DE1068392B - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen von Kernbrennstofftemperaturen bei Kernreaktoren.

Bei Betrieb von Kernreaktoren, welche feste Kernbrennstoffelemente in Form von Kernbrennstoffbauteilen enthalten, die jeweils von einer Schutzhülle umgeben sind, ist es erwünscht, eine ständige Überwachung der Brennstofftemperatur durchzuführen, um die Kernreaktoren dadurch gegen ein Annähern oder Erreichen kritischer Temperaturen, beispielsweise der Phasenwechseltemperaturen, zu schützen. Bisher wurden Kernbrennstofftemperaturen in handelsüblichen Leistungsreaktoren (beispielsweise in Calder-Reaktoren) mittelbar dadurch gemessen, daß die Brennstoffelementhülle mit einem Thermoelement ausgestattet wurde; jedoch ist wegen des sehr hohen Temperaturgefälles, welches zwischen dem Innern eines Kernbrennstoffbauteils und seiner Oberfläche besteht, wegen des temperaturabhängigen Wechsels in der Wärmeleitfähigkeit des Kernbrennstoffs und schließlich wegen des Temperaturabfalles zwischen Kernbrennstoff und Hülle eine Schätzung oder Ableitung der Kernbrennstofftemperatur aus der Hüllentemperatur kompliziert und meist ungenau.

Zu Versuchszwecken (beispielsweise im JEEPReaktor) ist eine Untersuchung der Brennstofftemperaturverteilung dadurch vorgenommen worden, daß eine Thermoelementverbindungsstelle in einen von einer Aluminiumschutzhülle umgebenen Uranbrennstoff gewaltsam eingepreßt oder -getrieben worden ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich dagegen auf das Messen der Temperaturen von Brennstoffelementen derjenigen Gattung, welche allgemein bei handelsüblichen gasgekühlten Leistungsreaktoren verwendet werden soll. Diese Brennstoffelementgattung besteht hauptsächlich aus einem in einer Schutzhülle aus Magnesium- oder einer Magnesiumlegierung liegenden Uranbrennstoffbauteil, und es kommt zu Problemen beim Durchführen eines mit einem rostfreien Stahlmantel versehenen Thermoelementkabels durch das Uran hindurch und beim Abdichten dieses Kabels in der Schutzhülle. Diese Probleme erstehen daraus, daß es unmöglich ist, im Uran zum Einsetzen des Thermoelementes Löcher von geringem Durchmesser und einer beträchtlichen Tiefe zu bohren, und daß es schwierig ist, eine ausreichende Abdichtung zwischen Magnesium und rostfreiem Stahl sicherzustellen.

Erfindungsgemäß ist ein Kernreaktorbrennstoff-element mit in einer Schutzhülle aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung untergebrachtem Uranbrennstoff und einem mit einem Kabelmantel aus rostfreiem Stahl versehenen Thermoelementkabel, welches nach einer Thermoelementverbindungsstelle Einrichtung zum Messen
von Kernbrennstofftemperaturen

Anmelder:
United Kingdom
Atomic Energy Authority,
London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität: Großbritannien, vom 15. März 1957

Piyatilleke Perera Guneratne,
Seascale, Cumberland (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

im Uranbauteil führt, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement im Uranbauteil eingegossen ist, daß es an der Stelle, wo es sich während des Eingießens im Uranbauteil befindet, mit einem Niobiumoder Tantalüberzug versehen ist und daß es mittels eines Titanzwischenteils über die Durchführung durch die Schutzhülle hinweg abgedichtet ist.

Der Niobium- oder Tantalschutzüberzug ist erforderlich, um den das Thermoelementkabel umgebenden rostfreien Stahlmantel während des Gießens gegen eine Reaktion mit geschmolzenem Uran zu schützen.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher erläutert werden, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform, Fig. 2 eine Schnittansicht einer Alternativausführungsform, während die
Fig. 3, 4 und 5 Schnittansichten sind, welche den Aufbau eines Teiles der Fig. 2 veranschaulichen.

In Fig. 1 ist ein Uranbrennstoffbauteil 1 veranschaulicht, welcher von einer mit Rippen versehenen Schutzhülle 2 aus einer Magnesiumlegierung umgeben wird; ein von rostfreiem Stahl umhülltes Thermoelementkabel 3 ist in den Bauteil eingelassen. Der Brennstoffbauteil ist dadurch hergestellt worden, daß Uran vermittels eines Vakuumgießverfahrens in eine mit Aluminium ausgekleidete Graphitform gern 647/329

Claims (1)

1. gössen worden Ist_j wobei- das Kabel während des Gießvorganges durch einen Graphitdornhalter an seinem oberen Ende gehalten wurde. Die Leitungen im Kabel 3 sind miteinander ■ verbunden, um eine Heißverbindung 11 zu bilden, und ein Nobiumüberzug 6 ist vermittels eines Ziehverfahrens über das Kabel 3 von der Verbindung 11 bis zu einem Punkt 7 außerhalb des BrennstofFbauteils 1 aufgebracht, so daß das Uran, wenn es gegossen wird, keinen Kontakt mit der rostfreien Stahlhülle des Kabels 3 eingeht. Die Schutzhülle 2 ist durch Endverschlußkappen 4 abgedichtet, welche mit Gewinde versehene Teilstücke 5 aufweisen, wobei das obere Ende einer der Verschlußkappen durchbohrt ist, um das Durchführen des Kabels 3 zu ermöglichen. Ein Verschlußbauteil 9, welcher einen mit einer Bohrung versehenen Dornzapfen 8 und Schneidkanten 10 aufweist, ist über das Kabel 3 gebracht, und eine Feder 12 und eine Mutter 13 sind dazu vorgesehen, die Dichtungsschneidkanten in Berührung mit dem mit Schraubengewinde versehenen, Teilstück 5 zu pressen. Der Drehzapfen 8 wird dann mit dem Kabel 3 verschweißt, um dadurch die Abdichtung des Kernbrennstoffelementes zu vervollständigen.

   In Fig. 2 liegt ein Kernbrennstoffbauteil 20 in einer mit Rippen versehenen Schutzhülle 21 aus einer Magnesiumlegierung; der Bauteil weist ein von einer rostfreien Stahlhülle umgebenes Thermoelementkabel 22 in ähnlicher Weise, wie dies unter Hinweis auf Fig. 1 beschrieben wurde, auf. Die Leitungen im Kabel 22 sind miteinander verbunden, um dadurch eine Heißverbindungsstelle 24 zu bilden, und ein Niobiumüberzug 25 ist vermittels eines Ziehverfahrens über die Verbindung 24 und das Kabel 22 bis zu einer Stelle 23 außerhalb des Brennstoffelements 20 aufgebracht, so daß das Uran, wenn es rund um das Kabel gegossen wird, keinen Kontakt mit der rostfreien Stahlhülle des Kabels 22 eingeht. Die Hülle 21 ist durch Endverschlußkappen 26, 27 dicht verschlossen, und der BrennstofFbauteil wird durch Wärmeisolationsscheiben 28, 29 im Abstand von den Endverschlußkappen gehalten, wobei die Scheibe 28 ein Schraubengewinde 30 und Löcher 31 für eine Spannvorrichtung aufweist. Die Endverschlußkappen weisen mit Gewinde versehene Nabenstücke 32, 33 auf, und Adapter bzw. Ausrichtstücke 34, 35 sitzen auf den Nabenstücken. Die Adapter ermöglichen das Stapeln der Elemente in einer Säule. Die Endverschlußkappe 27 ist in der im nachstehenden an Hand der Fig. 3 bis 5 näher erläuterten Weise aufgebaut, und sie bildet eine durch Verschweißen gesicherte Verbindungsstelle (fused joint), welche den Durchgang des Kabels 22 durch die Verschlußkappe 27 hindurch abdichtet. Der Adapter 35 weist ein abnehmbares Kopfstück 36 auf, welches mit Schrauben 37 gehalten wird, und es sind eine zentrale Aussparung 38 und ein Durchgang 39 vorgesehen, so daß das Kabel 22 entlang der Schutzhülle 21 zurückgebogen werden kann. Das Kabel 22 führt nach einer Verbindungskammer 40, welche auf der Schutzhülle befestigt ist. Dort trifft es mit einem anderen Thermoelementkabel 41 zusammen, welches mit einem verdickten Teil 42 der Schutzhülle 2 in Verbindung steht. Die Leitungen der Kabel 22 und 41 sind dann mit einem vieradrigen Thermoelementkabel 43 verbunden. Dadurch, daß die Anordnung so getroffen ist, daß das Kabel 22 in den BrennstofFbauteil 20 von unten eintritt, wird die Handhabung der Kernbrennstoffelemente beim Abnehmen des Adapters 34 durch das Vorhandensein eines Thermoelementkabels nicht

   behindert, was der Fall wäre, wenn das Kabel durch die Mitte des Adapters 34 geführt wäre.

   Die Konstruktion der Endverschlußkappe 27 soll nunmehr unter Hinweis auf die Fig. 3 bis 5 näher beschrieben werden. In Fig. 3 sind drei Titanscheiben 44, 45, 46 auf der Magnesiumgrundfläche 47 der Endverschlußkappe aufgebracht, und der Stapel ist zwischen wassergekühlten Schweißelektroden 48, 49 angeordnet. Die Scheibe 44 ist 0,3 Zoll (7,6 mm) dick

   ίο und mit einer öffnung 50 von 0,2 Zoll (5 mm) Durchmesser versehen, während die Scheibe 45 0,2 Zoll (5 mm) dick ist und die Scheibe 46 eine Dicke von 0,4 Zoll (10,2 mm) und eine Aussparung 51 von 0,08 Zoll (20,3 mm) Durchmesser aufweist. Durch das Durchleiten eines Schweißstromes zwischen den Elektroden von 30 000 Ampere mit einem zwischen den Elektroden bestehenden Druck von 2000 Ibs (907,18 kg) wird die in Fig. 4 dargestellte Endverschlußkappe 27 erhalten. Die Magnesiumgrundfläche 47 ist an den Seiten umgebogen und mit einer Zunge 52 an einer mittleren Titanmasse 53 festgekeilt. Eine vorspringende Nase 54 aus Titan wird dabei ebenfalls erhalten. Die vorspringende Nase 54, die mittlere Masse 53 und die Grundfläche 47 sind durchbohrt, um über das Thermoelementkabel 22 zu passen, welches, wie in Fig. 5 dargestellt ist, an der vorspringenden Nase 54 mit dem Aufbau verspannt oder verklemmt ist.

   Bei der Herstellung des in Fig. 2 beschriebenen KernbrennstofFelementes werden das Brennstoffelement 20 und das Kabel 22 dadurch zusammen hergestellt, daß der Bauteil 20 rund um das Kabel gegossen wird. Der KernbrennstofFbauteil wird auf die vorgeschriebene Größe gebracht und in die Schutzhülle 21 eingelassen, die Scheibe 28 in ihre vorgeschriebene Stellung gebracht und die Scheibe 29 über das Thermoelementkabel geführt. Die Verschußkappe

   27 wird (wie in Fig. 5 dargestellt ist) ebenfalls über das Kabel geführt, um in der Schutzhülle 21 eingepaßt zu werden, und die Kante wird durch einen Argonlichtbogen mit der Schutzhülle 21 verschweißt. Das Kabel 22 wird dann im Dornzapfen 54 verspannt oder verklemmt. Die Schutzhülle wird durch die Scheibe 28 hindurch evakuiert (wobei ein Leckaustrittsweg rund um die Schraubengewinde hergestellt wird) und daraufhin mit Helium gefüllt. Die Scheibe

   28 wird abgedichtet, um dadurch eine vorübergehende Abdichtung herzustellen, und die Kante der Verschlußkappe 26 wird daraufhin durch einen Argonlichtbogen in der Schutzhülle 21 verschweißt. Das Kabel 41 wird eingepaßt und in die Kammer 40 hineingeführt. Der Adapter 35 wird mit abgenommenem Kopfstück 36 eingesetzt und das Kabel 22 entlang dem Durchgang 39 und entlang dem Brennstoffelement nach der Kammer 40 zurückgebogen. Dann werden die beiden Kabel 41 und 22 mit einem vieradrigen Kabel 43 verbunden. Die Verschlußkappe 33 wird wieder an ihre Stelle gebracht und mit den Schrauben 37 fest verschraubt. Dann wird der Adapter 34 eingepaßt.

   Patentanspruch:

   KernreaktorbrennstofFelement mit in einer Schutzhülle aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung untergebrachtem Uranbrennstoff und einem mit einem Kabelmantel aus rostfreiem Stahl versehenen Thermoelementkabel, welches nach einer Thermoelementverbindungsstelle im Uranbauteil führt, dadurch gekennzeich-