DE1206099B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

U8112VIIIc/21g
20. Juni 1961
2. Dezember 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einer den Kernbrennstoff aufnehmenden Schutzhülse besteht, die an ihrer äußeren Oberfläche schraubenförmig verlaufende Wärmeübertragungsrippen und vier in axialer Richtung verlaufende, symmetrisch angeordnete Staubleche aufweist, die sich radial über die Wärmeübertragungsrippen erstrecken.

Bei solchen Brennstoffelementen mit Staublechen hat sich bei Versuchen im Kühlmittelstrom gezeigt, daß Unstabilitäten der Strömung auftreten können, die Vibrationen verursachen, wodurch die Brennstoffelemente beschädigt werden, können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit Staublechen versehenes Brennstoffelement zu schaffen, bei dem die Staubleche eine Eigenstabilität liefern, wenn das Brennstoffelement dem Kühlmittelstrom ausgesetzt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei dem Brennstoffelement gemäß der Erfindung, in radialer Richtung gesehen, drei Staubleche eine geringere Breite als das vierte Staublech besitzen und daß diese drei Staubleche nahe ihren oberen und unteren Enden mit Kantenvorsprüngen von solcher Breite versehen sind, daß an diesen Stellen die Gesamtbreite gleich der des vierten Staubleches ist.

Vorzugsweise ist das vierte Staublech mit einem Flanschstück an seiner Außenkante versehen, das in entgegengesetztem Sinne zur Richtung der Wärmeübertragungsrippen ausgerichtet ist.

Das vierte Staublech kann eine aufgerauhte Oberfläche haben oder Wellungen aufweisen, die entweder in Längsrichtung oder geneigt zur Längsrichtung verlaufen.

Das Brennstoffelement kann mit einer Ausrichtkappe am einen Ende und mit einem zugeordneten Ausrichtkonus am anderen Ende ausgestattet sein, wobei der Hüllkreis der äußersten Kante der Staubleche exzentrisch relativ zur Achse von Kappe und Konus verläuft.

Ein wesentlicher technischer Fortschritt der Erfindung besteht darin, daß das Stabilisierungsproblem ohne die Einführung von weiteren Teilen, welche die Herstellung des Brennstoffelementes erheblich komplizierter machen würden, zufriedenstellend gelöst wird.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlicher an Hand der sie beispielsweise erläuternden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt bzw. zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffelements nach der Erfindung in räumlicher und Teilschnitt-Darstellung, die

Kernreaktor-Brennstoffelement

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

Ronal Scott Challender,

Alan Charles Anthony Saunders, London

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 27. Juni 1960 (22 393),
vom 30. Juni 1960 (23 020)

F i g. 2, 3, 4 und 5 im Querschnitt weitere Ausführungsformen von Brennstoffelementen nach der Eras findung und

Fig. 6 schaubildlich in Draufsicht die Strömungsverhältnisse bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelement.

Wie sich aus den Fig. 1 bis 5 ergibt, ist mit 10 allgemein ein Brennstoffelement bezeichnet, das einen Brennstoffkörper 11 enthält, der in einer Schutzhülle 12 sitzt; das Brennstoffelement weist außerdem schraubenförmig verlaufende Wärmeübertragungsrippen 13 auf, die durch in Längsrichtung verlaufende Staubleche 14, 15, 16 und 17 gequert werden, die eine größere radiale Tiefe bzw. Radialabmessung als die Schraubenrippen 13 haben. Das Brennstoffelement 10 sitzt in einem Kanal 18 in einem Moderatoraufbau 19. Die Schutzhülle 12 des Elements 10 ist an jedem Ende durch Endkappen 20 verschlossen, die mit Schraubengewinde versehene Abstandsstücke 21 tragen (nur eine Endkappe 20 und ein Abstandsstück 21 sind dargestellt). Brennstoffelement-Endausrichtungseinrichtungen, wie beispielsweise die komplementären Führungstassen und -spitzen, wie sie in der britischen Patentschrift 779 408 beschrieben sind, können an den Abstandsstücken 21 befestigt werden, so daß das Element 10 mit anderen, ähnlichen Elementen zu einer Elementsäule gestapelt werden kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist das Staublech 17 eben ausgebildet. Die anderen drei

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Staubleche 14, 15, 16 weisen Teilstücke 22 mit geringerer Tiefenabmessung an ihren Enden und an ihrem Mittelabschnitt auf, so daß zwei Vorsprünge 23 mit voller Tiefenabmessung an jedem der Staubleche 14, 15, 16 verbleiben. Diese Staubleche 14, 15, 16 sind in den Fig. 1 bis 5 in gleicher Weise ausgebildet, während in der Fig. 2 das glatt durchlaufende Staublech 17 durch ein Staublech 17a ersetzt ist; dieses Staublech 17;« weist die gleiche Tiefenabmessung wie das Staublech 17 auf, ist aber an seinem Außenende T-querschnittförmig ausgebildet. In der Fig. 3 ist das Staublech 17 durch ein Staublech 17 & mit aufgerauhter Oberfläche ersetzt, während in der Fig. 4 das Staublech 17 durch ein Staublech 17 c mit in Längsrichtung verlaufenden Wellen oder Rundungen ersetzt ist. F ϊ g. 5 zeigt das Brennstoffelement gemäß der Fig. 1 exzentrisch im Kanal 18 angeordnet. Fig. 6 zeigt in Teildarstellung die Kühlmittelströmungsausbildung um das Brennstoffelement 10 herum.

