DE1295710B - Stabfoermiges Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein stabförmiges Brennelement für Kernreaktoren- mit Verdickungen zur Fixierung der Brennelemente, wobei die Verdickungen der dicht aneinandergereihten Brennelemente im wesentlichen nur punkt- bzw. linienförmige gegenseitige Berührungsflächen aufweisen und so ein Abstandsgitter bilden, welches bffnungen für das die Brennelemente praktisch allseitig am Umfang umspülende Kühlmedium frei läßt.
• Derartige Brennelemente sind bekannt (siehe z. B. USA.-Patentschrift 3 010 8$9 und französische Patentschrift 1269 842): - Die vorliegende Erfindung hat zur-Aufgabe, :.ein. Brennelement- dieser Art zu schaffen, bei -dem jedoch -der Anteil an Strukturmaterial möglichst gering ist,-so daß es sich besonders für den Einsatz in schnellen Reaktoren eignet.
• Die Lösung dieser '=Äüfgabe besteht erfindungsgemäß- darin, daß die Verdickungen als in vorbestimmter Höhe aufeinanderfolgende, allseitig radiale Erweiterungen der auch im Verdickungsbereich Spaltstoffe umschließenden Brennelementhülle ausgebildet sind: Während die bekannten Brennelemente im Bereich der Verdickungen mit nichtspaltbaren Stoffen, die daher auch keine Wärme entwickeln, gefüllt sind, liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß es im Hinblick auf die thermodynamischen Bedingungen ohne weiteres möglich ist, auch innerhalb der Verdickungen eine Spaltstoffkonzentration von derselben Größenordnung wie im übrigen Brennelement vorzusehen. Durch die schnellere Kühlmittelströmung an den Verdickungen wird hier eine stärkere-Kühlung erreicht; so daß sich ein Zusammensacken de..Brennstoffs bzw. dessen Absinken in die unteren Teile der Brennelemente und eine damit verbundene, sehr gefährliche Reaktivitätsänderung vermeiden läßt. Die Verdickungen können in verhältnismäßig: kurzen Abständen entlang `der stabförmigen Brennelemente vorgesehen sein, wodurch eine sehr gute Querstabilität der aus den einzelnen stabförmigen Brennelementen gebildeten Bün--.. -del gewährleistet ist....", Weitere hinzelheifen--der -Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Die F i g. 1 a,1 b und 2 a, 2 b zeigen zwei verschiedene Möglichkeiten für das Zusammensetzen von Brennstoffstäben nach der Erfindung, wobei die F i g. 1 b und 2 b Schnitten entlang den Linien I-1 bzw: 11-II von F i g. 1 a und 2 a entsprechen; die F i g. 3 bis 7 zeigen' .mehrere Ausführungsformen der Verdickungen an den Brennstoffstäben.
• In F i g1 a und dem zugehörigen Schnitt 1 b liegen die Verdickungen 2 bei allen Brennstoffstäben 1 in gleichen Ebenen. Nach F i g: 2-a und 2 b sind die Verdickungen 2 sich berührender Stäbe 1. in verschiede-. neu Ebenen- angeordnet, wodurch die Stabachs6n näher aneinanderrücken. Die Schnitte 1 b und 2 b geben ein Bild vom engsten Strömungsquerschnitt 3 für das Kühlmedium: Je -nach Stärke der Verdickungen- 2 wird die Durchtrittsfläche 3 für das Kühlmedium in der Ebene der Verdickungen 2 stark verringert, so daß das Kühlmedium an dieser Stelle eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erhält.
• Die Verdickungen 2 sind stromlinienförmig ausgebildet, damit das Kühlmedium möglichst wenig Druckverlust erhält. Sie können z. B. - gemäß F i g. 3 voll aus dem Material -der Brennstoffstabhülle 5 gearbeitet sein.
