DE1564010B2 - Brennelement fuer einen kernreaktor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen Kernreaktor mit wenigstens einem axialsymmetrischen, einen zylindrischen Hohlraum umschließenden Abschnitt aus Moderatormaterial, der zwischen seiner Innenfläche und seiner Außenfläche axialsymmetrisch um den Hohlraum herum angeordnetes Kernbrennmaterial umschließt, wobei der Hohlraum für den Kühlmitteldurchlaß bestimmt ist. Derartige Brennelemente sind aus der USA.-Patentschrift 3111477 bekannt. Außerdem ιό sind aus den französischen Patentschriften 1 310 837 und 1 336 371 Brennelemente für Kernreaktoren mit einem insbesondere gasförmigen Kühlmitteldurchfluß bekanntgeworden, bei denen wenigstens ein Brennelementsabschnitt vorgesehen ist, der Brennkammern enthält, und bei denen femer die Brennkammern mit Kernbrennmaterial in Form eines Gefüges aus Kernbrennpartikeln gefüllt sind.

In Kernreaktoren, welche bei hoher Energie betrieben werden und bei denen ein Kühlmittelstrom zur Abführung der Wärme von den in einem Reaktorkern angeordneten Brennelementen verwendet wird, ist es wesentlich, einen wirksamen Wärmeübergang vom Kernbrennmaterial in den Brennelementen auf den Kühlmittelstrom' zu realisieren. Die Brennelemente müssen aus diesem Grunde so hergestellt sein, daß ein Wärmeübergang vom Kernmaterial auf den Kühlmittelstrom vor sich gehen kann.

Bei Kernreaktoren dieser Art, welche in vielen Fällen zur Erzeugung hoher Energie hergestellt werden, ist es wesentlich, daß die Betriebskosten des Reaktorsystems mit den Betriebskosten von anderen Systemen zur Erzeugung hoher Energie vergleichbar sind. Ein wesentlicher Faktor für die Energiekosten sind die Ausgaben bei der Brennelementherstellung. Brennelemente sollen daher nicht nur einen wirksamen Wärmeübergang von Kernbrennmaterial auf den Kühlmittelstrom aufweisen, sondern auch relativ einfach und billig herzustellen sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, ein Brennelement anzugeben, bei dem ein wirksamer Wärmeübergang von Kernbrennmaterial auf den Kühlmittelstrom stattfindet, das einfach in seiner Herstellung ist, das sich insbesondere für die Verwendung in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren eignet, das gute bauliche Festigkeit bei Betriebsbedingungen besitzt, das weiterhin insbesondere längliche Form besitzt und das einen Kühlmittelstrom in Achsrichtung ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Brennelement der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß in dem Hohlraum ein Stab aus Moderatormaterial mit polygonalem Querschnitt angeordnet ist, dessen Außenflächen mit den ihnen gegenüberstehenden Wandflächenbereichen des Hohlraums Kanäle für den Kühlmitteldurchlaß begrenzen.

Das erfindungsgemäße Brennelement für Kernreaktoren weist eine hinreichende Längssteifigkeit auf, und zwar raumsparend insofern, als zugleich für den Kühlmitteldurchfluß gesorgt wird und außerdem ein merklicher Anteil an dem gesamten Moderatorgehalt des Reaktors in das Innere der Brennelemente verlegt ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Figuren. Es zeigt

Fig. 1 einen Aufriß eines Brennelementes gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein vergrößertes Teilschnittbild des Brennelementes nach Fig. 1, wobei der Schnitt entlang der Linie 2-2 in F i g. 1 verläuft,

Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2,

F i g. 4 einen vergrößerten Teilschnitt entlang der Linie 4-4 nach F i g. 1,

Fig. 5"einen Teilschnitt entlang der Linie 5-5 in

Fig·.6 eine der in Fig. 2 dargestellten entsprechende Ansicht im Schnitt entlang der Linie 6-6 in F i g. 7, welche eine weitere Ausführungsform eines Brennelementes darstellt,

F i g. 7 ein Schnittbild entlang der Linie 7-7 in Fig. 6,

Fig. 8 ein der Fig.4 entsprechendes Schnittbild des unteren Teils des Brennelementes nach F i g. 6, wobei der Schnitt entlang der Linie 8-8 in F i g. 9 geführt ist,

F i g. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 in Fig. 8.

Es hat sich gezeigt, daß ein Brennelement mit guten Betriebseigenschaften wirtschaftlich hergestellt werden kann, indem ein dichtgepacktes Gefüge von mit einem Überzug versehenen Kernbrennpartikeln verwendet wird, das in Brennkammern von Körpern aus hitzebeständigem Material untergebracht ist. Da die Überzüge der einzelnen Kernbrennpartikeln die Spaltproduktgase aufnehmen, können die einzelnen Brennelemente und das Kemreaktorsystem ohne ein Spaltprodükt-Reinigungssystem hergestellt werden. Bei Vewendung eines dichtgepackten Gefüges eines derartigen Kernbrennmaterials ist es nicht erforderlich, die einzelnen Brennkammern so genau herzustellen, daß sie aufeinander passen; weiterhin wird das Kernbrennmaterial reduziert.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß derartige längliche Brennelemente einfach und wirtschaftlich aus einer Vielzahl von separaten Längskörperabschnitten hergestellt werden können, welche zur Bildung eines zusammengesetzten Brennelementes leicht verbunden werden können. Derartige Brennelemente besitzen bei Hochtemperatur-Betriebsbedingungen eine ausgezeichnete bauliche Stabilität. Der beschriebene Aufbau macht die Verwendung von länglichen Brennelementen noch vorteilhafter, während gleichzeitig eine teure Herstellung von langen einstückigen Körpern aus hitzebeständigem Material vermieden wird. Weiterhin kann bei Verwendung von getrennten Längskörperabschnitten die Beschickung mit Brennmaterial der einzelnen Längskörperabschnitte leicht variiert werden, woraus sich die Vorteile ergeben, welche länglichen Brennelementen mit variierender Kernbrennmaterialbeschickung in Längszonen eigen sind.

In den F i g. 1 bis 5 ist ein Brennelement 21 für einen Kernreaktor dargestellt, das eine längliche Gestalt besitzt und in Richtung der Vertikalachse in den Kern eines Reaktors eingesetzt werden kann. Das Brennelement 21 ist zur Verwendung in einem Reaktor mit einem Kühlmittelstrom bestimmt, wobei das Kühlmittel in Längsrichtung vom unteren zum oberen Teil des Brennelementes fließt.

Das speziell dargestellte Brennelement 21 ist insbesondere zur Verwendung in gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktoren geeignet, welche mit relativ hohen Leistungsdichten arbeiten. Obwohl das Brennelement 21 im folgenden im Zusammenhang mit

einem gasgekühlten Reaktor beschrieben wird, eignet es sich auch zur Verwendung in flüssigkeitsgekühlten Reaktoren.

Generell umfaßt das Brennelement einen oberen Reflektor 23, einen unteren Reflektor 25 und mehrere zwischen diesen Reflektoren liegende längliche Brennelementkörperabschnitte 27. Sowohl der obere Reflektor 23 als auch der untere Reflektor 25 bilden einen Teil des Gesamtreflektors des Kernreaktors und sind daher aus einem geeigneten baulich stabilen hitzebeständigen Material, wie beispielsweise Graphit, hergestellt, das einen geringen Neutronen-Absorptionsquerschnitt und einen großen Streuquerschnitt besitzt. Die spezielle Gestalt des oberen und des unteren Reflektors werden generell vom Reaktor bestimmt, in dem sie zur Anwendung kommen. Das dargestellte Brennelement 21 ist so ausgebildet, daß es durch eine Greifervorrichtung zum Manipulieren von Kernbrennmaterial in den Druckkessel eines Kernreaktors eingesetzt werden kann. Die Greifervorrichtung erfaßt das Brennelement am oberen Reflektor 23 und am \a unteren Reflektor 25. Zu diesem Zweck besitzt der ι obere Reflektor 23 einen Angriffskopf 29 und der untere Reflektor 25 eine Querschnittsverengung 31; diese Teile stellen die Angriffsflächen der Greiferanordnung dar.

Das Brennelement 21 wird sowohl innen als auch außen durch den Kühlmittelstrom gekühlt, welcher in Achsrichtung nach oben an ihm vorbeifließt, wenn es im Reaktorstrom eingesetzt ist. Zu diesem Zweck sind im unteren Reflektor 25 ein Kühlmitteleinlaß 33, im oberen Reflektor 23 ein Kühlmittelauslaß 35 und in den dazwischenliegenden Körperabschnitten 27 verbindende Kühlmitteldurchlässe 37 vorgesehen.

Der obere Reflektor 23, welcher aus einem zylindrischen Stück Reaktorgraphit hergestellt werden kann, weist ein abgesetztes unteres Ende auf. Dieses besizt einen mittleren, an seiner Oberfläche mit Gewinde versehenen Teil 39 und einen Endteil 41 mit glatter Wandung und kreisförmigem Querschnitt geringeren Durchmessers als der des mit Gewinde versehenen Teils 39. Der Kühlmittelauslaß 35 umfaßt sechs Löcher 43, welche von der Außenfläche des oberen Reflektors 23 schräg abwärts nach innen gebohrt sind. Unterhalb der unteren Enden dieser Löcher 43 ist eine zylindrische obere Füllkammer 45 vorgesehen.

Zur Aufrechterhaltung des gewünschten Abstandes zwischen benachbarten Brennelementen 21 im Kernreaktor kann am oberen Reflektor 23 ein Abstandsring 47 vorgesehen werden. Im dargestellten Beispiel besteht zu diesem Zweck der obere Reflektor 23 aus einem Graphitstück, das den gewünschten Durchmesser für den Abstandsring besitzt.

Der das Gewicht des Brennelements 21 tragende untere Reflektor 25 besitzt an seinem unteren Ende ein äußeres Gehäuse 49, welches einen nicht dargestellten, sich von der unteren Gitterplatte im Reaktorkern nach oben erstreckenden Stift aufnehmen kann. Der Kühlmitteleinlaß 33 besteht aus sechs Einlaßlöchern 51 am Umfang des unteren Reflektors 25, welche von der Außenfläche schräg aufwärts nach innen weisen. Der abgesetzte Teil 31 des unteren Reflektors 25 bildet eine Schulter 53, unterhalb derer die Löcher 51 unmittelbar beginnen. Die Anordnung der Löcher 51 unter der Schulter 53 gewährleistet günstige Strömungsbedingungen für das Kühlmittel in Achsrichtung nach oben in das Brennelement 21.

An ihren oberen Enden müssen die Kühlmitteleinlaßlöcher 51 in eine untere Füllkammer 55, welche teilweise durch die Innenwand einer zentralen Bohrung 57 im unteren Reflektor 25 gebildet wird.
Die Brennelementkörperabschnitte 27 besitzen die Form einer Hülse mit kreisförmigem Querschnitt und einer konzentrischen inneren Bohrung 59, welche sich vollkommen durch sie erstreckt. Die Körperabschnitte 27 enthalten eine Brennkammer, in die Kernbrennmaterial 61 vorzugsweise in Form'eines dichten Gefüges von mit einem Überzug versehenen Kernbrennpartikeln eingebracht wird. Jeder der Körperabschnitte 27 besitzt eine getrennte Brennzone, da im dargestellten Ausführungsbeispiel keine Verbindung zwiscehn den Brennkammern in benachbarten Körperabschnitten besteht.

Das dargestellte Brennelement 21 besitzt fünf getrenntemittlere Körperabschnitte 27 von gleicher Länge, es besitzt jedoch sechs in Längsrichtung von-

ao einander getrennte Brennzonen. Statt eines zusätzlichen mittleren Körperabschnittes 27 ist beim dargestellten Ausführungsbespiel eine einstückig mit dem unteren Reflektor 25 verbundene Brennkammer an dessen oberem Ende vorgesehen. Falls gewünscht, kann die untere Brennzone jedoch auch getrennt vom unteren Reflektor 25 ausgebildet sein.

Die Brennelementkörperabschnitte 27 bestehen aus einem geeigneten hitzebeständigen Material mit baulicher Festigkeit bei hohen Temperaturen mit hohem Durchstrahlungswert und mit einem geringen Neutronen-Absorptionsquerschnitt. Als Material kommt vorzugsweise Graphit in Frage, das zusätzlich noch gute Neutronenbremseigenschaften besitzt und daher einen Teil des gesamten Moderators im Reaktorkern bildet. Die mittleren Körperabschnitte 27 sind mit ihren Enden zusammengeschraubt, so daß sie koaxial zueinander ausgerichtet sind; sie bilden die bauliche Stütze des Brennelements 21 zwischen dem unteren Reflektor 25 und dem oberen Reflektor 23.

Zum Zwecke der Verbindung von benachbarten Körperabschnitten 27 besitzen diese an ihrem unteren Ende ein außen mit Gewinde versehenes Teil 63 geringeren Durchmessers als ihr übriger Außendurchmesser. Um sicher zu sein, daß die feststehenden Teile an den Verbindungsstellen stabil und richtig zueinander ausgerichtet sind, ist eine zweite Berührungsfläche 65 parallel zur Schraubenfläche 63 vorgesehen. Das untere Ende der zentralen Bohrung 59 der Körperabschnitte 27 ist aufgebohrt, so daß eine glatte Berührungswand 65 mit wenig größerem Durchmesser als der Innendurchmesser der zentralen Bohrung gebildet wird.

Das obere Ende der mittleren Körperabschnitte 27 ist in den unteren Teil des angrenzenden Abschnitts eingepaßt. Zu diesem Zweck ist am oberen Ende der Körperabschnitte 27 ein ringförmiger Bereich ausgeschnitten, der nach oben durch eine Horizontalfläche begrenzt wird; dieser ringförmige Bereich nimmt das mit Gewinde versehene Ende 63 des angrenzenden oberen Körperabschnitts 27 auf. Der ringförmige Bereich besitzt daher eine mit Gewinde versehene zylindrische Außenfläche 67 und eine glatte Innenfläche 69. Werden angrenzende Körperabschnitte 27 miteinander verschraubt, so greift das mit Gewinde versehene Ende 63 in das Gewinde der Fläche 67 ein, so daß eine dichte Schraubverbindung geschaffen wird. Darüber hinaus kann die Verbindung noch verkittet werden. Gleichzeitig bildet die glatte

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Fläche 69 eine Gleitverbindung mit der Fläche 65 der Kernbrennmaterial in verschiedenen Längsbereichen

Ausbohrung. Wie aus F i g. 4 zu ersehen ist, besitzt des Brennelementes erleichtert. Das in Verbindung

der obere Teil des unteren Reflektors 25, welcher als mit einem in Achsrichtung nach oben gerichteten

Brennkammer dient, die gleiche Form wie der obere Kühlmittelstrom zu verwendende Brennelement 21 Teil eines der Körperabschnitte 27. 5 wird in der untersten Brennzone am stärksten mit

In den konzentrischen zentralen Bohrungen 59 der Brennmaterial beschickt. Da eine ringförmige Brennzusammengeschraubten mittleren Körperabschnitte 27 kammer ein größeres Volumen als ein vergleichbarer ist ein zentraler Stab 71 aus Brennmaterial, wie bei- Satz von Löchern aufweist, ist in den unteren Zonen spielsweise Graphit, angeordnet, welcher einen wesent- eine ringförmige Kammer 75 vorgesehen, während in liehen Teil des Moderators des Brennelements 21 io den oberen Brennzonen eine Vielzahl von Brennbildet, löchern 77 angeordnet. Durch diese Anordnung kann

Der Stab 71 besitzt den Querschnitt eines regulären die Beschickung der Brennzonen leicht variiert wer-Polygons, wodurch er das Kühlgas gleichmäßig an den. Da die entsprechenden Volumina der Brennder gesamten inneren Zylinderfläche der zentralen kammern unterschiedlich sind, kann, falls erwünscht, Bohrung 59 nach oben führt, an der es die im Kern- 15 in einer speziellen Brennzone ein einziger Typ von brennmaterial 61 erzeugte Wärme aufnimmt. Bei der nuklearem Brennmaterial 61 verwendet werden. Diese dargestellten Ausf ührungsform des Brennelementes 21 Anordnung zur Variierung der Dichte oder der Zubesitzt der Stab 71, wie aus F i g.3 und 5 zu ersehen sammensetzung des Kernbrennmaterials ist aus mehist, den Querschnitt eines regulären Quadrats mit ab- reren Gründen, wie beispielsweise der Wirtschaftlichgerundeten Ecken. Diese Gestalt des Stabes 71 ge- 20 keit der Fabrikation, vorteilhaft,
währleistet näherungsweise einen gleichmäßigen Fluß Das Volumen der ringförmigen Brennkammern 75 des nach oben strömenden Kühlgases in jedem Sek- kann durch Variierung der Ringstärke leicht reguliert tor, d. h. zwischen einer flachen vertikalen Fläche des werden. Das Volumen der Brennkammern in den Stabes und der Innenfläche der zentralen Bohrung 59. oberen Brennzonen kann durch Variierung der Durch-Darüber hinaus sind für den Stab 71 keine Zentrier- 25 messer der Brennlöcher 77 leicht geändert werden, mittel erforderlich, da zwischen seinen ebenen Flächen Die Ausführung der Brennzonen des speziell darge- und der angrenzenden Wand der zentralen Bohrung stellten Brennelementes 21 mit einer Vielzahl von 59 Räume etwa gleichen Volumens geschaffen wer- Brennlöchern der oberen vier Zonen über ringförmiden. Diese Räume bilden den Kühlmitteldurchlaß 37, gen Brennkammern der unteren zwei Zonen ist nicht in dem das Kühlmittel vom Kühlmitteleinlaß 33 zum 30 zwingend. So kann beispielsweise auch ein einziges Kühlmittelauslaß 35 fließt. Durch Wahl der Zahl der Brennelement Brennkammern gleicher Gestalt wie Polygonseitenflächen kann die Gesamtquerschnitts- die ringförmigen Brennkammern 75 bilden,
fläche der Sektoren festgelegt werden, woraus eine Wie oben ausgeführt, besteht das Kernbrenn-Regulierung der Kühlmittelmenge resultiert. material 61 vorzugsweise aus einem dichten Gefüge

