DE1043529B - Atomkernreaktor mit Brennstoffelementen in Gestalt von Staeben, Rohren oder platten Koerpern, der von einem die Waerme aufnehmenden Medium durchstroemt wird - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Der Erfinder hat bereits in zahlreichen Patenten insbesondere für den Wärmeaustausch zwischen zwei strömenden Medien verwendbare Oberflächengestaltungen beschrieben. Dabei handelt es sich um Gestaltungen, die zur Verbesserung des Wärmeaustausches bei gegebenen Leistungsverlusten den strömenden Medien Kanäle mit wechselnden Querschnitten und Richtungen darbieten und dadurch Druck- und Geschwindigkeitsänderuttgen hervorrufen, was sich für den Wärmeaustausch bei geringem Leistungsverlust als günstig erwiesen hat.

So hat der Erfinder bei rohrförmigen Wärmeaustauschern, d. h. solchen, bei denen das eine Medium im Inneren von Rohren und das andere Medium auf den Rohraußenseiten strömt, vorgeschlagen, die Rohre mit Längs- oder Querrippen zu versehen, die symmetrisch oder unsymmetrisch gewellt sein können und dadurch in Verbindung mit einer gegebenenfalls gegenseitigen Versetzung der Rohre in Querschnitt und Strömungsrichtung wechselnde Durchlässe zwischen den Rohren ao zu begrenzen. Die Rohre selbst können gewellt oder im Querschnitt abgewandelt sein, um den Zwischenräumen zwischen den Rohren den gewünschten veränderlichen Querschnitt zu verleihen.

Bei platten- oder flächenfÖrmigen Austauschern, bei denen durch Platten Zwischenräume gebildet sind, die abwechselnd von dem einen und dem anderen Medium durchströmt werden, sorgen asymmetrische Wellungen der Platten für fortlaufende Querschnitts- und Richtungsänderungen in den Zwischenräumen. Solche Zwischenräume können auch zwischen dicht aufeinanderfolgenden, eine gewellte Fläche bildenden Rohren geschaffen sein.

Die Erfindung bezweckt die Anwendung solcher Oberflächenformen von Lamellen, Rohren oder Rohrrippen bei Kernreaktoren, die bekanntlich aus Brennstoffelementen in Form von Stangen, Rohren oder Platten ausgebildet sind und von einem Medium durchströmt werden, das die aus diesen Elementen freiwerdende Wärme aufnimmt.

Es ist bereits bekannt, die Kühlkanäle eines Kernreaktors derart anzuordnen, daß sie einen sich stetig verändernden Querschnitt aufweisen und eine einzige Einschnürung an einer Stelle der Längenerstreckung des Kühlkanals derart vorgesehen ist, daß an dieser Stelle die Kühlwirkung erhöht wird.

Erfindungsgemäß werden die Brennstoffelemente so gestaltet und so zueinander angeordnet oder aber besondere Leitkörper zwischen diesen Brennstoffelementen derart angeordnet, daß sich zwischen den Brenn-Stoffelementen oder zwischen ihnen und den Leitkörpern von dem die Wärme aufnehmenden Medium durchströmte Kanäle ergeben, die in mehrfacher Folge Querschnitts- und/oder Richtungsänderungen in Strö-Atomkernreaktor mit Brennstoffelementen in Gestalt von Stäben, Rohren oder platten

Körpern, der von einem die Wärme aufnehmenden Medium durchströmt wird

Anmelder: Andre Huet, Paris

Vertreter: Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte, Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 1&. Januar und 29. März 1956

Andre Huet, Paris, ist als Erfinder genannt worden

mungsrichtung des Mediums aufweisen und so den Wärmeaustausch zwischen den Brennstoffelementen und dem wärmeaufnehmenden Medium verbessern.

In einer ersten Ausführungsform tragen die hohlen oder massiven Brennstoffelemente mit im Hauptteil kreisrundem Querschnitt zwei diametral gegenüberliegende tangentiale Längsrippen mit verstärktem Fußteil, deren eine Außenfläche tangential zur Außenfläche des Brennstoffelementes verläuft. Diese Brennstoffstäbe sind in der Weise gegeneinander versetzt, daß die zwischen den Stabreihen entstehenden Zwischenräume, die von einem wärmeaufnehmenden Medium durchströmt werden, die Folge der vorgesehenen Querschnitts- und Richtungsänderungen ergeben.

Diese Form der Brennstoffstäbe kann auch durch Abplattung eines rohrförmigen Stabes mit kreisförmigem Querschnitt erreicht werden, derart, daß diesem ein linsenförmiger Querschnitt erteilt wird, wobei dessen eine Fläche eine die andere Fläche wesentlich übertreffende Wölbung erhält.

Bei einer anderen Ausführungsform können die Brennstoffelemente die Form von gewellten Platten haben und der Reihe nach so angeordnet sein, daß die zwischen ihnen entstehenden Kanäle die gewünschte Querschnittsform besitzen.

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Schließlich ist auch vorgesehen, daß Brennstoffstäbe Bei diesen beiden Anordnungsweisen erhält man in-

auf ihrer Oberfläche mit Längsrippen oder Rillen ver- folge der wirksamen Querschnittsgestaltung der Strö-

sehen sind, um die von dem umgebenden Medium be- mungskanäle A oder B bei einem bestimmten Lei-

aufschlagte Fläche zu vergrößern, und daß m den stungsverlust einen Wärmeübertragungskoeffizienten, Strömungskanälen zwischen ihnen gewellte Flächen 5 der höher ist als bei geradlinig verlaufenden Kanälen

liegen, die in dem Medium Richtungs-, Geschwindig- mit konstantem Querschnitt.

keits- und Druckänderungen hervorrufen. Bei dem Beispiel nach Abb. 4 und 5 haben die Atom-Aus der nachstehenden Beschreibung und der Bei- wärme abgebenden Stäbe g im wesentlichen die aus spiele darstellenden Zeichnung ergibt sich, wie die Er- Abb. 3 ersichtliche Gestalt eines länglichen Rechtecks, findung im einzelnen ausgeführt sein kann. io dessen Stärke aus Abb. 4 bis 6 hervorgeht und das er-Abb. 1 veranschaulicht im Schnitt eine Anordnung findungsgemäß eine Wellung, wie in Abb. 4 und 5 darvon rohrförmigen Stäben aus einem durch atomare gestellt, oder mehrere Wellungen aufweist. Reaktionen Wärme abgebenden Material mit Kanälen Nach Abb. 4 folgen mehrere solcher Stäbe g hinterzwischen den Stabreihen für den Durchfluß eines und aufeinander und sind in parallelen Ebenen nebenströmenden Mediums; 15 einander gestellt, so daß Kanäle h frei bleiben, die von Abb. 2 zeigt eine etwas andere Ausführungsform dem Kühlmittel in Pfeilrichtung C durchströmt werals Abb. 1; den. Das ganze erinnert an die Anordnungsweise eines Abb. 3 ist die Vorderansicht eines gewellten Stabes Wärmeaustauschers mit gewellten Platten. Im voraus Atomwärme abgebendem Material; liegenden Fall verläuft die Wellung asymmetrisch, Abb. 4 stellt im Schnitt' die Zusammenstellung von 20 d. h. eine kurze Strecke X-Y bildet mit der längeren Stäben nach Abb. 3 zur Bildung von erfindungs- Strecke Y-Z einen Winkel über 90°. gemäßen Durchflußkanälen zwischen den aufeinander- Wie aus Abb. 4 ersichtlich, haben die Durchlaßfolgenden Stabflächen dar; kanälen für das Kühlmittel bei H-H Querschnitts-Abb. 5 und 6 sind Darstellungen von Abänderungen Verengungen, die mit einem Richtungswechsel verder Anordnung nach Abb. 4; 25 bunden sind. Wie weiter erkennbar, strömt das Medium Abb. 7 zeigt im Schnitt einen Rohrstab mit Einrich- in sämtlichen aufeinanderfolgenden Zwischenräumen tungen zur Verbesserung der Zirkulation des im Rohr in derselben Richtung.

strömenden Mittels; Nach einer in Abb. 5 dargestellten abgeänderten. Abb. 8 ist das Schaubild von zwei gerillten Stäben; Ausführungsform können die Platteng· zwei ver-Abb. 9 und 10 zeigen in Seiten- und Stirnansicht 30 schiedenartige Wellungen haben, nämlich bei i für einen Reaktorteil mit drei solchen Stäben. Lage L-L und weniger ausgebildet bei / für die Lage Wie bei der in Abb. 1 dargestellten Ausführungs- M-M. Auf diese Weise erhält man in den Zwischenform erkennbar, haben die aus einem durch atomare räumen K zwischen den Plattenlagen Verengungen Reaktionen Wärme abgebenden Material bestehenden, H-H, auf die eine Querschnittserweiterung mit Richin einem Atomreaktor zur Ausnutzung ihrer Wärme- 35 tungsänderung bis zur nächsten Verengung H^H¹ energie untergebrachten Stäbe je die Gestalt eines folgt.

