DE2058158A1 - Kugelhaufenreaktor - Google Patents

Description

Bei der Anordnung von Brennelementen in einem Reaktor muß mit Rücksicht auf eine gleichmäßige Erwärmung der Brennelemente und des sie umspülenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels darauf geachtet werden, daß eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Brennelemente in dem dafür vorgesehenen Raum vorhanden ist.

Wie unter anderem aus dem Aufsatz "Der Einfluß des Spaltgasdruckes auf die Konstruktion von Kernreaktorbrennelementen mit metallischer Umhüllung" von J.H. Eisner, veröffentlicht in "Atompraxis" 16 Heft 2, 1970, Seite 96 bis 100 hervorgeht, sind im wesentlichen kugelförmige und zylinderförmige Brennelementformen geeignet, um eine gleichmäßige Verteilung des Brennelementvolumens im Reaktor zu erzielen.

Bei einem Kugelhaufenreaktor, bei denen die Brennelemente kugelförmig ausgebildet und aufeinander geschüttet sind, ergibt sich zweifellos eine gleichmäßigere Verteilung des Brennmaterials als bei zylinderförmig ausgebildeten Brennstäba^ da hierbei sowohl in senkrechter als auch waagerechter Richtung die gleiche Brennstoff dichte pro Längeneinheit erzielt wird. Ein Vorteil der zylinderförmigen Anordnung von Brennelementen gegenüber der Kugelschüttung ist im obengenannten Aufsatz auf Seite 100 beschrieben, wo nachgewiesen ist, daß man mit sehr hohen Spaltgasdrücken bei kugelförmiger Anordnung der Brennelemente rechnen muß, wenn diese mit einem gasdichten Hüllmantel umgeben sind, da außerhalb der aktiven Zone kein Raum zur Aufnahme des Spaltgases (Plenum) zur Verfugung steht. Ein derartiger Raum wäre zwar vorhanden, wenn das Brennelement kleiner gemacht wird als der gasdichte Hüllmantel, allerdings ist eine solche Anordnung wegen des schlechten Y/ärmeübergangs vom Brennelement zum gasdichten Hüllmantel nicht mehr" wirtschaftlich. Jedes Anbringen von Räumen zur Aufnahme des Spaltgases zwischen Brennelement und gasdich-cer Umhüllung an

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bestimmten Stellen der Kugel würde jedoch die Kugelform verändern und damit bei einfacher Schüttung der Kugeln die gleichmäßige Verteilung der Brennelemente im Raum verändern, was zu örtlichen Überhitzungserscheinungen im Reaktor führen kann.

Die zylinderförmige Anordnung des Brennstoffes in Brennstäben besitzt gegenüber der Kugelform noch einen weiteren Vorteil, da eine Kugelschüttung unabhängig vom Durchmesser .der Kugeln etwa nur ein Sechzehntel des vorhandenen Raumes für das Kühlmittel freiläßt. Das hat insbesondere bei flüssigen Kühlmitteln, die gleichzeitig als Moderator wirken können, den Nachteil, daß sehr hohe Kühlmitteldrücke benötigt werden, um eine ausreichende Kühlung der Brennelemente sicherzustellen. Die bei gleichem Volumen wesentlich größere Oberfläche der Brennelemente bei kugelförmiger Anordnung wird also durch den zwangsläufig geringeren Querschnitt zum Durchströmen des Kühlmittels wieder aufgehoben.

Aus diesen Gründen baut man Kugelhaufenreaktoren im wesentlichen in Verbindung mit gasförmigen Kühlmitteln, während Reaktoren mit flüssigem Kühlmittel (HpO; DpO) den Brennstoff in Form von zylindrischen Stäben enthalten, bei denen Abstandhalter für einen möglichst gleichmäßigen Abstand der Stäbe voneinander sorgen.

Theoretisch besteht auch die Möglichkeit, kugelförmige Brennelemente durch Verwendung von als Abstandhalter wirkenden Tragegittern zu lagern, allerdings können dann die Brennelemente nicht mehr einzeln oder gruppenweise während des Betriebes ausgetauscht werden, wie das bei Reaktoren mit zylinderförmigen Brennstäben durch Herausziehen bzw. Hineinstecken von Brennstabgruppen möglich ist und wie es bei kugelförmiger Anordnung der Brennelemente, die einfach aufeinander geschüttet sind, ohne weiteres durch Herausrollenlassen der jeweils unteren Kugeln möglich ist. Hierbei wird eine in der Mitte des Kugelhaufens befindliche Kugel nach und nach nach unten wandern, so daß jede Kugel während des Betriebes entnommen, auf ihren Abbrandzustand hin überprüft und entweder entfernt oder wieder in den Reaktor eingefüllt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kugelhaufen-

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reaktor mit geschütteten, in kugelförmig ausgebildeten Umhüllungen angeordneten Brennelementen zu schaffen, bei denen unter Beibehaltung der oben angegebenen Vorteile der kugelförmigen Anordnung von Brennelementen der Durchflußq_uerschnitt für das Kühlmittel frei gewählt werden kann, so daß keine zu hohen Kühlmitteidrücke notwendig sind. Gleichzeitig ergibt die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß ohne nennenswerte Einbuße an Wärmeleitfähigkeit gasdichte Hüllmäntel mit Räumen zur Aufnahme des Spaltgases außerhalb der aktiven Zone verwendet werden können,

Die Erfindung betrifft damit einen Kugelhaufenreaktor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist. Das Neue besteht dabei darin, daß Brennelemente mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen vorgesehen werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In den Figuren sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In diesen Ausführungsbeispielen ist sowohl das Brennelement selbst als auch ein das Brennelement umschließender gasdichter Hüllmantel im wesentlichen kugelförmig ausgebildet. Diese Verwendung eines kugelförmigen Brennelementes ist bei gleichzeitiger Anwendung einer gasdichten Umhüllung vorteilhaft, da eine Kugel wegen des gleichmäßigen Aufbaues im Innern zweifellos sehr hohe Drücke aushalten kann. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Form des Brennelementes beschränkt«Außerdem ist es nicht notwendig, daß die Brennelemente einen gasdichten Hüllmantel besitzen. Beispielsweise könnte auch ein quaderförmiges Brennelement ohne gasdichte Umhüllung in einer außen kugelförmig ausgebildeten Umhüllung gelagert sein, ohne daß die prinzipiellen Vorteile eines Kugelhaufenreaktors und die sich durch die perforierte Umhüllung ergebenden Vorteile entfallen wurden. In den Ausführungebeispielen besteht die perforierte Umhüllung aus gestanztem Blech, es kann aber auch ein genügend biegesteifer Maschendraht oder eine änderet für das Kühlmittel durchlässige Umhüllung vorgesehen sein.

Die einfachste Form der Lagerung eines Brennelementes 1 mit einem gasdichten Hüllmantel 2 im Innern einer perforierten

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Umhüllung 3 ist in Fig. 1 dargestellt. Hier besteht das Brennelement 1 und der gasdichte Hüllmantel 2 aus je einer Kugel, die lose in der ebenfalls kugelförmig ausgebildeten Umhüllung 3 liegt. Das Gewicht des Brennelementes hält jede Kugel in der in Fig. 1 dargestellten Lage fest, so daß sich bei einer Schüttung - bei der die Umhüllungen 3 unmittelbar aneinander anliegen ebenfalls gleiche Abstände zwischen den Mittelpunkten der Brennelemente 1 ergeben. Abhängig von der Geschwindigkeit des Kühlmittelstromes ist es bei dieser Anordnung möglich, daß die Brennelemente 1 ihre in Fig. 1 dargestellte Lage verlassen, so daß es zu Ungleichmäßigkeiten in der Brennelementverteilung kommen kann. Dies läßt sich aber vermeiden, wenn der Kühlmittelstrom nicht von unten nach oben oder von der Seite sondern nur von oben nach unten gerichtet ist. In diesem Falle wirkt die Schwerkraft und der Kühlmittelstrom in gleicher Richtung, so daß das Brennelement 1 keine Veranlassung hat, aus der in Fig. 1 gezeichneten Lage zu entweichen. Für den Fall, daß die Brennelementausbildung nach der Erfindung für einen Reaktor eingesetzt werden soll, bei dem es zulässig ist, daß Spaltgase in das Kühlmittel entweichen, läßt sich ohne weiteres auch das Brennelement 1 ohne den gasdichten Hüllmantel 2 innerhalb der perforierten Umhüllung 3 anordnen.