Bei dem dargestellten Brennelement 21 bildet der 35 von mit Überzügen versehenen Kernbrennpartikeln. Stab 71 insofern kein bauliches Teil, als er außer Die Form der Partikeln ist dabei an sich beliebig; seinem Eigengewicht keine Last zu tragen hat. Er besonders geeignet sind jedoch Kernbrennpartikeln kann daher aus einem einzigen Graphitstück oder aus mit Durchmessern im Bereich von etwa 250 bis 1000 μ mehreren Stücken leicht hergestellt werden. Darüber einschließlich des Überzuges. Als Kernbrennmaterial hinaus sind, da der Stab 71 sich selbst zentriert, keine 40 kommt ein geeigneter spaltbarer Stoff, wie beispiels-Hilfsjustiervorrichtungen erforderlich; der Stab kann weise Uran, Plutonium oder Thorium, in Frage. Die daher mit seiner Bodenfläche auf Grund der Schwer- Überzüge sollen während der in Betracht gezogenen kraft auf der horizontalen Fläche am Boden der Lebensdauer, d. h. gewöhnlich für eine Periode von zentralen Bohrung 57 im unteren Reflektor 25 auf- mehreren Jahren, ihre Beschaffenheit behalten und liegen. Der untere Teil des Stabes 71 ist im Durch- 45 die gasförmigen Spaltprodukte in ihrem Inneren gut messer reduziert, so daß durch ein abgesetztes Stück speichern. Sie sollen so beschaffen sein, daß die Frei-73 mit kreisförmigem Querschnitt die untere Füll- gäbe von Spaltproduktgasen etwa 10~⁵ der Gesamtkammer 55 im ringförmigen Raum zwischen der menge der während der Lebensdauer des Brenn-Außenfläche des Stücks 73 und der Innenfläche der elementes erzeugten Edelgase nicht übersteigt,
zentralen Bohrung 57 gebildet wird. Die Füllkammer 50 Für die Überzüge kommen alle geeigneten Materia-55 stellt sicher, daß das durch die Löcher 51 ein- lien in Frage, welche die genannten Bedingungen tretende Kühlmittel in jedem der den Kühlmittel- erfüllen. Beispiele solcher Materialien für Brenndurchlaß 37 bildenden Sektoren den gleichen Druck elemente mit Graphitmoderatoren sind pyrolytischer aufweist. Kohlenstoff und Siliciumcarbid. Ein Beispiel für mit

Die verschiedenen Brennzonen des dargestellten 55 Überzügen versehene Brennpartikeln — welche im Brennelementes 21 besitzen Brennkammern unter- folgenden als Triplexpartikeln bezeichnet werden — schiedlicher Form. Die beiden unteren Brennzonen sind in der belgischen Patentschrift 655 916 beschriebesitzen, wie aus F i g. 5 zu ersehen ist, ringförmige ben. Diese Brennpartikeln bestehen aus einem Kern Brennkammern 75, während die oberen vier Brenn- einer Mischung von Urandicarbid und Thoriumzonen Brennkammern 77 in Form von Löchern be- 60 dicarbid, einem inneren Überzug aus porösem pyrositzen. Wie aus F i g. 3 zu ersehen ist, weisen die lytischem Kohlenstoff von etwa 5 bis 50 μτα Dicke, oberen vier Körperabschnitte 27 eine Vielzahl von einem Zwischenüberzug aus dichtem, thermisch leiten-Brennlöchern 77 auf, welche gleichen Abstand be- dem, laminarem pyrolytischem Kohlenstoff von etwa sitzen und deren Mittelpunkte auf einem Kreis vor- 10 bis 80 μΐη Dicke sowie einem ausgeprägten und gegebenen Durchmessers liegen. 65 dicht kontinuierlichen äußeren Überzug aus dichtem,

Wie oben ausgeführt, wird bei Ausbildung des thermisch leitendem, säulenförmigem pyrolytischem

Brennelementes 21 mit mehreren getrennten Körper- Kohlenstoff von etwa 10 bis 80 μΐη Dicke,

abschnitten 27 eine Variation in der Beschickung mit Die mittleren Brennelementkörperabschnitte 27

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werden getrennt mit Kernbrennmaterial 61 gefüllt. werden. Der Aufbau des Brennelementes 21 aus Darauf werden sie unter Bildung des Brennelementes einer Vielzahl von getrennten Längsbrennzonen erzusammengesetzt. Die gewünschte Menge an Kern- leichtert die Verminderung der Temperaturunterbrennmaterial 61 wird beispielsweise mittels eines schiede im strukturellen Graphit, da die Brennkam-Vibrationsverdichters in die Brennkammern einge- 5 mern mit unterschiedlichen Volumina eine Beschikfüllt. Um sicherzustellen, daß kein Verlust an Kern- kung mit unterschiedlichen Brennmaterialmengen brennmaterial zwischen Einfüllen und Zusammenbau erleichtern. Obwohl die Temperatur des Kühlmittels entsteht, werden auf der Oberseite des Kernbrenn- auf seinem Weg in Längsrichtung nach oben durch materials 61 kolbenförmige Stopfringe 79 in den obe- das Brennelement 21 erhöht wird, ergibt sich daher ren Teil der Brennkammern eingesetzt, die praktisch io dennoch eine gleichförmigere Temperaturverteilung den gesamten freien Raum oberhalb des Brennmate- im strukturellen Graphit des Brennelements,
rials 61 einnehmen. . Eine abgewandelte Ausführungsform des in den

Die Stopfringe 79 sind für die Brennlöcher 77 F i g. 1 bis 5 dargestellten Brennelementes zeigen die zylindrisch und für die ringförmigen Brennkammern F i g. 6 bis 9. In diesen Figuren ist ein Brennelement 75 ringförmig ausgebildet. Sie bestehen vorzugsweise 15 91 dargestellt, das dem oben beschriebenen Brennaus nichtwärmebeständigem Material, wie beispiels- element 21 in mehreren Aspekten gleichartig ist. Das weise Polystyren, das carbonisiert und verdampft , Brennelement 91 besitzt einen oberen Reflektor 93 wird, wenn das Brennelement 21 auf Reaktortempe- und einen unteren Reflektor 95, welche in ihrer Geratur gebracht wird. Durch diese Umsetzung der stalt den oben beschriebenen Reflektoren vergleich-Stopfringe 79 wird im oberen Bereich der Brenn- 20 bar sind. Zwischen dem oberen Reflektor 93 und kammern ein freier Raum geschaffen, welcher die dem unteren Reflektor 95 sind eine Vielzahl von differentielle relative Expansion oder Kontraktion mittleren Brennelement-Körperabschnitten 97 angezwischen den mittleren Körperabschnitten 27 und ordnet. Die mittleren Körperabschnitte 97 tragen in dem Kernbrennmaterial 61 aufnehmen kann. Die baulicher Hinsicht nicht zur Aufnahme der Gesamt-Stopfringe 79 dienen also zwei Zwecken: erstens er- 25 last des Brennelementes 91 bei, wie dies die Körperleichtern sie die Herstellung und den Zusammenbau abschnitte 27 des Brennelementes 21 tun. Beim des Brennelementes 21, und zweitens schaffen sie Brennelement 91 dient der zwischen dem unteren auf Grund ihrer Zersetzung einen freien Raum zur Reflektor 95 und dem oberen Reflektor 93 angeord-Aufnähme der Expansion des Brennmaterials. neter zentrale Stab 99 als baulicher Träger. ZurHer-

Da immer die Gefahr besteht, daß das Brenn- 30 stellung der Komponenten des Brennelementes 91

element beim Einfüllen oder Herausnehmen des können die gleichen hitzebeständigen Materialien mit

Brennmaterials falsch behandelt wird oder daß das relativ guter Wärmeleitfähigkeit Verwendung finden,

Brennelement im Kernreaktor brechen kann, ist es wie sie an Hand der Komponenten des Brennelemen-

erforderlich, das dichte Gefüge des Kernbrennmate- tes 21 beschrieben wurden.

rials zusätzlich zu behandeln, um die Möglichkeit 35 Da der zentrale Stab 99 im wesentlichen als bauauszuschließen, daß Kernbrennpartikeln in den im licher Träger dient und einen wesentlichen Teil des Reaktorkreis zirkulierenden Gasstrom gelangen.kön- Gesamtmoderators des Brennelementes 91 bildet, benen. Falls eine Sicherung gegen derartige Fehler in steht er aus einem Material, wie beispielsweise Graden Brennelementen selbst und nicht irgendwo an- phit, das sowohl bauliche Festigkeit als auch gute ders im Reaktor vorgenommen werden soll, können 40 Bremseigenschaften bei den in Betracht zu ziehenden die Kernbrennpartikeln im dichten Gefüge in geeig- Betriebsbedingung des Reaktors besitzt. Der zentrale neter Weise aneinandergebunden werden. Dies kann Stab 99 kann aus einem einzigen Graphitstück oder beispielsweise mit Steinkohlenpech oder einem ande- aus mehreren Graphitteilen hergestellt werden, ren Kohlenstoffharz geschehen, das mit den Kern- welche in geeigneter Weise z. B. durch Verschraupartikeln gemischt wird, wenn diese in die Brenn- 45 bung in Achsrichtung miteinander verbunden kammern eingefüllt werden. Nach der Fertigstellung werden.

eines Körperabschnitts 27 kann dieser einfach auf Wie aus den F i g. 7 und 9 zu ersehen ist, besitzt eine genügend hohe Temperatur aufgeheizt werden, der zentrale Stab 99 einen Querschnitt in Form eines um das Pech zu carbonisieren, so daß es die Parti- regulären Polygons, das bei der dargestellten Auskeln aneinanderbindet. Die überzogenen Kernbrenn- 50 führungsform aus einem regulären Sechseck mit partikeln können jedoch auch vor Einfüllen in die wenig abgerundeten Ecken besteht. Die Körper-Brennkammern mit einem geeigneten Binder be- abschnitte 97 besitzen ebenso wie die des oben besprüht werden, welcher darauf durch Wärme akti- schriebenen Brennelementes 21 die Gestalt von Hülviert wird. sen mit einer inneren Bohrung 105, welche konzen-

Zusätzlich zu seiner einfachen und wirtschaftlichen 55 irisch zur äußeren Zylinderfläche der Hülsen verläuft.

Herstellung bietet das Brennelement gemäß der Er- Der zentrale Stift 99 ist in den Abmessungen der

findung den weiteren Vorteil, daß ein Brennvorgang inneren Bohrung 105 angepaßt, so daß die mittleren

mit einem hohen Grad an struktureller Einheitlich- Körperabschnitte 97 sich um diesen Stab selbst zen-

keit durch Verminderung von Temperaturgradienten trieren.

im strukturellen Graphitmaterial, d. h., also durch 60 Der zentrale Stab 99 besitzt ein mit Gewinde vereine Verminderung von Kontraktionsgradienten im sehenes oberes Ende 101, das in ein in der Unterseite Graphit infolge von schneller Neutronenzerstörung des oberen Reflektors 93 vorgesehenes Schraubenmöglich ist. Eine Analyse der Kontraktionsdaten von loch eingeschraubt werden kann. Weiterhin besitzt Graphit zeigt, daß dieser Effekt reduziert werden der Stab 99 ein mit Gewinde versehenes unteres Ende kann, indem die mittlere Temperatur des Graphit- 65 103, das in ein entsprechendes Schraubenloch im Strukturkörpers reduziert und die Temperaturdiffe- unteren Reflektor 95 eingeschraubt werden kann. Die renzen im mit Brennmaterial versehenen Graphit- Länge des Stabes 99 ist so gewählt, daß zwischen der körper bei Betrieb auf ein Minimum herabgedrückt oberen Fläche des höchsten mittleren Körper-

abschnittes 97 und der dieser gegenüberliegenden Fläche des oberen Reflektors 93 ein Spalt gebildet wird. Dieser Spalt ist aus Ausdehnungs- und Kontraktionsgründen vorhanden.

Die Form des Kühlmittelstroms im Inneren des Brennelementes 91 entspricht generell der des Brennelementes 21. Das nach oben strömende Kühlmittel tritt durch mehrere schräg nach oben verlaufende Kühlmittel-Einlaßlöcher 107 in das Brennelement ein. Diese Löcher beginnen unmittelbar unter einer Schulter 109 an der Außenfläche des unteren Reflektors 95. Sie verlaufen nach oben in eine im unteren Reflektor 95 vorgesehene zentrale Bohrung 105. Die sechs sektorartigen Räume zwischen den vertikalen Kantenfiächen des Stabes 99 und der inneren Zylinderwandung der Bohrung 105 bilden einen Kühlmitteldurchlaß 113 in Aufwärtsrichtung durch die Brennzonen des Brennelementes 91. Nahe dem oberen Ende des Brennelementes tritt das nach oben fließende Kühlmittel in eine innere Bohrung zo 115 im oberen Reflektor 93 ein, deren Durchmesser wenig größer als die innere Bohrung 105 ist. Aus dieser Bohrung 115 tritt das Kühlmittel durch mehrere Kühlmittel-Auslaßlöcher 117 aus, welche schräg nach außen im oberen Reflektor verlaufen.

Die Kernbrennmaterialfüllung des Brennelementes 91 entspricht der des Brennelementes 21. Das Brennelement 91 besitzt sechs getrennte Längsbrennzonen, welche jeweils in einem der sechs mittleren Körperabschnitte 97 angeordnet sind. Das vorzugsweise in einem dichten Gefüge von mit Überzügen versehenen Kernbrennpartikeln vorliegende Kernbrennmaterial 119 ist in den vier oberen Brennzonen in Brennkammern eingebracht, welche aus einer Vielzahl von Brennlöchern 121 bestehen, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist. In den beiden unteren Körperabschnitten 97 sind, wie beim Brennelement 21, ringförmige Brennkammern 123 vorgesehen. Beispielsweise aus Graphit bestehende Stopfringe 125 schließen die offenen oberen Enden der Brennkammern. Die Stopfringe sind mit einem dünnen Überzug aus Steinkohlenpech oder einem anderen Kohlenstoffharz überzogen. Das Steinkohlenpech bzw. das andere Kohlenstoffharz, das bei Aufheizen des Brennelementes carbonisiert wird, dient als Binder für die Stopfringe an den Brennkammerwänden.

Beim Brennelement 91 sind die mittleren Körperabschnitte 97 in Achsrichtung relativ zum zentralen Stab 99 beweglich. Eine derartige Anordnung erleichtert eine Relativbewegung dieser Komponenten gegeneinander, die beim Betrieb des Reaktors infolge von differentieller Ausdehnung oder Kontraktion auftreten kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungen zwischen den benachbarten mittleren Körperabschnitten 97 sowie zwisehen den entsprechenden Körperabschnitten und dem oberen Reflektor 93 und dem unteren Reflektor 95 gleitende Verbindungen. Wie aus den Fig. 6 und 8 zu ersehen ist, besitzen die mittleren Körperabschnitte 97 an ihren oberen Enden rohrförmige Ringe 127. Der obere Reflektor 93 und die oberen fünf Körperabschnitte 97 besitzen an ihrem unteren Ende einen abgesetzten Teil 129. Die rohrförmigen Ringe 127 und die abgesetzten Teile 129 sind so ausgebildet, daß die äußere Zylinderfläche der abgesetzten Teile in die Innenfläche der rohrförmigen Ringe 127 eingepaßt ist. Der untere Körperabschnitt 97 weist einen nach unten verlaufenden Ring 131 auf, in dem ein oberer abgesetzter Teil 133 des unteren Reflektors 95 eingepaßt ist.

Die Verbindung zwischen benachbarten Körperabschnitten 97 kann, abgesehen von der beschriebenen Art, auch noch auf andere Weise vorgenommen werden. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, benachbarte Körperabschnitte 97 baulich miteinander zu verbinden. Zu diesem Zweck können die rohrförmigen Ringe 127 und die abgesetzten Teile 129 mit Gewinde versehen werden. An Stelle der Lagerung der Körperabschnitte auf dem untersten Körperabschnitt kann es auch vorteilhaft sein, die einzelnen Körperabschnitte 97 in Vertikalrichtung aneinanderzuhängen. In diesem Fall kann der rohrförmige Ring 127 des oberen Körperabschnittes 97 mit dem oberen Reflektor 93 verschraubt werden; dabei ist die Verbindung zwischen dem sich nach unten erstreckenden Ring 131 und dem abgesetzten Teil 133 des unteren Reflektors 95 eine Gleitverbindung. Bei dieser Verbindung wird zwischen dem unteren Körperabschnitt 97 und dem unteren Reflektor 95 ein Spalt gebildet, welcher veränderliche Kontraktions- und/oder Expansionsvorgänge aufnimmt.

Ersichtlich treten bei dem im vorstehenden beschriebenen Brennelement 91 verschiedene Vorteile des oben beschriebenen Brennelementes 21 ebenso auf.

Im folgenden wird ein Beispiel für ein in den F i g. 1 bis 5 dargestelltes Brennelement gegeben.

Beispiel

Das Brennelement 21 besitzt einen Außendurchmesser von 11,86 cm. Dieses Brennelement eignet sich für einen Hochtemperaturreaktor mit Helium als Kühlmittel. Ein derartiger HTGR-Reaktor (high temperature, graphite moderated, gas-cooled reactor) ist im einzelnen in der Zeitschrift Nucleonics, Volume 18, Nr. 1, Januar 1960, S. 86 bis 90, beschrieben. Der obere Reflektor 23 und der untere Reflektor 25 werden aus zylindrischen Stücken aus Reaktorgraphit mit einer Dichte von etwa 1,8 g/ccm hergestellt. Der Abstandsring 47 besitzt einen Durchmesser von etwa 12 cm. Der obere Reflektor 23 enthält sechs ■ Kühlmittelauslaßlöcher 43 mit einem Durchmesser von 1,27 cm und einem Abstand von 60°. Der untere Reflektor 25 enthält sechs Kühlmitteleinlaßlöcher 51 gleicher Abmessung und gleichen Abstandes. Die fünf mittleren Brennelementkörperabschnitte 27 werden aus Reaktorgraphithülsen mit einer Dichte von etwa 1,8 g/ccm hergestellt und besitzen eine Wandstärke von 2,92 cm. Die Abmessungen der mittleren Körperabschnitte 27 und des unteren Reflektors 25 reichen aus, um sechs in Längsrichtung voneinander getrennte Brennzonen zu bilden, welche eine Vertikallänge von etwa 79 cm besitzen. Die vier oberen mittleren Körperabschnitte 27 enthalten 16 Brennlöcher 77, deren Mittelpunkt auf einem zum kreisförmigen Außenquerschnitt der Körperabschnitte 27 konzentrischen Kreis liegen. Der unterste Körperabschnitt 27 und der untere Reflektor 25 enthalten Brennzonen in Form von ringförmigen Brennkammern 75. Die Brennlöcher 77 und die ringförmigen Brennkammern 75 sind so angeordnet, daß sich eine Graphitwandstärke von etwa 1 cm, gerechnet vom äußersten Punkt in der Brennkammer, zur Außenfläche der Körperabschnitte 27 ergibt.

Claims (5)

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In diesem Brennelement variiert die Brenn- Brennelementkörperabschnittes wird mit einem materialbeschickung zwischen den sechs getrennten Überzug aus Steinkohlenpech oder einem anderen Längsbrennzonen. Die Änderung der Brennmaterial- Kohlenstoffharz versehen und sodann über den Stab beschickung wird durch Änderung des gesamten 71 geschoben und mit dem mit Gewinde versehenen Brennkammervolumens in den verschiedenen Zonen 5 oberen Teil des, unteren Reflektors 25 verschraubt, erreicht. Da die Brennkammern in allen Zonen etwa Das Steinkohlenpech bzw. das andere Kohlenstoffgleich tief sind, ist ihr Gesamtquerschnitt ein Maß harz, das bei Aufheizung des Brennelementes auf für ihr Volumen. In der Brennzone im unteren Re- Betriebstemperatur carbonisiert wird, dient als flektor 25 ist eine Brennkammer mit einem Abstand Binder für die Schraubenverbindung. Die verbleibenzwischen den Kammerwänden von 1,21 cm und io den Körperabschnitte 27 werden in gleicher Weise einem Außendurchmesser von etwa 9,83 cm ange- verschraubt.

ordnet. In der darüberliegenden Brennkammer sind Zur Fertigstellung des Brennelementes wird der

16 Brennlöcher 77 mit einem Durchmesser von mit Gewinde versehene Teil 39 des oberen Reflektors

0,79 cm vorgesehen. Die nächsten beiden Brenn- 23 mit einer dünnen Schicht aus Steinkohlenpech

zonen besitzen 16 Brennlöcher 77 mit einem Durch- 15 überzogen und mit dem oberen Körperabschnitt 27

messer von 0,67 cm. Die oberste Brennzone weist verschraubt.

16 Brennlöcher 77 mit einem Durchmesser von Eine kürzere Ausführungsform des zusammen-

0,57 cm auf. gesetzten Brennelementes wurde unter simulier-

AlIe Brennkammern sind mit einem dichten ten Reaktorbedingungen für beträchtliche Zeit-Gefüge von Kernbrennpartikeln mit einem Triplex- 20 perioden mit Volleistung betrieben. Während dieser Überzug gefüllt. Die Patrikel besitzen die Form von Periode wurde der Betrieb des Brennelementes Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 500 μπι. zyklisch geändert, so daß es unter Volleistungs-Diese Brennpartikeln bestehen aus einem Brenn- bedingungen mit normal nach oben strömendem materialkern in Form von kugeligen Partikeln aus Helium-Kühlmittel, unter Abschaltbedingungen mit Urancarbid und/oder Thoriumcarbid mit etwa 25 dem Kühlmittelfluß im Beipaß und unter Reinigungs-260 μΐη Durchmesser. Das Atomverhältnis von bedingungen ohne Kühlmittelfluß arbeitet. Während Thorium zu Uran in der gesamten Brennmaterial- dieser Betriebsbedingungen blieb die Spaltproduktmischung beträgt etwa 12 :1. Das Uran ist auf etwa aktivität der aus den überzogenen Kernbrennpartikeln 93 % angereichert. austretenden Spaltproduktgase unterhalb eines sehr

Der Brennmaterialkern ist von einer ersten Schicht 30 geringen Wertes, welcher innerhalb zufrieden-

aus porösem pyrolytischem Kohlenstoff von etwa stellender Grenzen liegt.

20 μΐη Dicke umgeben. Eine Zwischenschicht aus Der simulierte Betrieb mit voller Leistung des in dichtem laminarem pyrolytischem Kohlenstoff von Form eines dichten Gefüges vorliegenden Kernetwa 50 μΐη Dicke umgibt die poröse innere Kohlen- brennmaterials wurde bei einer Betriebstemperatur Stoffschicht. Eine dritte Schicht aus säulenförmigem 35 von wenigstens 1400° C während einer ausreichenpyrolytischem Kohlenstoff von etwa 50 μπι Dicke den cumulativen Periode vorgenommen, um ein umgibt die Zwischenschicht vollkommen. Die Kern- Ausbrennen von etwa 21°/o der spaltbaren Uranbrennpartikeln können durch Vibration in ein dichtes atome zu erreichen. Die unterschiedliche Be-Gefüge innerhalb der Brennkammern gebracht Schickung mit Kernbrennmaterial in den sechs werden. 40 getrennten Längsbrennzonen ermöglichte die ge-

Bei dieser Ausführungsform enthält die unterste wünschte Verminderung von Temperaturunterschie-

Brennzone etwa 0,23 kg Uran. Die darüberliegende den im Graphitkörper. Das Brennelement arbeitete

enthält etwa 0,15 kg Uran. Die nächste darüber- während des gesamten Betriebes zufriedenstellend

liegende Brennzone enthält etwa 0,11 kg Uran. Die und behielt auch nach Abschluß der Betriebsdauer

zwei nächstfolgenden Zonen darüber enthalten jeweils 45 seine bauliche Festigkeit. Während des Versuchs

0,09 kg Uran, während die oberste Zone etwa gesammelte Daten zeigen, daß die Spaltprodukt-

0,085 kg Uran enthält. austrittsrate von Xenonisotopen aus den überzoge-

Nach Auffüllung der Brennkammern mit Kern- nen Kernbrennpartikeln weniger als etwa 1 · 10~⁵ brennmaterial 61 werden die Brennkammern oben des gesamten erzeugten Xenons beträgt. Die Austrittsverschlossen, indem aus Polystyrol bestehende 50 rate von Kryptonisotopen ist kleiner als 1 · 10~⁵.
Kolben 79 von geeigneter Abmessung und einer Eine Untersuchung von repräsentativen Graphit-Dicke von etwa 2,5 cm in die Brennkammern einge- proben des Brennelementes, welche einer hohen preßt werden. Dosis von schnellen Neutronen ausgesetzt waren,

Beim Zusammenbau des Brennelementes wird der zeigt, daß die Kontraktion des baulichen Graphitzentrale Stab 71 in die zentrale Bohrung 57 des 55 materials infolge der Bestrahlung ausreichend unterunteren Reflektors 25 eingesetzt. Der Stab 71 ist aus halb der zulässigen Grenzen liegt. Das Brennelement drei Teilen aus Reaktorgraphit mit einer Dichte von gemäß der Erfindung eignet sich also zur Verwenetwa 1,8 g/ccm hergestellt, wobei die Teile in geeig- dung in einem gasgekühlten Hochtemperaturkernneter Weise miteinander verbunden werden. Der reaktor mit hohen Leistungsdichten.
Querschnitt des Stabes 61 bildet ein reguläres 60

Quadrat mit abgerundeten Ecken. Als Toleranz zwi- Patentansprüche:

sehen der Außenabmessung des Stabes und des 1. Brennelement für einen Kernreaktor mit

Innendurchmessers der zentralen Bohrung ist etwa wenigstens einem axialsymmetrischen, einen

0,025 cm zugelassen. Etwa die unteren 9 cm des zylindrischen Hohlraum umschließenden AbStabes 71 sind nach innen abgesetzt, um einen unte- 65 schnitt aus Moderatormaterial, der zwischen

ren abgesetzten Teil mit kreisförmigem Querschnitt seiner Innenfläche und seiner Außenfläche axial-

zu bilden, dessen Durchmesser etwa 4,6 cm beträgt. symmetrisch um den Hohlraum herum ange-

Das mit Gewinde versehene Ende des unteren ordnetes Kernbrennmaterial umschließt, wobei

der Hohlraum für den Kühlmitteldurchlaß bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (37, 113) ein Stab (71, 99) aus Moderatormaterial mit polygonalem Querschnitt angeordnet ist, dessen Außenflächen mit den ihnen gegenüberstehenden Wandflächenbereichen (59, 105) des Hohlraums (37, 113) Kanäle für den Kühhnitteldurchlaß begrenzen.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehr als einem Abschnitt diese Abschnitte (27, 97) fest untereinander verbunden sind.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von

mehreren Abschnitten (27, 97) alle diese Abschnitte den Stab (71, 99) axial verschiebbar umschließen.

4. Brennelement nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Kernbrennmaterial in der Längsrichtung des Brennelementes in Richtung des Kühlmittelflusses abnimmt.

5. Brennelement nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (27, 97) nach oben offene Brennstoffkammern (75, 77, 121, 123) aufweisen, deren obere Enden mit Stopfringen (79, 125) abgeschlossen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen