DE1060507B - Kernbrennstoffelement - Google Patents

Description

DEUTSCHES

kl. 21g 21/20

INTERNAT. KL. . G 21

PATENTAMT

S 59803 VIII c/21g

ANMELDETAG: 12. SEPTEMBER 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

2. JULI 1959

Es sind Brennstoffelemente für Kernreaktoren bekannt, die ein rohrförmiges Gehäuse aufweisen und im Inneren eine Vielzahl umhüllter, mit Abstandswendeln versehener Brennstäbe in Bündelform enthalten. Stirnseitig sind die Gehäuse mit den Kühlmitteldurchtritt gestattenden Verschlüssen versehen, z. B. mit Lochplatten. Kennzeichnend für die bekannten Brennelemente ist, daß die Verschlüsse, das Gehäuse und die Brennstäbe miteinander durch Löten oder Schweißen zu einer starren baulichen Einheit verbunden sind.

Die Herstellung der Löt- und Schweißverbindungen ist bei der großen Zahl der auf engstem Raum zusammengedrängten Brennstäbe sehr schwierig. Die starre Ausführung der Konstruktion ist aber auch im Schadensfalle von Nachteil. Fällt nur ein einziger Brennstab aus, beispielsweise durch Undichtigkeiten in der Hülle, muß das ganze Brennelement ausgewechselt bzw. durch ein neues ersetzt werden, obwohl noch alle übrigen Stäbe einwandfrei sind. Bei den sehr hohen Kosten für ein Brennelement erscheint ein solches Vorgehen höchst unwirtschaftlich.

Auch für eine leichte Aufbereitung des Brennstoffes ausgebrannter Brennelemente ist die starre Konstruktion ungeeignet, da eine Zerlegung, besonders da sie mit ferngesteuerten Werkzeugen ausgeführt werden soll, auf Schwierigkeiten stößt. Bei der Entnahme der Brennstäbe werden die übrigen Konstruktionsteile für eine Wiederverwendung unbrauchbar.

Gegenstand der Erfindung ist ein Brennelement mit rohr- oder kastenförmigem Gehäuse, gebündelten Brennstäben und .stirnseitigen Lochplatten, das die genannten Nachteile nicht aufweist. Es kann vor allem, ohne an Einfachheit im Aufbau einzubüßen, besonders leicht zusammengesetzt oder zerlegt werden. Die Lösung besteht darin, daß mindestens einer der stirnseitigen Gehäuseverschlüsse lösbar ausgebildet ist und die Brennstäbe lose, aber in geordneter Packung in das Gehäuse eingefüllt sind. Bei abgenommenem Verschluß stecken die Brennstäbe im Gehäuse wie die Pfeile in einem Köcher.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele schematisch veranschaulicht; es zeigt

Fig. 1 ein Brennstoffelement mit Sechskantgehäuse im Längsschnitt,

Fig. 2 den lösbaren Gehäuseverschluß des Brennstoffelementes,

Fig. 3 den festen Gehäuseverschluß des Brennstoffelementes,

Fig. 4 einen vergrößerten Waagerechtschnitt durch das Brennstoffelement gemäß Fig. 1 und

Fig. 5 einen Waagerechtschnitt durch ein Brennstoffelement mit Achtkantgehäuse.

Das Brennstoffelement gemäß den Fig. 1 bis 3 be-Kernbrennstoffelement

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Walter Zeller, Dr. Franz von Bernus und Dr. Heinz Stehle, Erlangen, sind als Erfinder genannt worden\

steht aus dem Gehäuserohr 1 (auch Leitrohr genannt) mit den stirnseitigen Gehäuseverschlüssen 2, 3 und den Brennstäben 4. Die Verschlüsse sind, wie die Fig. 2 und 3 besonders deutlich zeigen, als Lochplatten ausgebildet, so daß sie den Durchtritt des Kühlmittels durch das Brennstoffelement gestatten. Von den Lochplatten ist die untere fest mit dem Gehäuse verbunden, z. B. verlötet, dagegen ist die obere erfindungsgemäß lösbar am Gehäuse befestigt. Dazu ist sie deckelartig ausgebildet und in das Elementengehäuse eingeschoben. Das Gehäuseteil 2 a weist Radialbohrungen 5 auf, in die gemäß Fig. 1 der Haltestift 6, von außen gegen die Lochplatte anliegend, eingeschoben ist. Er wird zweckmäßig als Schwerspannstift ausgebildet, so daß er leichter herausgenommen werden kann. Zwei weitere Stifte 7, die in Gehäusebohrungen. 8 quer zum Haltestift eingesetzt sind (vgl. Fig. 2), sichern die Deckelverbindung zusätzlich.

