DE1083445B

DE1083445B - Brennstoffelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1083445B
Application number: DEU6162A
Authority: DE
Inventors: Robert Bruce Gordon; Walter Johnson Hurford; William Austin Johnson
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1958-04-29
Filing date: 1959-04-29
Publication date: 1960-06-15
Also published as: US3070527A; GB885891A; FR1230671A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Brennstoffelemente für Kernreaktoren.

Die bisher in Kernreaktoren verwendeten Brennstoffelemente weisen gewöhnlich Umhüllungsplatten auf, in denen der Spaltstoff in metallischer Form vorhanden ist. Ein Erfordernis für Brennstoffelemente der erwähnten Art besteht darin, daß der Spaltstoff mit der Umhüllung metallurgisch verbunden sein muß. Brennstoffelemente dieser Art werden gewöhnlich zusammengebaut und dann auf die endgültige Größe gestreckt und auf die endgültige Dicke herabgesetzt, was durch an sich bekannte Mittel, beispielsweise durch Warmwalzen geschehen kann. Während einer solchen Bearbeitung des Brennstoffelements wird der Spaltstoff metallurgisch mit der Umhüllung verbunden, wodurch gute Wärmeübertragungseigenschaften erzielt werden.

Weiterhin sind Brennstoffelemente in Form zylindrischer Stäbe bekannt, in welchen ein keramisches Brutmaterial verwendet wird. Dabei kann das keramische Brutmaterial aus einer Vielzahl von zylindrischen verdichteten Pellets bestehen, die in einem zylindrischen Rohr bzw. in einer zylindrischen Umhüllung angeordnet sind, in deren offenen Enden Endverschlüsse eingesetzt sind und in der das keramische Material nicht mit der Umhüllung haftend verbunden ist. Die Umhüllung kann aus einem geeigneten Material mit einem geringen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, Aluminium, Zirkon oder aus einer Zirkonlegierung bestehen. Wegen der Fertigkeitseigenschaften von Zirkon und Zirkonlegierungen wird dieses Material allgemein verwendet.

Bei der Verwendung von zylindrischen Brennstoffelementen, in denen sich keramischer Spaltstoff 'befindet, bestehen mehrere Nachteile. Diese Nachteile bestehen darin, daß ein Zirkonrohr für größere Längen schwierig herzustellen ist, so daß es in vielen Fällen notwendig war, die vielen Brennstoffelemente aus einer Vielzahl kurzer rohrförmiger Elemente herzustellen, die üfeereinandergestapelt sin'd. Ein weiterer Nachteil rohrförmiger keramischer Brennstoffelemente besteht darin, daß hohe Innentemperaturen im keramischen Material infolge der schlechten Wärmeübertragung zwischen dem keramischen Material und der Umhüllung auftreten, wenn keine haftende Verbindung zwischen dem Spaltstoff und der Umhüllung besteht. Dieser Nachteil wird noch durch den Umstand verstärkt, daß bei rohrförmigen Brennstoffelementen die zwischen dem Spaltstoff und der Umhüllung verfügbare Wärmeübertragungsfläche begrenzt ist. Darüber hinaus haben die Brennstoffelemente einen verhältnismäßig großen Durchmesser, wodurch ebenfalls die Innentemperaturen im Spaltstoff erhöht werden.

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission, Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München. 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. April 1958

Walter Johnson Hurford, Bethel Park, Pa.,

Robert Bruce Gordon, Northridge, Calif.,

und William Austin Johnson, Pepper Pike Village,

Ohio (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

Es hat sich in der Praxis erwiesen, daß es außerordentlich schwierig ist, rohrförmige keramische Brennstoffelemente mit kleinen Durchmessern zur Verbesserung ihrer Wärmeübertragungseigenschaften herzustellen. Ein Nachteil der Brennstoffelemente der erwähnten Art, der ernsterer Natur ist, besteht darin, daß während des Betriebs des Reaktors die Umhüllung reißt. Der Spaltstoff ist dann der korrodierenden Wirkung des Reaktorkühlmittels ausgesetzt, das normalerweise eine hohe Temperatur hat und unter hohem Druck steht. Da der Riß der Umhüllung länger wird, treten fast alle durch den Spaltprozeß freigesetzten Spaltprodukte und ein Teil des Spaltmaterials selbst in das Kühlmittel ein, so daß das letztere außerordentlich radioaktiv wird, wodurch die Abschaltung des Reaktors und das Herausnehmen des beschädigten Brennstoffelementes notwendig wird.

Die Erfindung vermeidet die vorerwähnten Nachteile der bisher bekannten Brennstoffelemente durch die Verwendung eines aus flachen Platten bestehenden, abgeteilten, keramischen Spaltstoffelementes, in welchem der Spaltstoff nicht haftend verbunden ist. Dadurch, daß das Erfordernis einer metallurgischen Bindung zwischen dem Spaltstoff und der Umhüllung hier nicht besteht, kann das Brennstoffelement auf seine endgültigen Abmessungen hergestellt werden, ohne daß eine Streckung des Elements und eine Verringerung seiner Größe erforderlich ist. Natürlich können abgeteilte Platten-Brennstoffelemente ebenfalls nach den gleichen Verfahren, beispielsweise

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durch Warmwalzen, hergestellt werden. Ferner wird durch die Verwendung eines flachen, abgeteilten Brennstoffelements mit keramischem Material die Wärmeübertragungsfläche je Volumeinheit des Spaltstoffs auf ein Maximum erhöht, so daß dünnere Brenn-Stoffelemente hergestellt werden können. Hohe Innentemperaturen im Spaltstoff treten somit nicht auf, so daß solche Brennstoffelemente bei höheren Reaktorbetriebstemperaturen verwendet werden können und außerdem eine längere Lebensdauer besitzen. Da das keramische Material aus einem pulverförmigen Material hergestellt wird und keine metallurgische Bindung zwischen dem Spaltstoff und der Umhüllung vorhanden ist, besteht die Möglichkeit einer Verschiebung oder Verlagerung des Materials während des Betriebs des Reaktors.

