DE1489636B2 - Brennstoffelement fur einen Kern reaktor - Google Patents
Brennstoffelement fur einen Kern reaktorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit rohrförmig ausgebildetem und
zur Füllung mit Brennstoff körniger Konsistenz geeignetem und bestimmtem Brennstoffbehälter sowie
mit wenigstens zwei in Längsrichtung des Brennstoff-■ behälters verlaufenden Kühlmittelleitungen, die eine
Vielzahl von in Längsrichtung im Abstand voneinander liegenden, mit dem Brennstoffraum in Verbindung
stehenden Öffnungen zur Ausbildung eines im allgemeinen radial durch den Brennstoffraum erfolgenden
Kühlmittelflusses aufweisen und zur Verbindung mit einer Kühlmittelzufuhr bzw. einer Kühlmittelabfuhr
vorgesehen sind.
Die Körner des Kernbrennstoffes können in dem Brennstoffraum entlang den Kühlmittelleitungen gepackt
werden. Das Kühlmittel steht im Wärmeaustausch mit den gepackten Brennstoffkörnern.
Brennstoffzufuhr und -entnahme sind an den entgegengesetzten Enden des Brennstoffbehälters vorgesehen,
durch welche kornförmiger Kernbrennstoff bei Bedarf während des Betriebes des Reaktors in den
Brennstoffraum eingeführt oder aus diesem entfernt werden kann.
Die Brennstoffkörner können jede geeignete Größe und Form aufweisen, so daß sich beim Zusammenpacken
Hohlräume zwischen ihnen bilden, durch die das Kühlmittel fließen kann. Vorzugsweise sind die
Körner kugelförmig ausgebildet. Das Material der Brennstoffkörner kann jedes geeignete Brennstoffmaterial
wie Uran, Urankarbid, Uranlegierungen beispielsweise mit Metallen wie Zirkon, Molybdän,
Niobium usw., oder geeignete Plutoniumverbindungen oder gemischte Plutonium-Verbindungen sein.
Mischungen von U2:)3 oder U233 mit Thorium, die
höhere Umsetzungsverhältnisse als Uran allein ergeben, können ebenfalls verwendet werden. Des weiteren
können die Brennstoffkörner angereicherten Kernbrennstoff enthalten, besonders für kleinere
Reaktoren; Außerdem können die Brennstoffkörner umkleidet oder unverkleidet sein.
Ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit rohrförmig ausgebildetem Brennstoffbehälter zeigt
z.B. die deutsche Patentschrift 952 919. Oberhalb dieses Brennstoffbehälters sind Öffnungen für die
Zufuhr, an seinem unteren Ende ist eine Öffnung für die Entnahme des kornförmigen " Brennstoffes
während des Betriebes vorgesehen. Um den Behälter herum sind konzentrisch übereinander zwei ringförmige
Spalte vorgesehen, durch die ein Teil des Kühlmittels strömt. In der Hauptsache strömt das Kühlmittel
jedoch durch Öffnungen im Boden des Behälters in den Brennstoffraum ein, wo es durch seinen
Druck die Brennstoffkörner in den kritischen Bereich anheben soll, und durch Öffnungen am oberen Ende
des Behälters ab. Im Innern des Behälters befinden sich keine Kühlmittelleitungen.
Ein anderes Brennstoffelement mit rohrförmig ausgebildetem Brennstoffbehälter ist der deutschen Auslegeschrift
1041177 zu entnehmen. Dieses weist
einen ringförmigen Brennstoffraum auf, der zwischen zwei koaxialen Zylindern mit Durchbrechungen liegt,
wobei ein Kühlmitteldurchlaß innerhalb des ringförmigen Brennstoffraumes und ein weiterer Kühlmitteldurchlaß
außerhalb des Brennstoffraumes vorgesehen ist. Der Kühlmitteliluß durch den Brennstoffraum
findet im wesentlichen in radialer Richtung durch in den Wänden des Brennstoffraumes vorgesehene Öffnungen
statt. Die Anordnung eines Kühlmittelraumes außerhalb des Brennstoffraumes wie bei diesem vorbekannten
Brennstoffelement ist durchaus brauchbar, wenn gasförmige Kühlmittel von niedrigem Neutronenabsorptionsquerschnitt
angewendet werden. Wird" jedoch ein Kühlmittel mit einem verhältnismäßig
hohen Absorptionsquerschnitt verwendet,, wie etwa Natrium, bzw. wird mit einem Reaktor mit natürlichem
Uran gearbeitet, muß die Kühlmittel-Neutronenabsorption auf einem Mindestwert gehalten werden.
