DE1564037C - Brennstoffelement fur einen impuls formig zu betreibenden, wassergekühlten Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für einen impulsf örmig zu betreibenden, wassergekühlten Kernreaktor, mit einem festen, langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Brennstoffkörper, der außen allseitig dicht von einem langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Metallbehälter umschlossen ist. .

Es ist bereits ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor bekannt (britische Patentschrift 989 889), welches einen Mittelkern, aus einem spaltbaren Material enthält, das hohen Temperaturen zu widerstehen imstande ist, die in dem Mittelteil des Brennstoffelements während des Betriebs auftreten. Ferner weist das betreffende bekannte Brennstoffelement einen Außenmäntel aus spaltbarem Material und eine Zwischenschicht aus einem nicht spaltbaren Material zur Wärmeübertragung von dem Kern zu dem Mantel hin auf. Mit Hilfe dieses bekannten Brennstoffelements soll das spaltbare Material auf einer möglichst niedrigen Temperatur gehalten werden. Um dies zu erreichen, wird in der Zwischenschicht zwischen dem Kern und dem Mantel des betreffenden Brennstoffejements ein Stoff mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet. Für. einen impulsf örmig zu betreibenden Kernreaktor ist jedoch das vorstehend· betrachtete, bekannte Brennstoffelement nicht geeignet.

Es sind auch schon rohrförmige Kernbrennstoffkörper bekannt (USA.-Patentschrift 2 856 340), die einen weiteren Kernbrennsloffkörper umschließen. Bei diesen Körpern ist es im übrigen bekannt, für einen flächenhaften Kontakt des Brennstoffs mit dem jeweiligen Mantel zu sorgen. Von dem inneren Mantel des Brennstoffrohres stehen nach innen gerichtete, langgestreckte Rippen vor, die einerseits einen inneren ,Durchlaß für ein Kühlmittel begrenzen und für eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittelflusses sorgen, andererseits den inneren Brennstoff kern auf Abstand von der Innenwand des Brennstoffrohres halten.

Es ist ferner ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor bekannt (USA.-Patentschrift 3 125 493), das von einem Blech umschlossen ist, in welchem nach innen Sicken, gedruckt sind. Die betreffenden Sicken dienen dabei lediglich dazu, ein axiales Verschieben von das eigentliche Brennstoffelement aufnehmenden Scheiben innerhalb des als Mantel ausgebildeten BIe-

ches zu verhindern. . . ..

Es ist ferner ein metallisches Brennstoffelement für einen Atomkernreaktor mit Wärmeentnahme mittels eines Wärmeträgers bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 080 236), welcher Kühlrohre durchfließt, die in den Spaltstoff des Brennstoffelements eingebettet sind. Bei diesen^ bekannten Brennstoffelement wird zwar der vorgesehene Außenmantel im Abstand von dem eigentlichen Brennstoff körper gehalten; dies reicht aber allein noch nicht aus, um einen einwandfreien Impulsbetrieb mit dem betreffenden -Brennstoffelement zu ermöglichen.

Es ist ferner ein dem zuvor betrachteten Brennstoffelement weitgehend entsprechendes Brennstoffelement bekannt (britische Patentschrift 798 282).

bei dem ebenfalls ein Außenmantel im Abstand von einem Brennstoffkörper gehalten ist, was aber ebenfalls allein noch nicht ausreicht,, um einen einwandfreien Impulsbetrieb mit dem betreffenden bekannten Brennstoffelement zu ermöglichen. Im Zusammenhang mit dem betreffenden Brennstoffelement ist es

> jedoch bekannt, Überhitzungsschäden der Hülle bzw. des Mantels durch eine isolierende Schicht zwischen der betreffenden Hülle und dem Brennstoff zu vermeiden.

Es ist im übrigen auch schon ein Brennstoffelement bekannt (französische Patentschrift 1325 481), bei dem ein Brennstoffkörper von einem Mantel un- · ter Zwischenfügung einer Isolierstoffschicht umgeben ist. Als Kühlmittel fließt .bei dem betreffenden bekannten Brennstoffelement zu überhitzender Dampf durch einen in dem Brennstoffkörper vorgesehenen Kanal. Dieses bekannte Brennstoffelement eignet sich jedoch nicht für die Verwendung in einem impulsför-

. mig zu betreibenden, wassergekühlten Kernreaktor, da nämlich das an dem Außenmantel des betreffenden Brennstoffelements sich niederschlagende Wasser zum Sieden gebracht werden würde. Es ist jedoch' zu bemerken, daß auch bei dem gerade betrachteten bekannten Brennstoffelement Überhitzungsschäden der Hülle bzw. des Außenmantels durch die Verwendung einer Isolierschicht zwischen dieser Hülle bzw. diesem Außenmantel ,und dem Brennstoff vermieden werden.
Es ist ferner eine Kernreaktor-Brennstoffanordnung bekannt (USA.'Patentschrift 3 121 666), bei der durch eingedrückte Vertiefungen gebildete Vorsprünge als Abstandshalter bei thermischen Isolierungen verwendet sind, die eine möglichst, geringe

Berührungsfläche haben sollen. Diese Abstandshalter sind jedoch nicht bei den einzelnen vorgesehenen Brennstoffelementen benutzt, weshalb ein impulsweiser Betrieb eines derart aufgebauten Kernreaktors Schwierigkeiten mit sich bringen kann.

Es ist schließlich auch schon ein Brennstoffelement bekannt (USA.-Patentschrift 3156 624), das aus einem festen Brennstoffkörper besteht, der in einem metallischen Behälter eingeschlossen ist, welcher eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und das Austreten von Spaltprodukten verhindert. Eine Anzahl derartiger Brennstoffelemente wird in einem sogenannten TRIGA-Reaktor als einem impulsförmig zu betreibenden Reaktor verwendet. Bei dem betreffenden, bekannten Kernreaktor wird Wasser als Moderator verwendet. Bei diesem bekannten Kernreaktor kann es z. B. durch Entfernung zumindest eines Teiles der Steuerstäbe vorkommen, daß plötzlich ein starker Leistungsstoß auftritt, zufolge dessen hohe Temperaturen auf den Außenflächen der Brennstoffelemente bzw. der das jeweilige Brennstoff material umgebenden Behälter auftreten, die zur Verdampfung des Kühlwassers führen. Um eine Zerstörung des jeweiligen Behälters zu vermeiden, also die Brennstoffelemente bei höheren Temperaturen verwenden zu können, wird zweckmäßigerweise mit einer größeren Wässermenge gearbeitet. Mit einem stärkeren Zufluß von Wasser bzw. Kühlmittel wird jedoch der Aufwand an Zusatzeinrichtungen größer, ferner werden der Reaktor sowie dessen Betriebsweise komplizierter, und außerdem wird der zur Verfügung stehende Raum kleiner und der Zugang zum Reaktorkern für experimentelle Zwecke schwieriger.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu zeigen, wie die Brennstoffelemente bei dem zuletzt betrachteten bekannten TRIGA-Reaktor weiterzubilden sind, damit die betreffenden Brennstoffelemente ohne weiteres bei hohen Temperaturen verwendet werden können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Brennstoffelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der Außendurchmesser des Brennstoffkörpers um ein solches Maß wesentlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Behälters, daß der Zwischenraum zwischen Brennstoffkörper und Behälter im gesamten Betriebstemperaturbereich des Brennstoffelements eine thermische Isolierung bildet und daß zwischen dem Brennstoffkörper und dem Behälter sowohl an den Enden als auch über die Länge verteilt die Weite des Zwischenraums aufrechterhaltende Abstandshalter vorgesehen sind. Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß auf relativ einfache Weise bei hohen Betriebstemperaturen gearbeitet werden kann, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung der Brennstoffelemente bzw. des diese Brennstoffelemente verwendenden Kernreaktors besteht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt in einer Teilschnittansicht ein Brennstoffelement gemäß der Erfindung, bei dem der mittlere Teil aus Platzgründen weggelassen ist;

F i g. 2 zeigt eine Stirnansicht des in F i g. 1 dargestellten Brennstoffelements;

F i g. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt eines Teils des in F i g. 1 und 2 dargestellten Brennstoffelements;

F i g. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Teil der Außenfläche des in F i g. 1 und 2 dargestellten Brennstoffelements.

