DE1229199B - Umhuellung fuer den Umlauf eines Kuehlmittels fuer einen Kernreaktor-Brennstoffstab - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H 38133 VIII c/21g
14. Dezember 1959
24. November 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umhüllung für den Umlauf eines Kühlmittels für einen Kernreaktor-Brennstoffstab, die zwischen dem Brennstoffstab und einem Moderator, z. B. schwerem Wasser, angeordnet ist.

Es ist bekannt, daß bei Kernreaktoren, in denen schweres Wasser den Moderator bildet, jedem der in das schwere Wasser eintauchenden Brennstoffstäbe mit einer Umhüllung zu versehen, die um jeden Stab herum einen ringförmigen Strömungskanal für ein Kühlmittel, beispielsweise für Kohlensäure, bildet. Da sich das Kühlmittel erwärmt, wenn es dem Brennstoffstab entlangströmt, wird eine gewisse Wärmeleitung des Kühlmittels durch die Wandung der Umhüllung hindurch an das schwere Wasser abgegeben. Diese Wärmeabgabe ist jedoch unerwünscht.

Um diesem Mangel abzuhelfen, wurde bereits vorgeschlagen, die das Kühlmittel von dem schweren Wasser trennende Wandung, d. h. die Umhüllung, als Doppelmantel auszubilden, so daß dieser eine den Wärmeabfluß vom Kühlmittel zum Moderator vermindernde Abschirmung bildet.

Bei dieser bekannten Vorrichtung strömt das Kühlmittel in gleichbleibender Durchsatzmenge in beiden durch den Doppelmantel gebildeten, oben und unten offenen Strömungskanälen, nämlich zunächst im äußeren Kanal von oben nach unten und dann gegenläufig im inneren Kanal am Brennstoffstab entlang von unten nach oben. Demzufolge wird dieser Stab, der in der Mitte pro Volumeinheit weit mehr Wärme entwickelt als im Bereich seiner Enden, von seiner Mitte bis zum obenliegenden Austrittsende des Kühlmittels nur unzureichend gekühlt, weil dieser bei seinem Umlauf, vor allem bei seiner Strömung nach oben, zunehmend eine höhere Temperatur annimmt und entsprechend weniger Wärme abführt.

Die Erfindung verläßt daher den Grundgedanken der vorgenannten bekannten Kühlvorrichtung, das Kühlmittel in gleichbleibender Durchsatzmenge im Gegenstrom zu führen, und stellt sich die Aufgabe, durch Veränderung der Durchsatzmenge in zwei Umlaufkanälen die Kühlung entlang einem langgestreckten Brennstoffstab selbsttätig so zu regeln, daß die Temperatur des Kühlmittels und möglichst auch der Wärmeaustausch während der ganzen Umlaufbahn des Kühlmittels entlang dem Brennstoffstab annähernd konstant bleiben und bei gegebener Gesamtdurchsatzmenge an Kühlmittel die Kühlwirkung verbessert wird.

Zu diesem Zweck geht die Erfindung von einer zwischen Brennstoffstab und Moderator angeordneten Umhüllung für den Kühlmittelumlauf aus, die min-Umhüllung für den Umlauf eines Kühlmittels für
einen Kernreaktor-Brennstoffstab

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

Als Erfinder benannt:
Andre Huet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 15. Dezember 1958 (781 697) - -

destens eine den Brennstoffstab umgebende ringförmige Zone umgibt und durch die Durchtrittsschlitze für das Kühlmittel hindurchgehen.

Bei einer bekannten Ausführung einer solchen Umhüllung ist eine an den Brennstoff stab unmittelbar anliegende, schraubenförmig berippte Hülle von einer Metallhülse umgeben, die diametral einander gegenüberliegende Schlitze aufweist. Dabei strömt das Kühlmittel durch einen Teil der Schlitze dieser Hülse zum Brennstoffstab hin, den es längs der Berippung einige Male umläuft, wonach es durch einen anderen Teil der Schlitze radial wieder nach außen strömt. Hierdurch wird das Kühlmittel schon bei den ersten Umläufen um den Brennstoffstab stark erhitzt, so daß insgesamt der Wärmeaustausch in Längsrichtung des Brennstoffstabs rasch abnimmt. Somit wird auch bei dieser bekannten Ausführung die der Erfindung zugrunde gelegte Aufgabe nicht gelöst.

Diese Aufgabe wird auch bei einer anderen bekannten Kühlvorrichtung für Brennstoffstäbe nicht gelöst, bei der das Kühlmittel die Brennstoffstäbe durchquerende Kanäle durchströmt, weil sich auch hier eine Kühlmittelströmung ergibt, bei der die Kühlung der stärkeren Wärmeentwicklung im mittleren Bereich der Brennstoffstäbe nicht genügend angepaßt ist und von diesem Bereich bis zum oberen Bereich der Stäbe mit schon stark erwärmtem Kühlmittel, also mit zu geringer Wärmeabfuhr, erfolgt.