Dies kann nun erreicht werden, indem entweder die Menge des Kühlmittels beschränkt wird (was
aber auch eine Beschränkung der Wärmeabführgeschwindigkeit zur Folge hat), oder dadurch, daß
sich das Kühlmittel im Bereich des niedrigsten Wärmeflusses im Reaktor befindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine . Verbesserung der aufgezeigten Verhältnisse auf dem
zweiten Wege zu erreichen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe ausgehend von dem eingangs beschriebenen Brennstoffelement
dadurch, daß die Kühlmittelleitungen benachbart im Mittelbereich des Brennstoffbehälters so angeordnet
sind, daß der Kühlmittelfluß von der mit der Kühlmittelzufuhr verbundenen Kühlmittelleitung über
deren mit dem Brennstoffraum in Verbindung stehenden Öffnungen in letzteren radial nach außen und aus
diesen wiederum radial nach innen zurück in die mit . der Kühlmittelabfuhr in Verbindung stehende weitere
Kühlmittelleitung verläuft.
Der Brennstoffraum ist also gemäß der Erfindung um mindestens zwei Kühlmittelleitungen herum angeordnet,
wobei die eine für den Zufluß und die andere für den Abfluß des Kühlmittels dient. Der
Kühlmittelfluß im Brennstoffraum ist hier also weitgehend axial und in Umfangsrichtung ausgerichtet,
nicht aber in radialer Richtung wie bei dem bekannten Brennstoffelement. Hieraus ergeben sich ganz
wesentliche funktioneile Unterschiede beim Betrieb dieser Anlagen, die zu den gewünschten Verbesserungen
führen. Das gesamte Natrium, ,falls" solches als Kühlmittel verwendet wird, befindet sich beim erfindungsgemäßen
Brennstoffelement im untersten Flußbereich, während bei dem vorbekannten Element sich
ungefähr, die Hälfte des Natriums in einem Flußbereich
befindet, der höher ist als der Fluß im Brennstoff.
Ein Maß der Neutronenersparnis und damit einer Einsparung im Reaktorsystem ist der sogenannte
Wärmeausnutzungsfaktor, der ein Maß des Teils der verfügbaren Neutronen ist, die nutzbar zur Spaltung
des Brennstoffes verwendet werden können. Dieser Wärmeausnutzungsfaktor wurde bei dem vorbekannten
Brennstoffelement mit ungefähr 0,88 berechnet.
. Für das erfindungsgemäße Brennstoffelement beträgt
er 0,91. Dies bedeutet eine weitgehende Verbesserung, die insbesondere in Reaktoren besonders wichtig ist,
die mit natürlichem Uran als Brennstoff arbeiten. Diese Verbesserung kann zur Überschreitung des kritischen
Punktes führen, der ansonsten gegebenenfalls nicht erreicht werden könnte. Die verbesserte Wärmeausnutzung
läßt sich schon aus den erwähnten Fließmustern des Kühlmittelflusses erklären.
Die kühlmittelleitungen können aus einem Stück bestehen und durch eine Trennwand voneinander getrennt
sein. Die Kühlmittelleitungen können des weiteren am gleichen Ende mit Anschlüssen für die
Kühlmittelzufuhr und die Kühlmittelabfuhr versehen sein.
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Selbstverständlich müssen die Öffnungen in den Kühlmittelleitungen in Verbindung mit dem Brennstoffraum
klein genug sein, um das Hindurchtreten der Brennstoffkörner verhindern zu können.
Die Brennstoffelemente nach der Erfindung' werden vorzugsweise mit einem Schwerwassermoderator
verwendet, der einen Behälter aus.einem geeigneten Material, wie beispielsweise Zirkon oder Aluminium,
aufweist, in welchem schweres Wasser bei ungefähr atmosphärischem Druck gehalten wird und die
Brennstoffelemente nach der Erfindung umgibt. Es ist ein Vorteil einer solchen Anordnung, daß der gesamte
Reaktorkern unter niedrigem Druck steht, im wesentlichen unter atmosphärischem Druck. Die Konstruktionsprobleme
bezüglich des Moderatorbehälters und der mit diesem zusammenhängenden Ventile, Röhren
und Pumpen sind daher wesentlich einfacher als diejenigen, die mit dem Bau eines Druckbehälters einhergehen.
Die einzigen Hochtemperaturbauteile in dem Reaktorkern sind die Brennstoffelemente, die
von dem Moderator durch einen Gas-Wärmeschild getrennt sein können. Dieses isolierende Gas, beispielsweise
Helium, kann unter einem etwas überatmosphärischen Druck gehalten werden, während
der Druck im Brennstoffelement auf dem niedrigstmöglichen Wert gehalten werden kann, indem sämtliche
Gase ständig entfernt werden. Wenn daher irgendeine Undichtigkeit im Brennstoffelement auftritt,
so würde es sich eigentlich um eine Gasundichtigkeit nach innen handeln, wodurch die gesamte
Anordnung außerordentlich sicher wird. Sollte jedenfalls ein radioaktives Kühlmittel aus flüssigem Metall
durchlecken, so fließt es zum Boden im Bereich des verbrauchten Brennstoffes ab, der sowieso für die.
