DE2843386C3 - Brennelement für einen mit Natrium gekühlten schnellen Brutreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen mit Natrium gekühlten schnellen Brutreaktor, dessen Brennstäbe in einer Hülle gelagert sind, die ihrerseits mit ihrem, die zentrale Zuströmöffnung für das Kühlmittel enthaltenden Fußstück in einem in die untere Gitterplatte fest eingesetzten Gitterplatteneinsatz lose, ihm gegenüber abgedichtet und nach oben aus dem Reaktorbehälter herausziehbar eingesetzt ist. wobei in dem den Fuß aufnehmenden Gitterplatteneinsatz lentrisch eine mit niedrigem Kühlmittelaustrittsdruck beaufschlagte, aus zwei losen, aber dichtend ineinanderpassenden Teilen bestehende Ausgleichskammer zur hydraulischen Niederhaltung vorgesehen ist. dessen obere Hälfte mit dem Fußstück der Hülle und dessen untere mit der unteren Gitterplatte fest verbunden ist und die im Gitierplatteneinsatz vom Kühlmittel in einem Ringraum allseitig umströmt wird.

Bei gewissen Betriebsstörungen und hypothetischen Störfällen in Kernreaktoren ist nicht auszuschließen, daß geschmolzener Brennstoff die Brennelemente nach unten verläßt. Dieser Brennstoff ist schwer zu bergen und stellt wegen seiner Wärmefreisetzung eine Gefährdung des Reaktortanks dar. Es ist dalier aus Instandsetzung*- und Sicherheitsgründen erstrebenswert, den geschmolzenen Brennstoff innerhalb der Brennelemente zurückzuhalten. Die vorliegende Erfindung geht nun von der Annahme aus, daß der Brennstoff sich durch die untere axiale Brutzone und das Spaltgasplenum der Brennelemente hindurchschmilzt, auf die hydraulische N ederhaltung trifft, diese zerstört und ins Kühlmitteleintrittsplenum gelangt

Ein Brennelement bei dem dieser Vorgaitg eintreten könnte, ist aus der DE-AS15 64 132 bekannt Be» diesem

ίο Brennelement stagniert praktisch das sich in der hydraulischen Niederhaltung befindliche Kühlmittel bzw. das Natrium. Der evtl. mit Brennstoff gefüllte Strömungsringkanal darum ist dadurch auf der Innenseite ungekühlt Das darin befindliche Natrium kann heraussieden und die gesamte Konstruktion zusammenschmelzen und so der Brennstoff ins Kühlmitteleintrittsplenum gelangen. Die hydraulische Niederhaltung befindet sich in einem Bereich, in dem bei bestimmten angenommenen Störfallbedingungen auch mit Brenn-Stoffansammlungen zwischen den Gitterplatteneinsätzen zu rechnen ist Das verhindert die radiale Energieableitung. Diese Gründe führen dazu, daß die hydraulische Niederhaltung nicht die zusätzliche Aufgabe übernehmen kann, den Brennstoff oder Teile desselben bei einem Niederschmelzen der Brennstäbe zurückzuhalten.

Ausgehend von d-ssem Stande der Technik hat nun die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, die hydraulische Niederhaltung eines Brennelementes der eingangs beschriebenen Art derartig zu gestalten, daß eine Energie- bzw. Wärmeabfuhr aus dem Inneren der hydraulischen Niederhaltung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei dem einangs genannten Brennelement dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die untere Hälfte der Ausgleichskammer mittels Hohlrippen fest mit dem Gitterplatteneinsatz verbunden und damit druckmäßig an den Raum außerhalb des Gitterplatteneinsatzes angeschlossen ist, und daß die obere Hälfte der Ausgleichskammc eine rohrförmige

■to Verlängerung aufweist, die mittels Hohlrippen fest mit dem Fußstück verbunden ist und damit ebenfalls druckmäßig mit dem Raum außerhalb des Gitterplatteneinsatzes in Verbindung steht. Weiterhin schlägt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe bei mehreren Brennelementen. Jeren Fußstücke in runden Gitterplatteneinsätzen aufgenommen sind vor. daß unmittelbar oberhalb der Öffnung der unteren Hohlrippen und unterhalb der Öffnung der oberen Hohlrippen über der Gitterplatte im Raum zwischen den Gitterplatteneinsätzen ein zusätzlicher, durchbrochener Boden eingesetzt ist.

Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, daß innerhalb und durch die hydraulische Niederhaltung hindurch eine Natur- oder Zwangskonvektion ermöglicht wird. Durch die Durchströmung der hydraulischen Niederhaltung von unten nach oben kann nun die Innenseite des ringförmigen Strömungskanals zwischen hydraulischer Niederhaltung und Gitterplatteneinsatz gekühlt werden. Dadurch wird nun bei schweren Betriebsstörungen in einzelnen Brennelementen geschmolzener Brennstoff mit hoher Sicherheit innerhalb der Brennelemente zurückgehalten, wodurch eine leichte Behebbarkeit des Schadens und eine starke Reduzierung der Tankgefährdung erreicht wird. Bei noch schwereren hypothetischen Unfällen wird die Brennstoffrückhaltewahrscheinlichkeit im Kern erhöht. Dadurch wird weniger Brennstoff auf den Tankboden gelangen und wegen der besseren

Kühlbarkeit kleinerer Brennstoffmengen wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß der Brennstoff nicht den Reaktortank beschädigen kann.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nun im folgenden anhand der Figur näher erläutert:

Die Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch den unteren Teil eines Brennelementes nach der Erfindung mit seiner Lagerung in der Gitterplatte.

Innerhalb der Brennelementhülle 1 befinden sich die nicht näher dargestellten Brennstoffstäbe, die den Brennstoff eines natriumgekühlten schnellen Brutreaktors enthalten. Das untere Ende der BrennelementhüUe mündet in dem Fußstück 2, welches seinerseits in dem Gitterplatteneinsatz 3 eingesteckt ist, der auf nicht näher dargestellte Art auf der Gitterplatte 4 befestigt ist. Gitterplatteneinsatz 3, Fußstück 2 und Brennelementhülk-1 werden von unten her von dem als Kühlmittel dienenden Flüssigmetall 5, vorzugsweise von Natrium, durchströmt, welches mit Kühlmitteleintrittsdruck ir. das Brennelement gedrückt wird. Nach Durchströmen des Brennelementes herrscht infolge des Druckabfalles im Brennelement Kühlmittelaustrittsdruck, u. a. auch im Raum 6 außerhalb des Brennelementes.

Innerhalb des Hohlraumes 7 im Gitterplatteneinsatz 3 ist nun zentral eine hydraulische Niederhalteeinrichtung eingesetzt, die aus einer zweigeteilten Kammer 8 besteht, die einen Innenraum 11 einschließt. Die Kammer 8 besteht aus dem unteren Teil 10 und dem oberen Teil 9, wobei der obere Teil 9 von oben her in das die Form eines nach oben geöffneten Hohlzylinders aufweisende Unterteil 10 so eng eingeschoben ist, daß sich die beiden gegenseitig abdichten bzw. daß der Raum 11 vom Raum 7 getrennt ist Der obere Teil 9 κ weist an seiner Unterseite eine kegelige Spitze 14 auf, die jedoch von Öffnungen 15 durchbrochen ist, um innerhalb der Kammer 11 bzw. innerhalb Ober- und Unterteil 9, 10 einen Druckausgleich und eine Durchströmungsmöglichkeit sicherzustellen. Der Durchmesser der Kammer 8 entspricht etwa dem Durchmesser des Kühlmitteleintrittskanals 12. Zwischen der Außenseite der Kammer 8 und der Innenseite des hohlen Gitterplatteneinsatzes 3 besteht der Ringraum 13, durch welchen der Kühlmittelstrom 5 « nach oben ·η Richtung Brennstäbe gr langt

Der Innenraum 11 der Kammer 8 wird nun unter den Druck des Raumes 6 gebracht Da dieser aber um den Druckverlust im Brennelement geringer ist als der Kühlmitteleintrittsdruck, so werden Ober- und Unterteil so 9,10 de·· Kammer 8 fest gegeneinander gedrückt so daß der Brennflementfuß 2 gegen den Gitterplatteneinsatz

3 bzw. gegen die Gitterplatte 4 entgegen dem Kühlmittelstrom 5 festgehalten wird. Diese Art der Befestigung wird als hydraulische N'iederhaltung be zeichnet.

Die Verbindung zwischen dem Innenraum 11 der Kammer 8 und dem Außenraum 6 außerhalb der Brennelemente erfolgt mittels der am unteren Kammerteil 10 angesetzten unteren Hohlrippe 16 in Form eines Verbindungsstutzens, die an die öffnung 17 in der Wandung des Gitterplatteneinsatzes 3 angeschlossen ist. Wird nun der obere Kammerteil 9 ebenfalls an den Raum 6 angeschlossen, so kann sich durch die Kammer ein Kühlmittelstrom 18 ausbilden. Dieser Anschluß erfolgt von der Kammer 8, die nach oben in das an Stützrippen 24 im Fußstück 2 befestigte konische Zwischenstück 19 übergeht mittels einer zunächst zentrischen, rohrförmigen Verlängerung in Form des Steigrohres 20, das über die oberen Hohlrippen 21 und die öffnung 22 an den Raum 6 angeschlossen ist Die oberen Huhlrippen 21 und die öffnung 22 sind möglichst hoch im Fußstück 2 geleg.. -, um sehr nahe an die Brennstäbe zu liegen zu komme 1. Das Rohrstück sollte möglichst weit in den Brennelementfuß hineinreichen, um ein Ausfrieren des Brennstoffes noch innerhalb des Brennelementfußes 2 zu ermöglichen. Dann Unnten einzelne niedergeschmolzene Brennelemente problemlos aus dem Kern entladen werden.

Die unteren Hohlrippen 16 sind unmittelbar oder mit geringem Abstand über der Gitterplatte 4 angeordnet Dabei sollen die oberen und die unteren Hohlrippen 21 bzw. 16 möglichst weit auseinander angeordnet sein. Da die unteren Hohlrippen aus konstruktiven Gründen möglichst nahe der Gitterplatte 4 liegen sollten, ist es günstig, direkt oberhalb der Öffnung 17 einen zusätzlichen Zwischenboden 23 anzubringen, auf welchem sich evtl. geschmolzener Brennstoff 25 ablagern kann, ohne die Öffnung 17 zu verstopfen und damit den Durchfluß durch die Kammer 11 zu verhindern.

Die sich in der Kammer 8 einstellende Watriu.nströmung wird parallel zu einem Kreislauf zwischen den Brenn- und Brutelementen, vom radialen Brutmantel des Reaktors kommend, zwischen den Gitterplatteneinsätzen 3 und dem zusätzlich eingeführten Boden 23 und der Gitterplatte 4 in Richtung Reakto^rkernmitte verlaufen, dort dann durch die Gitterplatteneinsätze 3 hindurch und zwischen den Brennelementen weiter aufwärts strömen. Die Kühlmittel- bzw. Natriumversorgnng zwischen dem zusätzlichen Boden 23 und der Gitterplatte 4 kann durch eine dosierte Leckage aus den Regel- und Abschaltstabführungsrohren aus deren Niederdruckbereich verbessert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Brennelement für einen mit Natrium gekühlten schnellen Brutreaktor, dessen Brennstäbe in einer Hülle gelagert sind, die ihrerseits mit ihrem, die zentrale Zuströmöffnung für das Kühlmittel enthaltenden Fußstück in einem in die untere Gitterplatte fest eingesetzten Gitterplatteneinsatz lose, ihm gegenüber abgedichtet und nach oben aus dem Reaktorbehälter herausziehbar eingesetzt ist, wobei in dem den Fuß aufnehmenden Gitterplatteneinsatz zentrisch eine mit niedrigem Kühlmittelaustrittsdruck beaufschlagte, aus zwei losen, aber dichtend ineinanderpassenden Teilen bestehende Ausgleichskammer zur hydraulischen Niederhaltung vorgesehen ist, deren obere Hälfte mit dem Fußstück der Hülle und deren untere mit der unteren Gitterplatte fest verbunden ist und die im Gitterplatteneinsatz vom Kühlmittel in einem Ringraum allseitig umströmt w'xd. dadurch gekennzeichnet, daß die untere Hälfte (!0) der Ausgleichskammer (8) mittels Hohlrippen (16) fest mit dem Gitterplatteneinsatz (3) verbunden und damit druckmäßig an den Raum (6) außerhalb des Gitterplatteneinsatzes (3) angeschlossen ist, und daß die obere Hälfte (9) der Ausgleichskammer (8) eine rohrförmige Verlängerung (19, 20) aufweist, die mittels Hohlrippen (21) fest mit dem Fußstück (2) verbunden ist und damit ebenfalls druckmäßig mit dem Raum (6) außerhalb des Gitterplatteneinsatzes (3) in Verbindung steht.

2. Brennel. T.entanordnung mit mehreren, nebeneinander stehenden Brennelementen nach Anspruch 1, dessen Fußstücke in runden Gitterplatteneinsätzen aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar oberhalb det Öffnung (17) der unteren Hohlnppen (16) und unterhalb der Öffnung (22) der oberen Hohlrippen (21) über der Gitterplatte (4) im Raum (6) zwischen den Gitterplatteneinsätzen (3) ein zusätzlicher, durchbrochener Boden (23) eingesetzt ist.