcher praktisch allein die Wärmeeigenschaf ten eines Kanals eines heterogenen Kernreaktors begrenzt. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist im folgenden an Hand der F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Diese Figur zeigt eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffpatrone mit durch axiale Zwischenwände unterbrochenen, schraubenförmig angeordneten Rippen, die an einem Ende mit zusätzlichen Zwischenwänden gemäß der Erfindung versehen ist. Man erkennt in dieser Figur eine Kernbrennstoffstange 1 von zylindrischer Gestalt, die von einem rohrförmigen Hüllelement 2 umgeben ist, das aus einem Material mit passenden Eigenschaften besteht. Die äußere Oberfläche dieses Umhüllungselementes ist mit Rippen 3 versehen, die in Schraubenbahnen um die Längsachse der Stange 1 angeordnet sind. Außer den Rippen 3 sind radial sich erstreckende längsgerichtete Zwischenwände 4 vorgesehen, die Schirme bilden für das in den zwischen den schraubenförmig angeordneten Rippen gebildeten Elementarkanälen strömende Kühlmittel. In dem Ausführungsbeispiel sind vier Zwischenwände gleichmäßig über den Umfang des Hüllelementes 2 verteilt. Gemäß der Erfindung sind zusätzliche Zwischenwände 5 in Ebenen angeordnet, die im wesentlichen in gleichen Abständen von den Ebenen der Zwischenwände liegen, und die Länge der zusätzliehen Zwischenwände ist für jede Patrone im wesentlichen gleich der Länge des Bereiches, dessen Wärmeaustauschkoeffizient angehoben werden soll. Diese Länge ist im allgemeinen klein gegenüber der Längsabmessung der Hauptzwischenwände 4. Sie überschreitet in dem Ausführungsbeispiel nicht die Größe des ein- bis zweifachen Durchmessers des Rohrelementes 2. Der Pfeil 6 zeigt die Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels an. Man erkennt, daß die zusätzlichen Zwischenwände 5 lediglich in Strömungsrichtung vorn an einem Hüllelement 2 angeordnet sind. Bei jedem Reaktorkanal ist die gleiche Anordnung für jede Patrone getroffen. Die Höhe der zusätzlichen Zwischenwände 5 wird als Funktion der angestrebten Wirkung bestimmt, d. h. als Funktion des Unterschiedes zwischen dem Wärmeaustauschkoeffizienten am Anfang einer Patrone vor Anbringung der zusätzlichen Zwischenwände 5 und des mittleren Wärmeaustauschkoeffizienten der gesamten Patrone. Die Höhe der zusätzlichen Zwischenwände 5 kann daher kleiner, gleich oder größer als die der Hauptzwischenwände 4 sein. In gewissen Fällen kann die vorerwähnte Bedingung dazu führen, daß die Zwischenwände 5 eine solche Höhe haben, daß sie sich bis an die innere Wand des Reaktorkanals (nicht dargestellt) erstrecken, in den die Patrone eingesetzt ist. Die Höhe der Zwischenwände 4 ist vorzugsweise so groß, daß der Wärmeaustauschkoeffizient über die Länge der Wärmeaustauschoberfläche im wesentlichen konstant ist. Es kann auch eine übernormale Wirkung eintreten (d. h. eine stärkere Erhöhung des Wärmeaustauschkoeffizienten am Anfang der Patrone, als zum Ausgleich der ursprünglichen Überhitzung erforderlich ist), und die genaue Bestimmung der Höhe der Zwischenwände geschieht am besten im Rahmen eines Kompromisses zwischen dem Druckverlust und der Wirksamkeit des Wärmeaustausches. Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, das in einer Reihe gleicher Elemente koaxial in einem Reaktorkanal angeordnet wird und dessen zylindrische, von einem gasförmigen Kühlmedium im wesentlichen in Längsrichtung umströmte Hülle einerseits mit längs Schraubenlinien um die Achse der Hülle verlaufenden Rippen und andererseits mit axialen Radial-Zwischenwänden versehen ist, welche die geneigt zu ihnen verlaufenden Elementarkanäle zwischen einander benachbarten Rippen unterbrechen und am Umfang der Hülle mehrere Längszonen gegeneinander abgrenzen, in denen das Kühlmedium längs Schraubenlinienbahnen strömt, dadurchgekennzeichnet, daß im Anfangsteil der Hülle (2) des Brennstoffelementes, auf den das Kühlmedium zuerst auftrifft, zwischen den sich über die ganze Länge des Elementes erstreckenden Zwischenwänden (4) die zwischen den Rippen (3) gebildeten Schraubenlinien-Elementarkanäle durch zusätzliche längsgerichtete Zwischenwände (5) unterbrochen sind, die sich lediglich über einen kleinen Teü der axialen Länge des Elementes erstrecken.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der zusätzlichen Zwischenwände (5) derart bemessen ist, daß die Wärmeübergangszahl über die gesamte Länge der Element-Oberfläche im wesentlichen konstant ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Österreichische Patentschrift Nr. 203 525;

französische Patentschrift Nr. 66 466 (zweite Zusatz-Patentschrift zur französischen Patentschrift Nr. 1022390);

französische Patentschrift Nr. 1181 909;

Zeitschrift »Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens«, 1958, S. 90 bis 103;

»Nuclear Engineering«, Oktober 1959, S. 347.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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