In den Fig. 2 bis 5 ist der Außenumfang der schraubenförmigen Wärmeübertragungsrippen durch den strichpunktierten Kreis 13 bzw. 13' angedeutet.

Bei den Prüfuntersuchungen in einem Kühlmittelströmungskanal hat sich herausgestellt, daß ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffelement sich durch eine merkliche Stabilität auszeichnet. Bei normaler Kühlmittelströmung bewegt sich das Brennstoffelement 10 nach der einen Seite des Kanals hin, so daß die Vorsprünge 23 an dem Staublech 15, die sich gegenüber dem Staublech 17 befinden, und die Vorsprünge an dem benachbarten Staublech 16 mit der Wandung des Kanals 18 in Berührung kommen. Diese Berührung ist eine bleibende, F i g. 5 zeigt ein Brennstoffelement in dieser Lage. Die Staubleche 14, 15, 16,17 teilen den Kanal 18 in Zonen A, B, C, D, wie in der Fig. 6 angedeutet ist, auf. In jeder Zone mischt sich das innerhalb der schraubenförmigen Rippen 13 strömende Kühlmittel mit dem in der betreffenden Zone strömenden Kühlmittel, Die Staubleche dienen dazu, den Kühlmittelstrom in dem Bereich zwischen den schraubenförmigen Rippen 13 rückzulenken, so daß in jeder Zone eine Wirbelbewegung erzeugt wird (Wirbellinie 24 für die Zone.4 in der Fig. 6 angedeutet). Ein gewisser Kühlmittelanteil hat jedoch die Tendenz, von der einen Zone in die nächste rund um die Kante der Staubleche zu strömen, wie dies durch den Pfeil 25 in der Fig. 6 angedeutet ist. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelement kann ein Druckaufbau nur in der Zone A erfolgen, d. h. auf der einen Seite des durchlaufenden Staubleches 17, da immer ein Spiel zwischen der Kanalwandung und den reduzierten Teilstücken der Staubleche 14, 15, 16 vorhanden ist, so daß sich die Kühlmitteldrücke in den Zonen B, C, D auszugleichen vermögen. Somit wird das Brennstoffelement 10 in der in der Fig. 5 dargestellten Lage gehalten.

Die Stabilität gestapelter Brennstoff elemente 10, die mit je einer Ausrichtkappe und einem Ausrichtkonus ausgestattet sind, kann jedoch noch in Frage gestellt sein. Um einen solchen möglichen Mangel zu beheben, werden die Kappen, Konus-Ausrichtvorachtungen z. B. durch parallele flache Platten oder Führungsstücke ersetzt, so daß die Brennstoffelemente sich in Querrichtung zueinander in ihre unabhängigen stabilen Stellungen bewegen können.

Das in der Fig. 2 mit 17<z angedeutete T-förmige Staublech kann L-förmig ausgebildet sein; das Flanschstück, welches das L bildet, verläuft im entgegengesetzten Sinne zur Richtung der schraubenförmigen Rippen, so daß die Kühlmittelströmung um die Kante des Staubleches 17 herabgesetzt wird.

Bei der Ausführungsform mit einem Staublech 17 mit aufgerauhter Oberfläche (Fig. 3 , 17 b) erfolgt eine Abbremsung des Kühlmittels durch dieses Staublech, so daß dieses Staublech von der Wandung des Kanals 18 wegbewegt wird.

Derselbe Effekt tritt ein, wenn das Staublech 17 Wellungen aufweist (s. Fig. 4).

Gemäß der Erfindung kann die Ausbildung so getroffen werden, daß der Hüllkreis der äußersten Kanten der Staubleche 14, 15, 16 exzentrisch relativ zur Achse von Ausrichtkappe und Ausrichtkonus verläuft und daß die besagte Achse sich mit der Achse des Kanals 18 deckt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einer den Kernbrennstoff aufnehmenden Schutzhülse besteht, die an ihrer äußeren Oberfläche schraubenförmig verlaufende Wärmeübertragungsrippen und vier in axialer Richtung verlaufende, symmetrisch angeordnete Staubleche aufweist, die sich radial über die Wärmeübertragungsrippen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß, in radialer Richtung gesehen, drei Staubleche eine geringere Breite als das vierte Staublech besitzen und daß diese drei Staubleche nahe ihren oberen und unteren Enden mit Kantenvorsprüngen von solcher Breite versehen sind, daß an diesen Stellen die Gesamtbreite gleich der des vierten Staubleches ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte Staublech mit einem Flanschstück an seiner Außenkante versehen ist, das in entgegengesetztem Sinne zur Richtung der Wärmeübertragungsrippen ausgerichtet ist.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte Staublech eine aufgerauhte Oberfläche hat.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte Staublech Wellungen aufweist, die entweder in Längsrichtung oder geneigt zur Längsrichtung verlaufen.

5. Brennstoffelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Ausrichtkappe am einen Ende und mit einem zugeordneten Ausrichtkonus am anderen Ende ausgestattet ist und daß der Hüllkreis der äußersten Kanten der Staubleche exzentrisch relativ zur Achse von Kappe und Konus verläuft.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1056288,
1060414, 1060997, 1062352.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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