CH650613A5 - Brennstoffkassette. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffkassette der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Leistungskernreaktoren sind bekannt und beispielsweise von M.M. El-Wakil in «Nuclear Power Engineering», McGraw-Hill Book Company Inc., 1976, beschrieben.

Bei einem bekannten Typ eines Leistungskernreaktors, wie er beispielsweise in dem Dresden I, Reaktor der Dresden Nuclear Power Station in der Nähe von Chicago, Illinois, benutzt wird, ist der Reaktorkern ein heterogener Kern. In solchen Reaktoren umfasst der Kernbrennstoff langgestreckte Stäbe, die aus verschlossenen Hüllrohren aus geeignetem Material, wie beispielsweise Zirkoniumlegierung, gebildet sind, Uranoxid und/oder Plutoniumoxid als Kernbrennstoff enthalten und beispielsweise aus der US-PS 3 365 371

bekannt sind. Eine Anzahl solcher Brennstäbe wird zusam-mengefasst und von einem an den Enden offenen, rohrförmi-gen Durchfluss- oder Strömungskanal aufgenommen, um eine gesondert entnehmbare Brennstoffkassette oder Brennelementbündel zu bilden. Eine ausreichende Anzahl von Brennstoffkassetten wird zur Bildung des Reaktorkerns, in welchem eine sich selbst aufrechterhaltende Spaltungsreaktion möglich ist, in einer Matrix zusammengefasst, die einem geraden Kreiszylinder angenähert ist. Der Kern wird in ein Fluid, wie beispielsweise Leichtwasser, eingetaucht, das sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient.

Eine typische Brennstoffkassette wird durch eine Anordnung von gegenseitigen Abstand aufweisenden und zwischen einer oberen und einer unteren Halteplatte abgestützten Brennstäben gebildet, wobei die Stäbe ein mehrfaches von 0,3 m (mehrere Fuss) lang sind, einen Durchmesser in der Grössenordnung von 12,7 mm (Vi Zoll) haben und einen gegenseitigen Abstand von einem Bruchteil von 25,4 mm (1 Zoll) aufweisen. Damit ein richtiger Kühlmittelstrom an den Brennstäben vorbeigeht, ist es wichtig, die Stäbe in gegenseitigem Abstand zu halten und sie am Durchbiegen und Vibrieren während des Reaktorbetriebes zu hindern. Mehrere Brennstababstandhalter, die mit Abstand über die Länge der Brennstoffkassette verteilt sind, sind für diesen Zweck vorgesehen. Solche Abstandhalter sind beispielsweise aus der US-PS 3 654 077 bekannt.

Wenn die Brennstoffkassetten in dem Reaktorkern angeordnet sind, haben sie gegenseitigen Abstand und sind somit durch einen Belag des Wassermoderators umgeben. Die peripheren Brennstäbe sind daher einem höheren Fluss von thermischen Neutronen ausgesetzt als die Brennstäbe des inneren und weniger moderierten Gebietes der Brennstoffkassetten.

Ein flacherer Fluss von thermischen Neutronen kann an der Brennstoffkassette zusammen mit einer besseren Brennstoffausnutzung und niedrigeren örtlichen Leistungsspitzen erzielt werden, indem die Neutronenmoderation in dem inneren Teil der Brennstoffkassette verstärkt wird. Das kann erreicht werden, indem einer oder mehrere der inneren Brennstäbe durch mit Durchlässen versehene Wasserrohre ersetzt werden, über die relativ kaltes Wasser aufwärts durch den inneren Teil der Brennstoffkassette geleitet wird. Eine Anordnung solcher Wasserrohre ist aus der US-PS 3 802 995 bekannt.

Die Moderation über den inneren Teil des Brennelements kann verstärkt werden, indem die Anzahl der Wasserrohre vergrössert wird. Diese Lösung hat jedoch eine praktische Grenze, da jedes Wasserrohr einen Brennstab ersetzt und somit unerwünschterweise die Brennstoffaufnahmekapazität der Brennstoffkassette verringert.

Gegenüber der Brennstoffkassette nach der US-PS 38 02 995 wird bei der vorliegenden Brennstoffkassette die Neutronenmoderation in dem inneren Teil der Brennstoffkassette verstärkt, ohne die Anzahl der Wasserrohre zu vergrös-sern, indem ein oder mehrere Wasserrohre vorgesehen werden, deren Durchmesser grösser als der der Brennstäbe ist. Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, diese grösseren Rohre in geeigneter Weise abzustützen, um deren Durchbiegen oder Vibrieren während des Reaktorbetriebes zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein W-förmiges Federteil, das sich in die durch das Rohr eingenommene Zelle des Abstandhalters erstreckt, um es seitlich abzustützen. Diese W-förmigen Federteile haben weiter den Vorteil, dass sie aus den Brennstababstandhaltern ohne nennenswerte Umkonstruktion erhalten wurden. Die W-förmigen Federteile benötigen weniger Raum, ergeben aber im wesentlichen dieselbe Federkraft wie die V-förmigen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

650 613

Federteile, die sie ersetzen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Brennstoffkassette, die ein Wasserrohr enthält,

Fig. 2 in Draufsicht einen Brennstababstandhalter, Fig. 3 in Seitenansicht eine Kastenfederanordnung und Fig. 4 in Seitenansicht eine modifizierte Kastenfederanordnung.