Das Brennstoffelement gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine flache Füllplatte, die eine Vielzahl von Abteilen aufweist, in denen Spaltmaterial untergebracht ist und durch zwei Abdeckplatten, die an der Füllplatte befestigt sind derart, daß das Spaltmaterial völlig eingeschlossen ist. Das Spaltmaterial kann in Form eines verdichteten Pulvers vorliegen, ■wobei das Pulver unter Druck verdichtet und gesiebt wird, bis es ungefähr 96% der theoretischen Dichte hat. Daher enthält jedes Abteil eine verhältnismäßig kleine Menge Spaltstoff, so daß die Möglichkeit einer Verlagerung des Spaltstoffes auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Spaltstoffabteilen in jedem Brennstoffelement wird die Menge des Spaltmaterials und dessen Spaltprodukte, die dem Kühlmittel ausgesetzt sind, wesentlich verringert, wenn in der Umhüllung ein Riß auftritt, da bei Zwischenräumen der Umhüllung nicht die Gefahr besteht, daß sich diese erweitern, um weitere Spaltstoffabteile freizulegen. Daher werden nur die Spaltprodukte des Spaltstoffes in den Abteilen neben dem Riß in der Umhüllung dem Kühlmittel ausgesetzt, zumal das Brennstoffelement vorzugsweise so zusammengebaut ist, daß jedes Spaltstoffabteil völlig gegenüber den anderen Abteilen abgedichtet ist.

Das erfindungsgemäße Brennstoffelement ist vorzugsweise so ausgebildet, daß in jedem seiner Abteile Sinterkörper aus keramischem Spaltstoffmaterial oder metallischer Spaltstoff sich befinden. Die Abdeckplatten werden an der Füllplatte beispielsweise -durch Verkleben oder Verschweißen befestigt. Ferner ist zu erwähnen, daß durch die Verwendung solcher abgeteilter Plattenbrennstoffelemente auch die für einen Reaktor benötigte Zahl von Brennstoffelementen verringert wird, da bei bestimmten Reaktoren ein plattenförmiges Brennstoffelement wirkungsmäßig ungefähr 70 stabförmigen Brennstoffelementen entspricht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuartigen, umhüllten, plattenförmigen, abgeteilten Brennstoffelementes mit keramischem Spaltstoff, dessen Umhüllung aus einem korrosionsbeständigem Material besteht, das einen geringen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen besitzt, wobei der Spaltstoff aus einer Spaltmaterial enthaltenden keramischen Masse besteht.

An Hand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen wird eine Ausführ.ungsform eines Brennstoffelementes gemäß der Erfindung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines Druckgefäßes für einen Kernreaktor, bei dem das erfindungsgemäße Spaltstoff- oder Brennstoffelement verwendet ist und von dem Teile der übersichtlicheren Darstellung halber weggebrochen sind, Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt und schematischer Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Druckgefäßes mit eingebautem Kern, wobei ein Reaktorbetriebskreislauf im Schnitt dargestellt ist,

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht eines Reaktorkerngefäßes, das zur Verwendung in dem in Fig. 1 dargestellten Druckgefäß geeignet ist und bei dem Teile, weggebrochen, dargestellt sind, um die Kerntragkonstruktion zu zeigen,

Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht mit weggebrochenen Teilen des in Fig. 3 dargestellten Reaktorkerngefäßes, wobei der Reaktorkern und die Regelfelder eingesetzt sind,

Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht mit weggeschnittenen Teilen eines in dem in Fig. 1 dargestellten Reaktordruckgefäß verwendeten erfindungsgemäßen Brennstoffelements, wobei Mittel zur, Aufnahme eines Regelstabes vorgesehen sind,

Fig. 6 eine Schnittansicht des in Fig. 2 und 4 dargestellten Reaktorkerns,

Fig. 7 eine schaubildliche und auseinandergezogene Darstellung eines Brennstoffelement-Unter aggregate und

Fig. 8 eine Teilansicht in auseinandergezogener Darstellung eines im Unteraggregat nach Fig. 7 verwendeten Brennstoffelements.

Zur Darstellung der Anwendbarkeit der Erfindung ist ein Kernreaktor dargestellt, der ein Leichtwasser-Druckreaktor des Saat- und Bruttyps ist. Wie nachstehend näher beschrieben, ist eine mittig angeordnete ringförmige Saat aus einem angereicherten Spaltmaterial, beispielsweise aus Uran 235 vorgesehen. Die Saat ist von einem Brutbereich umgeben, der ein Brutmaterial, beispielsweise ein keramisches Brutmaterial, wie natürliches Uran in Form von Urandioxyd enthält. Bei Kernreaktoren vom Druckwassertyp dient das Wasser sowohl als Kühlmittel als auch als Bremsmittel. Das Kühlmittel fließt über die festen Spaltstoffelemente und wird dadurch erhitzt. Die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme wird dann mit Hilfe eines besonderen Wärmeaustauschers abgeleitet und das Kühlmittel durch den Reaktor mit Hilfe einer Pumpe von neuem in Umlauf gesetzt.

Das in Fig. 1 und 2 gezeigte Druckgefäß 2 für den Reaktor kann aus einem zylindrischen Gehäuse bestehen, an das ein halbkugelförmiger Boden 4 angeformt ist. Das Druckgefäß 2 ist annähernd becherförmig und an seinem oberen Ende offen. Das offene obere Ende ist durch einen Gefäßkopf 6 abgedeckt und mit diesem verschraubt. Das Druckgefäß 2 ist mit einem sich nach außen erstreckenden Flansch 8 ausgebildet, welcher das obere Ende des Mantels in der Nähe seiner offenen Seite umgibt. Der Kopf 6 ist mit einem ähnlichen Flansch 10 versehen, der mit dem Druckgefäßflansch 8 in Ausfluchtung gebracht werden kann, wenn der Kopf auf das Gefäß 2 aufgesetzt wird. Die Flansche 8 und 10 sind mit einer Anzahl von miteinander in Ausfluchtung befindlichen durchgehenden öffnungen versehen, welche für das Hindurchführen einer Vielzahl von Kopfbolzen 12 zur Befestigung des Kopfes 6 am Druckgefäß 2 dienen. Der Gefäßboden 4 ist mit einer Anzahl voneinander in Abstand befindlichen Einlaßdüsen 14 versehen, durch welche ein Kühlmittel in das Gefäß eintreten kann, während der Mittelteil des Druckgefäßes 2 mit einer Anzahl Auslaßdüsen 16 versehen ist, die mit den Einlaßdüsen 14 ausgefluchtet sind. Das Druckgefäß 2 besteht aus einem Material, das den Betriebsdrücken des Reaktors sowie den hohen Wärmebelastungen, welche während des Betriebs des Reaktors auftreten,

standhalten kann. Ferner ist das Druckgefäß absolut lecksicher und korrosionsbeständig gebaut. Der zylindrische Teil des Gefäßes kann aus einem Mangan-Molybdän-Kohlenstoffstahl hergestellt sein und eine Innenauskleidung 17 aus einem korrosionsbeständigen Material, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, haben, so daß den Erfordernissen der Korrosionsbeständigkeit Rechnung getragen ist. Der Boden 4 und der Kopf 6 des Gehäuses 2 bestehen aus einem ähnlichen Material, wobei der Boden 4 am zylindrischen Teil des Gefäßes durch geeignete Mittel, beispielsweise durch Schweißen, bei 18 befestigt ist. Die Einlaßdüsen 14 und die Auslaßdüsen 16 können am Gefäß 2 bzw. am Boden 4 durch Schweißen befestigt werden. Sie sind ebenfalls mit einer ähnlichen Auskleidung aus rostfreiem Stahl versehen wie das Druckgefäß selbst. An der Oberseite des Kopfes 6 ist eine Vielzahl von voneinander in Abstand befindlichen, sich nach außen erstreckenden Haltern 20 vorgesehen, die in den Kopf eingeschraubt sind und dazu dienen, die Regelstabbetätigungseinrichtung zu lagern. Die Halter 20 sind hohl und zur Innenseite des Druckgefäßes hin offen, so daß die Regelstabbetätigungseinrichtungen mit den Regelstäben mit Hilfe von durch diese Halter20 hindurchgeführten Schäften 19 (Fig. 2) verbunden werden können. Der Kopf 6 des Druckgefäßes kann ferner mit einer ringförmigen Plattform 22 versehen sein, die in einer bestimmten Höhe am Außenumfang desselben für das Wartungspersonal angeordnet ist. Wie bekannt, werden wassermoderierte und -gekühlte Kernreaktoren normalerweise mit Drücken von ungefähr 141 kg/cm² betrieben. Um ein lecksicheres Druckgefäß zu erhalten, ist eine dichtende Schweißverbindung 24 vorgesehen, die sich um den Umfang der offenen Seite des Druckgefäßmantels erstreckt und den Kopf 6 mit dem Gefäß 2 verbindet. Alle anderen Auslässe aus dem Druckgefäß und dem Kopf können ebenfalls mit ähnlichen dichtenden Schweißverbindungen versehen werden. Der auf die Schweißverbindung 24 wirkende Druckunterschied wird durch die Kopfschrauben 12 aufgenommen. Ferner ist jede der Einlaßdüsen 14 und der Auslaßdüsen 16 mit einem abgedichteten primären Kreislauf 50 verbunden, während die Halter 20 mit den Regeleinrichtungen verbunden sind, die vorzugsweise »abgekapselt« sind, so daß kein Lecken durch sie hindurch stattfinden kann.

Im Inneren des Druckgefäßes sind, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, zwei konzentrische Zylinder 26 vorgesehen, welche als Wärmeschilder dienen und vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehen. Jedes der Wärmeschilder ist ferner konzentrisch zum zylindrischen Teil des Druckgefäßes 2, wobei das äußere Wärmeschild 26 mit Abstand von der Druckgefäßwandung angeordnet ist. Das weiter innen liegende Wärmeschild 26 ist vom äußeren Wärmeschild 26 mit Abstand angeordnet. Das Druckgefäß ist mit einer Umfangsleiste 30 versehen, die sich an dessen Innenwandung nach innen erstreckt, während das äußere Wärmeschild mit einem sich nach außen erstreckenden Flansch versehen ist, der auf dem Flansch 32 an dessen oberem Ende aufliegt. Das innere Wärmeschild 26 ist vorzugsweise am äußeren Wärmeschild in der üblichen Weise befestigt, wobei das letztere in das Druckgefäß so eingebaut wird, daß der Flansch auf der Umfangsleiste 30 aufliegt. Das äußere Wärmeschild ist ferner mit einer perforierten Strömungsführung 28 versehen, die an dessen Unterkante angeordnet ist und sich quer zum Boden des Druckgefäßes 2 erstreckt. Am Flansch 32 des äußeren Wärmeschildes 26 ist eine ringförmige Kernstützfeder 34 angeordnet. Das Kerngefäß 36 ist ebenfalls in Form eines Zylinders ausgebildet und mit einem Stützflansch 38 versehen, der sich von dessen oberem Ende seitlich nach außen erstreckt und zur Auflage auf dem oberen Ende der Kernstützfeder 34 bestimmt ist. Das Kerngefäß 36 ist von dem inneren Wärmeschild beabstandet, so daß Kühlmittel zwischen beiden hindurchfließen kann.

Wenn sich der Reaktor in Betrieb befindet, kann der durch die Kühlmittelströmung erzeugte, nach oben gerichtete hydraulische Druck das Gewicht des Reaktorkerns und des Kerngefäßes übersteigen. Um zu verhindern, daß durch diesen Druck der Reaktorkern aus seiner Lage herausgehoben wird, ist ein ringförmiger Niederhaltezylinder 40 oberhalb des Kerngefäßes 36 so angeordnet, daß er auf dem Stützflansch 38 aufruht. Das untere Ende des Niederhaltezylinders 40 ist mit einem Flansch 42 versehen, der auf dem Kerngefäß stützflansch 38 auf ruht, so daß das Kerngefäß eine zusätzliche Belastung erhält. Das obere Ende des Niederhaltezylinders 40 ist mit einem sich nach außen erstreckenden Flanschteil 44 ausgebildet, der zum Abstützen gegen eine Schulter 46 an der Innenfläche des Druckgefäßkopfes 6 bestimmt ist. Hierbei ist zu erwähnen, daß das Druckgefäß 2, die Wärmeschilder 26, das Kerngefäß 36 und der Kühlmittelmoderator, der zwischen diesen Teilen fließt, zusätzlich als Reflektor für den Reaktorkern dienen.

In der folgenden Tabelle I sind die Abmessungen einer beispielsweisen Ausfuhrungsform des Druckgefäßes und dessen Bauteile gegeben.

Tabelle I

Gesamtes Gefäß (Druckgefäß)

Gesamthöhe ausschließlich der Gehäuse

für die Regelstabeinrichtungen 989,3 cm

Durchmesser an den Verschraubungs-

flanschen 391,2 cm

Gewicht ohne Kern, Mechanismen und Kühlmittel 249,5 t

Gefäß mantel

Gesamthöhe einschließlich Boden 763,9 cm

Innendurchmesser 276,9 cm

Außendurchmesser 319,4 cm

Innenradius des Bodens 140,9 cm

Außenradius des Bodens 156,4 cm

Düsen-Innendurchmesser 38,1 cm

Düsen-Außendurchmesser 45,7 cm

Gewicht 1361

Verschlußkopf

Gesamthöhe ausschließlich der Gehäuse 225,4 cm

Innenradius 130,8 cm

Außenradius 151,8 cm

Gewicht 771

Wärmeschilder Äußeres Wärmeschild

Gesamthöhe einschließlich Stromführung , 382,3 cm

Flanschdurchmesser 276,2 cm

Zylinder-Außendurchmesser 269,2 cm

Zylinder-Innendurchmesser 254 cm

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Inneres Wärmeschild der sich miteinander in Ausfluchtung befindenden Ein-

Gesamthöhe 358,1 cm ^" ^und Auslaßdüsen ist mit einem gesonderten

Außendurchmesser 250,2 cm Kreislauf verbunden. Bei dem dargestellten Reaktor

Innendurchmesser 245,1 cm ^smd vier äußere Kreislauf schleif en vorgesehen.

„ .. ,. . . 5 Aus den Fig. 3 und 4 ergibt sich, daß das Kern-

7^0lL^standlgen Aggregats ^ein" ^ _o gefäß 36 den Behälter für den gesamten Reaktorkern

der Stromungsfuhrung 26,3 t _{bMet Das untere Ende des Kern}gefäß_es 36 ist mit

Hindurchführungen einem unteren Gitter 72 versehen, das sich voll über

Gehäuse 32 für den Stabantriebsmecha- ^das offene Ende des Kerngefäßes erstreckt. Das untere

nismus ¹⁰ Gitter 72 kann am Kerngefäß vorzugsweise mit Hilfe

Innendurchmesser 10,2 cm 7°f voneinander in Abstand _ befindlichen Keilen 74

Außendurchmesser 15,2 cm ^festigt ^S&m\ ^Da^ Kerngefaß ist außerdem mit einem

Kernstützfeder, Gewicht 1,8 t ^JVu ^der.₊ ^NÄ?_f ^S6meS ^f^w versehen,

Kernniederhaltezylinder, Gewicht 8,41 ^{das eb}^^{nfalls mit} ^ ™^{n KeÜen 8}° \f-Tt ^"

