DE2157502A1

DE2157502A1 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2157502A1
Application number: DE19712157502
Authority: DE
Inventors: Jean Aix en Provence Skok (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-11-20
Filing date: 1971-11-19
Publication date: 1972-07-20
Also published as: IT942899B; FR2115003B1; FR2115003A1; US3798125A; BE775102A; GB1317356A

Description

Patentanwälte

. R. α - ε τ ζ sen.

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8 MDnchen 22, Steinsdorfatr. 10

410-17.85IP 19. 11. 1971

Commissariat ä !'Energie Atomique, Pari s (Frankreich)

Kernbrennstoffelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernbrennstoffelement mit ^mindestens einem Bündel aus umhüllten Brennstoffnadeln, die innerhalb einer Führungshülle für ein Kühlmittel gemäß einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind und jeweils auf mindestens dem größeren Teil ihrer Länge ein schraubenlinienförmig aufgebrachtes Abstandselement tragen, das den Minimaläbstand zwischen jeder Brennstoffnadel einerseits und ihren Nachbarn bzw. der Führungshülle andererseits festlegt.

Kernbrennstoffelemente dieser Art finden insbesondere in Atomkernreaktoren mit schnellen Neutronen und Kühlung durch ein geschmolzenes Metall Verwendung, wobei die Führungshüllen für das Kühlmittel sechseckigen Querschnitt aufweisen und die einzelnen Brennstoffnadeln innerhalb des Bündels nach einem regelmäßigen Dreiecksnetz angeordnet sein können.

Bei den bisher bekannten Kernbrennstoffelementen dieser Art springen, die Abstandselemente an allen Brennstoffnadeln eines Bündels und auf der gesamten Länge der Abstandselemente jeweils gleich weit über die Brennstoffnadeln vor. Diese Anordnung und Ausbildung der Abstandselemente hat jedoch insofern einen schweren Nachteil, als dann

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der Kühlmitteldurchsatz durch die zwischen den einzelnen Brennstoffnadeln oder zwischen Brennstoffnadeln und der Führungshülle liegenden Teilkanäle nicht proportional ist zur erhitzten Oberfläche, also der Oberfläche der Hüllen der Brennstoffnadeln, die den jeweiligen Teilkanal begrenzen. Genauer gesagt, ergibt sich in dieser Hinsicht . ein extremes Verhältnis für den Kühlmitteldurchsatz durch einen seitlichen oder äußeren Teilkanal und durch einen inneren Teilkanal, woraus sich dann ein für den Gesamtwirkungsgrad nachteiliges thermisches Ungleichgewicht einstellt.

In der älteren Patentanmeldung P 20 O61 146.5 der Anmelderin ist daher ein Kernbrennstoffelement vorgeschlagen worden, bei dem die Abstandselemente für die seitlichen oder äußeren Brennstoffnadeln jedes Bündels in radialer Richtung zur jeweiligen Nadel in den Bereichen, wo diese Abstandselemente an den Führungshüllen anliegen, weniger weit vorspringen, um diese thermischen Ungleichgewichte zu vermindern. Durch eine solche Ausbildung und Anordnung der Abstandselemente erreicht man insbesondere bei Kombination mit einer Führungshülle, deren Innenseite in passender Weise mit längsverlaufenden Ausbauchungen versehen ist, ein Gleichgewicht für den Kühlmitteldurchsatζ durch die einzelnen Teilkanäle.

ψ Dies gilt in voller Strenge jedoch nur solange, als man lokale Strömungsverluste unberücksichtigt läßt. Solche lokale Strömungsverluste ergeben sich im wesentlichen durch periodische Einengungen, die durch den Durchgang der Abstandselemente durch die Teilkanäle entstehen. Diese singulären Strömungsverluste sind in den inneren Teilkanälen zahlreicher als in den seitlichen oder äußeren Teilkanälen und insbesondere in den an den Bündelecken gelegenen Teilkanälen, durch die nur ein einziges Abstandselement hindurchgeht, während die inneren Teilkanäle von jeweils drei Abstandselementen durchquert werden.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auch diese Quelle für ein thermisches Ungleichgewicht zu beseitigen und insbesondere das thermische Ungleichgewicht zwischen den inneren Teilkanälen und den äußeren Teilkanälen eines Kernbrennstoffelements der eingangs erwähnten Art zu vermindern.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Führungshülle zu ihrer Innenseite parallel und zur Achse der Brennstoffnadeln schräg verlaufende Drähte mit mit den Abstandselementen vereinbarer Lage und Achsneigung angeordnet sind, die entlang der seitlichen Teilkanäle für das Kühlmittel zwischen den äußeren Brennstoffnadeln und der Führungshülle gleichmäßig verteilte lokale Strömungsverluste entstehen lassen.

Die erfindungsgemäße Ausbildung führt zu einem Kernbrennstoffelement, bei dem alle Brennstoffnadeln nahezu gleichmäßig thermisch belastet werden, wobei das günstigste Ergebnis dann erzielt wird, wenn die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen in Kombination mit denen der oben erwähnten älteren Patentanmeldung P 20 61 146.5 der Anmelderin in Anwendung kommen, jedoch führen die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen auch für sich genommen zu einer erheblichen Verbesserung im Vergleich zu den Verhältnissen bei den bisher bekannten Kernbrennstoffelementen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform -ier Srfdndunp sind die Drähte für die Schaffung der lokalen Strömungsverluste schraubenlinienförmig und mit gleicher Steigungsrichtung wie die Abstandselemente auf die Brennstoffnadeln auf das daraus bestehende 2^;mdel aufgewickelt. Dabei kann insbesondere die Ganghöhe der Schraubenlinie für die Aufwicklung der Drähte" auf das Bündel der Brennstoffnadeln derjenigen der Schraubenlinie für die Aufwicklung der Abstandselemente auf die einzelnen Brennstoffnadeln entsprechen, können die Drähte auf dünnen,

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zur Achse der Brennstoffnadeln parallelen und an der Führungshülle anliegenden Lamellen sitzen und können diese Lamellen an Stopfen der äußeren Brennstoffnadeln befestigt sein.

Bei Kernbrennstoffelementen mit drahtförmig ausgebildeten Abstandselementen auf den einzelnen Brennstoffnadeln erweist es sich in f/eiterbildung der Erfindung als günstig, wenn die Drähte für die Schaffung der lokalen Strömungsverluste den gleichen Durchmesser wie die Abstandselemente in den Bereichen aufweisen, wo diese an h der Führungshülle abgestützt sind. Eine andere Weiterbildung der Erfindung, die insbesondere für Kernbrennstoffelemente mit einer im Querschnitt sechseckigen Führungshülle und nach einem regelmäßigen Dreiecksgitter angeordneten Brennstoffnadeln von Vorteil ist, besteht darin, daß die Drähte für die Schaffung der lokalen Strömungsverluste auf jeweils zu zweit pro Sechseckseite der Führungshülle entlang deren Innenseiten abgestützten, längsverlaufenden Lamellen angeordnet sind.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht, das ihre Vorteile erkennbar werden läßt. Dabei zeigen in der Zeichnung:

ψ Fig.,1 einen schematisch gehaltenen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kernbrennstoffelement, wobei der Übersichtlichkeit der Darstellung halber nur eine einzige Lage von Brennstoff nadeln dargestellt ist,

Fig. 2 eine Detailansicht für den durch den Kreis II in Fig. 1 angedeuteten Teilbereich des Kernbrennstoffelements von Fig. 1 in größerem Maßstab,

Fig. 5 eine Abwicklung der bei dem Kernbrennstoffelement von

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Fig. 1 und 2 die lokalen Strömungsverluste schaffenden Drähte und der sie tragenden Lamellen und

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Abstützung der Drähte von Fig. 3 auf einer äußeren Schicht von Brennstoffnadeln, von der nur die an den Ecken sitzenden Brennstoffnadeln voll dargestellt und die dazwischen liegenden Brennstoffnadeln lediglich durch ihre strichpunktiert ausgeführte Achse angedeutet sind.

Das dargestellte Kernbrennstoffelement besitzt einen üblichen •Allgemeinaufbau. Es enthält ein Bündel von umhüllten Brennstoffnadeln 10, die nach einem gleichmäßigen Dreiecksnetz angeordnet sind, wobei in Fig. 1 der Übersichtlichkeit der Darstellung halber lediglich die an den Bündelecken sitzenden und die zu einer· äußeren Schicht gehörigen Brennstoffnadeln 10 dargestellt sind. Die Brennstoffnadeln sitzen an einem in der Zeichnung nicht dargestellten Traggitter, das seinerseits -mit einer Führungshülle 14 von sechseckigem Querschnitt verbunden ist, die einen Strömungskanal für ein Kühlmittel, beispielsweise geschmolzenes Natrium, begrenzt. Der gegenseitige Abstand der Brennstoffnadeln 10 ist durch ein Abstandssystem festgelegt, zu dem auf jeder Brennstoffnadel 10 ein Abstandselement 12 gehört, das auf die Hülle der jeweiligen Brennstoffnadel in Form einer Schraubenlinie aufgewickelt ist und sich entweder an den Hüllen der benachbarten Brennstoff nadeln 10 oder an der Innenseite der Führungshülle 14 abstützt. Die Abstandselemente 12 können insbesondere aus metallischen Drähten von über ihre gesamte Länge und für alle Brennstoffnadeln 10 gleichem. •Durchmesser bestehen, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist. Ebenso können die Abstandselemente 12 aber, auch entsprechend dem Vorschlage in der älteren Patentanmeldung P 20 61 146.5 der Anmelderin in variablem Umfange über die jeweiligen Brennstoffnadeln 10 vorspringen.

Zur Schaffung lokalisierter Strömungsverluste ist das dargestell-

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te Kernbrennstoffelement entlang jedes der äußeren Teilkanäle 16, also der von einer oder mehreren Brennstoffnadeln 10 und einem Teil der Führungshülle 14 begrenzten Teilkanäle mit Organen zur Erhöhung des Strömungswiderstandes versehen. Diese Organe zur Erhöhung des Strömungswiderstandes bestehen bei dem dargestellten Beispiel aus Drähten 18, 20, 22 und 24» die in Form einer Schraubenlinie so auf das Bündel der Brennstoffnadeln 10 aufgewickelt sind, daß ihre ¥erteilung und ihre Neigung gegen die Bündelachse nicht zu Schwierigkeiten mit den die Abstandselemente 12 bildenden Drähten führen kann. Die Anzahl der Drähte 18 bis 24 richtet sich nach der Größe der jeweils gewünschten Strömungsverluste und beträgt in dem dargestellten Beispiel vier. Dabei beträgt der Abstand zwischen benachbarten Drähten wie beispielsweise den Drähten 18 und 20 h/6, wobei h die Ganghöhe für die Aufwicklung der die Abstandselemente.12 bildenden Drähte auf die einzelnen Brennstoff nadeln 10 bezeichnet. Der Neigungswinkel oi· für die Drähte 18 bis 22 gegen die Bündelachse ist vorzugsweise so gewählt, daß sich für die Drähte 18 bis 24 einerseits und die Äbstandselemente 12 jeweils die gleiche Ganghöhe für die jeweiligen Schraubenlinien ergibt. Dies führt zu dem Ausdruck 06« arc tg (h/g), in der ρ den Umfang des dem Bündel aus den Brennstoff nadeln 10 umschriebenen Sechsecks bezeichnet. Für diesen Wert für den Neigungswinkel oC ergibt sich unabhängig von der Anzahl der Windungen für die Drähte 18 bis 24 keinerlei Störung insofern, als sie nicht mit den Abstandselementen 12 auf einer vollen Umdrehung interferierenο Für den Fall von vier Drähten 18 bis 24 mit einem gegenseitigen Abstand von h/6 ergibt sich als Intervall zwischen zwei Drähten 18 bis 24 in dem von einem Abstandselement 12 durchquerten Gebiet ein Abstand von h/2.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Drähte 18 bis 24 in ihrem gegenseitigen Abstand und überhaupt in ihrer Lage

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durch längsνerlaufende Lamellen gehalten, wobei jeweils zwei solcher Lamellen 26 und 28 für jede der sechs Seiten A, B, C, D, E und P der Führungshülle 14 vorgesehen sind, deren Ecken in Figo 3 durch strichpunktierte Linien schematisch angedeutet sind. Die Lamellen 26 und können beispielsweise aus rostfreiem Stahl der gleichen Art wie die Führungshülle I4 selbst bestehen. Bei dieser Bauweise erhalten die Drähte 18 bis 24. mit Torteil jeweils den gleichen Durchmesser wie die die Abstandselemente 12 bildenden Drähte innerhalb deren Abstützungsgebiet. Auf diese Weise erhält man den zusätzlichen Vorteil, einer Multiplikation der Abstützungssteilen für die äußeren Brennstoffnadeln 10 an der Führungshülle 14.

Man kann daher das in Fig. 3 in Abwicklung veranschaulichte Gebilde vorfertigen, indem man Abschnitte der Drähte 18 bis 24 auf die Lamellen 26 und 28 aufschweißt. Anschließend werden die Drähte 18 bis 24 entlang der in Fig. 3 strichpunktiert angedeuteten Linien gefaltet, und man erhält ein Gebilde von sechseckigem Querschnitt. Die Enden der Drahtabschnitte werden dann miteinander verschweißt, und man erhält dann die durchlaufenden Drähte 18 bis 24 von Fig. 3· Bei einer anderen, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform kann man den beiden äußeren Lamellen des in Fig. 3 abgewickelt dargestellten Gebild'·:,·=· eine größere Breite als den anderen Lamellen geben, so daß man sie Rand an Rand verschweißen kann. Das im Querschnitt sechseckige Gebilde kann dann an dem Bündel der Brennstoffnadeln 10 beispielsweise durch Verschweißung der Endstücke der Lamellen 26 und 28 mit den unteren und oberen Stopfen der Brennstoffnadeln 10 verbunden werden. Anschließend braucht das so entstehende Gebilde nur noch in die sechseckige Führungshülle 14 eingesetzt zu werden.

Bei einem zahlenmäßig bestimmten Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kernbrennstoffelement betrugen der Abstand zwischen den Innenseiten der Führungshülle 117 mm, der Durchmesser der

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Brennstoffnadeln 6,6 mm und der Durchmesser der Abstandselemente 1,1 mm. Dabei waren zur Schaffung lokaler Strömungsverluste vier Drähte mit einem gleichen gegenseitigen Abstand von einem Sechstel der Ganghöhe für die Aufwicklung der Abstandselemente auf die Brennstoffnadeln und einem Durchmesser von 1,1 mm vorgesehen, die auf Lamellen aus rostfreiem Stahl von 0,15 mm Dicke.und-20 bis 25 mm Breite saßen.

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Claims

. - 9 Patentansprüche

ΐ 1.)Kernbrennstoffelement mit mindestens einem Bündel aus umhüllten Brennstoffnadeln, die innerhalb einer Führungshülle für ein Kühlmittel gemäß einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind und jeweils auf mindestens dem größeren Teil ihrer Länge ein schraubenlinienförmig aufgebrachtes Abstandselement tragen, das den Minimalabstand zwischen jeder Brennstoffnadel einerseits und ihren Nachbarn bzw. der Führungshülle andererseits festlegt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Führungshülle (14) zu ihrer Innenseite parallel und zur .Achse der Brennstoffnadeln (1O) schräg verlaufende Drähte (18 bis 24) mit mit den Abstandselementen (12") vereinbarer Lage und Achsneigung.angeordnet sind, die entlang der seitlichen Teilkanäle (16) für das Kühlmittel zwischen den äußeren Brennstoffnadeln (1O) und der Führungshülle (14) gleichmäßig verteilte lokale Strömungsverluste entstehen lassen.
2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (8 bis 24) schraubenlinienförmig und mit gleicher Steigungsrichtung wie die Abstandselemente (12) auf die Brennstoffnadeln (1O) auf- das daraus bestehende Bündel aufgewickelt sind.
3· Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der Schraubenlinie für die Aufwicklung der Drähte (18 bis 24) auf das Bündel der Brennstoffnadeln (10) derjenigen der Schraubenlinie für die Aufwicklung der Abstandselemente (12) auf die einzelnen Brennstoffnadeln (1O) entspricht.
4. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (18 bis 24) auf dünnen, zur Achse der Brennstoffnadeln (1O) parallelen und an der Führungshülle (I4) anliegenden Lamellen (26 und 28) sitzen.

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5· Kernbrennstoffelement nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (26 und 28) an Stopfen der äußeren Brennstoffnadeln (1O) befestigt sind.
6. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit drahtförmig ausgebildeten Abstandselementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (18 Ms 24) den gleichen Durchmesser wie die Abstandselemente (12) in den Bereichen aufweisen, wo diese an der Führungshülle (14) abgestützt sind.

7· Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer im Querschnitt sechseckigen Führungshülle und nach einem regelmäßigen Dreiecksgitter angeordneten Brennstoffnadeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (18 bis 24) auf jeweils zu zweit pro Sechseckseite der Führungshülle (14) entlang deren Innenseiten abgestützten, längsverlaufenden Lamellen (26 und 28) angeordnet sind.

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