In Fig. 1 ist eine Brennstoffkassette 20 in Seitenansicht dargestellt. Die Brennstoffkassette 20 enthält mehrere Brennstoffelemente oder Brennstäbe 21, welche zwischen einer als Skelett ausgebildeten oberen Halteplatte 22 und einer als Skelett ausgebildeten unteren Halteplatte 23 abgestützt sind. Die Brennstäbe 21 gehen durch mehrere Brennstababstandhalter 24 hindurch, die für eine Zwischenabstützung sorgen, um die langgestreckten Stäbe in gegenseitigem Abstand zu halten und an seitlicher Vibration zu hindern.

Die Brennstäbe 21 bestehen jeweils aus einem langgestreckten Rohr, das einen spaltbaren Brennstoff und andere Materialien, wie Spaltstoff, abbrennbares Gift, inertes Material od. dgl., enthält, welche in das Rohr durch einen oberen Endstopfen 26 und einen unteren Endstopfen 27 eingeschlossen sind. Die unteren Endstopfen 27 sind mit Ansätzen versehen, die mit in der unteren Halteplatte 23 gebildeten Traghohlräumen 29 in Deckung und durch diese abgestützt sind. Die oberen Endstopfen 26 sind mit Ansätzen 28 versehen, die in Traghohlräume 31 in der oberen Halteplatte 22 passen.

Von den Traghohlräumen 29 in der unteren Halteplatte 23 sind mehrere (beispielsweise ausgewählte Traghohlräume am Rand oder Umfang) mit Gewinde versehen und dienen zur Aufnahme von Brennstäben, die mit Gewinde versehene Ansätze 27' an den unteren Endstopfen haben. Ansätze 28' der oberen Endstopfen 26' derselben Brennstäbe sind verlängert, damit sie durch die Hohlräume in der oberen Halteplatte 22 hindurchgeführt werden können, und mit Gewinden zur Aufnahme von Befestigungsmuttern 32 versehen. Auf diese Weise bilden die obere und die untere Halteplatte und die Brennstäbe zusammen ein einstückiges Gebilde.

Die Brennstoffkassette 20 hat weiter einen dünnwandigen, rohrförmigen Strömungskanal 33 mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt, der so bemessen ist, dass er über der oberen Halteplatte 22 und der unteren Halteplatte 23 sowie den Abstandhaltern 24 einen Gleitsitz bildet, damit der Kanal 33 leicht angebracht und entfernt werden kann. An dem oberen Ende des Strömungskanals 33 ist ein Lappen 34 befestigt, über den der Kanal an einem Pfosten 36 der oberen Halteplatte 22 mittels einer Schraube 37 befestigt ist.

Die untere Halteplatte 23 ist mit einem Kopf- oder Mundstück 38 versehen, das zum Abstützen der Brennstoffkassette 20 in einer Buchse in einer Kerngrundplatte (nicht gezeigt) in dem Reaktordruckgefäss dient. Das Ende dieses Kopfstückes ist mit Öffnungen 39 zur Aufnahme des unter Druck stehenden Kühlmittels versehen, so dass dieses zwischen den Brennstäben nach oben strömt.

Gemäss Fig. 1 ist einer (oder sind mehrere) der Brennstäbe 21 in den inneren Brennstabpositionen durch ein Wasserrohr 41 ersetzt. Das Wasserrohr 41 gleicht im Aufbau einem Brennstab, mit der Ausnahme, dass es keinen Brennstoff enthält und mit Löchern 42 und 43 versehen ist und/ oder dass sein oberer und unterer Endstopfen mit Durchlässen 44 bzw. 46 versehen sind, um einen Wassermoderator-durchfluss zu gestatten.

Gemäss der Erfindung und zur Vergrösserung der Menge an Wassermoderator in dem inneren Teil der Brennstoffkassette hat das Wasserrohr 41 einen Aussendurchmesser, der grösser als der Durchmesser der Brennstäbe 21 ist. Beispielsweise kann das Wasserrohr 41 einen Aussendurchmesser von etwa 15 mm haben, während die Brennstäbe 21 einen Aussendurchmesser von etwa 12 mm haben.

