DE1088623B - Kernreaktor mit Brennstoffkanaelen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor, dessen Brennstoffelemente in Brennstoffkanälen als Stapel von in vorgegebenem Abstand voneinander getrennten, parallelen, quer oder schräg zu den Brennstoffkanälen gestellten Platten untergebracht sind, zwischen denen ein Kühlmittel strömt.

Normalerweise haben die Brennstoffelemente die Form von Stäben, die entweder vertikal oder horizontal durch den Reaktorkern verlaufen. Um eine möglichst wirtschaftliche Krafterzeugung zu erhalten, ist es notwendig, eine hohe Wärmeabgabe pro Mengeneinheit des Brennstoffes zu erzielen. Zu diesem Zweck ist ein guter Wärmeübergang von dem Brennstoff auf das Kühlmittel erforderlich und daher auch eine entsprechende Umlaufgeschwindigkeit des Kühlmittels. Gleichzeitig ist es erwünscht, eine hohe Konzentration des Brennstoffes aufrechtzuerhalten. Wenn nämlich die Konzentration zu niedrig ist, muß der Brennstoff angereichert werden. Um einen hohen Wärmeübergang von dem Brennstoff zum Kühlmittel zu erzielen, sind die Brennstoffstäbe auch schon mit Rippen ausgebildet worden. Diese Konstruktion ergibt aber nur eine begrenzte Verbesserung des Wärmeüberganges. Es ist auch schon bekanntgeworden, den Wärmeübergang zum Kühlmittel dadurch zu erhöhen, daß die Brennstoffelemente aus parallelen Platten gebildet werden, die in Längsrichtung des Brennstoffkanals verlaufen. In einem solchen Fall wird jedoch der Weg des Kühlmittels durch den Brennstoff sehr lang, und um eine genügende Strömung aufrechtzuerhalten, muß der Abstand zwischen den Platten groß gemacht werden. Hiernach wird die Konzentration des Brennstoffs unter Umständen so stark reduziert, daß eine stärkere Anreicherung des Brennstoffes notwendig wird.

Es ist auch bekannt, die Brennstoffelemente als flache Ringe auszubilden, deren Ober- und Unterseite zueinander parallel sind. Solche Ringe sind unter Beibehaltung eines schmalen Zwischenraumes zu einem Stapel vereinigt, in dessen Mitte das Kühlmittel eingelassen wird. Anschließend geht es durch die zahlreichen Spalte oder Zwischenräume zwischen den Ringen unter der Aufnahme von Wärme aus den Elementen nach außen hindurch.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, diese bekannte Anordnung in der Weise zu verbessern, daß das Kühlmittel mehrmals durch solche Spalte oder Zwischenräume hindurchgehen muß, wobei es wiederholt von den Brennstoffelementen Wärme aufnimmt.

Bei einem Kernreaktor, dessen Brennstoffelemente in Brennstoffkanälen als Stapel von in vorgegebenem Abstand voneinander getrennten, parallelen, quer oder schräg zu den Brennstoffkanälen gestellten Platten untergebracht sind, zwischen denen ein Kühlmittel strömt, folgt erfmdungsgemäß das Kühlmittel in

Kernreaktor mit Brennstoffkanälen

Anmelder:

A.E.I.-John Thompson Nuclear
Energy Co. Ltd., London

Vertreter: Dr,-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. I₁ Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 1. November 1956

Ronald Parr und John Anthony Wynne Huggill,

Urmston, Lancashire (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

Längsrichtung des Brennstoffkanals einer Zickzack-

^a5 bahn, derart, daß es abwechselnd von einer Seite zur anderen strömt und während jeder Überquerung zwischen den Brennstoffplatten hindurchgeht.

Bei einer solchen Anordnung ist die Länge jedes einzelnen Kühlmittelkänäls verhältnismäßig kurz, so daß die Abstände zwischen den Platten klein gehalten werden können und sich eine hohe Konzentration des Brennstoffes ergibt. Dadurch, daß das Kühlmittel mehrere Kühlmittelkanäle der Reihe nach durchsetzen muß, ist es möglich, eine genügend hohe Temperaturdifferenz zwischen dem eintretenden Kühlmittel und dem austretenden Kühlmittel zu erzielen, die den thermodynamischen Wirkungsgrad erhöht, ohne daß eine Mischung von Kühlmittelströmen bei verschiedenen Temperaturen notwendig ist.

Wenn ein Brennstoffkanal von rechteckigem Querschnitt verwendet und der Plattenstapel abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung schräg zum Brennstoffkanal angeordnet wird, so daß der Stapel zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden des Kanals zickzackförmig verläuft, wird das Kühlmittel dazu veranlaßt, einer Zickzackbahn zu folgen. Der Plattenstapel kann auch geradlinig in einem Kanal liegen, und die Zickzackströmung wird durch Leitplatten oder durch Ausnehmungen an den einander gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffkanals erzeugt, die abwechselnd in verschiedenen Richtungen liegen. Eine andere Ausführung besteht darin, daß die Brennstoffelemente als ringförmige Scheiben in Form eines hohlen zylindrischen Stapels angeordnet werden,

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wobei Leitplatten so angeordnet sind, daß das Kühlmittel in dem Stapel abwechselnd von innen nach außen und von außen nach innen fließen muß.

Die Erfindung ist sowohl bei Reaktoren mit gasförmigen Kühlmitteln als auch mit flüssigen Kühlmitteln, z. B. Wasser oder ".schwerem Wasser oder flüssigem Metall oder einer organischen Flüssigkeit, die z. B. zu der Phenylgruppe gehört, anwendbar. Die Brennstoffelemente können. Uranplatten sein, die mit einem Magnesium oder" Berylliumüberzug versehen sind. Normalerweise wurden diese nur eine leichte Anreicherung oder gar keine Anreicherung erfordern.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung hat die Kapselung eine aufgerauhte Oberfläche, um den Wärmeübergang zu verbessern.

Wenn ein Berylliumüberzug verwendet wird, kann dieser Überzug um das Uran herumgepreßt werden, wobei ein Verfahren der Pulvermetallurgie verwendet wird und die Aufrauhung während des Preßvorganges erzeugt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. IA, 2 A, 3 A und 4 A sind Grundrisse und

Fig. IB, 2 B, 3 B und 4 B Vertikalschnitte von vier verschiedenen Anordnungen von Brennstoffelementen gemäß der Erfindung, wobei jeweils das obere Ende eines Brennstoffkanals dargestellt ist;

Fig. 5 A ist eine Draufsicht und

Fig. 5 B ein Schnitt, die darstellen, wie die Brennstoffelemente der Fig. 1A und 1B ausgeführt werden können;

Fig. 5C ist ein Schnitt in vergrößertem Maßstab;

Fig. 6 A, 6 B und 6 C sind Ansichten, die den Fig. 5 A, 5 B, 5 C entsprechen, jedoch eine abgeänderte Form darstellen, und

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf ein Brennstoffelement abgeänderter Ausführung.

In Fig. 1A und 1B sind ein fester Reaktorkern 1, z. B. eines Reaktors mit einem Graphitmoderator, und ein Brennstoffkanal 2 dargestellt. Wie aus Fig. IA hervorgeht, hat der Brennstoffkanal einen rechteckigen Querschnitt mit den seitlichen Wänden 3 und 4 und den Vorder- und Rückwänden 5 und 6. Ein Stapel von Brennstoffelementen 7 verläuft schräg zum Brennstoffkanal, wobei das obere Ende des ersten Abschnittes gegen die Wand 4 und das untere Ende des Abschnittes gegen die Wand 3 an der Stelle 8 anliegt. Der zweite Abschnitt verläuft schräg in entgegengesetzter Richtung von der Wand 3 zu der Wand 4. Das Kühlmittel, das in dem Brennstoffkanal nach unten fließt, muß in der Pfeilrichtung strömen, d. h., es durchsetzt den oberen Abschnitt zuerst von links nach rechts und dann den zweiten Abschnitt von rechts nach links, wie aus Fig. 1 hervorgeht.

Fig. 2 A und 2 B zeigen eine andere Anordnung, bei der der Stapel vertikal angeordnet ist, bei der jedoch horizontale Leitplatten 9, 10 und 11 bewirken, daß das Kühlmittel auf einer zickzackförmigen Bahn fließt. Das Kühlmittel, welches oben in den Brennstoffkanal eintritt, fließt nach unten an der Wand 3 entlang. Es wird dann durch die Leitplatte 10 von links nach rechts gelenkt, so daß es durch die Kühlmittelkanäle zur Wand 4 hinströmt. Es fließt dann an dieser Wand entlang bis zur Leitplatte 11, wo es wieder von rechts nach links zurück zur Wand 3 gelenkt wird. Die Anzahl der Durchgänge durch den Stapel ist so gewählt, wie es zur Erzielung eines hohen Wärmeüberganges ■am günstigsten ist.

Fig. 3 A und 3 B zeigen eirie von Fig. 2 A und 2 B abweichende Ausführung, bei der an Stelle der Leitplatten der Brennstoffkanal seitliche Ausnehmungen aufweist. Der Brennstoffkanal hat oben eine von dem Plattenstapel 7 im Abstand verlaufende Wand 3', die schräg auf den Plattenstapel zu verläuft, bis sie diesen an der Stelle 12 erreicht. In ähnlicher Weise verläuft die Wand 4' vom rechten oberen Rand des Plattenstapels schräg nach außen bis zum Punkt 13, wo sie einen seitlichen Abstand von dem Stapel hat. Unterhalb der Punkte 12 und 13 tritt die Wand 3' wieder

ίο von dem Stapel zurück, während die Wand 4' sich dem Stapel nähert. Auf diese Weise wird wieder eine zickzackförmige Gasströmung erhalten.

Fig. 4 A und 4 B zeigen eine weitere Anordnung, bei der der Brennstoffkanal einen runden Querschnitt aufweist, während die Brennstoffelemente einen hohen zylindrischen Stapel von ringförmigen Elementen T bilden. Der innere Kanal 14 ist oben durch eine Platte

15 verschlossen. Das oben am Stapel eintretende Kühlmittel fließt daher in dem Raum 16 außen nach unten.

Die Abwärtsströmung an der Außenseite des Stapels ist jedoch durch eine ringförmige Leitplatte 17 begrenzt, so daß das Kühlmittel durch die Durchlässe zwischen den einzelnen Brennstoffplatten in den inneren Kanal 14 nach innen hineintreten muß. Hier strömt das Kühlmittel nach unten, bis es auf die Leitplatte 18 tritt, so daß es schon vor dieser Stelle radial nach außen durch die Durchlässe in den äußeren Kanal

16 strömt. Zwischen den Leitplatten 15 und 17 strömt das Kühlmittel daher radial nach innen und zwischen den Leitplatten 17 und 18 radial nach außen. Auch hier kann die Anzahl der Durchgänge des Kühlmittels durch die Kühlmittelkanäle nach den Erfordernissen gewählt werden.

Fig. 5 A und 5 B und 5 C zeigen eine weitere Ausführungsform eines Stapels von Brennstoffelementen gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführung enthält der Stapel zwei parallele Platten 19, die vertikal verlaufen und die Brennstoffelemente tragen, welche in Rillen in der Oberfläche der Platten 19 eingesetzt sein können. Am oberen Ende jedes Stapels ist ein Klotz 20 und am unteren Ende ein Klotz 21 angebracht, der die Platten 19 verbindet, um der Anordnung Halt zu verleihen. ,

Fig. 6 A, 6 B und 6 C zeigen eine Anordnung, die derjenigen der Fig. 5 A, 5B und 5 C ähnlich ist, wobei jedoch die Form der Brennstoffelemente 7 andersartig ausgebildet ist. Wie besonders aus Fig. 6 C hervorgeht, sind die Eintritts- und Austrittskanten 23 und 24 der Brennstoffplatten 7 gekrümmt, um die Strömung des Kühlmittels entsprechend zu leiten.

Um die Brennstoffplatten bei hohen Temperaturen und gegenüber einer Verformung unter dem Beschüß von Neutronen genügend widerstandsfähig zu machen, können die Platten Rippen 25 aufweisen. Diese dienen auch als Abstandhalter, um einen Verschluß der Zwischenräume bei einer Verformung zu verhindern. Während in der Zeichnung nur eine Rippe dargestellt ist, können auch mehrere Rippen angeordnet werden. Fig. 6 C zeigt, daß die Brennstoffelemente 26 in Hüllen 27 angeordnet sind.

Wenn Beryllium für die Hülle verwendet ■ wird, kann dieses Material um den Brennstoff nach einem Verfahren der Pulvermetallurgie herumgepreßt werden.

Während des Preßvorganges kann eine aufgerauhte Oberfläche erzeugt werden, um den Wärmeübergang zu verbessern.

Fig. 7 zeigt, daß die Oberfläche mit einer Anzahl von Warzen 28 versehen ist, jedoch können auch andere Oberflächenformen verwendet werden.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kernreaktor, dessen Brennstoffelemente in Brennstoffkanälen als Stapel von in vorgegebenem Abstand voneinander getrennten, parallelen, quer oder schräg zu den Brennstoffkanälen gestellten Platten untergebracht sind, zwischen denen ein Kühlmittel strömt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in Längsrichtung des Brennstoffkanals einer Zickzackbahn folgt, derart, daß es abwechselnd von einer Seite zur anderen strömt und während jeder Überquerung zwischen den Brennstoffplatten hindurchgeht.

2. Kernreaktor mit Stapeln, die die Brennstoffkanäle geradlinig der Länge nach durchsetzen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zickzackförmige Strömung des Kühlmittels durch die Kanäle durch Leitplatten oder durch Ausnehmungen auf gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffkanäle hervorgerufen wird, die abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen verlaufen.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente aus ringförmigen Scheiben gebildet sind, die hohle zylindrische Stapel bilden, und daß Leitplatten so angeordnet sind, daß das Kühlmittel abwechselnd von der Innenseite nach der Außenseite und von der Außenseite nach der Innenseite der Stapel fließt.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Ränder der Brennstoffplatten, die an der Eintrittsund Austrittsseite des Kühlmittelstromes liegen, gekrümmt sind, um den Kühlmittelstrom zwischen die Platten zu lenken.

5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffplatten mit einer oder mehreren Rippen versehen sind, die in Richtung des Kühlmittelstromes verlaufen, um die Platten zu verstärken und Abstandsstücke zu bilden.

6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche der Brennstoffplatten Erhebungen, z. B. Warzen, Wellen oder andere Formen, angebracht sind, um die Oberfläche für den Wärmeübergang zu vergrößern.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 026 012;

Reihe: »Peaceful Use of Atomic Energy«, New York 1955, Bd. 3, S. 57, 58, 159, 232, 233, 251; Bd. 5, S. 213.

Reihe: »Selected Reference Material on Atomic Energy«, New York 1955, S. 315 bis 317;

»Chemical Engineering Progress Symposium Series«, Vol. 50, Teilband No 13, S. 200 bis 209;

»Reactor Handbook, Engineering«, New York 1955, S. 461 bis 469.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 009 590/322 8.60