DE1041177B

DE1041177B - Brennstoffelement fuer einen Kernreaktor

Info

Publication number: DE1041177B
Application number: DEE14608A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Walter Winkler; Dr-Ing Manfred Diederichs
Original assignee: Escher Wyss AG
Current assignee: Sulzer Escher Wyss AG
Priority date: 1957-05-31
Filing date: 1957-08-30
Publication date: 1958-10-16
Also published as: GB845804A; FR1196192A; CH348476A

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor, bei dem die beim Spaltungsprozeß frei werdende Wärme mittels eines gasförmigen Wärmeträgers abgeführt wird.

Die in einem Kernreaktor erzeugte Energie kann zur Zeit nur durch Umwandlung von Wärme in einem thermischen Kreisprozeß in mechanische Energie übergeführt werden. Wird als Arbeitsmittel ein inaktives Gas verwendet, so kann dieses nach der Verdichtung unmittelbar dem Reaktor zugeführt werden, in welchem es auf eine höhere Temperatur gebracht wird. Das so erhitzte Arbeitsmittel entspannt dann in einer Turbine und wird nach Rückkühlung wieder dem Verdichter zugeführt.

Bei der unmittelbaren Abgabe der Wärme vom Reaktor an das Arbeitsmittel kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Reaktormaterial und dem Arbeitsmittel des Kreislaufes klein gehalten werden, was sich günstig auf den Wirkungsgrad auswirkt, da damit die maximale Temperatur des Kreisprozesses hoch gehalten wird.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine weitere Erhöhung der maximalen Temperatur des Kreisprozesses und damit seines Wirkungsgrades zu ermöglichen. Bei einem Brennstoffelement der eingangs beschriebenen Art wird zu diesem Zwecke erfmd'ungsgemäß der Spaltstoff als ein Haufwerk zwischen zwei ineinander angeordneten, radiale Öffnungen aufweisenden, aus hitzebeständigem Material bestehenden rohrförmigen Körpern angeordnet, die wiederum innerhalb eines dritten Hohlkörpers angeordnet sind, und der gasförmige Wärmeträger wird dem Raum zwischen der Wand des dritten Hohlkörpers und dem äußeren der genannten rohrförmigen Körper zugeführt und aus diesem Zwischenraum durch die radiallen Öffnungen im äußeren rohrförmigen Körper, über den Spaltstoff und die radialen Öffnungen im inneren rohrförmigen Körper abgeführt.

Unter einem Haufwerk wird hierbei eine mehr oder minder lose Anhäufung von 'kleinen Teilchen des Spaltstoffes mit Zwischenräumen für den Durchtritt des gasförmigen Wärmeträgers verstanden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellung veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Vertirkalschnitt durch einen Teil eines Brennstoffelementes und

Fig. 2 einen axialen Vertikalschnitt durch ein anderes Brennstoffelement.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Spaltstoff 1 als ein Haufwerk zwischen zwei koaxial ineinander angeordneten, aus hitzebeständigem Keramikmaterial bestehenden Rohren 2 und 3 angeordnet, die radiale Öffnungen 2'bzw. 3' aufweisen. Die Rohre2

Anmelder:

Esctier Wyss Aktiengesellschaft,
Zürich (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Albrecht, Patentanwalt,
Berlin-Frohnau, Edelhofdamm 26

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 31. Mai 1957

Dr. phil. Walter Winkler, Winterthur (Schweiz),
und Dr.-Ing. Manfred Diederichs,

Eggenstein bei Karlsruhe,
sind als Erfinder genannt worden

und 3 sind innerhalb eines dritten Rohres 4 koaxial zu diesem angeordnet. Der gasförmige Wärmeträger wird dem Raum zwischen der Wand des dritten Rohres 4 und dem äußeren Rohr 3 zugeführt, gelangt von hier durch die radialen Öffnungen 3' im Rohr 3 zum Spaltstoffhaufwerk 1 und danach durch die radialen Öffnungen 2' im Rohr 2 in das Innere dieses Rohres 2 und wird von dort wieder abgeführt. Das Röhr 4 bildet einen Teil der Ummantelung eines Moderators 5.

Auf diese Weise weist der Wärmeträger lediglich im Innern des Brennstoffelementes und in der an den Innenraum anschließenden Leitung die 'hohe maximale Temperatur des Kreisprozesses auf, während er außerhalb des Rohres 3 lediglich die wesentlich niedrigere Zulauftemperatur hat. Die den aus den beiden Rotiren 2 und 3 bestehenden Spaltstoffbehälter umgebenden Teile des Brennstoffelementes bzw. des Moderators sind also nur dieser niedrigeren Temperatur ausgesetzt. Damit können für diese Teile audh Werkstoffe mit einer weniger hohen Wärmebeständigkeit gewählt werden, oder es kann, wenn man für diese Teile Werkstoffe hoher Wärmebeständigkeit wählt, die maximale Temperatur des Kreisprozesses des Wärmeträgers wesentlich erhöht werden.

Die Rohre 2 und 3 sind durch den geringen Druckunterschied zwischen dem zugeführten und dem abgeführten Wärmeträger praktisch nicht belastet. Diese

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Rohre müssen lediglich nur gegen die hohen Spalttemperaturen beständig sein. Als Rdhrwerkstoff kann daher beispielsweise Berylliumoxyd oder Zirkoniumoxyd verwendet werden, welche Stoffe zwar praktisch keine Zugfestigkeit aufweisen, jedoch bis 1500° C gegen CO₂ beständig sind.