Die Abstandhalter 24 können den gleichen Aufbau haben wie er in den Fig. 5 bis 10 der US-PS 3 654 077 gezeigt ist, auf die hier, insbesondere bezüglich Konstruktionseinzelheiten, Bezug genommen wird.

Gemäss der Erfindung werden die Abstandhalter 24 ohne umfangreiche Umkonstruktion modifiziert, damit sie die einen grösseren Durchmesser aufweisenden Wasserrohre 41 aufnehmen können. Ein modifizierter Abstandhalter 24 ist in Fig. 2 gezeigt.

Der Abstandhalter 24 hat ein Umfangsband 50, welches mehrere querverbundene Unterteiler oder Trennteile trägt, und zwar Trennteile 51, Federhaltetrennteile 52 und modifizierte Trennteile 53, wobei diese Trennteile mit Abstand voneinander angeordnet sind, um mehrere Durchlässe oder Zellen 49 zu bilden. Gemäss der Darstellung in Fig. 2 erstrecken sich beispielshalber gezeigte Brennstäbe 21 durch die Zellen 49, während sich Wasserrohre 41 durch Zellen 49' erstrecken. An den Schnittpunkten der Trennteile 52 sind vierseitige Kastenfederanordnungen 54 abgestützt, die mit sich nach aussen erstreckenden, V-förmigen Federteilen versehen sind, so dass sich jeweils eines dieser Federteile in jeweils eine der Zellen 49 erstreckt und den Brennstab darin in Anlage an entgegengesetzt angeordnete, relativ starre Vorsprünge 72 drückt, die in den Trennteilen gebildet sind.

Eine Kastenfederanordnung 54, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, hat vier sich nach aussen erstreckende Federteile 56, welche zwischen einem oberen Kastenendteil 57 und einem unteren Kastenendteil 58 abgestützt sind. Die vier Seiten dieser Endteile sind jeweils mit einem halbkugelförmigen Ansatz 59 zum Begrenzen der Berührungsfläche mit dem benachbarten Brennstab und der seitlichen Bewegung desselben versehen.

Ein erster Versuch zum Modifizieren der Abstandhalter 24 zur Aufnahme von Wasserrohren grösseren Durchmessers bestand darin, die benachbarte Federanordnung durch Verkürzung (foreshortening) der Seiten der Kastenendteile 57 und 58 neben dem Wasserrohr zu modifizieren, die Vorsprünge 59 an diesen Seiten wegzulassen und das Vorstehen der starren Anschläge 72 in die Zellen 49' der Wasserrohre hinein zu verringern. Das das Wasserrohr berührende Federteil 56 blieb dasselbe.

Bei einem zu Versuchszwecken gebauten Brennelementbündel zeigte es sich jedoch, dass das Einführen des Über-grösse aufweisenden Wasserrohres eine übermässig grosse Kraft erforderte, die grösser war als die Kraft, die im allgemeinen zum Einführen von Brennstäben erforderlich ist, und deshalb ausserhalb des Gleichgewichts mit gewünschten Brennstabvorbelastungen lag. Es zeigte sich, dass die grosse Einführkraft aus einer Durchbiegung des Federteils 56 resultierte, die es dazu brachte, die benachbarten Abstandhalter-trennteile zu berühren, wodurch die effektive Federlänge verringert und infolgedessen die Federsteife vergrössert wurde. Darüber hinaus bewirkte die Berührung des Federteils mit den Trennteilen eine Bewegung der gesamten Kastenfederanordnung von dem Brennstab weg in der diagonal benachbarten Zelle, was zu einer unerwünscht geringeren Federkraft an diesem Brennstab führte. Das Berührungsproblem könnte zwar gelöst werden, indem die Breite des Federteils 56 in der Wasserrohrzelle 49' verringert wird, das würde jedoch zu einer derartigen Verringerung der Federkonstante führen,

dass die erwünschte Vorbelastungsfederkraft an den Wasserrohren nicht erzielt werden könnte.

Deshalb wurde gemäss der Erfindung und gemäss der Darstellung in Fig. 4 eine modifizierte Kastenfederanordnung 54' geschaffen, die mit dem Abstandhalteraufbau kompatibel

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

650 613

4

ist und geeignete und im wesentlichen gleiche Federkraftbelastungen an den Wasserrohren und den benachbarten Brennstäben ergibt.

Die Kastenfederanordnung 54' von Fig. 4 weist im Vergleich zu der Kastenfederanordnung 54 von Fig. 3 folgende Modifizierungen auf: Die Kastenendteile 57' und 58' sind auf der der Zelle 49' des Wasserrohres benachbarten Seite verkürzt, die Vorsprünge 59 sind auf dieser Seite weggelassen, und ein W-förmiges Federteil 56' ersetzt das V-förmige Federteil 56 auf dieser Seite.