609 72S/305

Claims (1)

1. 3 4

   Ausgehend von der Verwendung einer eine ring- durch zwei Hüllen O₁ und b₂ begrenzt wird und die förmige Zone um den Brennstoffstab herum bilden- als innere, dem Brennstoffstab benachbarte Zone den und Durchtrittsschlitze für das Kühlmittel auf- einen ringförmigen Strömungskanal für ein durch weisenden Umhüllung wird die gestellte Aufgabe diese Zone in Richtung der Pfeile A strömendes gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die durch 5 Kühlmittel, z. B. Kohlensäure, bildet. Die Umhüleine zylindrische oder konische Hülle begrenzte ring- lung O₁, b₂ ist samt dem Brennstoffstab in dem förmige Zone von einer weiteren, äußeren ringför- schweres Wasser c enthaltenden Behälter eines Kernmigen Zone umschlossen ist, die durch eine praktisch reaktors eingelassen, und dieses schwere Wasser parallel zu dieser Hülle verlaufende Hülle begrenzt bildet den Moderator des Reaktors.
   ist, und daß die oberen Enden dieser Hüllen zur io Nach der Erfindung ist die von den beiden Bildung eines Abschlusses miteinander verbunden Hüllen O₁ und b₂ gebildete äußere ringförmige Zone sind, wobei in der inneren Hülle Schlitze vorgesehen der Umhüllung des Brennstoffstabes an ihrem unteren und in von unten nach oben anwachsender Anzahl Ende bei e offen; hier tritt ein Teilstrom des Kühlverteilt sind, die sich nach Maßgabe der Erhitzung mittels bzw. des Kohlensäuregases in Richtung der des Kühlmittels bemißt, und die eine Verbindung der 15 Pfeile B in die äußere ringförmige Zone ein. An gebeiden Ringzonen herstellen, von denen die innere eignet gewählten Stellen und in unterschiedlichen in an sich bekannter Weise an beiden Enden für den Höhenlagen sind in der inneren Hülle b₁ Schlitze g Durchtritt des Kühlmittels offen ist und denen die angebracht, durch die aus der äußeren ringförmigen Kühlmittelströme an ihrer Grundfläche parallel zu- Zone Kohlensäuregas, das kalter als das des Haupt· einander zugeführt werden. ao stromes A ist, in die innere ringförmige Zone eintritt

   Auf diese Weise ergibt sich durch die Strömung den Hauptstrom in den Bereichen, vor allem in einem des Kühlmittels in der inneren Zone, daß dieser nach mittleren Bereich, abkühlt, in denen der Brennstoff-Maßgabe der Erhitzung des in ihr strömenden Kühl- stab die größte Wärmemenge abgibt. Am oberen mittels durch die Schlitze der inneren Hülle hindurch Ende ist die äußere ringförmige Zone dadurch geselbsttätig eine mehr oder weniger große Menge des 25 schlossen, daß hier die Hüllen b_t und b₂ miteinander in der äußeren Zone strömenden, kalter gebliebenen verbunden sind. Am oder nahe dem oberen Ende Kühlmittels pro Zeiteinheit zuströmt und die Tempe- der inneren Hülle O₁ sind in dieser Schlitze / angeratur des jeweils nach einem Schütz in der inneren bracht, die den Rest des zwischen den Hüllen b_x Zone strömenden Kühlmittels durch die Mischung und b₂ strömenden Kohlensäuregases in den Hauptmit kälterem Kühlmittel wunschgemäß herabgesetzt 30 strom (Pfeil A) in Richtung der Pfeile C übertreten wird; dadurch wird der vor dem Schlitz verminderte lassen.

   Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel jeweils hinter In der Fig. 2 ist eine der Ausführung nach der

   einem Schlitz wieder erhöht, und er findet auf der Fig. 1 ähnliche Ausführung dargestellt, bei der die

   gesamten Bahn des Kühlmittels entlang dem Brenn- Umhüllung b_v b₂ in einem bestimmten Bereich h

   Stoffstab annähernd gleichmäßig statt. 35 kegelstumpfförmig derart ausgebildet ist, daß sich in

   Bei besonderen Ausführungsformen einer erfin- diesem Bereich die innere ringförmige Zone verjüngt dungsgemäß ausgebildeten Umhüllung besitzt die und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels äußere ringförmige Zone die Form eines einfachen anwächst. Dieser Bereich liegt etwa in der Mitte der oder doppelten Kegelstumpfes derart, daß sich für Länge des Brennstoffstabes a. An dem stromabwärts die innere ringförmige Zone in Strömungsrichtung 40 gelegenen Ende der Umhüllung b_v b₂ besitzt diese gesehen, ein kegelförmig verjüngter bzw. ein kegel- bei i eine sich nach außen erweiternde Kegelstumpfförmig verjüngter und ein sich kegelförmig erweitern- form, derart, daß die Strömungsgeschwindigkeit des der Bereich ergibt und in diesen Bereichen die Kohlensäuregases in der inneren ringförmigen Zone Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels entspre- (Pfeil A) in deren erweitertem Bereich bis zu den chend der Querschnittsveränderung vergrößert bzw. 45 Schlitzen vermindert wird und so insgesamt im Zuverringert wird. Hierdurch kann die angestrebte Ver- sammenwirken mit den Schlitzen g ein nahezu kongleichmäßigung des Wärmeaustauschs entlang dem stanter Wärmeaustausch entlang der Länge des Brennstoffstab noch verbessert werden. Brennstoffstabes α erzielt wird.

   In gleichem Sinne kann gemäß einer Ausführungs- Bei der in der Fig. 3 dargestellten abgewandelten

   form nach der Erfindung auf den Wärmeaustausch 50 Ausführungsform besitzt die Hülle b_x die gleichen

   dadurch eingewirkt werden, daß die äußere ring- Schlitze / und g wie nach den F i g. 1 und 2 und ist

   förmige Zone in an sich bekannter Weise von mit die Umhüllung b_v b₂ annähernd in der Mitte ihres

   Wellungen versehenen Hüllen begrenzt ist. stromabwärts gelegenen Bereiches kegelstumpfförmig

   Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeich- ausgebildet. Die Hüllen O₁ und b₂ sind außerdem mit

   nungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt 55 Wellungen k versehen, die in den ringförmigen

   Fig. 1 im Schnitt eine Ausführungsform einer Strömungszonen des Kühlmittels (Pfeile^ und B)

   erfindungsgemäß ausgebildeten Umhüllung für einen Querschnittsänderungen bewirken und infolgedessen

   Brennstoffstab eines Kernreaktors, seine Strömungsgeschwindigkeit (örtlich) beeinflussen,

   Fig. 2 eine weitere Ausführungsform, bei der so daß em emer bestimmten Gesetzmäßigkeit folgender einen bestimmten Längenbereich des Brennstoff- 60 der, vorzugsweise nahezu konstanter Wärmeaustausch Stabes ein sich kegelförmig verjüngender Strömungs- zwischen dem Brennstoffstab α und dem Kühlmittel kanal gebildet wird, und (Pfeil A) erzielt wird.

   Fig. 3 eine weitere Ausführungsform, bei der die

   Wandungen der Umhüllung längs eines kegelförmig Patentansprüche:
   verjüngten Teils gewellt sind. 65

   _ Wie aus der Darstellung nach der Fig. 1 ersieht- 1. Umhüllung für den Umlauf eines Kühlmittels

   lieh ist, ist ein Brennstoffstab α eines Kernreaktors für einen Kernreaktor-Brennstoffstab, die zwi-

   von einer doppelwandigen Umhüllung umgeben, die sehen dem Brennstoffstab und einem Moderator,

   ζ. B. schwerem Wasser, angeordnet ist, die mindestens eine den Brennstoffstab umgebende ringförmige Zone bildet und durch die Durchtrittsschlitze für das Kühlmittel hindurchgehen, dadurch gekennzeichnet, daß die durch eine zylindrische oder konische Hülle (O₁) begrenzte ringförmige Zone von einer weiteren, äußeren ringförmigen Zone umschlossen ist, die durch eine praktisch parallel zu dieser Hülle (O₁) verlaufende Hülle (Z>₂) begrenzt ist, und daß die oberen Enden dieser Hüllen (b_v b₂) zur Bildung eines Abschlusses miteinander verbunden sind, wobei in der inneren Hülle (O₁) Schlitze (g, f) vorgesehen und in von unten nach oben anwachsender Anzahl verteilt sind, die sich nach Maßgäbe der Erhitzung des Kühlmittels bemißt, und die eine Verbindung der beiden Ringzonen herstellen, von denen die innere in an sich bekannter Weise an beiden Enden für den Durchtritt des Kühlmittels offen ist und denen die Kühlrnittelströme an ihrer Grundfläche parallel zueinander zugeführt werden.

   2. Umhüllung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere ringförmige Zone die Form eines einfachen oder doppelten Kegelstumpfes besitzt.

   3. Umhüllung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere ringförmige Zone von mit Wellungen (k) versehenen Hüllen begrenzt ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Auslegeschriften Nr. 1041177,
   529;

   britische Patentschriften Nr. 789 257, 797 608;

   »Engineering«, November 28, 1958, S. 699;

   »Nucleonics«, Vol. 16, Nr. 4, April 1958, S. 106 bis 108.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   609 728ßO5 11.66 © Bundesdruckerei Berlin