^J 15 kann. Das untere Gitter 72 weist eine Vielzahl von

Wie sich aus der Fig. 2 ergibt, sind Kanäle 48 an kreisförmigen Öffnungen 76 auf, die sich in Achs-

den oberen Enden des inneren und des äußeren richtung durch dieses erstrecken, während das obere

Wärmeschildes 26 vorgesehen, um den Durchtritt von Gitter 78 mit einer Vielzahl von viereckigen öffnun-

Kühlmittel zu ermöglichen. Das Kühlmittel tritt in gen 82 versehen ist, die sich mit den kreisförmigen

das Reaktionsgefäß durch eine Einlaßdüse 14 ein, wo- 20 Öffnungen 76 des unteren Gitters in Ausfluchtung be-

bei ein größerer Teil desselben durch die Strömungs- finden. Der obere Rand des Kerngefäßes kann ferner

führung 28 hindurchtritt und in den unteren Teil des mit einer Anzahl miteinander in Abstand befindlichen

Kerngefäßes 36 gelangt. Das übrige Kühlmittel Anhebenasen 84 versehen sein, mit deren Hilfe der

strömt im Raum zwischen dem Druckgefäß 2 und dem Kern in das Gefäß 2 eingebracht bzw. aus diesem

äußeren Wärmeschild nach oben. Hierauf erfolgt 25 herausgehoben werden kann.

eine Umkehrung der Strömung des Kühlmittels nach Das obere Gitter 78 und das untere Giter 72 dienen

unten zwischen dem inneren und dem äußeren Wärme- zur Lagerung und Halterung der Reaktorkernabteile

schild und zwischen dem inneren Wärmeschild und in bestimmten Stellungen. Der Reaktorkern besteht

dem Kerngefäß 36 hindurch. Das Kühlmittel befindet aus einer Vielzahl von Saataggregaten 86 (Fig. 5)

sich nun zwischen der Stromungsfuhrung 28 und dem 30 und aus einer Vielzahl von Brutmantelaggregaten 88

Reaktorkern und nimmt dann seinen Weg durch den (Fig. 7). Jedes der Aggregate 86 und 88 ist vorzugs-

Reaktorkern nach oben in den oberen Teil des weise mit einer kreisförmigen unteren Verlängerung

Reaktorgefäßes. Das Kühlmittel tritt aus dem Reaktor- 90 (Fig. 5) versehen, die zum Einsetzen in die Öff-

gefäß durch die Auslaßdüsen 16 über öffnungen 49 nungen 76 des unteren Gitters 72 bestimmt ist. Die

(Fig. 1) aus, die in den Seiten des Kernniederhalte- 35 Aggregate sind in ihrem Querschnitt vorzugsweise

zylinders 40 vorgesehen sind und über nicht gezeigte quadratisch und mit quadratischen oberen Verlänge-

Öffnungen, die im oberen Flansch 44 des Kernnieder- rungen 92 versehen, welche für das Einsetzen in die

haltezylinders 40 vorgesehen sind. quadratischen Öffnungen 82 im oberen Gitter 78 be-

Das Kühlmittel wird in einem völlig abgedichteten stimmt sind. Zur Befestigung der Aggregate im Kern-System oder in einem primären Kreislauf 50 ge- 40 gefäß können diese mit einer Anzahl von Nasen 94 halten. Jede Auslaßdüse 16 ist mit einem äußeren versehen sein, die sich von den oberen Verlängerungen primären Kreislauf 50 versehen. Jeder primäre Kreis- 92 nach außen erstrecken. Die Nasen 94 sind vorzugslauf 50 weist eine Rohrleitung 52 auf, welche eine weise in einer waagerechten Ebene drehbar, so daß sie Auslaßdüse 16 mit einem Wärmeaustauscher 54 ver- sich völlig innerhalb des Außenumfangs der oberen bindet. Die Auslaßrohrleitung 52 kann mit zwei in 45 Verlängerung 92 in einer bestimmten Drehstellung Reihe geschalteten Absperrventilen 53 und 56 zur befinden. In ihren anderen Drehstellungen erstrecken Regelung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühl- sich die Nasen 94 von der Seite der oberen Verlängemittels zum Wärmeaustauscher versehen sein. Der rung 92 nach außen. Die Nasen 94 sind vorzugsweise Wärmeaustauscher 54 ist vorzugsweise mit zwei ge- so angeordnet, daß sie sich geringfügig unterhalb der sonderten Strömungskanälen versehen. Das primäre 50 Unterkante des oberen Stützgitters 78 befinden, so Kühlmittel befindet sich in einem der Strömungs- daß sie an der letztgenannten Kante in ihrer zweiten kanäle und steht mit einem zweiten Kühlmittel im Drehstellung zum Anliegen kommen, um eine Längs-Wärmeaustausch, das sich in dem anderen Strömungs- bewegung des Aggregates zu verhindern. Obwohl die kanal befindet. Der Wärmeaustauscher 54 ist mit Brutmantelaggregate 88 nicht mit einer oberen Vereinem weiteren Einlaß 55 und Auslaß 58 für das se- 55 längerung 92 und einer unteren Verlängerung 98 verkundäre Kühlmittel versehen. Das primäre Kühlmittel sehen dargestellt sind, ist zu erwähnen, daß jedes fließt durch den Wärmeaustauscher hindurch und tritt Brutmantelaggregat vorzugsweise mit oberen und aus diesem durch eine Rohrleitung 60 aus. Die Aus- unteren Verlängerungen in der gleichen Weise, wie laßrohrleitung 60 ist mit einer Kreiselpumpe 62 ver- für die Saataggregate 86 gezeigt, versehen ist. Jedes bunden, die das primäre Kühlmittel vom Wärme- 60 Aggregat wird im Kerngefäß 36 dadurch befestigt, austauscher 54 zur Einlaß düse 14 des Kreislaufs 50 daß diese durch die quadratischen Öffnungen 82 im pumpt. Der Rücklauf des primären Kühlmittels zur oberen Gitter 78 nach unten geführt werden. Während Einlaßdüse 14 geschieht mit Hilfe einer Einlaßrohr- des Einbaues der Aggregate ist zu beachten, daß die leitung 64, die zwischen dem Auslaß der Pumpe 62 Nasen 94 in ihrer Lage gehalten werden, wenn sie und der Einlaßdüse 14 angeordnet ist. Die Einlaß- 65 sich völlig innerhalb des Außenumfanges der Aggreleitung 64 kann vorzugsweise mit einem Rückschlag- gate befinden. Die untere Verlängerung 90 wird soventil 66 versehen sein, um eine Rückströmung durch dann in eine der Öffnungen 76 im unteren Gitter 72 die Pumpe zu verhindern, wobei zwei in Reihe ge- eingesetzt, worauf die Nasen 94 in ihre andere Stelschaltete Absperrventile 68 und 70 zur Regelung der lung gedreht werden, um die Aggregate im Kerngefäß Strömung im Reaktor vorgesehen sein können. Jede 70 zu sichern.