Die Breite und die spezifische Form des W-förmigen Federteils 56' wurden so gewählt, dass sich im wesentlichen dieselbe Federkraft an den Wasserrohren wie durch das V-förmige Federteil 56 an den Brennstäben ergibt und somit gleiche Spannungswerte in beiden Typen von Federteilen geschaffen werden, um Unterschiede in den Federentspannungsverhältnissen im Betrieb des Reaktors auszuschliessen, die zu ungleichen Federkräften führen würden. Die W-Form des Wasserrohrfederteils überragt das Teil entfernt von den

Abstandhaltertrennteilen und verhindert somit eine Berührung mit diesen.

Die W-Form des Wasserrohrfederteils 56' gestattet zwei Berührungspunkte mit dem Wasserrohr, und das geringere 5 Vorstehen der starren Teile 72 in den Wasserrohrzellen 49' führt zu einem kleineren Spalt zwischen dem Wasserrohr und den Abstandhaltertrennteilen, was für das keinen Brennstoff enthaltende Wasserrohr nicht nachteilig ist, verglichen mit den Wärme erzeugenden Brennstäben, bei denen es io erwünscht ist, die Berührungsfläche mit dem Abstandhalter zu minimieren, um eine Störung des Kühlmittelflusses und «heisse Punkte» zu vermeiden.

Die Kastenfederanordnungen 54 und 54 ' werden aus Federmaterial hergestellt, das für den Gebrauch in einem i: Kernreaktor geeignet ist, wie beispielsweise Inconel oder die Legierung X-750, während andere Teile der Abstandhalter 24 vorzugsweise aus einem Material hergestellt werden, das einen geringen Neutroneneinfangquerschnitt hat, wie beispielsweise eine Zirkoniumlegierung.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

650 613

1. Brennstoffkassette, die zur Verwendung mit mehreren anderen, gleichartigen Brennstoffkassetten und einem Neu-tronenmoderatorfluid in einem Kern eines Kernreaktors vorgesehen ist und mehrere langgestreckte Brennstäbe vorbestimmten Aussendurchmessers aufweist, die in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, mit wenigstens einem Abstandhalter, welcher zwischen den Enden der Brennstäbe angeordnet ist und mehrere Zellen zum Hindurchführen der Brennstäbe bildet, wobei ein Federteil vorgesehen ist, das sich in jede der durch einen Brennstab eingenommenen Zellen erstreckt und den Brennstab darin berührt, um ihn seitlich abzustützen und wobei wenigstens ein Rohr, das in einer inneren Position der Brennstoffkassette angeordnet ist, durch eine Zelle des Abstandhalters hindurchgeführt und mit Einrichtungen für den Eintritt und Austritt von Moderatorfluid versehen ist und welches einen Aussendurchmesser aufweist, der grösser als der Aussendurchmesser der Brennstäbe ist, gekennzeichnet durch ein W-förmiges Federteil (56'), das sich in die durch das Rohr (41) eingenommene Zelle (49') des Abstandhalters (24) erstreckt, um es seitlich abzustützen.

2. Brennstoffkassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federteile (56), die sich in durch Brennstäbe (21) eingenommene Zellen (49) erstrecken, V-förmig sind, um einen begrenzten Berührungsbereich mit den Brennstäben zu schaffen.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Brennstoffkassette nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das W-förmige Federteil (56') im wesentlichen dieselbe Federkraft auf das Rohr (41) ausübt wie das V-för-mige Federteil (56) auf einen Brennstab (21).

4. Brennstoffkassette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (49,49') des Abstandhalters (24) durch querverbundene, sich schneidende Trennteile (51, 52, 53) gebildet sind, und dass die Federteile (56,56') jeweils vierseitige Kastenfederanordnungen (54,54') aufweisen, die an Schnittpunkten der Trennteile abgestützt sind, so dass ein Federteil der Kastenfederanordnung sich diagonal in jeder der Abstandhalterzellen erstreckt, wobei die Kastenfederanordnungen jeweils aus in gegenseitigem Abstand angeordneten und durch ein gesondertes Federteil auf jeder Seite miteinander verbundenen Kastenendteilen (57, 58, 57', 58') gebildet sind und wobei diejenige Seite der Kastenfederanordnung, welche der durch das Rohr (41) eingenommenen Abstandhalterzelle benachbart ist, verkürzt und mit dem W-förmigen Federteil (56') versehen ist.

5. Brennstoffkassette nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kastenendteile (57, 58, 57', 58') der Kastenfederanordnungen (54,54') mit halbkugelförmigen Vorsprüngen (59) auf denjenigen Seiten versehen sind, die durch Brennstäbe (21) eingenommenen Abstandhalterzelle (49) benachbart sind.