Innerhalb des Elementengehäuses sind die Brennstäbe 4 lose, aber in geordneter Packung eingefüllt. Sie stützen sich auf der unteren Lochplatte 3 ab, in deren parallele Stege 9 sie dabei einrasten. Auf diese Weise sind sie gegen Verdrehen gesichert.

Die Hüllen der Brennstäbe tragen an der Außenseite die gewendelten Finnen 10, die den seitlichen Abstand der Stäbe bestimmen und in der Schnittansicht nach Fig. 1 nur abschnittsweise erkennbar sind. Es sind drei Finnen je Brennstab vorgesehen, die symmetrisch über den Stabumfang verteilt, also jeweils 120° gegeneinander versetzt, sind. Wie weiter unten näher erläutert ist, gewähren die Finnen den Brennstäben über die Länge gesehen eine wiederholte Mehrpunktabstützung gegen seitliche. Auslenkung. In die Brennstabhüllen ist der Kernbrennstoff in Gestalt von Brennstofftabletten 11 eingefüllt. Die Brennstäbe sind

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am oberen und unteren Ende durch Abschlußstopfen 12 verschlossen. ■

Im folgenden sei nun an Hand der Fig. 4 erläutert, wie die Brennstäbe mit Hilfe der Finnen gemäß der Erfindung lose, aber in geordneter Packung im Brennelementengehäuse 1 gehalten werden. . . .

In das sechskantige Gehäuserohr 1 sind neunzehn Brennstäbe eingeschoben, von denen dreizehn durch stark ausgezogene,, sechs durch normal ausgezogene Hüllen gekennzeichnet sind. Diese Kennzeichnung wurde für die Unterscheidung zweier weiter unten näher erläuteter Schnittebenen gewählt. Die die Stäbe umgebenden Kreisringflächen 10 stellen die Finnen in der Draufsicht dar. Wie erwähnt, besitzt jeder Stab drei um 120° gegeneinander versetzte Finnen, wie dies die vollausgezogenen oder gestrichelten Radialkanten 13, 14 zum Ausdruck bringen. Es ergibt sich also eine symmetrische Dreipunktabstützung. Die Kanten liegen in Schnittebenen, deren gegenseitiger Abstand ein Sechstel der Ganghöhe der Finnenwendeln beträgt.

Dies sei im folgenden näher erläutert. Wie die Fig. 4 deutlich zeigt, bilden die zur.Verdeutlichung stärker ausgezogenen Stäbe im Grundriß drei zusammenhängende Sechskantringe. Die Stäbe dieser Ringe stützen sich untereinander und gegen das Gehäuse nur über die vollausgezogenen Finnenkanten 13 ab, und zwar innerhalb der dargestellten Schnittebene. Nur an diesen Stellen kreuzen sich nämlich die Finnen. Die übrigen Stäbe, deren vollausgezogene Finnenkanten in dieser Schnittebene keine Gegenkanten finden, stützen sich gegen die Nachbarstäbe und das Gehäuse in Ebenen ab, die um ein Sechstel der Ganghöhe ober- oder unterhalb der Zeichenebene liegen. Das ist gerade der Ort, an dem sich ihre Finnen mit denen der Nachbarstäbe kreuzen. Die gestrichelt eingezeichneten Kanten 14 kennzeichnen diesen Ort bzw. diese Schnittebene. Betrachtet man aber jede Stabgruppe für sich, so kehrt erst nach jedem Drittel Ganghöhe eine neue Dreipunktabstützung an den vollausgezogenen und gestrichelten Kanten wieder, die zudem deckungsgleich mit den voraufgegangenen Kanten liegen. Die Abstützebenen der Gruppen liegen aber um ein Sechstel der Ganghöhe gegeneinander in Achsrichtung versetzt.

Auf diese Weise wird eine außerordentlich biegesteife Halterung der Stäbe bei engster Packung im Dreieckgitter erreicht. Die Anordnung ist in sich geometrisch geschlossen und auf alle Stabzahlen anwendbar, die ein regelmäßiges Sechskant ergeben. Damit auch die außen gelegenen Brennstäbe sicher abgestützt sind, weist das Rohrgehäuse die Sicken 15 auf, gegen die die mittleren Außenstäbe anliegen. Um neutronenabsorbierendes Material einzusparen, kann man die Finnenteile zwischen Berührungspunkten fortlassen.

Die Schnittansicht gemäß Fig. 5 zeigt ein achtkantiges Brennelementengehäuse, in das abwechselnd Brennstäbe mit und ohne Abstandswendeln eingebaut sind. Eine Verdrehsicherung wie im Falle des Sechskantelementes ist bei Verwendung nur einer Abstandswendel nicht notwendig. Soll eine symmetrische Zweioder Vierpunktabstützung erreicht werden, so können zwei oder vier Finnen je Stab vorgesehen werden. Die Vierpunktebstützung ist bei dem Element gemäß Fig. 5 vorgesehen. Die gefilmten Stäbe sind gegen Verdrehen in der für das Sechskantelement beschriebenen Weise gesichert. Um die richtige Lage der äußeren ungefinnten Stäbe im Gehäuse zu gewährleisten, weist das Gehäuse entlang der Stäbe Sicken

5 oder napfartige Vertiefungen auf.

Sowohl beim achtkantigen wie beim sechskantigen Brennelement können die stirnseitigen Lochplatten ersetzt werden durch aus Blechstegen zusammengesetzte Gitter, die bereits durch ihre Bauart eine

ίο Verdrehsicherung darstellen. An die Stelle der Stiftsicherung des lösbaren Gehäuseverschlusses kann auch ein Bajonettverschluß oder ein Schraubverschluß treten. Die Erfindung ist nicht auf Brennstäbe mit drei Finnen beschränkt, es können auch Stäbe mit sechs oder mehr Finnen verwendet werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement, bestehend aus einem rohr- oder kastenförmigen Gehäuse mit bündeiförmig eingelagerten umhüllten Brennstaben und stirnseitigen Gehäuseverschlüssen, die den Durchtritt des Kühlmittels gestatten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der stirnseitigen Gehäuseverschlüsse lösbar ausgebildet ist und die Brennstäbe lose, aber in geordneter Packung in das Gehäuse eingefüllt sind.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lösbare Gehäuse-Verschluß die Gestalt einer in das Gehäuse einschiebbaren Loch- bzw. Gitterplatte besitzt und am Gehäuse mit in Gehäuseradialbohrungen gelagerten Sicherungsstiften, mit einem Bajonettverschluß, mit einem Schraubverschluß od. dgl.

gehalten ist.

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise der dem lösbaren Verschluß gegenüberliegende Verschluß Mittel zur Sicherung der Brennstäbe gegen Verdrehen aufweist, z. B. parallele Stege, die in entsprechende Ausnehmungen an den zugehörigen Brennstäben eingreifen.

4. Kernbrennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe bei sechskantigem Gehäuse drei um 120° entlang des Stabumfanges versetzte gewendelte Finnen aufweisen und derart in zwei Gruppen in das Gehäuse eingesetzt sind, daß sich die Stäbe jeder Gruppe in jeweils um ein Drittel der Ganghöhe aufeinanderfolgenden Ebenen, die symmetrisch in drei Punkten abstützen und die Abstützebenen beider Gruppen gegeneinander um ein Sechstel der Ganghöhe versetzt sind.

5. Kernbrennstoffelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei achtkantigem Gehäuse gefinnte und ungefinnte Brennstäbe vorgesehen sind, von denen die gefinnten mindestens zwei, vorzugsweise vier, symmetrisch gegeneinander versetzte Finnen aufweisen, die in jeweils .um 90° Ganghöhe aufeinanderfolgenden Schnittebenen eine symmetrische Zweipunkt- oder Vier-, punktabstützung der gefinnten Stäbe gegen die ungefinnten bzw. gegen das Gehäuse gewähren.

6. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von den Brennstäben nur die gefinnten gegen Verdrehen gesichert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen