DE2551896C2

DE2551896C2 - Verfahren zum gleichmäßigen Zünden einer langgestreckten Zündmasse, sowie Brennstab zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2551896C2
Application number: DE2551896A
Authority: DE
Inventors: Paul 7520 Bruchsal Menzenhauer; Wilhelm Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Peppler
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1975-11-19
Filing date: 1975-11-19
Publication date: 1982-01-14
Also published as: DE2551896A1; FR2347621A1; FR2347621B3; GB1567769A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichmäßigen Zünden einer langgestreckten, in einem Rohr befindlichen Zündmasse in radialer sowie in axialer Richtung, mittels einer zusätzlichen Zündmasse sowie mittels eines diese Zündmasse beaufschlagenden, elektrisch beheizten Leiters. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Brennstab zur thermischen Simulation von schmelzenden Kernreaktor-Brennelementen für hohe spezifische Leistung unter Anwendung dieses Verfahrens, bestehend aus einem Hüllrohr, gefüllt mit einem Reaktionsgemisch bzw. einer Zündmasse wie z. B. Thermit und einer/¹ darin angeordneten elektrischen Leiter zur Zündung des Gemisches über die gesamte aktive Stablänge, sowie einer zusätzlichen, vom elektrischen Leiter zuerst gezündeten Zündmasse.

Im Rahmen der Sicherheitsuntersuchungen von Kernreaktoren muß auch der Ablauf von schweren Störfällen betrachtet werden. Hierzu gehört u.a. das Niederschmelzen von Brennelementen bei Kühlungsverlust oder bei überhöhter Reaktorleistung.

Experimentelle Untersuchungen zu diesem Thema wurden bisher überwiegend in besonderen Kreisläufen in Versuchsreaktoren durchgeführt Solche Experimente sind durch den hohen technischen Aufwand kostspielig, zeitraubend und in ihrer Parametervariation eng begrenzt Große Bündel reit z. B. 169 Einzelstäben kommen wegen des damit verbundenen Aufwandes für solche Experimente nicht in Frage.

Die nukleare Wärmefreisetzung im Reaktor kann mit

ίο gewissen Einschränkungen kurzeitig durch eine chemische Reaktion simuliert werden. Die Erfindung geht daher von der bekannten Technik der Wärmeerzeugung durch die Reaktion von Thermit und von einer bekannten Zündvorrichtung aus.

Eine Simulation der thermohydraulischen Bedingungen in einem Kernreaktor-Brennelement setzt voraus, daß die Wärmeerzeugung, wie dies beim Brennelement der Fall ist in den einzelnen Stäben stattfindet. Das heißt, das chemische Reagenz muß in Hüllrohren mit den Dimensionen der Brennstäbe zur Zündung gebracht werden. Diese Zündung muß nahezu gleichzeitig über die volle Länge aller Stäbe erfolgen. Aufgrund des großen Längen-Durchmesserverhältnisses der Stäbe und der relativ geringen Abbrandgeschwindigkeit der gängigen Thermite wird diese Bedingung durch einen axialen Abbrand der Thermitmasse in den Stäben nicht erreicht. Der Abbrand muß radial erfolgen, was eine Linienzündung im Zentrum eines jeden Stabes vorausgesetzt. Die bisherigen Versuche, dieses Problem zu lösen, gingen davon aus, im Zentrum des Stabes einen isolierten Widerstandsdraht anzuordnen und diesen durch hohe elektrische Ströme und Spannungen rasch auf Temperaturen über der Zündtemperatur des Gemisches aufzuheizen. Abgesehen von den hohen erforderlichen Leistungen gelingt es mit dieser Methode nicht, eine gleichmäßige Zündung über der Länge des Stabes zu erreichen. Dies hat verschiedene Ursachen wie:

Ungleichmäßiger Wärmeübergang vom Widerstand zur Thermitmasse, Inhomogenitäten in der Isolierschicht, unterschiedliche örtliche Zündtemperatur der Thermitmasse und anderes mehr.

Es wird daher nur an wenigen Stollen die Zündtemperatur erreicht. Doch tritt eine hohe Wärmeerzeugung auf und der Widerstandsdraht schmilzt. Der Stromkreis und damit die Wärmeerzeugung wird unterbrochen und eine Zündung an anderen Stellen tritt nicht mehr ein, weil der Widerstand sich sofort abkühlt.

Ausgehend von den vorstehend gemachten Ausführungen und der bekannten Zündvorrichtung hat nun die vorliegende Erfindung zur Aufgabe ein Verfahren zur gleichmäßigen Zündung eines solchen Brennstabes sowie einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Brennstab anzugeben, bei dem eine gleichmäßige Zündung über die gesamte Länge des Stabes in radialer Richtung erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vor, daß eine ebenfalls langgestreckte, zusätzliche Zündmasse mittels des Leiters unter Wärmeisolierung gegenüber der zu zündenden Masse auf Zündtemperatur gebracht wird, reagiert, und danach unter Verzögerung durch die Wärmeisolierung die Hauptreaktionsmasse gezündet wird. ErfindungsgemäB wird zur Durchführung eines solchen Verfahrens ein Brennstab der eingangs beschriebenen Art angegeben, bei welchem in der llauptreaktionsmassc koaxial zum Hüllrohr ein Widerstandsrohr als elektrischer Leiter angeordnet ist,

welches seinerseits mit einer Reaktionsmasse, wie z. B. Thermit gefüllt ist und an seiner Außenseite mit einem wärmeisoUerenden Mantel umgeben ist Dabei ist es vorteilhaft, daß der wärmeisolierende Mantel aus Keramik, Giasgewebeschlauch, Gas, Luft, Wendeldraht oder einer Kombination dieser Stoffe besteht

Letztlich schlägt die Erfindung vor, daß wärmeisolierende Mantel sowohl thermisch als auch elektrisch isolierend ist

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Figur näher erläutert:

Die Figar zeigt den schematischen Aufbau eines Brennstabes, in dem das Verfahren zur gleichmäßigen Zündung verwirklicht wird.

In dem Hüllrohr 1 befindet sich die Hauptreaktionsmasse 2, die hier in Form von Pellets eingefüllt ist. Als Hauptreaktionsmasse dient ein Thermit, bestehend aus Eisenoxid und Aluminium. Der Durchmesser des Hüllrohres 12 1 ist 10 mm. Im Inneren der Hauptreaktionsmasse 1 ist zentrisch ein elektrisch geheiztes Widerstandsrohr 3 eingesetzt, welchem mit einer Reaktionsmasse 4, die ebenfalls aus dem gleichen Thermit besteht, gefüllt ist. Um das Widerstandsrohr 3 ist ein wärmeisolierender Mantel 5 aus Keramik, Glasfiber, Luft oder anderen Materialien angeordnet, der das Widerstandsrohr 3 von der Hauptreaktionsmasse 2 trennt Die Stromzuführung zu dem Widerstandsrohr folgt über die koaxial eingesetzte Leitung 6.

Das elektrisch beheizte Widerstandsrohr 3 bzw. der innere Zündmechanismus des Brennstabes besteht aus einem Rohr von 3 mm Durchmesser und 0,2 mm Wandstärke. Dieser Zündmechanismus wird durch die Stromzufuhr über die Leitung 6 bis über die Zündtemperatur von mehr als 1000° aufgeheizt Durch den wärmeisoUerenden Mantel 5 wird verhindert, daß die Hauptreaktionsmasse 2 bei der Aufheizung des Zünders bzw. der zusätzlichen Zündmasse 4 schon die Zündtemperatur erreicht Erst wenn die zusätzliche Zündmasse 4 gezündet hat und schmelzflüssig geworden ist, erfolgt ein Durchschmelzen des Mantels 5 und eine Zündung der äußeren Thermitladung bzw. der Hauptreaktionsmasse 2, die sich in engem Kontakt mit dem Mantel 5 befindet

Der Außendurchmesser des Hüllrohres 1 beträgt etwa 7 mm, die Wandstärke ungefähr 03 mm.

Versuche mit dem erfindungsgemäßen Brennstab haben gezeigt, daß seine Handhabung problemlos ist und er die Möglichkeit bietet, Brennelemente im Originalmaßstab der Kernreaktor-Brennelemente zu simulieren. Als besonderer Vorteil der Erfindung zeigte sich, daß eine gleichmäßige Zündung in radialer Richtung über die Länge des Stabes erreicht werden konnte. Die Abbrandgeschwindigkeit der Thermitmischung betrug ca. 10 mm/Sekunde, d. h., bei gleichzeitiger Zündung gemäß dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Abbrennen der ringförmigen Hauptreaktionsmasse von 1,3 mm Stärke bei dem neuen Brennstab von einem zentral aus liegenden Zündmechanismus her in ca. 0,13 Sekunden. Durch Vorheizen auf höhere Temperaturen läßt sich die Abbrennzeit der Hauptreaktionsmasse noch weiter verkürzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum gleichmäßigen Zünden einer langgestreckten, in einem Rohr befindlichen Reaktionsmasse in radialer sowie in axialer Richtung, mittels einer zusätzlichen Zündmasse sowie mittels eines dieses Zündmasse beaufschlagenden, elektrisch beheizten Leiters, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche, ebenfalls langgestreckte Zündmasse mittels des Leiters unter Wärmeisolierung gegenüber der zu zündenden Masse auf Zündtemperatur gebracht wird, reagiert, und danach unter Verzögerung durch die Wärmeisolation die Hauptreaktionsmasse gezündet wird.

2. Brennstab zur thermischen Simulation von schmelzenden Kernreaktor-Brennelementen für hohe spezifische Leistungen unter Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Hüllrohr, gefüllt mit einem Reaktionsgemisch, wie z. B. Thermit und einem darin angeordneten elektrischen Leiter zur Zündung des Gemisches über die gesamte aktive Stablänge sowie einer zusätzlichen vom elektrischen Leiter zuerst gezündeten Zündmasse, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptreaktionsmasse (2) koaxial zum Hüllrohr (I) ein Widerstandsrohr (3) als elektrischer Leiter angeordnet ist, welches seinerseits mit einer zusätzlichen Zündmasse (4) wie z. B. Thermit gefüllt ist und an seiner Außenseite mit einem wärmeisolierenden Mantel (5) umgeben ist.

3. Brennstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeisolierende Mantel (5) aus Keramik, Glasgewebeschlauch, Gas, Luft, Wendeldraht oder einer Kombination dieser Stoffe besteht.

4. Brennstab nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeisolierende Mantel (5) sowohl thermisch als auch elektrisch isolierend ist.

5. Brennstab nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Widerstandsrohres (3) koaxiale Zuführungsleitungen (6) für den Zündstrom eingesetzt sind.