DE2803355A1

DE2803355A1 - Transportbehaelter fuer brennelemente

Info

Publication number: DE2803355A1
Application number: DE19782803355
Authority: DE
Inventors: Jean Bernavon; Jean-Michel Renavot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-01-26
Filing date: 1978-01-26
Publication date: 1978-07-27
Also published as: IT7867095A0; IT1106974B; FR2379139B1; BE862530A; JPS5393297A; GB1582933A; ES466106A1; FR2379139A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Transportbehälter, insbesondere zum Überführen eines Brennelementes von dem Reaktorkern eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors zu einem Aufbewahrungsgefäß oder einem Lagerraum außerhalb des Reaktorbehälters, in dem das Brennelement eintn Abzug oder eine analoge Einrichtung zum Einbringen und Herausnehmen derartiger Brennelemente durchläuft.

Bei Kernreaktoren mit sohnellen Neutronen, bei denen der Reaktorkern aus einer Reihe von nebeneinanderliegenden, spaltbares und/oder angereichertes Material enthaltenden Brennelementen besteht, erfolgt, wie man weiß, die Kühlung dieser Brennelemente durch eine geeignete Menge eines flüssigen Metalles, im allgemeinen Natrium, das In einem den Reaktorkern enthaltenen

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Reaktorgefäß zirkuliert. Es ist ebenfalls bekannt, daß, wenn in dem Reaktorkern ein nach einer bestimmten Arbeitszeit verbrauchtes Brennelement durch ein neues Brennelement ersetzt werden soll, dieses verbrauchte Brennelement eine nicht vernachlässigbare Restleistung liefert, die es notwendig macht, das Brennelement in einem Aufbewahrungsbehälter oder einem getrennten Aufbewahrungsraum aufzubewahren. In diesem Behälter oder Raum kann die Leistung abnehmen, bis sie ein genügend niedriges Niveau erreicht, so daß unter den entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen der Transport dieses Brennelementes zu einer Lagerstätte erfolgen kann. Für den Transport des verbrauchten Brennelementes vom Reaktorkern zu dem Aufbewahrungsraum setzt man das Brennelement in bekannter Weise in einen Transportbehälter, der an seinem oberen Ende offen und mit einem flüssigen Metall gefüllt ist. Der Transportbehälter ist so ausgebildet, daß eine wirksame Ableitung der von dem Brennelement abgegebenen Wärme sichergestellt ist.

Um die Wärmeableitung zu verbessern, hat man bereits vorgeschlagen, in dem Transportbehälter einen Koaxial zu dem Brennelement verlaufenden Mantel anzuordnen. Die Temperatur des flüssigen Metalls ist im Inneren des Mantels zwischen demselben und dem Brennelement höher als außerhalb des Mantels zwischen diesem und der Innenwand des Transportbehälters. Dadurch findet wegen des erzeugten Temperaturgradienten eine Zirkulation des flüssigen Metalles aufgrund der thermisch bedingten Konvektion statt« welche den Wärmeaustausch zwischen dem Brennelement und den Wänden des Transportbehälters über seine ganze Höhe hin verbessert. Ferner hat man bereits vorgesehen, die Außenoberfläche des Transportbehälters mit Rippen unterschiedlicher Form zu versehen, welche die Abstrahlungsmöglichkeit und die Wärmeaustauschfläche vergrößern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transportbehälter der vorstehend geschilderten Art zu vervollkommnen und