Berührung mit radioaktivem Brennstoff und Kühlmittel aus flüssigem Metall ausgelegt ist.
Nachstehend wird an Hand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele
der Erfindungsgegenstand nochmals näher beschrieben.
F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Brennstoffelementes nach der
Erfindung im Längsschnitt;
Fig. 2 ist ein. schematischer Querschnitt durch Fig. 1;
F i g. 3 gibt einen schematischen Querschnitt einer geänderten Ausführungsform wieder.
Die Brennstoffelemente für einen Kernreaktor bestehen jeweils aus einem rohrförmigen Brennstoffbehälter 1 mit mehreren darin angeordneten Kühlleitungen
D, E, die parallel und benachbart zur Längsachse des Brennstoffbehälters angeordnet sind.
Zwischen diesen und der Außenwandung des Brennstoffbehälters I wird ein Brennstoffraum 2 gebildet.
Körner des Kernbrennstoffes F können in den Brennstoffraum 2 um die Kühlleitungen herumgepackt werden.
Die Kühlleitungen D, E sind mit Öffnungen P versehen, um einen Durchtritt des Kühlmittels in den
bzw. aus dem Brennstoffraum 2 zu erlauben. Eine Brennstoffzufuhr A und eine Brennstoffentnahme B
sind an den entgegengesetzten Enden des Brennstoffbehälters 1 angeordnet und ermöglichen die Zufuhr
oder Entnahme des körnigen Kernbrennstoffes F nach Wunsch.
Nach der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 sind zwei Kühlleitüngen E zur Kühlmittelzufuhr
mit kreisförmigem Querschnitt parallel und benachbart zur Längsachse des Brennstoffbehälters 1 angeordnet
und zwei ebensolche Kühlmittelleitungen D zur Kühlmittelabfuhr vorgesehen. Die Kühlmittelzufuhr
in die Leitungen £ erfolgt bei G, und die Kühlmittelabfuhr aus den Leitungen D erfolgt bei H.
Gemäß der Darstellung in der Zeichnung sind die unteren Enden der Leitungen E und D gegenüber G
und H abgeschlossen, doch kann das Kühlmittel durch die Leitungen E und D durch öffnungen P
strömen, so daß das Kühlmittel durch die Hohlräume zwischen den gepackten Körnern des Kernbrennstoffes
F im Brennstoffraum 2 strömen kann und in direkter Berührung mit diesem einen wirksamen
Wärmeaustausch bewirkt.
Die Ausführungsform gemäß der F i g. 3 ähnelt im allgemeinen der Ausführungsform gemäß den
Fig. 1 und 2; die Leitungen £ und D werden hier jedoch nicht durch getrennte Röhren gebildet, sondem
durch ein einziges Rohr mit kreisförmigem Querschnitt, das innen in Längsrichtung unterteilt ist.
Claims (3)
1. Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit
*" rohrförmig ausgebildetem und zur Füllung mit
Brennstoff körniger Konsistenz geeignetem und bestimmtem Brennstoffbehälter sowie mit wenigstens
zwei in Längsrichtung des Brennstoffbehälters verlaufenden Kühlmittelleitungen, die eine
Vielzahl von in Längsrichtung im Abstand voneinander liegenden, mit dem Brennstoffraum in
: Verbindung stehenden öffnungen zur Ausbildung
eines im allgemeinen radial durch den Brennstoffraum erfolgenden Kühlmittelflusses aufweisen
und zur Verbindung mit einer Kühlmittelzufuhr bzw. einer Kühlmittelabfuhr vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (D, E) benachbart im Mittelbereich
des Brennstoffbehälters (1) so angeordnet sind, daß der Kühlmittelfluß von der mit der
Kühlmittelzufuhr verbundenen Kühlmittelleitung (E) über die öffnungen (P) in den Brennstoffraum
(2) radial nach außen und aus dem Brennstoff-
raum radial nach innen zurück in die mit der Kühlmittelabfuhr in Verbindung stehende Kühlmittelleitung
(D) verläuft.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen
(D, E) aus einem Stück bestehen und durch eine Trennwand voneinander getrennt sind.
3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen
(D, E) am gleichen Ende mit Anschlüssen für die Kühlmittelzufuhr und die Kühlniittelabfuhr
versehen sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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1967
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Also Published As
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