DE2222215A1 - Kernbrennstoffelementanordnung mit verschieden dickem Mantel - Google Patents

Description

CP 425/1074 München, den - 5, Mai 1972

Dv.M/rt B 4092.3 PG

Commissariat ä I¹Energie Atomique in Paris, Frankreich

Kernbrennstoffelementanordnung mit verschieden dickem Mantel.

Die Erfindung betrifft eine Kernbrennstoffelementanordnung von dem gegenwärtig in mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktoren und mit flüssigem Natrium gekühlten Kernreaktoren benutzten Typ, der mindestens ein Bündel langer umhüllter Nadeln von Kernbrennstoff, die parallel zueinander in einem regelmäßigen Netz angeordnet sind, und einen Mantel aufweist, der das Bündel enthält und von einem Kühlmedium durchströmt wird. Die Nadeln ein und desselben Bündels werden im allgemeinen von einem mit dem Mantel fest verbundenen Gitter getragen, das Schienen trägt, auf die die Endstopfen der Nadeln aufgeschoben sind. Der Mindestabstand der Nadeln über die Länge des Bündels ist durch Abstandshalter festgelegt, die als Spirale mit großer Ganghöhe um jede Nadel gewickelt sind. Die Nadeln ein und desselben Bündels sind dabei in einem regelmäßigen Dreiecksnetz in einem Mantel mit hexagonalem Querschnitt angeordnet.

Die Kernbrennstoffelementanordnungen des oben definierten Typs, die hohe speaifische Abbrände von mindestens 100 000 Mwj/t in den pro-

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jektierten Kernreaktoren erreichen sollen, müssen die Aufblähung des Mantels unter Bestrahlung berücksichtigen. Diese Ay L bltxKuh* Mantels hat zur Folge, daß die in einer Spaltzone des Reaktors, wo der Neutronenfluß einen hohen Gradienten aufweist, angeordneten Brennelementanordnungen infolge verschieden starker Dehnung der einander gegenüberliegenden Seiten des einen sechseckigen Querschnitt aufweisenden Mantels eine bogen- oder bananenförmige Verformung erleiden, falls keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Diese bogenförmige Verformung hat schwerwiegende Folgen, Sie kann den Querschnitt bestimmter der Kühlung dienender UnterJcanäle der

zur Nadeln vergrößern oder verkleinern und /Bildung heißer Punkte führen, Sie kann die Anordnungen gegeneinander verklemmen und ihre Entnahme bei Entladen erschweren» Diese Folgen sind umso mehr zu befürchten j je länger die Anordnung ist. Da die gegenwärtige Tendenz beim Entwurf und der Konstruktion von Kernbrennstoffelementanordnungen für mit schnellen Neutronen arbeitende , durch flüssiges Natrium gekühlte Kernreaktoren dahin geht, die Länge der Anordnungen zu ver größern, die mehrere Meter erreichen kann, muß die Anordnung so konstruiert sein, daß die Verformung im Prinzip innerhalb annehmbarer Grenzen bleibt.

Man könnte annehmen, daß es zur Lösung des Problems genügte, Brennstoffelementanordnungen ohne Außenmantel zu verwenden. Diese Lösung würde jedoch zu einer Übermäßigen Kühlung von am Rande längs des Zwischenraums zwischen zwei benachbarten Anordnungen befindlichen Nadeln und einer sehr gefährlichen Krümmung derselben führen, was die Gefahr einer gegenseitigen Blockierung der benachbarten Anordnungen herbeiführen würde, falls man nicht die Nadeln durch in axialer Richtung sehr nahe beieinander angeordnete Gitter hält. Ferner würde ein etwa eintretendes Schmelzen des Kernbrennstoffs sich leichter über mehrere Anordnungen weiter erstrecken.

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Eine andere sofort ins Auge fallende Lösung besteht darin, die Richtung und/oder Stellung jeder Brennelementanordnung periodisch zu verändern, damit die Blähung des Mantels homogen erfolgt, jedoch ist diese Lösung sehr unbequem durchzuführen«

Man könnte auch noch in Betracht ziehen» dem Phänomen der bogenförmigen Verformung dadurch entgegen zu wirken, daß man den Mantel mit einer genügend geringen Wandstärke ausbildet, daß er biegsam bleibt und bei seiner Verformung die Nadeln nicht mitnehmen kann, oder» anders gesagt, daß er durch die Nadeln gerade gehalten wird. Leider kann die Wandstärke des gesamten Mantels mindestens in den sehr langen Brennelementanordnungen nicht genügend verringert werden, daß er biegsam bleibt· Der Mantel muß nämlich ohne "Verformung beständig sein gegen die infolge des Druckunterschieds zwischen seinem Innenraum und seiner Umgebung auftretenden Kräfte. Da der Druck in der Umgebung praktisch gleich dem stromabwärts von der Brennelement anordnung herrschenden Druck ist., ist der Druckunterschied zwischen dem Innendruck auf einem bestimmten Niveau der Anordnung und dem Außendruck im wesentlichen gleich dem Druckabfall des Kühlmittels zwischen diesem Niveau und dem Auslaß der Anordnung. Dieser Druckabfall irarm in den gegenwärtig projektierten Kernreaktoren mit Kühlung durch flüssiges Natrium eine Größenordnung von 6 bar erreichen. Unter* diesen Umständen inuS der Mantel eine Wandstärke erhalten j we3.che eine genagende Biegsamkeit ausschließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kernbrennstoffelementanordnung zu schaffen, die den praktischen Anforderungen besser als die bisherigen Anordnungen entspricht und insbesondere selbst in den Bereichen, ψο der Radialgradient des Flusses maximal ist, die Verbiegung bei hohen Bestrahlungsraten auf einen annehmbaren Wert beg rc ίτλ; hzvi, ausschaltet.

. . BAD ORIGINAL

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer üernbrennstoi^:felementanordnung, die mindestens ein Bündel langer umhüllter Nadeln von Brennstoff, die parallel zueinander in einem regelmäßigen Wetz angeordnet sind, und einen das Bündel enthaltenden und von einem Kühlmedium in· einer zu den Nadeln im allgemeiner parallelen Richtung durchströmten Mantel aufweist, erfinaungsgemäß dadurch gelöst» daß die Wandstärke des Mantels im in der Strömungsrichtung des Mediums stromabwärts liegenden Teil geringer ist als in dem stromaufwärts liegenden Teil.

Praktisch wird die maximale Wandstärke des Mantels, also diejenige,, welche sie in deni am weitesten stromaufwärts liegenden Abschnitt aufweist, so gewählt, daß der Mantel ohne merkliche Verformung dem im Betrieb auftretenden Druckunterschied -wiedersieht, während dta. li'cxtöstärke in dem stromabwärts liegenden Teil so gewählt wird, daß der Mantel den bei der Handhabung der Brenne.1emeni:ano.vdm?nc? s.uftret end an Stog- und Druckspannungen widersteht. Im allgemeiner), bedeutet die Einhaltung dieser .Bedingung, daß der stromabwärts liegende Teil e?Lne größere Wandstärke aufweist, als für die Beständigkeit äes Mantels gegenüber dem Unterschied zwischen dem Innen™ und £.ußen« druck erforöarlich wäre.'

Im häufigsten FaIl₅ bei dem durch die Brennelementanordnung ein aufsteilender Strom von Kühlmittel strömt, ist der untere_P am Fuß der Anordnung befestigte Teil des Mantels am dicksten ausgebildet.

Im Fall einer Brennelementanordnung, die ein unteres Bündel von ein Spaltmaterial enthaltenden Nadeln und ein oberes Bündel von nur Brutmaterial enthaltenden Nadeln aufweist, ist die Veränderung der Wandstärke vorteilhafterweise in dem zwischen dem Spaltmaterialbündel und Brutmaterialbündel liegender« Zwischenbereieh vor ge Beben ο

Die Erfindung wird erläutert durch ä.:ic= ^r-'o'Jcu'.odii «^s-.rhT-oibi^g von

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nur als Beispiel angegebenen Ausführungsformen. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Brennelementanordnung mit zwei übereinander angeordneten Bündeln im Schnitt längs ihrer senkrechten Mittelebene;

Fig. 2 in größerem Maßstab den in Fig. 1 τη einem strichpunktierten Kreis gezeichneten Ausschnitt;

Fig. 3 in größerem Maßstab ähnlich Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform des Mantels.

Fig. 1 zeigt eine der Brennelementanordnungen 10, die nebeneinander stehend die Spaltzone eines mit schnellen Neutronen arbeitenden und durch Aufstromkühlung von flüssigem Natrium gemäß den Pfeilen f gekühlten Kernreaktors bilden sollen. Die Brennelementanordnung 10 weist einen Fuß 12 auf, der in einem nicht gezeigten, die Spaltzone tragenden Bodengerüst sitzt. Jede Brennelement anordniAng ist begrenzt durch einen Mantel 14 mit hexagonalem Querschnitt, der einen Strömungskanal für das Natrium bildet, und am Fuß 12 und an einem Handhabungskopf 1β befestigt ist» Das Innere des Kopfes 16 ist mit einem Ring 18 aus Neutronen absorbierendem Material ausgekleidet. Die nebeneinander angeordneten Ringe -18 bilden eine obere Neutronenabschirmung der Spaltzone. Die Außenfläche des Mantels 14 ist glatt und zeigt über seine ganze Länge einen gleichbleibenden Querschnitt.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung weist zwei übereinander angeordnete Nadelbündel auf. Die Nadeln 20 des unteren Bündels, die von einem am Fuß 12 befestigten Gitter 21 getragen sind, sind sogenannte "iniegrierte" Nadeln. Die Hülle jeder Nadel 20 enthält nacheinander '/On unten nach oben, d.h. in der Strömungsrichtung des Kühlmittels» iiU/e den Bereich 22 einnehmende Spa).fccjdssammelkamruer, eine den Bereich 24 einnehmende Säule von Tabletten aus Brutmaterial (z.B. ab»

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gereichertem üranox^d ), eine den Bereich 26 einnehmende Säule von Tabletten aus Spaltmaterial (z.B. gemischtes Oxid von Uran und Plutonium), und schließlich einen Raum, der die Ausdehnung der Tablettensäule des Spaltmaterials nach oben ermöglicht und eine Feder zum Festhalten der Säule der Spaltmaterialtabletten enthalten kann.

Die an einem Gitter 32 aufgehängten Nadeln 30 des oberen Bündels sind mit Tabletten aus Brutmaterial gefüllt und weisen im allgemei~ nen einen größeren Durchmesser als die Nadeln 20 auf, da ihre Wärmeentwicklung geringer ist.

Der Mantel der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Brennelementanordnung besteht aus zwei aneinander befestigten Abschnitten. Der untere Abschnitt 34 zeigt eine gleichbleibende Wandstärke, die ausreicht, daß er ohne wesentliche Verformung dem Druckunterschied zwischen dem Eintrittsdruck des Kühlmittels in die Anordnung und dem Atißendruck widersteht. Da alle Brennelementanordnungen eines Kernreaktors vorzugsweise untereinander austauschbar sein sollen, ist diese Wandstärke praktisch entsprechend dem vorgesehenen maximalen Eintrittadruck in einen gegebenen Reaktor gewählt. Dieser untere Abschnitt erstreckt sich vom Fuß 12, an dem er angeschweißt ist, bis zv.r Zv/ischenzone zwischen dem unteren und oberen Nadelbündel.

Der obere Abschnitt 36 verbindet den unteren Abschnitt mit dem Kopf 16 und zeigt eine deutlich geringere Wandstärke als der Abschnitt 34, wodurch er eine gewisse Biegsamkeit erhält. Dieser obere Abschnitt 36 erstreckt sich vom unteren Abschnitt 34 bis zum Kopf 16. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist er auf einer· Schulter 38 des unteren Abschnitts 34 angeschweißt, sodaß die Außenfläche des Mantels eben bleibt.

Als Beispiel sei angegeben, daß eine Bremselement anordnung äe-i ,-.-bar. beschriebenen Typs von 4,3ü m Länge £ν.τ einen mit schnellen Neutronen arbeitenden und durch flüssiges Natrium gekühlten Kernreaktor

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vorgesehen wurde. Der maximale Einlaßdruck in die Anordnungen lag in der Größenordnung von 6 bar. Unter diesen Bedingungen hatte der untere Abschnitt 34 eine Wandstärke von 3,5 mm, der obere Abschnitt eine solche von 1 mm.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform erfordert praktisch, daß die ' Abschnitte an der Schulter 38 durch Elektronenstrahl geschweißt werden, da eine Lichtbogenschweißung zu einer verschiedenen Erwärmung der beiden Abschnitte führt, was eine fehlerhafte Verbindung zur Folge haben könnte, um die Erwärmung gleichmäßiger zu gestalten und eine Lichtbogenschweißung zu ermöglichen, kann man den oberen Abschnitt 36* und den unteren Abschnitt 34' durch eine an diesen beiden Abschnitten jeweils durch Lichtbogenschweißung angeschweißte Zwischenmuffe 40 verbinden.(Fig. 3).

Die Erfindung umfaßt auch weitere Abwandlungen, insbesondere kann der Mantel 14 über seine gesamte Läuse statt eines gleichbleibenden Außen quer schnitt s einen gleichbleibenden Innenquerschnitt aufweisen,. was eine gleichmäßige Strömung des Natriums im Inneren der Brennelement anordnung ermöglicht»

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   M,JKernbrennstoffelementanordnung, welche mindestens ein Bündel langer umhüllter Nadeln von Brennstoffs die parallel zueinander in einem regelmäßigen Netz angeordnet sind, und einen das Bündel enthaltenden und von einem Kühlmedium in einer au den Nadeln im Ganzen parallelen Richtung durchströmten Mantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Mantels (14) in seinem in der Strömungsrichtung des Kühlmittels stromabwärts liegenden Teil (36) kleiner ist als im stromaufwärts liegenden Teil (34).
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel über seine ganze Länge einen gleichbleibenden äußeren oder gleichbleibenden inneren Querschnitt aufweist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2_f die für einen aufsteigenden Ktihlmittelstrom bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der dikker als der obere Teil ausgebildete untere Teil (34) des Mantels eine genügende Wandstärke aufweist, um dem Druck des Kühlmittels ohne wesentliche Verformung zu widerstehen»
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Bündel von Nadeln, die ein Spaltmaterial enthalten, und einem nur Brutmaterial enthaltenden Bündel, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel von einem Ende bis zum Zwischenbereich zwischen aem Spaltmaterialbündel und dem Brutmaterialbündel eine gleichbleibende Wandstärke und jenseits davon eine gleichbleibende andere Wandstärke aufweist.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (14) aus mehreren Abschnitten (34, 36} von jeweils konstanter Wandstärke besteht, die durch Schweißnähte miteinander verbunden sind.

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6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (14) aus mehreren Abschnitten, die jeder eine gleichbleibende Wandstärke aufweisen und untereinander durch Muffen verbunden sind, besteht.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche ! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (l4) einstückig ausgebildet ist.

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