Rohres mit tangentialen, an der Basis verdickten Ferner wechselt bei der Einrichtung nach Abb. 5 das

Rippen; d.h. jeder Rohrstab besteht aus einem zylin- strömende Kühlmittel von einem Kanals zum näch-

drischen Körper α mit zwei gegenüberliegenden, an sten seine Richtung, wobei auch die Aufeinanderfolge

der Basis verdickten Längsrippen b,c, die mit einer 40 von Verengungen, Erweiterungen und Richtungsände-

ebenen Fläche b¹, c¹ tangential zur zylindrischen Ober- rungen im gleichen Sinne vor sich geht,

fläche des Rohres α verlaufen und zwei parallel gegen- Statt Brennstoffelementen in Form von gewellten

einander versetzten Ebenen folgen, während die an- Platten oder Streifen gemäß Abb. 3 können auch ebene

deren Rippenflächen b², c² - nach einwärts gekrümmt Streifen nach Abb. 6 verwendet werden, die senkrecht

sind. Infolgedessen ergeben sich, wie beim Wärme- 45 zu der in Abb. 4 und 5 dargestellten Richtung verlaufen

austausch zwischen zwei strömenden Medien bekannt, und Kanäle für das in Pfeilrichtung E strömende

zwischen aufeinanderfolgenden Stabreihen c, die gegen- Medium bilden, deren Profil im wesentlichen dasselbe

einander versetzt angeordnet sind, Durchlässe für ein ist wie bei Abb. 5.

in Richtung der Pfeile^ strömendes Kühlmittel. Diese Statt hohler Stäbe gemäß Abb. 1 und 2 können auch Durchlässe sind an den Stellen H-H verengt und leiten 50 massive Stäbe ohne die Höhlungen d und f bei gleicher dort zugleich einen Richtungswechsel der allge- äußerer Profilierung verwendet werden, meinen Strömung A des durchgeleiteten Mediums ein. Man kann auch gemäß Abb. 7 zylindrische Rohre« Durch das Innere d der Stäbe α kann dasselbe Medium aus einem durch atomare Reaktionen Wärme abgebenwie bei A oder auch ein anderes Kühlmittel im allge- den Material verwenden, die in Pfeilrichtung F von meinen senkrecht zur Strömungsrichtung A geleitet 55 einem Medium durchströmt werden. In diesem Fall werden. ' sind zur Verbesserung des Wärmeaustausches im Rohr-Bei der Ausführungsform nach Abb. 2 sind die inneren Kerne η mit wechselnden Profilen angeordnet, Stäbe e im Querschnitt linsenförmig abgeflacht, wobei die in dem Strömungskanal die erstrebten Querschnittsdie Wölbung e² auf der einen Seite größer ist als die änderungen hervorrufen. Außerdem kann am Einlaß-Wölbung e¹ auf der gegenüberliegenden Fläche. 60 ende des Rohres m ein Verteiler 0 mit einem Schaufel-Wenn diese Stäbe e, wie aus Abb. 2 ersichtlich, gegen- kranz p vorgesehen sein, durch den das das Rohr ineinander versetzt nebeneinander angeordnet werden, durchströmende Medium in schraubenförmige Drehunso ergeben sich für das in der Pfeilrichtung B strömende gen versetzt wird, wodurch die Beaufschlagung der Kühlmittel Durchlässe, bei denen Querschnittsver- Rohrinnenwand wesentlich wirksamer wird, engungen H-H mit allmählichen Erweiterungen bis zu 65 Bei einer anderen Ausführung nach Abb. 8 tragen den Stellen G-G miteinander abwechseln, bei denen ein die Brennstoffstäbe q, die z. B. im allgemeinen ein par-Richtungswechsel bis zur nächsten Verengung H-H ' allelseitiges Rechteck darstellen, auf ihren von dem folgt, usf. Auch hier können die Stäbe e hohl und von Wärme aufnehmenden Medium beaufschlagten Obereinem, z. B. demselben Medium wie bei By nur senk- flächen kleine Rippen oder Rillen r, deren Querschnitt recht dazu, durchströmt sein. 70 dreieckig, wie dargestellt, aber, auch wellig sein kann,

und deren Höhe bzw. Tiefe den jeweiligen Verhältnissen angepaßt wird, d. h. je nach Menge, Geschwindigkeit, Druck usw. des Kühlmittels. Auf diese Weise erzielt man eine Vergrößerung der mit dem Medium in Berührung kommenden Staboberflächen.

Zwischen diesen Stäben q sind, wie aus Abb. 8 und 9 ersichtlich, Flächen s mit vorzugsweise asymmetrischer Wellung angeordnet, die in den Strömungskanälen zwischen den Stäben Querschnittsänderungen herbeiführen, die wiederum der Wärmeaufnahme forderliche Änderungen in Richtung, Geschwindigkeit und Druck des strömenden Mediums hervorrufen.

Bei den dargestellten Flächen s wechseln in der Strömungsrichtung G des Mediums lange Strecken mit kürzeren ab, wobei der Winkel am Scheitel der WeI-lungen größer als 90° ist.

Auf diese Weise kann man auf den Leistungsverlust und die Geschwindigkeit des strömenden Mediums einwirken und dieses zwingen, infolge des Druckwechsels in Verbindung mit den Richtungsänderungen in die Tiefen der Rillen r einzudringen und dort und auf der Staboberfläche leicht anhaftende, der Wärmeübertragung abträgliche Ablagerungen des strömenden Mittels loszureißen.

Wenn zwischen verschiedenen, nach Abb. 8 bis 10 »5 angeordneten Stabreihen q senkrechte Durchlaßkanäle geschaffen sind, so können auch diese mit in diesem Fall senkrecht gestellten gewellten Flächen j versehen werden, so daß eine Art Gitter entsteht, das als Träger für die Stäbe dienen kann.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Einzelheiten beschränkt, kann vielmehr auch abgeändert ausgeführt sein, ohne von dem grundlegenden Erfindungsgedanken abzuweichen.

So könnte z. B. die Anordnungsweise nach Abb. 10 auch bei im Querschnitt zylindrischen, auf der Oberfläche gerillten Stäben angewendet werden und eine diese umgebende, wellig verlaufende Umhüllung vorgesehen sein, die von dem Medium durchströmt wird, wodurch dieselbe Wirkung wie beschrieben erreicht würde.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor mit Brennstoffelementen in Gestalt von Stäben, Rohren oder platten Körpern, der von einem die Wärme aufnehmenden Medium durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente oder besondere Leitkörper so· gestaltet und angeordnet sind, daß sich zwischen den Brennstoffelementen oder zwischen ihnen und den Leitkörpern von dem die Wärme aufnehmenden Medium durchströmte Kanäle ergeben, die eine mehrfache Folge von Querschnitts- und/oder Richtungsänderungen bilden.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hohle oder massive Brennstoffstäbe mit in ihrem Hauptteil praktisch kreisrundem Querschnitt, der durch zwei diametral gegenüberliegende tangentiale Längsrippen mit verstärktem Fußteil verlängert ist, gegeneinander versetzt angeordnet sind.

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hohle oder volle Brennstoffstäbe im Querschnitt linsenförmig mit beiderseits ungleich großer Wölbung abgeplattet gestaltet und gegeneinander versetzt angeordnet sind.

4. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoffstäbe oder -plattkörper von im allgemeinen rechteckiger Form ein·· oder mehrfach gewellt und in im wesentlichen parallelen Ebenen nebeneinander angeordnet sind, wobei die so gebildeten Zwischenräume von dem die Wärme aufnehmenden Medium durchströmt werden.

5. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß rohrförmige, von dem Wärme aufnehmenden Medium durchströmte Brennstoffstäbe mit im Querschnitt und in der Strömungsrichtung wechselnde Kanäle bildenden Einlagen und gegebenenfalls am Rohreintritt mit einem das Medium in schraubenförmige Drehung versetzenden Schaufelkranz versehen sind.

6. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoffstäbe auf ihrer Oberfläche mit Längsrippen oder Rillen versehen sind, deren Höhe einige Millimeter bis zu mehreren Zentimetern beträgt, um die von dem strömenden Medium beaufschlagte Flache zu vergrößern, und in den Strömungskanälen zwischen ihnen gewellte Flächen liegen, die in dem Medium Richtungs-, Geschwindigkeits- und Druckänderungen hervorrufen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Das Buch »Reactor Handbook, Engineering« der Reihe »Selected Reference Material on Atomic Energy«, New York, 1955, S. 464 bis 468.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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