Für den Einbau des Reaktorkernes in das Druckgefäß wird jedes der Aggregate in das Kerngefäß 36 in der vorangehend beschriebenen Weise eingesetzt. Die Wärmeschilder 26, an denen die Strömungsführung 28 befestigt ist, werden zunächst in das Druckgefäß 2 abgesenkt, bis der obere Flansch 32 auf der Umfangsleiste 30 im Druckgefäß 2 zur Auflage kommt. Hierauf wird die Kernstützfeder 34 nach unten in das Druckgefäß 2 gebracht, bis ihre Unterkante am oberen Ende des Flansches 32 zur Auflage kommt. Sodann wird das Kerngefäß 36, in das der Kern und die Regelstäbe eingebaut worden sind, in den Reaktor gesenkt, bis sein Stützflansch 38 am oberen Ende der Kernstützfeder 34 zur Auflage kommt. Durch das obere Ende des Druckgefäßes wird sodann der Niederhaltezylinder 40 eingesetzt und so weit nach unten bewegt, bis der untere Flansch 42 desselben auf dem Stützflansch 38 des Kerngefäßes 36 zur Auflage kommt. Der Kopf 6 wird auf das obere Ende des Druckgefäßes 2 aufgesetzt, worauf die Schweißverbindung 24 hergestellt wird. Sodann werden die Niederhaltebolzen 12 an den Flanschen 8 und 10 befestigt.

Aus der Fig. 6 ergibt sich, daß der Reaktorkern 32 Saataggregate 86 aufweist, welche in diesen einen Ring bilden, und 113 Brutmantelaggregat 88, weiche die Saat umgeben. Jedes der Saataggregate 86 besteht aus vier Bündeln oder Unteraggregaten 96 aus Spaltstoffplatten. Das Saataggregat 86 ist ferner mit einer kreisförmigen öffnung 98 versehen, die zur Aufnahme eines kreisförmigen Regelstabes 100 bestimmt ist. Jedes der Saatunteraggregate 96 weist vorzugsweise eine Vielzahl von übereinandergestapelten, umhüllten Brennstoff platten auf, die ein angereichertes, spaltbares Material, beispielsweise U²³⁵, enthalten. Die Unteraggregate 96 werden dadurch gebildet, daß axiale Abstandsstücke längs der Seiten der einzelnen Spaltstoffplatten befestigt werden. Die Abstandsstücke bilden die Seitenwand des Unteraggregats, dessen Endwände dadurch gebildet werden, daß Endplatten an den äußeren Brennstoffplatten befestigt werden. Vier Unteraggregate 96 werden dann in einem Gehäuse 102 befestigt und Abstandsstücke 104 zwischen benachbarten Seiten der Unteraggregate angeordnet, um Regelstabkanäle zu bilden. Hierbei ist zu erwähnen, daß die oberen und unteren Verlängerungen 92 bzw. 90 für das Aggregat hohl sind, so daß Kühlmittel hindurchfließen kann. Jedes Aggregat ist zusätzlich mit geeigneten öffnungen 106 in der Nähe seiner unteren Enden versehen, um die Menge des durch das Aggregat hindurchfließenden Kühlmittels regeln zu können.

Die Brutmantelaggregate 88 (Fig. 7) sind vorzugsweise in der gleichen Weise ausgebildet wie die Saatunter aggregate 96 und weisen eine Vielzahl von übereinandergestapelten Brennstoffplatten 108 auf, zwischen denen sich Abstandsstücke 110 befinden. Die Abstandsstücke 110 und die Seitenkanten der Brennstoffplatten 108 bilden zwei parallele Seiten der Unteraggregate 88, während die anderen Seitenwände durch Endplatten 112 gebildet werden, die keinen Brennstoff enthalten und aus einem Material hergestellt sind, das einen geringen Absorptionsquerschnitt für Neutronen aufweist, z. B. aus Zirkon oder aus einer Zirkonlegierung.

Aus der Fig. 8 ergibt sich, daß die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente je aus einem geschichteten Element bestehen, das eine mittlere Füllplatte 114 und zwei flache Abdeckplatten 116 aufweist. Die Abdeckplatten und die Füllplatte sind vorzugsweise aus einem Material hergestellt, welches eine ausreichende bauliche Festigkeit und einen geringen Absorptionsquerschnitt für Neutronen aufweist, z. B. aus Zirkon oder aus einer Zirkonlegierung, rostfreiem Stahl oder Kombinationen hiervon. Die Füllplatte 114 wird mit einer Anzahl von Abteilen 118 versehen, die durch beliebige geeignete Mittel hergestellt werden können, beispielsweise durch Ausstanzen der Füllplatte oder durch das Zusammenfügen einer Vielzahl von Füllrahmenteilen, die aneinander befestigt werden. Jedes der Abteile 118 dient zur Aufnahme eines Spaltstoffplättchens 120, das ein spaltbares Material wie U²³⁵, U^23S oder Pu²³⁹ enthalten kann. Das Spaltstoffplättchen kann entweder aus einer Metallegierung oder aus einer verdichteten Masse aus keramischem Material, wie Urandioxyd, bestehen, wobei die Verdichtung beispielsweise durch Strangpressen erfolgen kann. Zur Herstellung einer Brennstoffplatte 108 wird eine Abdeckplatte 116 vorzugsweise an der einen Seite der Füllplatte 114 befestigt. In jedes der Abteile 118 wird ein Spaltstoffplättchen 120 eingesetzt und die andere Abdeckplatte 116 an der offenen Seite der Füllplatte 114 befestigt. Die Abdeckplatten 116 können an der Füllplatte 114 beispielsweise durch Schweißen, Walzen oder Hartlöten befestigt werden, so daß alle Gegenflächen an der Füllplatte 114 und an den Abdeckplatten 116 miteinander verbunden sind. Jedes der Abteile 118 ist so ausgebildet, daß es sich in Längsrichtung längs des Wasserkanals erstreckt, der sich zwischen zwei benachbarten Brennstoffplatten 108 befindet. Daher wird, wenn ein Teil der eines der Abteile 118 einschließenden Abdeckplatten 116 reißt oder bricht und sich nach außen in den Wasserkanal erstreckt, durch diesen nur ein kleiner Teil des in den Kanal fließenden Wassers blockiert.

Wegen der Abmessungen eines Reaktors, in welchem die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente verwendet werden können, wird ,auf ,die. Tabelle II verwiesen. Mehrere Bestimmungsgrößen der Brennstoffelemente dieser Art sind mit einem Druckwasserreaktor verglichen, bei welchem stabförmige Brennstoffelemente verwendet werden.

Tabelle II .-■-.... .

Physikalische Daten
Saatbereich

Aktive Länge 179,7 cm

Plattendicke 1,75 mm

Dicke der Umhüllung 0,38 mm

Kanaldicke 1,75 mm

Kanalbreite 5,7 cm

Plattenbreite, aktiver Teil 5,2 cm

Platten je Saataggregat 60

Zahl der Saataggregate 32

Gesamtzahl der Platten 1914

Kühlmittelströmungsquerschnitt .. 20,4 dm²

Wärmeübertragungsfläche 35813,9 dm²

Äquivalenter hydraulischer Durchmesser ... 0,34 cm

Zirkon, ingesamt Tonnen 4 t

Uran 235 Beschickungskappe 75 kg

Regelstäbe

Material V Hafnium

Zahl 32

Spannbreite 8,5 cm

Plattenbreite 4 cm

Plattendicke 0,57 cm

Aktive Länge 179,2 cm

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Brutbereich	Plattenbrennstoff elemente	Stabbrennstoff elemente
Aggregatbreite	14,2 cm
Aggregatdicke	14,2 cm
Seitenplattendicke	0,508 mm
Totkantenraum	2,54 mm
Aktive Brennstoffbreite	12,7 cm
Wasserkanalbreite	13,2 cm
Endplattendicke	5,8 mm
Wasserkanaldicke	1,905 mm
Zahl der Platten je Ag
gregat	25
Brennstoffdicke .......	2,638 mm
Umhüllungsplattendicke	0,482 mm
Brennstoffabteilbreite ..	11,684 mm
Brennstoffabteillänge ..	15,1 cm
Zahl der Abteile je Platte	120
Füllplattendicke
Aktive Brennstofflänge	181,8 cm	161,2 cm
Brennstoffplättchen
breite	1,2 cm
Brennstoffplättchen
länge	15,1 cm
Zahl der Brennstoff-
plättchen je Abteil ...	1
Zahl der Brennstoff-
plättchen je Brenn
stoffplatte	120
Gesamtzahl der Brenn-
stoffplättchen	339000
Gesamtzahl der Platten	2825
Spaltmaterial	Urandioxyd	Urandioxyd
Gewicht des Brennstoff
materials	14,5 t	14,4 t
Gewicht des Uran 238	11,8 t	12,7 t

erfindungsgemäßen Brennstoffelementen von den beschriebenen Abmessungen um 4758 dm² größer ist als die Brutmantelwärmeübertragungsfläche bei den vorgegebenen stabf örmigen Brennstoffelementen. Durch die Erfindung wurde daher ein Brennstoffelement geschaffen, das eine wesentlich größere Wärmeübertragungsfläche aufweist als die bisherigen rohrförmigen Brennstoffelemente. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, daß, wenn stabförmige Brennstoffelemente

ίο mit annähernd der gleichen Dicke wie die abgeteilten Brennstoffplatten hergestellt werden würden, die stabförmigen Brennstoffelemente noch viele Nachteile im Vergleich zu abgeteilten plattenförmigen Brennstoffelementen aufweisen würden. Ein offensichtlicher Nachteil besteht darin, daß eine größere Anzahl von Brennstoffstäben hergestellt werden muß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Axialtemperatur des Brennstoffstabes größer ist als die mittlere Temperatur einer abgeteilten Brennstoffplatte. Dieser Nachteil ergibt sich aus Tabelle III, in der die Axialtemperatur der bekannten Brennstoffstäbe mit der abgeteilter Brennstoffplatten und die letzteren wiederum mit den Axialtemperaturen eines Brennstoffstabes mit der gleichen Brennstoff- und Umhüllungsdicke wie

ag die der erfindungsgemäßen Brennstoffplatten miteinander verglichen werden.

Tabelle III
Brennstoffelement-Axialtemperatur. ° C

Wärme fluß kcal/m² h	10,44-mm-Stab, Brennstoff- durchmesser = 9,09 mm	3,30-mm-Platte, Brennstoff dicke = 2,33 mm	3,30-mm-Stab, Brennstoff durchmesser = 2,33 mm
35 868160 1356500	1755 >2600	715 937	860 1154

Umhüllungsmaterial	Zirkonium legierung	Zirkonium legierung
Gewicht des
Umhüllungsmaterials
je Platte	2,38 kg
Gewicht des
Umhüllungsmaterials
je Aggregat	78,92 kg
Gewicht des
Umhüllungsmaterials
im Brutmantel	8,91t	7,19 t
Abstandsstückdicke ...	2,37 mm
Abstandsstückbreite ...	1,02 mm
Gesamtwärmeübertra-
gungsfläche	12142,38 dm²	7384,83 dm²
S trömungsquerschnitt
je Aggregat	65,42 cm²	64,71 cm²
Gesamtströmungsfläche
des Brutmantels	73,92 dm²	78,97 dm²
Hydraulischer Durch
messer	0,35 cm	0,64 cm

Aus Tabelle II ergibt sich, daß die Gesamtwärme-Übertragungsfläche für den Kernbrutmantel mit den Die für die Tabelle III gewählten Wärmefluß werte sind berechnet, um den mittleren Wärmefluß im Brutbereich eines Druckwasserreaktors des Saat- und Bruttyps zu Beginn der Lebensdauer und dem mittleren Wärmefluß im Brutbereich am Ende derLebens-

⁴"> dauer darzustellen. Hierbei ist zu erwähnen, daß ein Merkmal eines Reaktors vom Saat- und Bruttyp darin besteht, daß der Fluß im Bruthereich mit dem Alter des Kerns zunimmt. Ferner ist zu erwähnen, daß der Schmelzpunkt von Urandioxydbrennstoff etwa 2600° C beträgt und die Axialtemperatur jedes Brennstoffelements immer niedriger sein muß als dieser Wert, da sonst ein Bruch des Brennstoffelementes auftritt. Je niedriger die Axialtemperatur eines gegebenen Brennstoffelementes bei einem gegebenen Flußniveau ist, desto länger ist daher die Lebensdauer des Brennstoffelementes.

Aus der Tabelle III ergibt sich, daß die Brennstoffelemente aus abgeteilten Platten eine niedrigere Axialtemperatur bei einem gegebenen Flußniveau als ein stabförmiges Brennstoffelement mit im wesentlichen den gleichen Abmessungen haben. Ferner ist zu erwähnen, daß Brennstoffelemente aus abgeteilten Platten ein Brennstoffmaterial enthalten können, das eine verhältnismäßig niedrige Korrosionsbeständigkeit hat, da eine offene Stelle in der Umhüllung der Brennstoffelemente der beschriebenen Art nicht zu einem völligen Ausfall des ganzen Brennstoffelementes führt. Bei den erfindungsgemäßen Brennstoffelementen besteht daher nicht die Gefahr einer fortlaufenden Beschädigung und werden Schäden auf einen ver-

hältnismäßig geringen Teil des Brennstoffelementes beschränkt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des aufgezeigten Rahmens beliebige Abänderungen erfahren.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brennstoffelement für Kernreaktoren, gekennzeichnet durch eine flache Füllplatte, die eine Vielzahl von Abteilen aufweist, in denen Spaltmaterial untergebracht ist, und durch zwei Abdeckplatten, die an der Füllplatte befestigt sind, derart, daß das Spaltmaterial völlig eingeschlossen ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl voneinander und von den Außenkanten der Füllplatte beabstandeter Abteile.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Füllplatte, die aus einem Material mit geringem Absorptionsquer-

schnitt für thermische Neutronen besteht, in deren Abteile ein Spaltmaterial in Form eines keramischen Materials untergebracht ist, und durch Umhüllungsplatten, die aus dem gleichen Material wie das der Füllplatte bestehen.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine flache metallische Füllplatte aus Aluminium bzw. rostfreiem Stahl, Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen, in deren Abteile sich ein Spaltmaterial in Form eines verdichteten keramischen Pulvers befindet, und durch Umhüllungsplatten, die aus dem gleichen Material wie das der Füllplatte hergestellt sind.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Abteilen befindliche Spaltmaterial mit der Füllplatte und den Umhüllungsplatten nicht festhaftend verbunden ist.

6. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllungsplatten an der Füllplatte so befestigt sind, daß jedes der Abteile völlig abgedichtet ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen