DE1200965B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1200965

Aktenzeichen: C 21377 VIII c/21 g

Anmeldetag: 5. Mai 1960

Auslegetag: 16. September 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement mit Innen- und Außenkühlung, bestehend aus zwei konzentrisch angeordneten Hüllrohren, in deren Ringraum der Brennstoffkörper untergebracht ist, und aus Endverschlüssen.

Ein derartig aufgebautes Brennstoffelement weist eine relativ große Oberfläche auf, die für den Wärmeaustausch zwischen dem Brennstoff und dem Kühlmittel zur Verfügung steht. Es sollte daher — auf Grund theoretischer Überlegungen — anderen be- ίο kannten Brennstoffelementen, bei denen der Brennstoff in Form relativ dicker, ebener Platten angeordnet ist, hinsichtlich der Kühlungswirkung überlegen sein.

Die Praxis hat diese theoretische Erwartung bisher nicht bestätigt. Es tritt nämlich bei den hohlzylindrischen Brennstoffelementen eine Schwierigkeit auf, die bei ebenen vollkommen unbekannt ist. Im Laufe des Betriebes lösen sich nämlich Hüllrohre und Brennstoffkörper infolge ihrer verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten mehr oder weniger voneinander, so daß ein den Wärmeübergang stark beeinträchtigender Hohlraum sich zwischen ihnen ausbildet.

Ist der Ausdehnungskoeffizient des Brennstoffes größer als der des Hüllrohrs, was meistens der Fall sein wird, dann bleibt mit steigender Betriebstemperatur der Kontakt zwischen dem Brennstoffkörper und dem äußeren Hüllrohr im allgemeinen erhalten oder verbessert sich gar noch, wie das auch bei ebenen plattenförmigen Brennstoffkörpern der Fall ist; zwischen dem Brennstoffkörper und dem inneren Hüllrohr geht dieser Kontakt jedoch mehr und mehr verloren, bis schließlich überhaupt kein Wärmeübergang zu dem im inneren Hüllrohr strömenden Kühlmittel mehr möglich ist, der Vorteil einer Kühlung von außen und innen also verlorengegangen ist.

Liegen die Verhältnisse der Ausdehnungskoeffizienten von Brennstoffmaterial und Hüllrohrmaterial dagegen umgekehrt, so verbessert sich zwar der Wärmeübergang zwischen dem Brennstoffkörper und dem inneren Hüllrohr, der Wärmeübergang zum äußeren Hüllrohr hingegen verschlechtert sich entsprechend, bis schließlich eine Wärmeabfuhr an das äußere Kühlmittel gänzlich in Wegfall kommt.

Diese mangelnde Kühlung ist bislang nicht nur hingenommen und als unabänderlich betrachtet worden, man hat sogar versucht, daraus insofern das Beste zu machen, indem man das äußere Hüllrohr bewußt und von Anfang an von dem Brennstoffkörper entfernt gehalten hat, um seine thermische Belastung nach Möglichkeit zu vermindern und ihm die Kernreaktor-Brennstoffelement

Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,

München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Marc Salesse, Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise;

Jacques Andre Stohr,

Bures-sur-Yvette, Seine-et-Oise;

Maurice Gauthron, Paris (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 13. Mai 1959 (794568)

Funktion eines mechanischen Trägers leichter übertragen zu können. Dieser Vorteil muß jedoch durch eine die Leistungsfähigkeit des Reaktors als Ganzes wesentlich vermindernde Schwächung der Kühlwirkung erkauft werden, was ersichtlich nachteiligere Auswirkungen zeitigt.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine solche Ausbildung eines hohlzylinderförmigen Brennstoffelements zu schaffen, daß der Kontakt des Brennstoffkörpers sowohl zu dem inneren als auch zu dem äußeren Hüllrohr während aller Betriebszustände des Reaktors aufrechterhalten bleibt und sich insbesondere weder unter dem Einfluß der Betriebstemperatur noch unter dem der im Reaktorkern herrschenden Strahlungsverhältnisse verschlechtert, so daß sowohl das äußere als auch das innere Kühlmittel ständig voll wirksam bleibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Sicherstellung des festen Anliegens der Brennelementhülle am Brennstoffkörper mindestens eines der Hüllrohre entweder hinsichtlich Material und Wandstärke so ausgebildet ist, daß es durch den Kühlmitteldruck bei der Betriebstemperatur plastisch verformbar ist oder das innere Hüllrohr mit elastischen radialen Längsfalten versehen ist, die durch den Kühlmitteldruck deformierbar sind.

