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Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren
| Zusatz zum Patent 1 241 b41 |
| Die Erfindung bezieht sich auf ein Brenn- und/oder Brutele- |
| ment für Kernreaktoren, bei. dem mit Kohlenstoff, Karbiden |
| oder Oxyden beschichtete Brennur und/oder Brutstoffteilchen |
| in loser Schüttung in dem Ringspalt einer nohlzylindert®rmig |
| ausgebildeten vakuumdicht verschlossenen metallischen Hülse |
| eingeschlossen sind nach Patent 1 241 a41, |
| Dieses Brenn® und/oder Brutelement wird insofern -weiter aus- |
| gebildet, als mehrere mit unterschiedlichem radialen Abstand |
| zueinander angeordnete Brenn und/®der Brutstoffkanäle in der |
| Weise vorgesehen sind, daß von den Brenn- und/oder Brutstoff® |
| kanälen und gegebenenfalls diese verbindenden Stegen koaxial |
| angeordnete Kühlkanäle gebildet werden. |
| Eine sehr zweckmäßige Ausrührungsform des erfindungsgemäßen |
| Elements besteht darin, daß die Brenn- und/oder Brutstoff- |
| kanäle kreisringförmige-Querscnntte aufweisen und koaxial |
| zueinander angeordnet sind. Eine andere gleichfalls vorteil- |
| hatte Variante des erfindungsgemäßen Elementes besteht darin, |
daß die Brennstoffkanäle kreisförmige Querschnitte aufweisen und
gruppenweise mit unterschiedlichem radialen Abstand zueinander angeordnet sind,
wobei zur Verbindung der auf dem gleichen Radius vorgesehenen Kanäle Querstege derart
vorgesehen sind, daß Querstege und Kanäle jeweils die eine Wandung eines Kühlmittelkanals
bilden. Zur Einhaltung genauer Abstände sind in an sich bekannter Weise Abstandhalter
vorgesehen. Die Temperaturen der "coated particles " dürfen im allgemeinen bestimmte
Werte nicht überschreiten. Obwohl bei den Brenn-und/oder Brutelementen gemäß der
Erfindung hierdurch die je Einheit der Oberfläche des Elements zu übertragende Wärme
begrenzt sein kann und nicht durch die Möglichkeiten, die Wärme von der Fläche abzuführen,
kann es in besonderen Fällen zweckmäßig sein, an den Außenwandungen Querrippen,
Nieten, punktverschweißte Einprägungen oder dergleichen vorzusehen. Dadurch wird
in diesen Fällen der Wärmeübergang noch verbessert und die wärmeübertragende Fläche
vergrößert, Durch diese Maßnahme wird ferner - soweit dies im Bedarfsfalle erforderlich
ist - eine Versteifung des Einzelrohres erzielt.
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Die Wärmeleitfähigkeit von Schüttungen von "coated particles" ist
im allgemeinen, das heißt wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, niedrig.
Sie beträgt beispielsweise ;3 x 10-13 cal/cm sec. °C, Daher hat es sich als sehr
vorteilhaft erwiesen, bei kreisringförmiger Ausbildung der Kaüle für den Brenn-
oder Brutstoff die Breite der Ringkanäle mit etwa 1 bis G,5 mm zu bemessen. Ebenso
beträgt bei dem erfindungsgemäßen Element in der Ausbildungsform mit kreisförmigem
Querschnitt der Kanäle zur Aufnahme der Brenn- oder Brutstoffe der lichte Durchmesser
etwa l bis 2,5 mm. Infolge dieses geringen Durchmessers bzw. der geringen Breite
der in dem
erfindungsgemäßen Brenn- oder Brutelement angeordneten
Kanäle zur Aufnahme von Brennstoff oder Brutstoit wira das Auftreten unzulässig
hoher Temperaturen vermieden-. Ein weiterer Vorteil ist die Stabilität, die sich
aus der kreiszylindertörmigen Ausbilaung des erfindungsgemäßen Elements ergibt,
Vorteilhaft ist ferner, daß bei dem erfindungsgemäßen Brenn- und/oder Brutelement
- soweit dies im Bedarfsfalle gewünscht wird -ein gleichmäßiger hydraulischer Durchmesser
der Kühlmittels kanäle gebildet werden kann.
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Ein großer Vorzug des erfindungsgemäßen Elements besteht ferner darin,
daß es ohne weiteres möglich ist, in ein und demselben Element im einzelnen
Kanälen Spalt- oder Brutstoff getrennt unterzubringen; Dies ist deshalb besonders
vorteilhaft, weil somit unter Berücksichtigung des Abbrandes der Spaltstoff zu einem
anderen Zeitpunkt aus dem Element entnommen werden kann. als der Brutstoff. Das
bedeutet eine wesentliehe Vereinfachung der Maßnahmen zur Wiederaufbereitung, die
damit getrennt nach Brenn- oder Brutstoff durchführbar ist. Um dies auf möglichst
einfache Weise durchzuführen, sind die Böden der zur Aufnahme vier Brennstoff- oder
Brutstoffpartikei vorgesehenen Kanäle zweckmäßig aus einem anderen Werkstoff gebildet
als die übrigen Wandungen, derart, daß der: Boden nei. Überschreiten einer vorgegebenen
Temperatur abschmilzt. Eine zweckmäßige Ausführungsform des Brenn- und/ oder Brutelements
der Erfindung besteht darin, daß die Böden der Brennstoffkanäle und die Böden der
Brutstoffkanäle aus bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzenden Werkstoffen
bestehen-. Dadurch kann man, falls dies gewünscht wird, beispielsweise durch Aufheizen
des Brennelements,den abgebrannten
Spaltstoff herausrieseln lassen
und in an sich bekannter Weise wiederaufbereiten, während die freigewordenen Kanäle
des Elements wieder mit Spaltstoff ausgefüllt werden.
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Statt für die Böden bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzende
Werkstoffe zu verwenden, kann es auch zweckmäßig sein, büi dem Brenn- und/oder Brutelement
gemäß der Erfindung die Böden der Brennstoff und Brutstoffkanäle mittels Lötnaht
oder Schweißnaht mit den Kanalwandungen zu verbinden, wobei gegebenenfalls zum Ziehen
der Lötnähte oder Schweißnähte der Brennstoffkanäle und der Brutstoffkanäle bei
unterschiedli -chen Temperaturen schmelzendes Lötmaterial verwendet wird. Die Verwendung
einer Brenn- oder Brutelementumhüllung, bei der der Boden und die übrigen Wandungen
aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen oder bei denen der Boden mit Werkstoffen
unterschiedlicher Schmelztemperatur angelötet oder angeschweißt ist, ist in vjden
Fällen auch dann vorteilhaft, wenn der Brenn- oder Brutstoff nicht in Form von "coated
particles" eingefüllt ist.
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Die erfindungsmäßige Ausbildung des Brenn" und/oder Brutelements für
Kernreaktoren in der Ausführungsform, daß an einer vorgesehenen Stelle des Brennelements
bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur das Brennelement durchschmilzt und
der Brennstoff herausrieselt, ist außerdem von Vorteil beim Auftreten von Störfällen,
wenn zugleich dafür Sorge getragen wird, daß der Brennstoff auf einem vorgegebenen
Weg herausrieselt, wobei es ohne weiteres möglich ist, diese Maßnahme den jeweiligen
Reaktorbedingungen anzupassen. Ein großer Vorzug der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brenn- und/oder Brutelements besteht darin,daß es bei gewissen
Störfällen im Reaktor oder auch in der Transportflasche
ohne weiteres
möglich ist, die Ablösung des Bodens von dem Brenn- und/oder Brutelement durch Ausnutzung
der im Brennelement selbst erzeugten sogenannten Nachwärme hervorzurufen, Dies kann
atweder selbsttätig ablaufen, doch ist es auch möglich' die Ablösung unter Ausnutzung
der durch die Nachwärme hervorgerufenen Authezung herbeizuführen, indem das Brennelement
so lange ungekühlt bleibt, bis der Boden auf Grund der ansteigenden Temperaturen
abschmilzt. In den vorgenannten Fällen rieselt der Brennstoff nach Abschmelzen des
Bodens in einen Behälter, wobei natürlich in an sich bekannter Weise dafür Sorge
getragen werden muß, daß bei Störfällen, im Reaktor und der dabei auftretenden Gefahr,
daß mehrere Böden abschmelzen, die von aem Behälter aufgenommene Brennstoffmenge
unterkritisch bleibt.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Brenn- und/oder
Brutelement mit kreisringförmigem Querschnitt der. Brenn-oder Brutstoffkanäle im
Querschnitts Fig. 2 ein Brenn- und/oder: Brutelement mit gruppenweise in gleichem
radialen Abstand zueinander vorgesehenen Brennstoffkanälen mit kreisförmigem Kanalquerschnitt
im Querschnitt, -Fig. j einen Brennstozi- oder Brutstoffkanal mit kreisförmigem
Querschnitt mit eingelötetem Boden im Längsschnitt; Wie aus Fig. l hervorgeht, sind
bei dem erfindungsgemäßen Brenn- und/oder Brutelement mehrere - nach dem wiedergegebenen
Ausführungsbeispiel vier - vakuumdicht verschlossene.
