DE1489641A1

DE1489641A1 - Brennstoffelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1489641A1
Application number: DE19651489641
Authority: DE
Inventors: Mogard Johan Hilding
Original assignee: Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1964-07-24
Filing date: 1965-07-08
Publication date: 1969-08-21
Also published as: GB1108054A; DE1489642A1; US3386887A; US3331746A; GB1103248A

Description

Priorität: Nr. 9022/64 vom Zk. Juli 1964 in Schweden

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor, das aus einem Körper au· spaltbarem Material, einem Schutzüberzug auf der Oberfläche des Körpers und einer Wärmeisolierschicht zwischen dem Brennstoffkörper und dem Schutzüberzug besteht.

Bei einigen Typen von Brennstoffelementen für Kernreaktoren ist es erwünscht, eine Wärmeisolierschicht zwischen dem Brennstoffkörper und dem Schutzüberzug vorzusehen, um den Wärmefluß von dem Brennstoffkörper zu vermindern bzw. ihn in eine bestimmte Richtung zu lenken. Ein Beispiel eines solchen Brennstoffelementes wird unten beschrieben. Dieses beschriebene Element ist ein röhrenförmiges Element mit einer Wärmeisolierung auf seiner Innenwand. Auch kann es manchmal erτ wünscht sein, eine Wärmeisolierung auf der Außenwand des röhrenförmigen Elementes vorzusehen. Bei anderen Elementen kann es erwünscht sein, eine Wärmeisolierung auf bestimmten

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Teilen der Außenfläche eines homogenen Stabes aus spaltbarem Material anzubringen. Bs wurde vorgeschlagen, beispielsweise ein Metalloxyd mit einem hohen Schmelzpunkt für diese Värmeisolierschicht zu verwenden. Die Einführung eines Metalloxyds in das Brennstoffelement bedeutet jedoch ein kompliziertes Herstellungsverfahren. Außerdem wird die Neutronenabsorption des Elementes erhöht, was nicht erwünscht ist.

Nach der Erfindung erhält man eine Värmeisolierschicht auf einfache Weise, ohne irgendwelche Fremdstoffe in das Element einzuführen. Das Brennstoffelement der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Värmeisolierschicht aus einem öasgefüllten oder evakuierten Raum besteht, der von Ausnehmungen an der Oberfläche des Brennstoffkörpers gebildet wird.

Die Ausnehmungen können jede erwünschte Form besitzen. Es ist wesentlich, daß die vorspringenden Teile zwischen den Ausnehmungen den Schutzüberzug in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche der Ausnehmungen halten. In einem Metallbrennstoffkörper, beispielsweise in einem aus natürlichem Uran bestehenden Körper, können die Ausnehmungen nach bekannten Metallbearbeitungsmethoden hergestellt sein. In einem keramischen Brennstoffkörper, beispielsweise einem aus Uranoxyd bestehenden Körper, der durch Vorpressen eines keramischen Pulvers zu einem Körper und Sinterung dieses Körpers hergestellt wurde, ist es zweckmäßig, die Ausnehmungen auf der Oberfläche des Brennstoffkörpers anzubringen, während das keramische Pulver

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▼erpreßt wird.

Die durch die Ausnehmungen gelieferte Wärmeisolierung wird durch die Tiefe und Breite der Ausnehmungen bestimmt. Die Zeichnung, die die Erfindung weiter erläutert, zeigt drei Typen von Ausnehmungen, die verschiedene Grade der Wärmeisolierung liefern. Das als Beispiel in der Zeichnung abgebildete Brennstoffelement 1st ein röhrenförmiges, kombiniertes Kocherund Überhitzerelement, wobei die Außenseite der Röhre mit siedendem Wasser gekühlt wird und der dabei gebildete Dampf im Innern der Röhre abwärts geleitet und dabei überhitzt wird. In dem dargestellten Element ist das Ziel der Wärmeisolierung die Verminderung des Wärmeflueses zu der Dampfseite, während der Wärmefluß zu der Wasserseite erhöht und damit die Gesamtenergie des Elementes gesteigert wird. Figur 1 zeigt einen senkrechten Schnitt des Elementes, Die Figuren 2, 3 und k zeigen in vergrößertem Maßstab Querschnitte entlang den Linien H-II, III-III und IV-IV in Figur 1.

Das Brennstoffelement 1 gemäß den Figuren 1 bis k besteht aus 3 röhrenförmigen Körpern la, Ib und Ic, die zwischen einem äußeren röhrenförmigen Schutzüberzug 2 und einem inneren röhrenförmigen Schutzüberzug 3 eingeschlossen sind. Das Brennstoffelement, das so zusammen gesetzt ist, besitzt einen unteren Fortsatz 15 mit einem konischen Teil 6, der auf einem konischen Sitz 16 einer Öffnung 2k in dem Boden k des Reaktorkerns ruht. Der konische Sitz 16 enthält eine Nut 22, die mit einer Leitung 23 verbunden ist. Die Öffnung 24 ist mit einer Leitung 25 ver-

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bunden, di· ait Hilfe ·1η·β Ventils 26 verschlossen werden kann. Da· Brennstoffelement trägt an «einer Spitze ein trichterförmiges Teil 7» dessen oberer Rand an der Innenseite einer Rühr· β anlieft, die das Element 1. k onsen tr is oh umgibt. Das obere Snde der Röhre 8 ist durch einen Deokel 17 Torsohlosson und besitzt zwei Reihen von öffnungen 20 und 21 in verschiedenen HOhen der Vand· Sine Leitung 19 ist am oberen Knde der Röhre β vorgesehen, um Vasβer suzuführem.

Die soweit beschriebeneρ Vorrichtung arbeitet folgendermaßen. Das Vasser in dem Raum 27 außerhalb der Röhre 8 wirkt als Moderator und fliefit von unten in den Raum28 «wischen der Röhre 8 und dem Brennstoffelement 1 und flieflt aufwärts durch diesen Raum unter Sieden. Das Gemisch aus Dampf und Yasser fließt durch die öffnungen 21 aus. Das Vaaser fließt zu dem Moderatorraum 27 zurück, und der Dampf strömt durch die öffnungen 20 in die Röhre 8 und abwärts durch das Brennstoffelement I₁ während er gleiehseitig überhitzt wird. Venn das Brennstoffelement gewoomselt werden soll, wird das Ventil 26 verschlossen, der Deckel

wird
17 wird entfernt, und Kühlwasser/durch die Leitung 19 zugeführt.

■mn wird Druokwasser duroh die Leitung 23 eingeführt, was zur Folgo hat, dafi das Brennstoffelement von dem Sitz 16 abgehoben wird. Das Brennstoffelement wird nun mit Hilfe eines Hebewerk-

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zeuge aus der Röhre/in bekannter Veiee herausgehoben, und ein neu·· Brennstoffelement wi^rd eingefügt. Venn das Brennstoffelement gewsimeelt wird, während der gesamte Reaktor verschlossen ist, braucht kein Kühlwasser durch die Leitung 19 eingeführt zu werden.

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Die inner· Fläohe des röhrenförmigen Brennstoffkörpers la besitzt senkrechte Nuten 9 »i* »twa halbkreisförmigem Querschnitt. Die Nuten sind gasgefüllt und bilden demgemäß Wärmeisolierungeräume zwischen der Oberfläche des spaltbaren Brennstoffes und dem Schutzüberzug 3. Die zylindrische Oberfläche 10 des Brennstoffes zwischen zwei benachbarten Nuten steht in Berührung mit dem Schutzüberzug 3.

Der Brennstoffkörper 1 b besitzt ebenfalls senkrechte Nuten 11, jedoch sind diese Nuten von einer solchen Form, daß sie eine gewellte Struktur auf der Oberfläche des Brenist^offkörpere bilden. Lediglich die vorspringenden Teile 12 der Wellenober» fläche stehen in Kontankt mit dem Schutzüberzug 3*

Die Innenfläche des Brennstoffkörpers Ic besitzt senkrechte Nuten 13 von großer Breite, die durch schmale Teile I^ voneinander getrennt sind, welche in Kontakt mit dem Schutzüberzug 3 stehen.-Die Nuten 13 besitzen eine konstante Tiefe, d. h. der Värmeisolierungsraum zwischen dem Boden der Nuten und dem Schutzüberzug 3 besitzt an allen Stellen die gleiche Dicke.

Die Hohlräume 9 besitzen die geringste Wärmeisolierungskapazität der drei Ausführungeformen in den Bguren 2 bis k, und die Hohlräume 13 besitzen die höchste Wärmeisollerungskapazitat. Entsprechend wird ein vergleichsweise großer Teil der in dem Brennst of fkörp er Io erzeugten Wärme nach außen geleitet, um das Wasser in dem Kocherraum 28 zu erhitzen, während ein vergleichsweise kleiner Teil dieser Wärme zur überhitzung des Dampfes

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benützt wird. Xn dem Mittelteil des Brennstoffelementes wird ein vergleichsweise kleinerer Teil der in dem Brennstoffkörper Ib erzeugten Wärme nach außen geleitet, tut das Wasser zu erhitzen. In dem oberen Teil des Brennstoffelementes wird ein noch kleinerer Teil der in dem Brennstoffkörper la erzeugten Wärme nach außen geleitet, um das Wasser zu erwärmen, während ein vergleichsweise großer Teil dieser Wärme zur Überhitzung des Dampfes benützt wird. Dies stimmt mit der natürlichen KÜhlkapazität überein, da das Wasser seine höchste Kühlkapazität am Boden des Brennstoffelementes besitzt, während der Dampf seine höchste Kühlkapazität am oberen Ende des Brennstoffelementes hat.

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Claims

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1. Brennstoffelement für Kernreaktoren, bestehend aus einen Körper aus spaltbares Brennstoff₍ eine· SchutEÜberzug auf der Oberfläche des Körpers und einer WärmeIeollerschioht swiechen des Brennet of fkttrper und des Schutzüberzug, dadurch gekennzeichnet, daS die Värmefeolierechicht aus einen gasgefüllten oder evakuierton Raum besteht, der von Ausnehmungen an der Oberfläche des Brennetoffkörpere gebildet wird.

2. Brennetoffelement nach Anspruch 1 mit Brennstoffkörpern in der Form von Zylindern oder zylindrischen Ringen, dadurch gekennzeichnet, dall die Ausnehmungen axial ▼erlaufende Muten sind.

3. Verfahren nur Herstellung einee Brenneteffkörpere für das Brennstoffelement gemäß Anspruch 1 oder 2 aus einem keramischen spaltbaren Material, wie Uranoxyd, durch Vorpressen elnee keramischen Pulvere su einem Körper und Sintern diesee Körpers, dadurch gekennzeichnet, da£ man die Ausnehmungen auf der Oberfläche dee Brennetoffkörpere 'beim Vorpressen des keremisoben Pulvers herstellt.

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