DE1200449B - Rohrfoermiger Behaelter fuer Kernbrennstoff - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1200 449

Aktenzeichen: P17247 VIII c/21 g

Anmeldetag: 23. Oktober 1956

Auslegetag: 9. September 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen rohrförmigen Behälter für Kernbrennstoff, der zusammen mit dem Behälter ein in die Brennstoffkanäle eines Reaktorcore einsetzbares Brennstoffelement bildet und an dessen äußerer Oberfläche in Richtung der Behälterachse sich erstreckende Rippen vorgesehen sind.

Es ist bei einem Behälter für Kernbrennstoffe bekannt, die durch ein Fluidum zu erhitzende oder zu kühlende Oberfläche mit Rippen oder Leitflächen zu versehen, um durch Vergrößerung des Oberflächenbereiches den Wärmeübergang zu verbessern. Die Wirksamkeit einer solchen Anordnung hängt unter anderem von der Leitfähigkeit des verwendeten Werkstoffes, von dem durch die Rippen hervorgerufenen zusätzlichen Strömungswiderstand des Fluidums und von einem ausreichenden Umlauf des Fluidums ab.

Weiterhin ist bekannt, bei Zylindern, insbesondere für luftgekühlte Brennkraftmaschinen, und bei Wärmeaustauschern schraubengangartige Rippen und bei einer Wärmeaustauschvorrichtung mit unterschiedlich großen Kontaktflächen für das wärmeaustauschende Fluidum nach Art von Schraubenflächen verlaufende Platten vorzusehen.

Ein bekannter Kühlapparat für Flüssigkeit weist zwei voneinander unabhängige konische Mäntel und zwischen den beiden Mänteln sich erstreckende Schraubenrippen sowie in den Schraubengängen liegende Querrippen auf, um in der Kühlflüssigkeit eine radiale Bewegung hervorzurufen. Die Querrippen bilden Verengungen des Kanals, wodurch sich unterschiedliche Geschwindigkeiten in den Schraubengängen einstellen.

Bei einem Dampfkessel ist auch bekannt, zwischen Schraubengänge bildenden Rippen quer zur Längsachse sich radial erstreckende Querrippen anzuordnen, die kürzer sind als die schraubenförmigen Rippen. Hierdurch sollen die Flamme und die Verbrennungsgase gegen die Oberfläche des Kessels gerichtet und in ihrem Durchgang durch die Schraubengänge verzögert werden. Es ergibt sich eine in einer äußeren Zylinderfläche verlaufende einfache schraubenförmige Strömung, wobei durch die Querschnittsverengungen der Querrippen ein gewisser Stau, verbunden mit einer Geschwindigkeitsvergrößerung, eintritt.

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Wirkungsgrades des Wärmeüberganges und des Umlaufes des Fluidums. Der Lösungsvorschlag gemäß der Erfindung besteht darin, daß an der äußeren Behälteroberfläche zusätzlich gewendelte Rippen vorgesehen sind und die Längsrippen, in radialer Rohrförmiger Behälter für Kernbrennstoff

Anmelder:

C. A. Parsons & Company Limited,

Newcastle-upon-Tyne, Northumberland

(Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C-H. Huß, Patentanwalt,

Garmisch-Partenkirchen, Rathausstr. 14

Als Erfinder benannt:
Heinrich Hugo Ludolf Ritz,
Edward Rae Elliott,
Newcastle-upon-Tyne, Northumberland
(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 25. Oktober 1955 (30 488),
vom 16. November 1955 (32 819), vom 26. März 1956 (9429),
vom 11. April 1956 (11077) - -

Richtung gesehen, über die gewendelten Rippen hinausragen. Durch diese Anordnung wird ein dauernder Austausch der in Berührung mit der gerippten Oberfläche stehenden Gasmoleküle bewirkt, und die Gastemperatur in der Nähe der Oberfläche entspricht weitgehend der Durchschnittstemperatur des Gases. Auf diese Weise wird die Durchwirbelung des Gases verbessert und kein wesentlicher Druckabfall hervorgerufen. Durch die verbesserte Durchwirbelung wird eine wesentliche Erhöhung des Wärmeüberganges erreicht.

In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die gewendelten Rippen in bei Wärmeaustauschern an sich bekannter Weise gewellt.

Bevorzugte Ausführungsformen eines Behälters nach der Erfindung sind in der Zeichnung beispielsweise dargestellt und an Hand dieser nachfolgend beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen rohrförmigen Behälter mit schraubenförmigen oder gewendelten Rippen und Längsrippen,

F i g. 2 einen rohrförmigen Behälter, bei dem die schraubenförmig angeordneten Rippen gewellt ausgeführt sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist die äußere Oberfläche eines zylindrischen Behälters 1 mit gewendelten Rippen 2 versehen, die schraubenförmig

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um die Mittelachse des Behälters angeordnet sind. Eine Anzahl axial verlaufender Längsrippen 3 ist außerdem an dem Behälter befestigt, wobei die Längsrippen in gleichem Abstand rund um den Umfang des Behälters angeordnet sind.

Die Längsrippen wirken als Staukörper in den durch die gewendelten Rippen 2 gebildeten Strömungskanälen und lenken den Strom des Fluidums zwischen den gewendelten Rippen an den Stellen um, wo diese Rippen von den Längsrippen 3 durchsetzt sind.

Brennstoffelemente sind üblicherweise in Bohrungen von aus Neutronen moderierendem Material bestehenden Blöcken im Reaktorcore unter Belassung eines Ringraumes eingesetzt, durch den das Fluidum (Kühlgas) strömt. Bei den dargestellten Ausführungsformen für einen Behälter nach der Erfindung erstrecken sich die Längsrippen 3 in radialer Richtung über die gewendelten Rippen 2 so weit hinaus, daß beim Einsetzen des Behälters in die Bohrung eines Moderatorblockes die Längsrippen genügend nahe an den moderierenden Werkstoff heranreichen, um einen Kühlgasstrom längs der Kanten der Längsrippen 3 weitgehend zu verhindern.

Bei einer solchen Anordnung wird das Kühlgas, welches allgemein gesehen bezüglich des Behälters in axialer Richtung strömt, durch die gewendelten Rippen 2 veranlaßt, einem schraubenförmigen Strömungspfad um eine Achse herum zu folgen, die selbst wieder dem schraubenförmigen Weg zwischen den Rippen folgt. Beim Auftreffen auf eine Längsrippe wird das Gas entlang deren Oberfläche radial nach auswärts abgelenkt und kommt in Berührung mit der kreisförmig gewölbten Wand der Moderatorblockbohrung; dann wird das Gas wieder durch die Fläche der nächsten Längsrippe abgelenkt und immer noch einem schraubenförmigen Strömungsweg folgend, radial nach innen zwischen gewendelte Rippen geführt, die naher zum Auslaßende des Brennstoffelementes hin vorgesehen sind. Die allgemeine Wirkungsweise besteht also darin, daß ein fortwährender Austausch der in Berührung mit der gerippten Oberfläche kommenden Gasmoleküle stattfindet und daß die Gastemperatur in der Nähe dieser Oberfläche sich weitgehend der mittleren Temperatur des Gases nähert.

Die Längsrippen 3 können lose in Schlitzen der gewendelten Rippen 2 liegen und nur an jedem Ende befestigt sein. Sie können aber auch mit dem Behälter 1 verbunden sein. Im ersteren Falle ist eine Ausdehnung infolge der losen Lage der Längsrippen 3 möglich, während im letzteren Falle eine solche Ausdehnung durch Aufteilung der Längsrippen 3 in eine größere Anzahl kürzerer, durch schmale Zwischenräume getrennter Längsrippen möglich ist.

Bei dem in der F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls ein Behälter 1 vorgesehen, der dem in der F i g. 1 gezeigten Behälter ähnlich ist. Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die gewendelten Rippen 2 gewellt ausgebildet, wobei die Wellungen in im wesentlichen radialer Richtung verlaufen. Wellungen dieser Art unterstützen die Bildung eines schraubenförmigen Strömungsweges für das Kühlgas zwischen den gewendelten Rippen 2.

Die Auswahl des für die Behälter verwendeten Werkstoffes und des Werkstoffes für die Längsrippen 3 hängt von den jeweiligen Bedingungen ab, denen die Behälter unterworfen werden sollen. Bei Verwendung in einem Kernreaktor muß der Behälter aus einem beispielsweise Neutronen nur geringfügig absorbierenden Werkstoff bestehen, wofür sich Magnesiumlegierungen oder Graphit als geeignet erwiesen haben.

In manchen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Längsrippen 3 aus Graphit herzustellen. Graphit hat unter Betriebsbedingungen eines Reaktors geringe Kriecheigenschaften und genügend Festigkeit, um Verbiegungen oder Verwindungen zu verhindern; er ist außerdem billig, leicht bearbeitbar, und da auch das Neutronen moderierende Material meist aus Graphit besteht, ist der Ausdehnungsbeiwert der Längsrippen 3 und des moderierenden Werkstoffes gleich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der Verwendung von Längsrippen aus Graphit für den Fall, daß eine solche Rippe ausbricht, der ausgebrochene Teil ohne störenden Einfluß auf die Wirkungsweise im Reaktor verbleiben kann.

Die Behälter nach der Erfindung können, wenn sie in einem graphitmoderierten Reaktor verwendet werden, in allen Teilen aus Graphit bestehen.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß erfindungsgemäß ausgebildete Behälter überall dort eingesetzt werden können, wo in ähnlicher Weise die Wärme durch eine rohrförmige Oberfläche hindurch auf ein Medium übertragen werden soll.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Rohrförmiger Behälter für Kernbrennstoff, der zusammen mit dem Behälter ein in die Brennstoffkanäle eines Reaktorcore einsetzbares Brennstoffelement bildet und an dessen äußerer Oberfläche in Richtung der Behälterachse sich erstrekkende Rippen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an der äußeren Behälteroberfläche zusätzlich gewendelte Rippen (2, 2') vorgesehen sind und die Längsrippen (3), in radialer Richtung gesehen, über die gewendelten Rippen hinausragen.

2. Rohrförmiger Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewendelten Rippen (2') gewellt sind.

3. Rohrförmiger Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) und bzw. oder die gewendelten Rippen (2, 2') und bzw. oder die Längsrippen (3) aus Graphit bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 192 607, 804 502,
845 053,864 560,897 419;

schweizerische Patentschrift Nr. 207 254;

österreichische Patentschrift Nr. 94 244;

britische Patentschrift Nr. 554 813;

USA.-Patentschrift Nr. 1 640 317;

Zeitschrift »Brennstoff-Wärme-Kraft«, Bd. 6, Nr. 9, September 1954, S. 371;

Druckschrift »Research Reactors«, 1955, S. 395 bis 397.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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