Das Grundprinzip der Erfindung liegt also darin, daß mindestens ein Hüllrohr derartig ausgebildet ist,

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daß es durch darauf einwirkende Druckkräfte in radialer Richtung im wesentlichen gleichmäßig verformbar ist. Die Verformung geschieht dabei durch den Druck der strömenden Kühlflüssigkeit, und die Deformation der betreffenden Hüllrohrfläche beginnt zur gleichen Zeit mit der Ausdehnung des Brennstoffelementes oder auch später. Das erfindungsgemäß ausgebildete Hüllrohr wird durch den Druck der Kühlflüssigkeit an den Brennstoff körper angepreßt. Das innere und das äußere Hüllrohr können Rippen aufweisen, die einen besseren Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit und dem Brennstoffelement bewirken.

Die Hüllrohre weisen im allgemeinen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der von dem des Brennstoffmaterials verschieden ist, wobei der Ausdehnungskoeffizient des Brennstoffmaterials meistens viel größer ist. Unter diesen Umständen ist eine Anordnung vorteilhaft, bei der das äußere Hüllrohr so ausgebildet ist, daß es bei der Arbeitetemperatur des Brennstoffelements fest am Brennstoffkörper anliegt, und das innere Hüllrohr durch mechanische Kräfte radial dehnbar ausgebildet ist. Die relativ starke Ausdehnung des Brennstoffmaterials hat zur Folge, daß sich der Brennstoffkörper von dem inneren Hüllrohr ohne Vorhandensein des Flüssigkeitsdruckes entfernen würde, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des inneren Hüllrohrs kleiner ist als der des Brennstoffmaterials. Oberhalb einer gewissen Temperatur bewirkt der Druck der im inneren Hüllrohr fließenden Kühlflüssigkeit eine Ausdehnung des Hüllrohrs durch mechanische Deformation, die sich der durch die Wärme bewirkten Ausdehnung überlagert.

Wenn die Deformation nur nach einer gewissen Ausdehnung des Brennstoffkörpers vor sich geht, entfernt sich dieser beim Aufheizen von dem inneren Hüllrohr, dessen Wärmeausdehnung kleiner ist als die des Brennstoffmaterials. Sobald der Druck des strömenden Kühlmittels und die Temperatur genügend angestiegen sind, hält das innere Hüllrohr dem Kühlmitteldruck nicht mehr Stand; das Hüllrohr deformiert sich daher und kommt zur Anlage am Brennstoffkörper. Wenn die Temperatur noch weiter ansteigt, wird die Ausdehnung des Hüllrohrs durch den Brennstoffkörper begrenzt, der sich dann weniger schnell ausdehnt, wodurch das Hüllrohr mit einer gewissen Andrückkraft am Brennstoffkörper anliegt.

Wenn die mechanische Deformation des inneren Hüllrohrs mit der Ausdehnung des Brennstoffkörpers beginnt, vergrößert sich der Abstand, der im kalten Zustand zwischen dem Brennstoff und dem inneren Hüllrohr besteht, nicht. Wenn insbesondere dieser Abstand sehr gering ist, besteht praktisch keine wirksame Trennschicht zwischen dem Brennstoffkörper und dem inneren Hüllrohr. Dieses legt sich dann sofort gegen den Brennstoffkörper, und die Oberflächenänderungen sowohl des Brennstoffkörpers als auch des inneren Hüllrohrs sind dann identisch.

Bei passender Wahl des Metalls für das innere Hüllrohr sowie dessen Struktur läßt es sich einrichten, daß die mechanische Deformation der Umhüllung gemäß der Erfindung bei Beginn des Aufheizens oder im Laufe des Aufheizens anfängt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Deformation eines Hüllrohrs plastisch oder elastisch sein kann. Die plastische Deformation wird allein durch den Druck des Kühlströmungsmittels hervorgerufen, sobald die Abnahme der charakteristischen mechanischen Eigenschaften des Metalls unter dem Einfluß der Temperatur weit genug fortgeschritten ist. Die plastische Deformation läßt sich auch im kalten Zustand erzielen, aber dafür sind dann wesentlich höhere Kühlmitteldrücke erforderlich, die mit den Kühlmitteldrücken bei Kernreaktoren, die 25 bis 100 Atmosphären betragen können, unvereinbar sind. Die elastische Deformation resultiert aus dem Zusammenwirken der Struktur des zu verformenden Hüllrohrs, der elastischen Eigenschaften des Hüllenmaterials, wobei sich Stahl am besten eignet, und des Kühlmitteldruckes; die elastische Deformation verschwindet, sobald der Kühlmitteldruck aufhört zu wirken.

Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Das erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Anordnung, bei der der innere Mantel eines hohlen Brennstoffelementes plastisch deformierbar ist.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Brennstoffelementes vor Beginn des Aufheizens und vor der plastischen Deformation;

F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt des Brennstoffelementes längs der Linie H-II der Fig. 1, und zwar den oberen Abschnitt dieses Elementes.

Das zweite und dritte Ausführungsbeispiel beziehen sich auf eine Anordnung mit elastischer Deformation des inneren Hüllrohrs bei hohlen Brennstoffelementen.

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt eines Brennstoffelementes nach dem zweiten Ausführungsbeispiel;

F i g. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereiches von Fig. 3;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines Brennstoffelementes gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;

F i g. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereiches von F i g. 5.

In den F i g. 1 und 2 ist der Brennstoffkörper mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Die Umhüllung 2 aus Magnesium besteht aus einem inneren Hüllrohr 3 und einem äußeren Hüllrohr 4, die mittels kranzförmiger Stirnteile 5 durch Schweißen verbunden sind. Beim Inbetriebsetzen des Kernreaktors fließt das Kühlmittel im Außenraum des Brennstoffelementes und in dem zentralen Raum 6. Der Brennstoffkörper 1 dehnt sich unter der Wirkung der ansteigenden Temperatur aus, und seine äußere Oberfläche kommt in enge Berührung mit dem äußeren Hüllrohr 4, das sich weniger schnell ausdehnt als der Brennstoffkörper. Die innere Oberfläche des Brennstoffkörpers entfernt sich hingegen von dem inneren Hüllrohr 3 und der auf diese Weise entstehende Zwischenraum kann 1 bis 2 mm betragen. Die Wärme wird sodann ausschließlich über das äußere Hüllrohr abgegeben, da zwischen der Umhüllung 2 und dem Brennstoffkörper 1 lediglich eine Berührung an dem äußeren Hüllrohr 4 besteht. Das zur Kühlung verwendete Gas erwärmt sich nach und nach. Es wird dabei in den Wärmeaustauschern des Reaktors nicht gekühlt. Sobald die Temperatur des Gases 200° C erreicht hat, die als Eintrittstemperatur in dem Reaktor vorgesehen ist, wird das innere Hüllrohr 3 durch den Druck des Gases, der dann mindestens 30 Atmosphären betragen soll, plastisch

verformt. Diese Größen gelten für einen 1 bis 2 mm starken Magnesiummantel. Sobald das innere Hüllrohr 3 am Brennstoffkörper zum Anliegen kommt, wirkt die gesamte Umhüllung normal als Wärmeübertrager, und man kann sodann das Kohlensäurekühlgas in den Wärmeaustauschern des Reaktors kühlen, der dann mit voller Leistung arbeiten kann. In gleicher Weise lassen sich auch Hüllrohre aus Aluminium verwenden, aber die oben angegebenen Zahlenwerte sind dann anders.

F i g. 3 zeigt die äußeren und inneren Hüllrohre 7 und 8 der Umhüllung eines anderen Brennstoffelementes, dessen Brennstoffkörper mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet ist. Das äußere Hüllrohr weist Längsrippen auf und besteht z. B. aus Aluminium. Das innere Hüllrohr 8 ist z. B. aus Aluminiumblech hergestellt mit drei sternförmig verlaufenden Fortsätzen 10, 11 und 12, die durch Falten des Bleches gebildet sind. Die Dicke des Bleches beträgt ¹Ao bis ²/io mm. Einzelheiten eines Fortsatzes sind in der ao Fig. 4 dargestellt. Sobald der Brennstoff körper 9 sich ausdehnt, entfernt sich die innere Mantelfläche desselben von dem inneren Hüllrohr. Der Durchtritt von Kühlmittel, das in dem zentralen Bereich 13 des Brennstoffelementes unter Druck steht, bewirkt ein elastisches Auseinandergehen der Abschnitte 14 und 15 des Fortsatzes 10 und daher eine Vergrößerung des Durchmessers des inneren Hüllrohrs. Dieses Hüllrohr steht in ständiger Berührung mit dem Brennstoffkörper, sobald das Kühlmittel mit einem ausreichenden Druck in dem Kanal des Kernreaktors, in dem das Brennstoffelement angeordnet ist, strömt.

In den F i g. 5 und 6 sind die Brennstoffkörper 16 sowie das äußere und innere Hüllrohr 17 bzw. 18 einer dritten Ausführungsart eines Brennstoffelementes gezeigt. Die gesamte Umhüllung ist aus Magnesium hergestellt. Das spezielle Profil des inneren Hüllrohrs ist durch Ziehen erzeugt. Die Dicke an den nicht mit Fortsätzen versehenen Bereichen beträgt 1,5 mm. Jeder Fortsatz 19 weist einen Längsspalt 20 auf mit einem Längskanal 21 von sehr kleinem Durchmesser, der mit dem Spalt in Verbindung steht. Der Kanal 21 wird beim Ziehen und der Spalt 20 durch Aussägen hergestellt. Die Umhüllung des Brennstoffes geschieht in der gleichen Weise wie bei dem vorhergehenden Beispiel. Das innere Hüllrohr 18 liegt infolge des herrschenden Kühlmitteldruckes beständig am Brennstoffkörper an. Die elastische Deformation ist durch den Schlitz in jedem Fortsatz gewährleistet. Der Kanal 21 hat den Zweck, einen Bruch durch Kerbwirkung am Grunde des Längsschlitzes 20 zu vermeiden.

Eine solche Ausbildung ermöglicht den Bau eines elastisch deformierbaren inneren Hüllrohrs der Umhüllung aus einem Neutronen wenig absorbierenden Material.

Die Breite der Fortsätze 10, 11 und 12 (Fig. 2 und 3) beträgt in radialer Richtung 10 mm, die Gesamtbreite des Fortsatzes 19 (F i g. 6) an der Basiszone beträgt in Umfangsrichtung 5 mm, die Breite des Spaltes 20 ist an dieser Stelle 0,5 mm. Der Kanal hat einen Durchmesser von 0,5 bis 1 mm. Diese Zahlenwerte entsprechen dem Zustand beim Inbetriebsetzen der Brennstoffelemente (unter Druck und Hitze).

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement mit Innen- und Außenkühlung, bestehend aus zwei konzentrisch angeordneten Hüllrohren, in deren Ringraum der Brennstoffkörper untergebracht ist, und aus Endverschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherstellung des festen Anliegens der Brennelementhülle (2) am Brennstoffkörper (1) mindestens eines der Hüllrohre (3, 4) entweder hinsichtlich Material und Wandstärke so ausgebildet ist, daß es durch den Kühlmitteldruck bei der Betriebstemperatur plastisch verformbar ist, oder das innere Hüllrohr mit elastischen radialen Längsfalten (10, 11, 12 bzw. 19) versehen ist, die durch den Kühlmitteldruck deformierbar sind.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Form und Festigkeitseigenschaften der Hüllrohre (3 und 4) so gewählt sind, daß ihre Verformung durch die thermische Ausdehnung des Brennstoffkörpers (1) ausgelöst wird.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohre (3 und 4) aus Magnesium, Aluminium oder nichtrostendem Stahl bestehen.

4. Brennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Hüllrohr (7, 17) mit Rippen versehen ist.

5. Verfahren zur Herstellung der Falten am inneren Hüllrohr eines Brennstoffelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsfalten (10, 11, 12) durch Riefeln erzeugt werden.

6. Verfahren zur Herstellung des inneren Hüllrohres eines Brennstoffelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Hüllrohr (18) durch Tiefziehen zu einem zylindrischen Körper mit nach innen gerichteten Fortsätzen (19), die endseitig axiale Kanäle (21) enthalten, geformt wird und daß die Fortsätze dann von der Außenoberfläche des inneren Hüllrohrs her bis zu diesen Kanälen aufgesägt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1051423,
603, 1 056 748;
schweizerische Patentschrift Nr. 191632;
britische Patentschriften Nr. 768 078, 798 282;
»Atomic World«, Vol. 10, April 1959, S. 153;
»Nuclear Power«, Vol. 1, 1956, S. 128,129.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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