Aber auch eine Zentrierung des Brennelementes im Innern der perforierten Umhüllung 3 ist ohne großen Aufwand möglich, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Hier besitzt die perforierte Umhüllung 3 nach innen gerichtete Einkerbungen 4, die im Ausführungsbeiepiel nach Fig. 2 jeweils räumlich um 120° gegeneinander versetzt angeordnet sind, so daß insgesamt vier Einkerbungen ausreichen, um das Brennelement 1 in der Mitte der perforierten Umhüllung 3 zu zentrieren. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß die Richtung des Kühlmittelstromes beliebig gewählt werden kann, ohne daß ungleichmäßige Verteilungen des Brennstoffes im Reaktor zu befürchten sind, und daß weiterhin eine gleichmäßigere Kühlung des Brennelementes 1 dadurch erfolgen kann, daß die Berührungsfläche zwischen Brennelement und Hüllmantel erstens kleiner und zweitens gleichmäßig über den Umfang des Brennelementes verteilt ist. Die einzelnen Kugeln sind jeweils aus Halbschalen zusammengesetzt, die an Schweißnähten 5 miteinander verschweißt sind.

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Für den Fall, daß die Perforierung in der Umhüllung 3 durch Einstanzen von löchern in die Umhüllung 3 erzielt wird, stellt die Ausführungsform nach Fig. 2 keinen wesentlichen Mehraufwand gegenüber der Ausführungsform nach.Fig. 1 dar, da die Einkerbungen 4 im gleichen Stanzvorgang mit der Perforierung angebracht werden können.

In den Fig. 3 und 4 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszei-•chen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. Hier sind zwischen Brennelement 1 und gasdichtem Hüllmantel 2 Spaltgasräume außerhalb der aktiven Zone vorgesehen. Diese Spaltgasräume entstehen durch Ausweiten des gasdichten Hüllmantels 2 an bestimmten Stellen der Oberfläche des Brennelementes 1, so daß der gasdichte Hüllmantel 2 nach außen gerichtete Warzen aufweist. Diese Warzen sind in Fig. 3 kleiner gewählt als die Einkerbungen in der perforierten Umhüllung 3, die nach innen gerichtet sind und an dem gasdichten Hüllmantel 2 anliegen, so daß man nach wie vor mit nur vier Berührungsstellen zwischen dem gasdichten Hüllmantel und der perforierten Umhüllung auskommt, unabhängig von der Zahl und G-röße der zur Bildung von Spaltgasräumen zwischen Brennelement und gasdichtem Hüllmantel 2 vorgesehenen, nach außen gerichteten Warzen in der gasdichten Umhüllung 2.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der gesamten Brennelementanordnung ergibt sich dann, wenn man die Höhe der nach außen gerichteten Warzen des gasdichten Hüllmantels 2 so groß macht, daß diese am inneren Umfang der perforierten Umhüllung 3 anliegen, die so gleichzeitig Spaltgasraum schaffen, zur Zentrierung des Brennelementes dienen und die perforierte Umhüllung mechanisch unterstützen. Bei dieser Ausführung können die nach innen gerichteten Einkerbungen in der perforierten Umhüllung 3 wegfallen und an die Biegesteifigkeit des Materials werden geringere An-Ϊorderungen gestellt.

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   Patentansprüche:

   . 1.)JKugelhaufenreaktor mit geschütteten, in kugelförmig ausgebildeten Umhüllungen angeordneten Brennelementen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Brennelement (1) in einer perforierten, für das Kühlmittel durchlässigen, mindestens außen kugelförmig ausgebildeten Umhüllung (3) gelagert ist und daß der Innenraum der Umhüllung so groß gewählt ist, daß zusätzlich zum Brennelement (1) auch Kühlmittel enthalten sein kann.
2. 2.) Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1 mit Brennelementen, die von der Umgebung durch einen gasdichten Hüllmantel getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement (1) mit dem gasdichten Hüllmantel(2) in einer perforierten, für das Kühlmittel durchlässigen, mindestens außen kugelförmig ausgebildeten Umhüllung (3) gelagert ist.
3. 3.) Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierte Umhüllung (3) nach Innen vorstehende Einkerbungen (4) besitzt, die das Brennelement (1) im Zentrum der perforierten Umhüllung (3) fixieren (Fig. 2 und 3).
4. 4.) Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gasdichte Hüllmantel (2) des Brennelementes nach außen vorstehende Y/arzen besitzt, an denen die Innenwand nicht an der Oberfläche des Brennelementes anliegt, so daß zusätzlicher Raum für die Aufnahme von Spaltgasen entsteht (Pig. 3).
5. 5.) Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen vorstehenden Warzen des gasdichten Hüllmantels (2) an der Innenwand der perforierten Umhüllung (3) anliegen und damit das Brennelement (1) fixieren (Fig. 4).
6. 6.) Kugelhaufenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierte Umhüllung (3) aus einem Maschendraht besteht.

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