Das in F i g. 1 und 2 dargestellte Brennstoffelement besteht, wie vorstehend bereits angedeutet, aus einem festen, langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Brennstoffkörper 11. Bei Verwendung in einem TRIGA-Reaktor besteht der Brennstoff körper 11 vorzugsweise aus etwa 8,5 Gewichtsprozent Uran, das zu ίο 20 °/o auf U-235 angereichert ist. Das Verhältnis von Wasserstoff atomen zu Zirkonatomen des mit dem angereicherten Uran homogen verbundenen Moderatormaterials liegt dabei vorzugsweise bei 1,65 zu 1. Der Brennstoffkörper 11 ist etwa 38 cm lang; er weist einen Durchmesser von etwa 4 cm auf. Um ein Hydrieren zu erleichtern, wird eine 5-mm-Bohrung in die Mitte des Brermstoffkörpers 11 eingebracht, wobei nach dem Hydrieren ein Zirkonstab 12 in die betreffende Bohrung eingeschoben wird. An beiden Enden des Brermstoffkörpers 11 sind Graphitzylinder 13, 14 angeordnet, die eine Länge von jeweils etwa 9 cm und einen Durchmesser von jeweils 4 cm aufweisen. Diese Graphitzylinder dienen als Ober- bzw. als Unter-Reflektoren.

Die Brennstoffkörper 11 und die Graphitzylinder 13,14 befinden sich in einem langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Metallbehälter 15. Bei Anwendung der Brennstoffelemente in einem TRIGA-Reaktor besteht der Metallbehälter 15 vorzugsweise aus einer Legierung auf der Basis von rostfreiem Stahl oder Nickel von etwa 0,5 mm Dicke. Eine Oberdichtung 17 und eine Unterdichtung 18 sind mit dem jeweiligen Behälterende verschweißt und dichten den Metallbehälter gegen das ihn umgebende, im Reaktorkern vorhandene Kühlwasser ab. An den Dichtungen 17 und 18 ist jeweils eine Führungsein-.. richtung 21, 22 angeflanscht, die das Brennstoffelement innerhalb des Reaktorkerns in seiner Lage hält. Am oberen Ende des Brennstoffelements ist ein HaI-teteil 23 vorgesehen, mit dem das betreffende Brennstoffelement in den Reaktorkern eingeschoben und aus diesem entfernt werden kann. An verschiedenen Stellen des Brennstoffkörpers und des Metallbehälters können Thermoelemente zur Temperaturkontrolle vorgesehen sein.

Das vorstehend betrachtete Brennstoffelement ist nun derart aufgebaut, daß die Wärmeübertragung zwischen dem Brennstoffkörper 11 und dessen Metallbehälter 15 so gering ist, daß die natürliche Wärmeleitung des Kühlwassers zur Wärmeabfuhr ausreicht und die auch als Filmverdampfung zu bezeichnende Verdampfung des Kühlmittels bzw. Kühlwassers an der Außenseite des Metallbehälters verhindert ist. Zu diesem Zweck ist der Außendurchmesser des Brennstoffkörpers 11 geringer gewählt als der Innendurchmesser des Metallbehälters 15. Auf Grund der Differenz zwischen den beiden Durchmessern ist ein Zwischenraum zwischen beiden Teilen gebildet, der eine Isolation im Betriebstemperaturbereich des Brennstoffelements bewirkt. Auf diese Weise ist die unterschiedliche Ausdehnung des Brennstoffkörpers 11 und des Metallbehälters 15, auch bei einem Impuls auf eine sehr hohe Reaktionsfähigkeit und auf entsprechend hohe Temperaturen hin, nicht so groß, daß der Zwischenraum verschwindet. Bei einem Brennstoffkörper mit einem Durchmesser von 4 cm soll der Zwischenraum mindestens 0,25 mm bei Zimmertemperatur betragen, um einen ausreichenden

Raum für unterschiedliche Ausdehnung zur Verfügung zu haben. Dieses Maß kann auf 0,4 mm oder ein noch höheres Maß erhöht werden, sofern dies bei höheren Temperaturen erforderlich ist. Die maximale Betriebstemperatur, einschließlich der bei Impulsbetrieb möglichen Temperatur, soll nicht zu einer unterschiedlichen Ausdehnung führen, die größer ist als diejenige, die noch einen Zwischenraum von 0,1 mm oder 0,13 mm zurückläßt.