• Hierbei hat sich gezeigt, daß durch die große Geschwindigkeit des Kühlmediums beim Umströmen der Verdickungen 2 die Wärmeabgabe an dieser Stelle so groß wird, daß die Temperatur des Brennstoffstabes dort bis in seine Mitte hinein tiefer als im übrigen Brennstoffstab liegt. Infolgedessen schmilzt der Brennstoff, wenn die Brennstoffstäbe einmal zu heiß werden sollten, nicht überall gleichzeitig. Innerhalb der Verdickung 2 bildet der Brennstoff im Stab dann zunächst noch eine feste Brücke, die den geschmolzenen Brennstoff trägt, so daß er nicht ganz zusammensacken kann, Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt F i g.4. Hier sind die Verdickungen 2 durch--Aus- -bauchen der Brennstoffstabhülle 5 entstandet'. Obwohl die Wandung der Hülle 5 hier wesentlich dünner ist als in der Ausführungsform nach F i g. 3 ist die Temperatur im Innern des Stabes in der Ebene der Verdickungen nun höher als im übrigen Brennstoffstab, weil der Brennstoff eine kleine Wärmeleitfähigkeit besitzt und weil in den Verdickungen 2 eine größere Brennstoffmenge zusammenkommt, wodurch dort auch mehr Wärme entsteht.
• Eine Brücke, die das Zusammensacken des Brennstoffes bei überhitzung verhindert, kann sich z. B. auch dann bilden, wenn im Brennstoffstab, am besten zentrisch innerhalb der Verdickung 2; ein Füllkörper 6 aus wärmebeständigem Material, etwa aus Keramik, entsprechend F i g: 5 angeordnet ist, so daß .in der Ebene der Verdickungen nicht mehr Brennstoff vorhanden ist als in anderen Querschnittsebenen. Der Vorteil dieser Ausführungsart ist es, daß die Verdickungen 2 leicht und genau - etwa in einer Matrize unter innerem Druck - herstellbar sind.
• Der Füllkörper 6 ist vorzugsweise der Form der Verdickungen 2 derart angepaßt; daß in jedem Stab-.querschnitt die gleiche Menge Brennstoff vorhanden ist: Der Füllkörper 6 kann aber auch größer sein und eine ändere Form, etwa Kugelform besitzen, wobei .im. Brennstoffstab um den Füllkörper dann auch weniger Brennstoff als in anderen Stabquerschnitten vorhanden ist. Dadurch wird die Temperatur an dieser Stelle noch niedriger, die Brückenbildung im Fall :der Überhitzung noch sicherer.
• Die Verdickungen können nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 6 und 7 mit Aussparungen versehen sein. Durch diese Maßnahme wird der Durchflußquerschnitt 3 für das Kühlmedium und außerdem die Oberfläche für den Wärmeaustausch größer. Allerdings muß dann beachtef werden, daß die Brennelemente sich -aus ihrer gegenseitigen Stellung nicht verdrehen dürfen.
• Durch die strömungsgünstig ausgebildeten Verdickungen- werden die Brennstoffelemente sicher in dem gewünschten gegenseitigen Abstand gehalten. Seitlichen Halt erhalten die Brennelementbündel zweckmäßigerweise durch Führungskästen, in denen sie stehend oder hängend angeordnet sind. Sie können aber auch direkt, d. h. ohne Führungskästen, in den Reaktor eingebaut werden. Dann wird die seitliche Führung durch die Innenwand des Reaktors übernommen.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Stabförmiges Brennelement für Kernreaktoren mit Verdickungen zur Fixierung der Brennelemente, wobei die Verdickungen der dicht aneinandergereihten Brennelemente im wesentlichen nur punkt- bzw. linienförmige gegenseitige Berührungsflächen aufweisen und so ein Abstandsgitter bilden, welches Öffnungen für das die Brennelemente praktisch allseitig am Umfang umspülende Kühlmedium frei läßt, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Verdickungen (2) als in vorbestimmter Höhe aufeinanderfolgende, allseitig radiale Erweiterungen der auch im Verdickungsbereich Spaltstoffe umschließenden Brennelementhülle (5) ausgebildet sind. z. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Verdickungen (2) den freien Brennstoff einengende Füllkörper (6) aus wärmebeständigem Material angeordnet sind. 3. Brennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickungen (2) stromlinienförmig ausgebildet sind. 4. Brennelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdickungen (2) mit Aussparungen versehen sind.