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insbesondere den Wärmeaustausch erheblich zu verbessern, der zwischen dem in dem Transportbehälter angeordneten und eine erhebliche Restleistung abgebenden bestrahlten Brennelement und der äußeren Umgebungsatmosphäre erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Transportbehälter der vorstehend genannten Art, umfassend ein Transportelement für ein Brennelement mit einem Innenmantel, der koaxial zu dem vertikal in dem Transportbehälter angeordneten Brennelement angeordnet ist und einen Zwischenraum zwischen dem Tnnenmantel und dem Brennelement begrenzt, der zur Zirkulation eines mit dem Brennelement in Berührung tretenden, in dem Transportbehälter enthaltenen flüssigen Mediums durch natürliche Konvektion dient, vorgeschlagen, daß der Innenmantel zwei aufeinanderfolgende Abschnitte aufweist, wobei der eine in Verlängerung des anderen angeordnet ist, und daß der untere Abschnitt aus einem wärmeleitenden Material und der obere Abschnitt aus einem thermisch isolierenden Material hergestellt ist.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der obere Abschnitt des Innenmantels zwei dünne parallel und ko- ■ axial zueinander verlaufende Wände auf, die zwischen sich einen dicht verschlossenen Raum einschließen, der mit einem Isoliermaterial, insbesondere einer Art Metallgewebe oder einem analogen Material gefüllt ist. Alternativ hierzu kann der dicht verschlossene Raum auch mit einem Inertgas gefüllt oder evakuiert sein. Um in letzterem Fall das Eindrücken der Wände zu vermeiden, sind zwischen den Wänden angeordnete Verstrebungen vorgesehen, beispielsweise in Form von sclirotartigen Körpern aus Metall, insbesondere aus Gußeisen.

Vorzugsweise sind der untere und der obere Absohnitt des Innenmantels durch einen Metallbalg in einer Weise miteinander verbunden, welche eine unterschiedliche Wärmeausdehnung der inneren bzw. äußeren Wand des genannten oberen Abschnittes erlaubt.

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In einer anderen Ausführungsform besitzt der obere Abschnitt des Mantels eine wesentlich größere Dicke als der untere Abschnitt, wobei die beiden Abschnitte entweder aus dem gleichen Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen können.

Vorzugsweise ist der Innenmantel mit seinem unteren Ende an einer Stütztraverse befestigt, die an der Innenfläche des Transportbehälters vorgesehen ist, und trägt an seinem unteren Abschnitt seitliche Durchbrechungen zum Durchtritt des flüssigen Metalles.

Gemäß einem weiteren Merkmal schließlich ist der Transportbehälter von einem zylindrischen Füllrohr aus Metall gebildet, welches an seiner Außenfläche längsverlaufende Kühlrippen trägt.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Transportbehälterr: ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher AusfUhrungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben sind. Darin zeigen:

Fig. 1 einen halbschematischen Axialschnitt durch

einen ein Brennelement enthaltenden Transport-

;.. behälter, welcher einen gemäß einer ersten Aus

führungsform der Erfindung ausgebildeten Innenmantel aufweist,

'■'\ Fig. 2 ein abgewandeltes Detail der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Transportbehälters,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch den Innenmantel gemäß

einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

\ . Fig. 4 ein abgewandeltes Detail der in Fig. 3 darge-

'.- stellten Ausführungsform»

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In dem in Pig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der dargestellte Transportbehälter ein zylindrisches Hüllrohr 1 auf, das vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt und an seiner Außenfläche mit Mitteln versehen ist, die eine Ableitung der Wärme durch Strahlung erleichtern sollen. Diese Mittel sind von in Rohrlängsrichtung verlaufenden Kühlrippen 2 mit dreiecksförmigem Querschnitt gebildet. Selbstverständlich könnten die an der Außenfläche des Kühlrohres vorgesehenen Mittel zur Ableitung der Wärme auch auf andere Weise ausgebildet sein, indem man beispielsweise durch Bearbeitung der Oberfläche Riefen in der Oberfläche erzeugt oder die Oberfläche einer geeigneten Behandlung unterwirft.

Das Hüllrohr 1 des Transportbehälters enthält eine geeignete Menge eines flüssigen Metalles J5» im allgemeinen NatrLum, wobei der Flüssigkeitsspiegel 4 unterhalb des offenen Endes des Hüllrohres 1 liegt. Innerhalb des Hüllrohres 1 ist ein zu transportierendes Brennelement 5 angeordnet. Das bestrahlte Brennelement 5 gibt eine erhebliche Restwärmemenge ab, die folglich duroh die erfindungsgemäßen Mittel abgeleitet werden muß.

Das Brennelement 5 besteht in bekannter Weise aus einem Gehäuse 6 mit einem polygonalen Querschnitt, das an seinem unteren Ende in einem zylindrischen Fuß 7 ausläuft, der mit quer verlaufenden Durchbrechungen 8 versehen ist. Diese lassen einen Teil des in dem Transportbehälter enthaltenen flüssigen Natriums duroh den Innenraum des Gehäuses 6 des Brennelementes 5 zirkulieren, um eine Kühlung der in dem Gehäuse 6 enthaltenen Kernbrennstoffstäbe zu gewährleisten.

Gemäß der Erfindung ist das vertikal in das Hüllrohr 1 des Transportbehälters eingesetzte Brennelement 5 von einem Mantel 9 umgeben, der zwei miteinander zusammenhängende Mantelabschnitte

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-ΟΙΟ und 11 umfaßt. Der untere, aus Metall bestehende und mit einer dünnen Wand ausgebildete Mantelabschnitt 10 des Mantels 9 weist an seinem unteren Ende einen nach innen gerichteten Abschnitt 12 auf, an dem ein an dem Gehäuse 6 des Brennelements 5 ausgebildeter Kugelflächenabschnitt anliegt. Der Mantel 9 seinerseits ist beispielsweise durch Sehweißstellen 9a oder andere Befestigungsmittel an einer Querstütze 14 befestigt, die an der Innenwand des zylindrischen Hüllrohres 1 vorgesehen ist und Durchtrittsöffnungen l4a für das flüssige Natrium aufweist, das durch die Durchtrittsöffnungen 14a in den Raum unterhalb der Querstütze 14 strömt, bevor es durch die Durchbrechungen 8 in dem Fuß 7 in das Innere des Brennelementes zurückkehrt. Der Mantel 9 begrenzt zusammen mit der Außenfläche des Gehäuses 6 des Brennelementes 5 einen Ringraum 15* der sich über die gesamte Länge des Mantels erstreckt und die Zirkulation des flüssigen Natriums erlaubt, das durch große öffnungen oder quer verlaufende Aussparungen 16 in dem unteren Mantelabschnitt 10 in dessen Innenraum eindringt.

Der obere Mantelabschnitt 11 besteht aus zwei Metailwänden bzw. 20, die parallel und koaxial zum Hüllrohr 1 des Transportbehälters verlaufen. Die beiden Wände begrenzen zwischen sich einen dichten Raum, der mit einem geeigneten, thermisch isolierenden Material 21 gefüllt ist, im allgemeinen einem Metallgewebe,das insbesondere aus rostfreiem Stahl hergestellt ist. An seinem oberen Ende ist der mit dem isolierenden Material gefüllte Zwischenraum durch einen Kreisring 22 geschlossen, der einstückig mit den Wänden 19 und 20 ausgebildet ist. Alternativ hierzu kann der zwischen den Wänden 19 und 20 gebildete dichte Zwischenraum gemäß der Darstellung in Pig. 2 mit einem Inertgas wie etwa Argon gefüllt oder auoh evakuiert sein. Um im letzteren Fall ein Eindrücken der Wände I9 und 20 zu vermeiden, ist es von Vorteil, den Zwischenraum mit Kugeln oder Schrot 21a insbesondere aus Gußeisen oder mit anderen geeigneten

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Zwischenelementen zu füllen, welche die Wände 19, 20 in einem geeigneten Abstand voneinander halten.

Das untere Ende des oberen Mantelabschnitts 11 liegt vorzugsweise auf Höhe des unueren Endes des spaltbaren Bereiches des Brennelementes 5· Um eine unterschiedliche Wärmeausdehnung der Wände 19 und 20 des oberen Mantelabschnittes 11 zuzulassen, sind diese mit dem unteren Mantelabschnitt in einer nachfolgend beschriebenen Weise verbunden. Ein Balg l8 ist einerseits am unteren Ende der inneren Wand I9 und andererseits am oberen Ende des unteren Mantelabschnittes 10 befestigt. Letzterer trägt im übrigen einen radial verlaufenden Flansch 17» der mit der äußeren Wand 20 verbunden ist. Schließlich ist die innere Wand 19 mit einem Ringflansch 19a versehen, der zum Halten des Isoliermaterials 21 dient, wobei zwischen dem sich in Richtung auf die Wand 20 erstreckenden Ringflansch und der Wand 20 ein Ringspalt gelassen ist.

Dank dieser Anordnung erzeugt der aus zwei Mantelabschnitten 10 und 11 unterschiedlichen Aufbaus bestehende innere Mantel 9 zwischen dem inneren Ringraum I5 einerseits und dem äußeren Ringraum 23 zwischen dem Mantel 9 und der Wand des HUllrohres 1 des Transportbehälters andererseits einen Temperaturgradienten, der ausreicht, um eine Zirkulation des Natriums aufgrund eines Thermosiphon-Effektes zu erzeugen. Das Natrium dringt in den Ringraum 15 durch die Aussparungen 16 in dem unteren Mantelabschnitt 10 des Mantels 9 ein und steigt dann in diesem unter Berührung des Gehäuses 6 des Brennelementes 5 nach oben und verläßt den Mantel 9 schließlich, um sich in den Ringraum 23 unterhalb des am Ende des Mantels 9 angeordneten KreisrInges 22 zu ergießen.

Man wird bemerken, daß bei Füllung des Hüllrohres 1 des Transportbehälters mit flüssigem Natrium die Zirkulation durch

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Wärmewirkung nur dann stattfinden kann, wenn das Gewicht der Natriumsäule in dem Ringraum 23 größer ist als das Gewicht der Natriumsäule im Inneren des Mantels* Das Abführen der durch die Zirkulation des Natriums dem Brennelement entzogene Wärme erfolgt danach durch das Hüllrohr 1 des Transportbehälters, wobei die Wärme durch Strahlung und Konvektion an die Außenatmosphäre abgegeben wird.

In einem anderen, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der innere Mantel 9 wieder aus zwei Abschnitten 30 bzw. 31 j die hier aber aus demselben Material bestehen, d.h., der untere Abschnitt 30 besteht aus einem dünnen Blech aus rostfreiem Stahl und der obere Abschnitt 31 aus einem etwas dickeren Stahlblech, das mit dem ersten bei 32 verschweißt ist. Vorzugsweise weist der innere, aus zwei Abschnitten bestehende Mantel 9 in seinem unteren Mantelabschnitt 30 eine Dicke des rostfreien Stahles von etwa 7 mm auf, während die radiale Dimension des Mantels 9 in seinem oberen Abschnitt 31 auf Höhe des dicksten Abschnittes etwa 32 mm beträgt. Es ist zu bemerken, daß die Mantelabschnitte 30 und 31 auch aus verschiedenen Materialien bestehen könnten. In diesem Fall ist der untere Mantelabschnitt 30 aus einem thermisch gut leitenden Metall und der obere Abschnitt 31 aus einem gut isolierenden Material hergestellt. In der Praxis ist es jedoch unter Berücksichtigung der Verwendungsbedingungen vorteilhafter, den Mantel 9 in zwei Abschnitten 30 und 31 aus rostfreiem Stahl herzustellen.

Die Schweißverbindung 32 zwischen den Abschnitten 30 und 31 kann erleichtert werden, wenn man dem oberen Mantelabschnitt 31 die in der Fig. 4 dargestellte Form gibt, bei welcher der obere Mantelabschnitt 31 in einem konischen Ende 31a ausläuft, welches durch ein zylindrisches Übergangsrohrstück 31b verlängert ist, das seinerseits bei 32 mit dem unteren Mantelabschnitt 30 verschweißt ist.

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In allen oben beschriebenen Ausführungabeispielen beträgt der Durchsatz an flüssigem Natrium, das innerhalb des Mantels in Berührung mit dem Brennelement 5 steht, etwa 1000 g Natrium pro Sekunde, wobei der Durchsatz durch den Innenraum des Brennelementes nur 0,5 % des Gesamtdurohsatzes beträgt und der größte Teil des Natriums also an der Außenseite des Gehäuses 6 entlangströmt. Es ist zu bemerken, daß diese,das Innere durchströmende geringe Menge dennoch genügt, innerhalb des Brennelementes den radialen Temperaturgradienten zwischen einem an der Peripherie liegenden Brennstoffstab und einem in der Mitte liegenden Brennstoffstab des Bündels von Brennstoffstäben innerhalb des Brennelementes zu verringern.

Wie man sieht, weist also der erfindungsgemäße Transportbehälter relativ zu den bisher bekannten Lösungen bessere und zuverlässigere Betriebseigenschaften auf. Insbesondere erlaubt ein derartiger Transportbehälter eine geeignete Abführung der Wärme, die von dem Brennelement in dem Fall abgegeben wird, wo während des Transportes der Transportbehälter in einer Stellung ruhiggestellt ist, in der sein unterer Abschnitt in das Natrium eingetaucht ist oder nicht eingetaucht ist, das in dem Reaktorgefäß enthalten ist, während sein oberer Abschnitt völlig oder teilweise in die Gasatmosphäre ragt, welche die Oberfläche des Natriums überlagert.

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L e e r s e ί t e

Claims

PATENTANWÄLTE DR.KADOR&DR.KLUNKER

K 12 134/7S

Commissariat a* I¹Energie Atomique 29/ rue de la Federation

75752 Paris Cedex 15. Frankreich

Transportbehälter für Brennelemente

Patentansprüche

/ 1J Transportbehälter für ein Brennelement mit einem Innenmantel, der koaxial zu dem vertikal in dem Transportbehälter angeordneten Brennelement angeordnet ist und einen Zwischenraum zwischen dem Innenmantel und dem Brennelement begrenzt, der zur Zirkulation eines mit dem Brennelement in Berührung tretenden, in dem Transportbehälter enthaltenen flüssigen Mediums durch natürliche Konvektion dient, dadurch gekennzeichnet daß der Innenmantel (9) zwei aufeinanderfolgende Abschnitte (10, 11; 30, 31) aufweist, wobei der eine in Verlängerung des anderen angeordnet ist, und daß der untere Abschnitt (10, 30) aus einem wärmeleitenden Material und der obere Abschnitt (11, 31) aus einem thermisch isolierenden Material hergestellt ist.

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2. Transportbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt (11) des Innenmantels (9) zwei dünne parallel und koaxial verlaufende Wände (19, 20) aufweist, die zwischen sich einen dicht verschlossenen Raum einschließen.
3. Transportbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dicht verschlossene Raum mit einem Isoliermaterial (21) gefüllt ist.
4. Transportbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dicht verschlossene Raum mit einem Inertgas gefüllt ist.
5. Transportbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dicht verschlossene Raum evakuiert ist und die Verstrebung der beiden Wände (19, 20) durch in den Zwischenraum zwischen den Wänden (19, 20) eingefüllten Metallschrot (21a) erfolgt.
6. Transportbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Abschnitt (10) und der obere Abschnitt (11) des Innenmantels (9) durch einen Metallbalg (18) miteinander verbunden sind, der eine unterschiedliche Wärmeausdehnung der dünnen parallel und koaxial zueinander verlaufenden Wände (19, 20) des oberen Absohnitts (11) erlaubt.
7. Transportbehälter naoh Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt (31) eine gegenüber dem unteren Abschnitt (30) wesentlich größere Dicke aufweist, wobei beide Abschnitte aus dem gleiohen Material hergestellt sind.
8. Transportbehälter naoh einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel (9) mit seinem unteren Ende an einer an der Innenfläche des Transportbehälters (1)

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angebrachten quer verlaufenden Anlagestütze (14) befestigt ist und an seinem unteren Abschnitt (10) seitliche Durchbrechungen (16) zum Durchtritt von flüssigem Metall aufweist.
9. Transportbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zylindrische Metallhülle aufweist und an seiner Außenfläche längs verlaufende Kühlrippen trägt.
10. Transportbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herstellung des oberen Mantelabschnittes (11, 31) und des unteren Mantelabschnittes (10, 30) verwendeten Materialien voneinander verschieden sind.

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