Zur Aufrechterhaltung des Zwischenraums zwischen dem Brennstoffkörper 11 und dem Metallbehälter 15 sowie zur Vermeidung relativ großer Berührungsflächen zwischen beiden Teilen ist der Metallbehälter 15 mit einer Anzahl von Abstandshalter darstellenden Vertiefungen 25 versehen (F i g. 3 und 4). In F i g. 3 ist in diesem Zusammenhang in vergrößertem Maßstab eine Schnittansicht gezeigt, aus der diese Abstandshalter bzw. Vertiefungen 25 hervorgehen. Die betreffenden Abstandshalter 25 sind dabei durch begrenzte Eindruckstellen am Außenumfang des Metallbehälters 15 gebildet. Die dadurch auf der Innenseite des Metallbehälters 15 gebildeten Erhöhungen zeigen von der Behälterwand aus radial nach innen und berühren die Außenfläche des Brennstoffkörpers 11. Durch sie wird der Abstand zwischen dem Brennstoffkörper 11 und dem Metallbehälter 15 beibehalten, so daß keine großen Berührungsflächen beider Teile entstehen können. Daher ist der Wärmeübergang von dem Brennstoffkörper 11 auf den Metallbehälter 15 relativ gering. Mithin ist auch die Möglichkeit einer starken Erwärmung des Metallbehälters 15 während des Impulsbetriebs sowie eine Filmverdampfung bzw. Verdampfung von Kühlmittel an der Außenseite des Metallbehälters 15 minimal, und die Temperatur des Metallbehälters 15 bleibt innerhalb eines sicheren Temperaturbereichs. Der Zwischenraum zwischen dem Metallbehälter 15 und dem Brennstoffkörper 11 kann mit einem Gas ausgefüllt werden, das die entsprechenden Wärmeeigenschaften hat, wie z. B. Stickstoff. Die auf die Vertiefungen einwirkende Erwärmung und mechanische Spannung hat auf den übrigen Metallbehälter 15 einen vernachlässigbar geringen Einfluß.
Die vorstehend betrachteten Abstandshalter 25

ίο können nun auch durch andere Elemente gebildet sein, wie z. B. durch eine Anzahl länglicher, in axialer Richtung verlaufender und in dem Metallbehälter 15 gebildeter Rippen bzw. Vorsprünge.
Eine andere Möglichkeit der Realisierung der Ab-Standshalter besteht in der Verwendung eines um den Brennstoffkörper 11 herumgewickelten Drahtes aus Wolfram, Molybdän oder Graphit. Eine andere Möglichkeit der Realisierung der Abstandshalter besteht in der Verwendung eines porösen keramischen Füll-Stoffs bzw. Überzugs, wie Aluminiumoxid, der auf die Innenfläche des Metallbehälters 15 aufgesprüht wird. . Bezüglich des zwischen dem Metallbehälter 15 und dem Brennstoffelement, 11 vorhandenen Zwischenraums sei noch bemerkt, daß dieser auch die Gefahr einer dauernden Verlängerung des betreffenden Metallbehälters 15 infolge thermischer Ausdehnung des Brennstoffkörpers 11 und infolge der Berührung der Behälterwände durch den Brennstoffkörper 11 verringert. Zur weiteren Verhinderung einer Verlängerung des Metallbehälters 15 hat der Graphitzylinder 13 vom Ende 17 des betreffenden Metallbehälters 15 aus einen Abstand, und außerdem kann er in axialer Richtung verschoben werden, um eine Ausdehnung des Brennstoffkörpers 11 in axialer Richtung in dem Metallbehälter 15 zuzulassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für einen impulsf örmig zu betreibenden, wassergekühlten ' Kernreaktor, mit einem festen, langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Brennstoffkörper, der außen allseitig dicht von einem langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Metallbehälter umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Brennstoffkörpers. (11) um ein solches Maß wesentlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Behälters (15), daß der Zwischenraum zwischen Brennstoffkörper (11) und Behälter (15) im gesamten Betriebstemperaturbereich des Brennstoffelements eine thermir sehe Isolierung bildet und daß zwischen dem Brennstoff körper (11) und dem Behälter (15) so-. wohl an den Enden als auch über die Länge verteilt die Weite des Zwischenraums aufrechterhaltende Abstandshalter (25) vorgesehen sind.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermisch isolierende Zwischenraum mit einem Gas gefüllt ist..

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Stickstoff dient. . .

4. Brennstoffelement nach einem der Vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus einer Anzahl von dem Metallbehälter (15) vorstehender· und den Brennstoffkörper (11) berührender Vorsprünge (25) gebildet sind.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (25) jeweils' aus einer in der Behälterwandung von außen her gebildeten Vertiefung (25)' bestehen, die eine in das Behälterinnere hineinragende Wölbung verursacht.