DE2129237A1 - Kernreaktor Brennstab - Google Patents

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street,

London, S.ty.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 29450/70 vom 17.6.1970 beansprucht.

Kernreaktor-Brennstab

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktor-Brennstäbe für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren.

Brennstäbe für gasgekühlte Hochtemperatur-Reaktoren, bei welchen das Kühlmittel grundsätzlich ein inertes Gas, z.B. Helium, ist, weisen gewöhnlich Kernbrennstoff-Preßlinge mit einer Graphitmatrix auf, die in einer Graphithülle eingeschlossen ist, und die Brennstäbe arbeiten mit den Preßlingen bei einer Temperatur von annähernd 1250⁰C. Bei einigen bekannten Brennstäben werden die Preßlinge innen und außen durch koaxiale

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Rohre umschlossen. Zur Aufnahme bzw. zum Ausgleich der Formänderung der Preßlinge und der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Hülle und der Preßlinge ist die innere Hülle gewöhnlich relativ zutfäußeren Hülle und zwischen zwei Endverschlüssen für den Brennstab verschiebbar ausgeführt.

Gemäß der Erfindung weist ein Kernreaktor-Brennstab für einen gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor einen Stapel von ringförmigen Kernbrennstoff-Preßlingen mit einer Graphitmatrix auf, die in einer Ringkammer eingeschlossen ist, die durch zwei koaxiale Rohre begrenzt wird, welche dicht und starr am einen Ende miteinander verbunden sind, um einen Endverschluß an jenem Ende der Kammer zu bilden, und die beiden Rohre sind am anderen Ende durch einen Flansch oder Absperrteil bzw. Stopfen verschiebbar miteinander verbunden, um einen zweiten Endverschluß zu bilden, wobei die Gleitverbindung zwischen dem zweiten Endverschluß und dem inneren Rohr angeordnet ist und der Stapel von Preßlingen an den zweiten Endverschluß angrenzt bzw. an diesem anliegt. Unter Bestrahlung in einem Kernreaktor schrumpfen die Preßlinge radial auf das innere Rohr auf und wachsen bzw. dehnen sich in Längsrichtung aus, wobei sie eine Zugspannung in dem inneren Rohr in Längsrichtung erzeugen, aber da der Stapel von Preßlingen an dem zweiten Endverschluß anliegt und die Rohre an dem anderen Endverschluß miteinander verbunden sind, wird die Längsausdehnung bzw. das Längswachstum der Preßlinge sowohl durch die inneren als auch die äußeren Rohre unterdrückt, derart, daß die elastische und verformende Spannung in Längsrichtung im inneren Rohr reduziert wird.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktor, der Stapel aus Graphitblöcken mit Bohrungen, die eine Mehrzahl von parallel durch den Raktor ver-

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laufenden Kanälen bilden, sowie eine Mehrzahl von Brennstäben aufweist, die in den Kanälen aufgeschichtet sind, wobei die Brennstäbe gemäß Anspruch 1 ausgebildet sind, Rohre aus

G-raphit aufweisen und in den Kanälen mit ihrem zweiten ISndverschluß in Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet sind, so daß das Kühlmittel, das durch .die Brennstoffrohre in die Brennstoffkammern strömt, infolge des Druckverlustet bzw. Druckgefälles über die Brennstäbe hinweg zuerst durch die G-raphitrohre strömen muß. Diese Anordnung ist somit besonders für Kernreaktorkonstruktionen geeignet, bei welchen der Kühlmittelstrom abwärts durch den Kern des Reaktors gerichtet ist.

Ein erfindungsgemäßer Kernreaktor-Brennstab für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren wird nunmehr anhand der Zeichnung, die eine geschnittene Seitenansicht darstellt, beispielsweise beschrieben.

Der Brennstib umfaßt einen Stapel aus Brennstoff-Preßlingen 1 (bestehend aus beschichteten Uranoxidteilchen in einer Graphitmatrix), die in einer Ringkammer 2 eingeschlossen sind, welche durch zwei koaxiale G-raphitrohre 3 und 4 begrenzt wird. Die Rohre sind am einen Ende durch ein Schraubengewinde 5 starr und dicht aneinander befestigt, um das Ende der Kammer zu verschließen. Das äußere Rohr 4 weist einen radial nach innen vorspringenden Flansch 6 auf, der durch ein Schraubengewinde 7 befestigt ist, eine Gleitflache 8 für das innere Rohr 3 bildet und das andere Ende der Kammer 2 schließt. Ein Spielraum 9 ist vorgesehen, um solche Dimensionsänderungen der Brennstoff-Preßlinge und Graphitrohre in Längsrichtung aufzunehmen, wie diese ohne weiteres auftreten können, z.B. aufgrund von

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Entspannungen in diesen !eilen, wenn die radiale Wechselwirkung zwischen den Brennstoff-Preßlingen, und dem inneren Rohr unter Abschaltbedingungen des Reaktors vermindert oder beseitigt wird. Das äußere Rohr weist drei abstandsgleich angeordnete Längsrippen 10 auf, welche ein Verbiegen des Brennstabes unter Bestrahlung verhindern und außerdem dazu dienen, den Brennstab zentrisch innerhalb einer Längsbohrung im Moderatormaterial eines Reaktors festzulegen. Der Kühlmittelstrom in dem Reaktor verläuft durch die Längsbohrung sowie über und durch den rohrförmigen Brennstab, wobei Wärme sowohl durch die inneren als auch die äußeren Rohre auf das Kühlmittel übertragen wird.

Unter Bestrahlung schrumpfen die Preßlinge radial auf das Rohr 3 auf und wachsen in Längsrichtung, so daß, wenn die Preßlinge genügend geschrumpft sind, um das innere Rohr zu halten, eine Zugspannung in dem Rohr über den größten Teil seiner Länge durch- ein weiteres Wachsen bzw. eine v/eitere Ausdehnung in Längsrichtung erzeugt wird (eine Druckspannung wird in dem Bereich erzeugt, der sich über den Spielraum 9 hinaus erstreckt). Der weiteren Längsausdehnung wird außerdem durch das andere Rohr wegen der Angrenzung des Stapels von Preßlingen an den Plansch 6 und wegen der starren Verbindung des abgedichteten Endverschlusses entgegengewirkt, so daß die Spannung infolge .der Dehnung bzw. des Wachstums bedeutend geringer ist als wenn dem Wachstum der rreßlinge lediglich durch das innere Rohr Widerstand entgegengesetzt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Ringkammer durch Hohlbohren einer einzelnen Bohrung im Graphit hergestellt.

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Die Brennstäbe werden in einem Kernreaktor verwendet, in dem das Moderatormaterial prismatische Graphitblöcke umfaßt, die zusammengeschichtet sind, um die Moderatormasse zu bilden. Die Blöcke weisen Bohrungen auf, welche zusammenwirken, um eine Vielzahl von vertikalen Kanälen zu bilden, und jeder Kanal enthält einen Stapel der beschriebenen Brennstäbe. Der Kühlmittelstrom (Helium) erfolgt abwärts durch die Kanäle, und die Brennstäbe sind derart angeordnet, daß sich ihr Flansch 6 jeweils zuunterst befindet. ™

Im Betrieb wird ein Druckgefälle über die Brennstäbe hinweg erzeugt, aber da die obersten Enden der Brennstäbe abgedichtet sind, strömt jedes Kühlmittel, das in den Brennstab eintritt, durch die Rohre hindurch, und irgendwelche Sauerstoff träger in dem Helium reagieren mit dem Graphit, bevor sie den Brennstoff erreichen.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausfiihrungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten M

Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Batentansprüche

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Claims (3)

1. 71 054 Pu/Schm 11. Juni 1971

   Patentansprüche

   1 .J Kernreaktor-Brennstab für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren mit Brennstäben, die einen Stapel von ringförmigen Kernbrennstoff-Preßlingen enthalten, welche eine Graphitmatrix aufweisen, die in einer durch zwei koaxial angeordnete Rohre begrenzten Ringkammer eingeschlossen ist, wobei die Rohre dicht und starr am einen Ende miteinander verbunden sind, um einen Endverschluß an jenem Ende der Kammer zu bilden, und die durch einen Plansch oder einen Absperrteil bzw. Stopfen am anderen Ende verschiebbar verbunden sind, um einen zweiten Endverschluß zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitverbindung (8) zwischen dem zweiten Endverschluß (6,7) und dem inneren Rohr (3) angeordnet ist und daß der Stapel von Preßlingen (1) an den zweiten Endverschluß (6,7) angrenzt.
2. 2. Gasgekühlter Hochtemperatur-Kernreaktor mit Stapeln aus Graphitblöcken, die Bohrungen aufweisen, welche eine Mehrzahl von parallelen Kanälen bilden, die sich vertikal durch den Reaktor erstrecken, und mit einer Mehrzahl von Brennstäben, die innerhalb der Kanäle aufgeschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe, die gemäß Anspruch 1 ausgebildet sind, Rohre (3,4) aus Graphit aufweisen und in den Kanälen mit ihren zweiten Endverschlüssen (6,7) stromabwärts des Kühlmittelstromes angeordnet sind.

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3. 3. Gasgekühlter Hochtemperatur-Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom abwärts durch den Reaktor gerichtet ist.

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