Zylinder 1
bis 4 koaxial zueinander angeordnet. Diese Zylinder bilden kanalförmige Spalten
zur Aufnahme von Brennstoff öder von Brutstoff. So sind nach dem in der Zeichnung
wiedergegebenen Ausführungsbeispiel die von den Zylindern 1 bis ;i gebildeten Kanäle
für Brennstoffpartikel und der Kanal 4 für Brutstottpartikel vorgesehen. Doch ist
es selbstverständlich auch möglich, bei dem erfindungsgemäßen Element Brennstoffpartikel
und Brutstoffpartikel in jeder anderen gewünsch; ten Weise in die Kanäle einzufüllen.
Zwischen den: Kanälen 1 bis 4 sind in der Zeichnung nicht dargestellte Abstandhalter
vorgesehen, so daß die Distanz der Kanäle auch im Reaktorbe--trieb unverändert bleibt.
Der von dem Kanal 1 gebildete Innenraum b und die zwischen den Kanälen 1 bis 4 gebildeten
Zwischenräume d bis 8 werden nach dem Einsetzen in den Reaktor von einem Kühlmittel
durchströmt. Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht bei der Verwendung von coated
particles mit einem Durchmesser von etwa d00 /u darin, die Ringkanäle so auszubilden,
daß sie eine Breite von 2 mm besitzen und in einem solchen Abstand zueinander angeordnet
sind, daß die Breite der zwischen den von den kreiszylindertörmigen Kanälen zum
Durchströmen des Kühlmittels vorgesehenen Kanäle 4,e mm beträgt. Die Wandstärke
betrug bei dieser Ausführungsform 0,d mm. Als Werkstoff für die Umhüllung wurde
Aluminium verwendet.
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In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Brenn-und/oder
Brutelements gemäß der Erfindung weisen die Kanäle zur Aufnahme der Brennstoff-
oder Brutstotfpartikel kreisförmige Querschnitte auf. Sie sind, wie aus der Zeichnung
hervorgeht, gruppenweise mit unterschiedlichem radialen Abstand zueinander angeordnet.
Dabei sind jeweils zwei benachbarte Kanäle 9, die mit gleichem radialen Abstand
angeordnet
sind, durch Querstege 10 so verbunden, daß die Kanäle
9 und die Querstege 10 jeweils die eine Wandung des Kühlkanals 11 bilden:
Die Fig. 3 zeigt einen Brennstoffkanal 9 mit kreisförmigem Querschnitt, bei dem
der Boden 12 mittels einer Lötnaht 1:3 in an sich bekannter Weise mit der Hülse
verbunden ist. Die in Fig. j dargestellte Ausbildung eines Brennelements, bei. der
-der Boden an die Hülse angelötet ist, ist selbstverständlich bei Brennelementen
mit.kreistörmigenoder kreisringförmiges Querschnitt in gleicher Weise möglich wie
bei Brennelementen mit mehreren achsenparallel angeordneten Kanälen. Um zu erreichen,
daß der Boden sich bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des für die
Hülse des Brennstoffkanals verwendeten Werkstoffs schmilzt, wird bei Verwendung
von Aluminium als Werkstoff zweckmäßig aus 87 % al und 1ä % Si bestehendes Aluminiumlot
gebraucht. Die Schmelztemperatur dieses Aluminiumlots liegt ea. 1O0° unterhalb der
Schmelztemperatur des Aluminiums: Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
der Lötnaht 13 nur eine solche Stärke zu erteilen, daß sie nicht dichter als ein
Drittel der Wandstärke der Hülse ist. Dadurch wird erreicht, daß bei ansteigender
Temperatur der Boden einerseits durch den zunehmenden Gasdruck im Inneren der Hülse,
der etwa proportional mit der Temperatur in 0K ansteigt, und durch des Schmelzen
der Lötnaht li von der Hülse getrennt wird. ,