Zur Erreichung gleich hoher Spalttemperaturen über die ganze Spaltstoffbehälterlänge ist es zweckmäßig, an den Stellen größeren Wärmeanfalls den Querschnitt der öffnungen 2' bzw. 3' pro Einheit der Behälterlänge gegenüber dem an den Stellen kleineren Wärmeanfalls zu vergrößern, beispielsweise durch kleineren gegenseitigen Lochabstand, damit an diesen Stellen eine entsprechend größere Menge Wärmeträger durch die Spaltstoffschicht gelangt.

Soll der Moderator 5 nicht durch den Druck des im Brennstoffelement strömenden gasförmigen Wärmeträgers belastet werden, so ist es vorteilhaft, das genannte dritte Rohr 4 als druckfestes Rohr auszubilden, das den Druck des Wärmeträgers aufnimmt. Das Rohr 4 muß dazu aus einem Werkstoff sein, der die erforderlichen Festigkeitseigenschaften aufweist. Außerdem muß der Werkstoff aber möglichst schwach neutronenabsorbierend sein. Von den beide Eigenschaften aufweisenden Stoffen ist aber z. B. Zirkoniummetall gegen C O,-Gas nur bis 500° C, Aluminiummetall gegen CO₂-GaS nur bis 450° C beständig. Der Vorteil der Erfindung, nämlich, daß lediglich die Zulauftemperatur zum Brennstoffelement unter diesen niederen Temperaturen liegen muß, während die maximale Temperatur des Kreisprozesses durch diese Temperatur nicht begrenzt ist, kommt daher hier besonders zur Geltung.

Die in Fig. 2 gezeigten Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie die entsprechenden Teile in der Fig. 1 bezeichnet. Der den Spaltstoffbehälter umgebende genannte dritte Hohlkörper ist in Fig. 2 als ein flaschenförmiger Körper 6 ausgebildet, der einen Flaschenhals 7 aufweist, in dem ein Rohr 8 angeordnet ist. Der gasförmige Wärmeträger wird durch den Zwischenraum zwischen dem Flaschenhals 7 und dem Rohr 8 zugeführt und nach dem Durchgang durch die Spaltstoffschicht durch das Innere des Rohres 8 wieder abgeführt. Werden der Hals 7 und das Rohr 8 genügend lang gemacht, so können sie als Wärmeträgerzu- und -abführleitung für das Brennstoffelement dienen.

Auf diese Weise können die Moderatorteile und auch weitere Teile des Reaktors vom Druck des Wärmeträgers und von diesem selber frei gehalten werden. Bei der Rohrleitung 7, 8 sind hohe Temperaturen lediglich im Innern vorhanden, während die Außenseite eine der Zulauftemperatur des Wärmeträgers entsprechende niedere Temperatur aufweist.

Dabei ist noch von besonderem Vorteil, daß das innere, den Wärmeträger höherer Temperatur führende Rohr 8 der Leitung nur den praktisch vernachlässigbar kleinen Druckunterschied zwischen dem zugeführten und dem abgeführten Wärmeträger auszuhalten hat, während das durch den vollen Wärmeträgerdruck belastete Rohr (Hals 7) nur die niedrigere Temperatur aufweist, also weniger wärmebelastet ist.

ίο Das Rohr 8 wird zweckmäßigerweise mit einer Isolierung versehen werden, die bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform aus einem Keramikrohr 9 besteht.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für einen Kernreaktor, bei dem die beim Spaltungsprozeß frei werdende Wärme mittels eines gasförmigen Wärmeträgers abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der

so Spaltstoff als ein Haufwerk (1) zwischen zwei ineinander angeordneten, radiale Öffnungen (2', 3') aufweisenden, aus hitzebeständigem Material bestehenden rohrförmigen Körpern (2, 3) angeordnet ist, die wiederum innerhalb eines dritten Hohl-

a5 körpers (4 bzw. 6) angeordnet sind, und daß der gasförmige Wärmeträger dem Raum zwischen der Wand des dritten Hohlkörpers (4 bzw. 6) und dem äußeren (3) der genannten rohrförmigen Körper zugeführt und aus diesem Zwischenraum durch die radialen Öffnungen (3') im äußeren rohrförmigen Körper (3), über den Spaltstoff (1) und die radialen Öffnungen (2') im inneren rohrförmigen Körper (2) abgeführt wird.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte dritte Hohlkörper von Teilen (4) eines Moderators (5) gebildet wird.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte dritte Hohlkörper ein druckfestes Rohr (4) ist.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte dritte Hohlkörper ein flaschenförmiger Körper (6) ist und daß in dessen Flaschenhals (7) ein Rohr (8) angeordnet ist und der gasförmige Wärmeträger durch den Zwischenraum zwischen dem Flaschenhals (7) und diesem Rohr (8) zugeführt und durch das Innere dieses Rohres (8) wieder abgeführt wird.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Flaschenhals (7) angeordnete Rohr (8) eine Isolierung (9) aufweist.

6. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten rohrförmigen Körper (2, 3) aus Keramikmaterial bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen