DE2222157A1 - Kernbrennstoffelementanordnung, insbesondere fuer mit schnellen neutronen betriebene kernreaktoren - Google Patents

Description

ep 427/1078

München, den -5, Mai 1972

B 4093-3 PG Dr.M/rt

Commissariat ä 1'Energie Atomique in Paris, Frankreich

Kernbrennstoffelementanordnung, insbesondere für mit schnellen Neutronen betriebene Kernreaktoren*

Die Erfindung betrifft eine Kernbrennstoffelementanordnung des gegenwärtig in mit schnellen Neutronen betriebenen und mit flüssigem Natrium gefühlten Kernreaktoren benutzten Typs, der mindestens ein Bündel von langen Nadeln aus umhülltem Kernbrennstoff, die parallel zueinander in einem regelmäßigen Netz angeordnet sind, und einen Mantel in Form eines prismatischen Gehäuses mit mehreckigem Querschnitt, der von einem Kühlmittel durchströmt ist und das Bündel enthält, aufweist. Die ein und dasselbe Bündel bildenden Nadeln sind im allgemeinen von einem mit dem Mantel fest verbundenen Gitter getragen, welches Schienen aufweist, auf die die Endstopfen der Nadeln aufgezogen sind. Der Mindestabstand der Nadeln längs des Bündels ist durch Abstandshalter bestimmt, die als Spiralen mit großer Ganghöhe um jede Nadel gewickelt sind. Die Nadeln ein und desselben Bündels sind vorzugsweise in einem regelmäßigen Dreiecknetz in einem Mantel mit hexagonalem Querschnitt angeordnet.

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Die Kernbrennstoffelementanordnungen des oben definierten Typs, wj&che hohe Abbrandraten von 100 000 Mwj/t mindestens in den projektierten Kernreaktoren erreichen sollen, müssen die unter Bestrahlung auftretende Blähung der den Mantel bildenden werkstoffe berücksichtigen. Alle praktisch verwendbaren Materialien blähen sich merklich unter Bestrahlung, wenn diese einen in solchen Reaktoren bei weitem erreichten Wert übersteigt, mit einer je nach den Materialien verschiedenen Verzögerung. Aus dieser Blähung des Mantels folgt, daß die in*einer Spaltzone des Reaktors, wo der Neutronen-

bef indlichen Anordnungen

f-luß einen hohen Gradienten auf we ist,/infolge der verschiedenen Dehnung der einander gegenüberliegenden Seiten des Mantels mit rechteckigem Querschnitt sich biegen, wenn keine Gegenmaßnahme ergriffen wird. Diese Biegung kann die Anordnungen verklemmen und die Handhabung des Brennstoffs erschweren. Außerdem wird dadurch der Querschnitt bestimmter Unterkanäle, die von den Nadeln zwischen sich begrenzt werden, vergrößert oder verringert, und es werden heiße Punkte erzeugt. Die auf der Hand liegende Lösung, die Richtung oder Stellung der Kernbrennstoffelementanordnungen periodisch zu wechseln, ist in der Praxis außerordentlich unbequem. Man könnte nun annehmen, daß zur Behebung des Problems nur Kernbrennstoffelement anordnungen ohne Außenmantel verwendet werden könnten, jedoch führt eine solche Lösung zu einer übermäßigen Kühlung der längs des Zwischenraums zwischen zwei benachbarten Anordnungen befindlichen Nadeln und zu einer sehr gefährlichen Krümmung dieser Nadeln, wodurch sich die Anordnungen gegenseitig blockieren könnten, wenn man nicht die Nadeln durch in axialer Richtung sehr nahe beieinander liegende Gitter hält, Außerdem erstreckt sich ein etwa auftretendes Schmelzen des Brennstoffs hier leichter auf mehrere Anordnungen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kernbrennstoff-

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elementanordnung zu schaffen, welche den praktischen Bedürfnissen besser als die bisherigen Anordnungen entspricht und insbesondere die bei hohen Bestrahlungsraten auftretende Krümmung der Anordnungen selbst in den Zonen, wo der Radialgradient des Flusses maximal ist, weitgehend begrenzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kernbrennstoffelementanordnung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß Schlitze, die von den Flächen des Mantelgehäuses gebildeten Dieder durchschneiden und daß über mindestens einen Teil der Länge des Mantels eine dünner als der Mantel ausgebildete Büchse zwischen diesem und dem Nadelbündel angeordnet ist.

Man verteilt so die vom Mantel der üblichen Anordnungen erfüllten Funktionen auf zwei Elemente. Die dünne Büchse leitet den Natriumstrom und kann senkrechten Beanspruchungen beim Laden und Entladen widerstehen. Der Druckunterschied zwischen dem Inneren der Anordnung und ihrer Umgebung drückt tfiese Büchse gegen den dickeren Außenmantel, der den Druckkräften widersteht. Die L&ngsdehnung des Mantels ist wesentlich verringert durch die Schlitze, welche auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Anordnung in verschiedener Weise geschlossen sein können und so die bananenförmige Verformung infolge Krümmung der Anordnung vermeiden.

Die Beanspruchungen, denen der Mantel bzw, die Büchse widerstehen sollen, führen im allgemeinen dazu, daß man das Verhältnis ihrer Wandstärken zwischen 3_f5 und 2 wählt. Beispielsweise kann wan der / Büchse eine Dicke von 1mm und dem Mantel eine Dicke von 3,5 mm geben. Der Mantel und die Büchse bestehen im allgemeinen im Fall von durch flüssiges Natrium gekühlten Kernreaktoren beide aus austerntischem rostfreiem Stahl. "

Dje Schlitze können sehr verschiedene Formen aufweisen. Sie können

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aus getrennten Sägeschhitten bestehen, welche alle die gleiche Neigung zur Achse aufweisen und regelmäßig angeordnet sind, sodaß jeder von ihnen einen Einschnitt eines Dieders des Mantels bildet. Die Schlitze können auch aus einem oder mehreren durchgehenden Sägeschnitten bestehen, die jeder spiralig im Mantel ausgebildet sind, wenn dieser dick genug ist. Nach einer weiter abgewandelten Ausführungsform ist der Mantel durch zur Achse senkrechte Schlitze, die sich über den ganzen Querschnitt des Mantels erstrecken, in Abischnitte verteilt.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung von nur als Beispiele angegebenen Ausführungsformen. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig. 1 schematisch zwei Kernbrennstoffelementanordnungen eines ersten Typs, die in der Spaltzone des Reaktors nebeneinander angeordnet sind, davon eine im Schnitt längs ihrer senkrechten Mittelebene;

Fig. 2 einen schematischen Aufriß des unteren Teils einer Anordnung, eines zweiten Typs;

Fig. 3 schematisch eine.Anordnung eines dritten Typs im Schnitt längs einer senkrechten Ebene;

Fig. 4 schaubildlich einen der Abschnitte, welche den Mantel der Anordnung der Fig. 3 bilden.

Fig. 1 zeigt zwei der Kernbrennstoffelementanordnungen, welche die Spaltzone eines Kernreaktors bilden, der mit schnellen Neutronen betrieben ist und durch einenAufstrom von flüssigem Natrium gekühlt ist. Jede der Anordnungen 10 und 10* weist einen Fuß 11 auf, der in einem Gitterrost 12 eingesetzt ist; der die Spaltzone trägt und einen Kasten bildet, aus dem das von den Wärmetauschern kommende flüssige Natrium in die Spaltzone eindringt. Jede Anordnung ist durch einen Außenmantel 14 in Form eines prismatischen Gehäuses

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mit hexagonaleni Querschnitt, der am Fuß 11 befestigt ist und einen Strömungskanal für das Natrium bildet, und durch einen am Mantel befestigten Handhabungskopf 16 begrenzt. Der Kopf 16 ist innen mit Ringen 18 aus Neutronen absorbierendem Material ausgekleidet. Die nebeneinander liegenden Ringe 18 bilden eine obere Neutronenabschirmung der Spaltzone.

Jeder Mantel 14 enthält eine dünne Büchse 22, die am Fuß 11 und in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform an der den Kopf 16 verlängernden Neutronenabschirmung 18 befestigt ist. Zwischen dieser Büchse und dem Mantel, die beide im allgemeinen aus rostfreiem Stahl bestehen, ist ein geringer radialer Zwischenraum 30 vorhanden.

in Fig. 2 gezeigte Anordnung enthält ein einziges Nadelbündel

26 von sogenannten "integrierten·¹ Nadeln, von denen nur eine gezeigt ist, und welche gleichzeitig beiderseits eines Spaltmaterials Brutmaterial einschließen, kann jedoch auch ein zusätzliches Bündel von kürzeren* mit Brutmaterial gefüllten Nadeln enthalten» das oberhalb des Nadelbündels 26 angeordnet ist und zu einer oberen Abdeckung gehört.

Die Büchse 22 ist genügend dünnwandig ausgebildet» daß sie durch den Druckunterschied zwischen dem Inneren der Anordnung und dem in der Umgebung herrschenden Druck mindestens im unteren Teil der Anordnung-, wo der Druckunterschied am größten ist» gegen den Mantel 14 gedrückt wird. Ihre Wandstärke ist jedoch ausreichend, daß die Büchse 22 für sich den Zug- und Druckbeanspruchungen widerstehen kann, die bei der Handhabung des Brennstoffs auftreten, wobei die Büchse 22 dann allein das Gewicht des Fußes 11 und des Brennstoff nadelbündels 26 zum Kopf 16 überträgt, wie im Folgenden ersichtlich. Der Mantel 14 besitzt dagegen eine genügende Wandstärke, daß er den vom Inneren der Anordnung nach außen hin wirkenden Druckkräften widersteht, die auf ihn durch die Büchse 22 über-

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tragen werden, wenn diese sich unter der gemeinsamen Wirkung des Drucks und der Bestrahlung aufbläht. Damit sich der Mantel 14 ohne Verformung zu einer Banane aufblähen kann, wenn die Anordnung in eine Zone eingesetzt ist, die einen hohen Radialgradienten des Neutronenflusses aufweist, ist er mit einer Reihe von Schlitzen versehen. Diese Schlitze schneiden alle Dieder (Kanten) des Mantels und lassen zwischen sich nur einen geringen oder gar keinen Umfangsabstand bestehen. Sie schließen sich mehr oder weniger nach Maßgabe- der Blähung des Mantels, gegebenenfalls in verschiedener Weise auf den gegenüberliegenden Seiten des Mantels. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind diese Schlitze gemäß einer Spirale ausgerichtet und schneiden jeder einen der Dieder des Mantels 14. Praktisch darf die zwischen zwei benachbarten Schlitzen 28 verbleibende "Brücke" nicht mehr als 50 % der Länge der Schlitze ausmachen. Die Schlitze können im übrigen aneinander anschließen, soda/) sie längs der Anordnung einen durchgehenden Strich bilden*

Die Breite der Schlitze wird so gewählt, daß sie die Blähung, absorbieren können« In der Mehrzahl der Fälle bildet die kumulierte axiale Länge der Schlitze längs des Mantels einen zwischen 0,2 % und 1 % liegenden Bruchteil der Gesamtlänge des Mantels.

Der zwischen dem Mantel 14 und der Büchse 22 verbleibende Zwischenraum 30 muß genügend klein sein, daß die für das Andrücken der Büchse gegen den Mantel 14 erforderliche Blähung derselben nicht zu einer übermäßigen Vergrößerung des Querschnitts der peripheren Unterkanäle für den Durchtritt des Kühlmittels zwischen den Nadeln und der Büchse 22 führt. Praktisch wird man daher einen Zwischenraum in der Größenordnung von einem Millimeter vorsehen. Die peripheren Unterkanäle müssen übrigens für die Anordnung im Ruhezustanc unterdimensioniert sein, damit sie der Druck im Betrieb auf·eine richtige Abmessung bingt» Beispielsweise sei angegeben, daß im

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allgemeinen eine Büchse von etwa 1 mm Wandstärke und ein Mantel von 3,5 mm Wandstärke im Fall einer Anordnung mit integrierten Nadeln von mehreren Metern von dem für den Kernreaktor "Phenix" vorgesehenen Typ gewählt vird.

Die in Fig.¹ 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der vorangehenden durch die Anordnung der Schlitze. Zur Vereinfachung», sind die in Fig. 2 gezeigten Elemente, die in Fig. 1 ein Gegen- ^! stück haben, mit der gleichen Bezugszahl unter Beifügung des Index a bezeichnet.

Die Anordnung 10a weist also einen Außenmantel 14a mit hexagonalem Querschnitt auf, der an meinem Fuß 11a befestigt ist, der in einen nicht gezeigten Gitterrost eingesetzt ist. Die Schlitze 28a

se
sind hier axial gruppenwei/verteilt, wobei die Sehlitze einer Gruppe

auf dem gleichen Niveau befinden und jeder einen der Dieder des Mantels 14a durchschneiden. Diese Anordnung ermöglicht im Gegensatz zur Fig. 1 eine Oberdeckung der_v Schnittzonen, ohne jedoch den Mantel 14a zu einem Band zu zerschneiden«

Es. sind auch noch andere Schlitzformen möglich, beispielsweise eine verschiedene Neigung von einem Dieder zum folgenden oder von einem Niveau zum anderen, oder ein mehrere Dieder erfassender Schnitt.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform besteht der Mantel 14b nicht mehr aus einem einzigen Stück, sondern aus !nebeneinander angeordneten Abschnitten 32 (Fig. 4). Der Fuß 11b ist mit dem Kopf-16b durch die am Fuß und Kopf angeschweißte Büchse 22b verbunden. Die kumulierte "Länge der Abschnitte der gezeigten Anordnung ist so gewählt, daß, wenn sie gegeneinander drücken und auf einer dafür vorgesehenen Schulter 34 des Fußes aufsitzen, zwischen der Oberkante des Stapels und der ihr gegenüberliegenden ebenen Fläche des

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Kopfes ein Spiel J verbleibt, welches jedoch nicht stets erforderlich ist.

Bei dieser Ausführungsform dient die innere Büchse noch zur Leitung des Kühlmittelstroms und zur Übertragung der Längskräfte bei der Handhabung der Anordnung. Die Abschnitte 32 bilden Bundringe, welche die radiale Blähung der Büchse 22b begrenzen. Der im Ruhezustand zwischen der Büchse und dem Bundring vorhandene Zwischenraum und die Wandstärken können von gleicher Größenordnung wie im obigen Fall sein. Die so erhaltene Anordnung weist eine hohe Nachgiebigkeit auf, welche Verformungen zu einer Banane vermeidet.

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Claims (3)

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   Patent ansprüche

   M.jKernbrennstoffelementanordnung, welche mindestens ein BUndel von langen und umhüllten Brennstoffnadeln, die parallel zueinander in einem regelmäßigen Netz angeordnet sind, und einem Mantel in Form eines prismatischen Gehäuses mit polygonalem Querschnitt, der dieses Bündel enthält und von einem Kühlmittel durchströmt wird, aufweist, gekennzeichnet durch Schlitze (28), welche die von den Flächen des Gehäuses des Mantels (14) gebildeten Dieder schneiden, und eine Büchse (22) von geringerer Wandstärke als der Mantel, die über mindestens einen Teil der Länge des Mantels zwischen diesem und dem Nadelbündel (26) angeordnet ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Wandstärke des Mantels (14) und der der Buchse (22) zwischen 3,5 und 2 liegt.

   3ν Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß der radiale Zwischenraum (30) zwischen der Büchse (22)'und dem Mantel (14 im Ruhezustand von gleicher Größenordnung wie die Wandstärke der Büchse (22) ist.

   4* Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (23) gemäß einer Spirale ausgerichtet sind und jeder mindestens einen der Dieder des Mantels (14) durchschneiden*

   5* Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (28) aneinander anschließen und einen durchgehenden Schnit bilden, der den Mantel (14) zu einem Band zerteilt«

   6» Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (28a) in mehreren Gruppen längs der Achse der Anordnung verteilt sind, wobei die Schlitze einer Gruppe zueinander parallel auf dem gleichen Niveau verlaufen und jeder- mindestens einen der

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   Dieder des Mantels zerschneiden»

   7 Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Schlitze (28a) einer Gruppe zur Achse entgegengesetzt der Neigung der Schlitze (28a) einer benachbarten Gruppe ist.

   8.- Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (14) durch zur Achse senkrechte und über den ganzen Querschnitt des Mantels reichende Schnitte in Abschnitte (14b) zerschnitten ist.

   9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für einen durch flüssiges Natrium gekühlten Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (14) und die Büchse (22) aus austenitischem rostfreiem Stahl bestehen.
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