DE1074168B

DE1074168B - Spaltstoffelemcnt für heterogene Kernreaktoren, insbesondere für Druckwasserreaktoren

Info

Publication number: DE1074168B
Application number: DENDAT1074168D
Authority: DE
Inventors: Pittsburgh Pa. Erling Frisch (V. St. A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1958-03-17
Publication date: 1960-01-28
Also published as: US3133867A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Spaltstoffelement für heterogene Kernreaktoren, insbesondere Druckwasserreaktoren, bestehend aus stirnseitig gehalterten Spaltstoffstabgruppen in vorzugsweise quadratischer Grundrißanordnung, welche durch Abstandshalter gegen radiale Auslenkung gesichert sind.

Die in den gegenwärtigen oder geplanten Druckwassereaktoren bzw, ähnlichen heterogenen Reaktortypen, am häufigsten vorgesehenen Spaltstoffstäbe weisen eine Gesamtlänge von etwa 2,75 m und einen Außendurchmesser von et\va 0,8 cm auf. Die große Schlankheit der Stäbe hat das Problem der Befestigung und Verhinderung des Durchbiegens dichtbenachbarter Stäbe erheblich vergrößert, Es ist üblich, die Spaltstoffstäbe eines Elementes in Gruppen zusammenzufassen, die Gruppen stirnseitig zu verbinden und sie mit für das Reaktorkühlmittel durchlässigen Abschlußplatten auszurüsten, welche zugleich den baulichen Zusammenhalt des Spaltstoffelementes bewirken,

Bei dieser Art von Spaltstoffelementen ist der Anteil an Konstruktionsmaterialien gegenüber dem Spaltstoffanteil erheblich. Dies hat zur Verwendung der bekannten Konstruktionsmaterialien mit niedrigem Neutronenabsoiptionsquerschnitt, wie Zirkon und seinen Legierungen, geführt. Zirkon ist aber wegen seiner hohen Gewinnungskosten und schwierigen Verarbeitung außerordentlich teuer. Weitere Nachteile sind, daß Schweißungen in Schutzgasatmosphären stattfinden müssen und daß bei der Verarbeitung besondere Vorkehrungen dagegen getroffen werden müssen, daß Zirkon Feuer fängt.

Es ist daher zur Verringerung der Produktionskosten des Reaktorkernes vorteilhaft, weniger teure und gefährliche Materialien, z. B, rostfreien Stahl, zu verwenden. Rostfreie Stähle haben ebenfalls hervorragende Korrosionswiderstandseigenschaften. Sie sind leichter und billiger zu produzieren und in die gewünschten Formen zu bringen. Allerdings besitzen sie einen höheren Absorptionsquerschnitt als Zirkonmaterialien. Daher ist es erforderlich, die für den Reaktorkern erforderliche Menge rostfreien Stahls auf ein Minimum zu beschränken. Gelingt dies nicht, muß die Uranfüllung und damit der Kern unter Umständen auf eine Größe gebracht werden, bei der die von der Verwendung rostfreien Stahls herrührenden wirtschaftlichen Vorteile wieder verlorengehen. Bei der vorerwähnten Elementenkonstruktion wäre das der Fall.

Bei einem anderen bekannten Spaltstoffelement besteht der den Spaltstoff enthaltende Teil des Elementes aus durchgehenden Spaltstoffstäben, die sich über die ganze Länge des Elementes erstrecken. Die Stäbe sind untereinander durch eine Anzahl kurzer seitlich ange-Sp altstoff element

für heterogene Kernreaktoren,

insbesondere für Druckwasserreaktoren

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P.Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 17. März 1958

Erling Frisch, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

ordneter Rohrstücke verbunden, die den Kühlmitteldurchtritt zwischen den Stäben nicht wesentlich behindern. Jedoch muß die Verbindung aller Stäbe gleichzeitig in einem geeigneten Lötofen vorgenommen werden. Da$ seitliche Verbinden einer so großen Zahl von Stäben zur gleichen Zeit erschwert nicht nur die Inspektion der Untergruppen nach schlechten Lötstellen, gerissenen oder anderweitig beschädigten Spaltstoffstäben, sondern es erhöht sich auch der Ausschuß an Spaltstoffstäben, falls ein Stab während des Verlötens beschädigt wurde,

Gegenstand der Erfindung ist ein Spaltstoff element für Kernreaktoren der eingangs erwähnten Art, bei dem gegenüber dem Bekannten

a) kein Durchbiegen der einzelnen Stäbe innerhalb des Elementes unter dem Einfluß des Spaltstoffgewichtes, der entwickelten Hitze oder der Rüttelkräfte des Kühlmittels auftritt, bei dem

b) der konstruktive Aufbau des Elementes übersichtlich, die Dicke der notwendigen Spaltstoffumhüllungen und die Zahl der erforderlichen Halterungselemente klein gehalten und

c) durch die Verwendung neuer Halterungselemente eine bessere Verlötungsmöglichkeit und Inspektion sowie ein besonders guter Durchtritt des Kühlmittelstromes zwischen den Spaltstoffstäben gegeben ist.

909 727/420

Die Lösung besteht darin, daß erfindungsgemäß die Spaltstoffstäbe in ein Gerüst gitterartig gekreuzter Abstandshalter eingeschlossen sind, welches aus drei quer zueinander durch die Stabzwischenräume gelegten, in gemeinsamen Schlitzen zusammengefügten Stegrastern besteht, wobei der Abstand der Stege jedes der von oben bzw. unten in das Mittelraster eingreifenden beiden Raster zwei Stabteilungen beträgt, und daß diese Raster, gegeneinander, um eine Stabteilung parallel versetzt, einseitig zur Halterung der benachbarten Spaltstoffstäbe dienen, während die Stege des Mittelrasters berührungsfrei von den Spaltstoffstäben angeordnet und als Rasterverbinder benutzt sind.

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel, es zeigt

Fig. 1 ausschnittsweise einen senkrecht geführten Schnitt durch einen Reaktorkern mit einem Spaltstoffelement im Aufriß,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Stirnseite des Spaltstoffelementes nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Waagerechtschnitt durch das Spaltstoffelement gemäß Fig. 1 nach der Linie IH-III,

Fig. 4 auszugsweise einen Längsschnitt durch das Spaltstoffelement gemäß Fig. 3 nach der Linie IV-IV,

Fig. 5 auszugsweise einen weiteren Längsschnitt durch das Spaltstoffelement gemäß Fig. 3 nach der Linie V-V,

Fig. 6 einen Waagerechtschnitt durch eine Reihe von Spaltstoffstäben gemäß Fig. 5 nach der Linie VI-VI,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Form des Spaltstoffelementes nach Fig. 1 und

Fig. 8 ein Spaltstoffelement mit gegenüber dem Spaltstoffelement nach Fig. 1 abgeänderten Stirnverbindungen der Stäbe.

Gemäß Fig. 1 ist das Spaltstoffelement 20 zwischen den oberen und unteren (ausschnittsweise dargestellten) Begrenzungswänden 22, 24 des Reaktorkernes gelagert. Die Wände bestehen jeweils aus zwei auf Abstand gebrachten Platten 26., 28, die eine Vielzahl axialer Kühlmitteldurchtrittsöffnungen 43, 45 besitzen. In der Zeichnung sind jeweils eine vollständige Öffnung, in die das Spaltstoffelement eingelassen ist, und eine durch die Bruchkante unterbrochene Öffnung dargestellt. Die Öffnungen werden durch Rohrstücke 34, die mit ihren Bundkanten 30, 32, 36, 38 die Platten 26, 28 auf Abstand halten, zu durchgehenden Durchflußkanälen ausgebildet. Bei einem solchen Reaktortyp werden die genannten Teile aus rostfreiem Stahl gefertigt, aus dem auch die Bauelemente des Spaltstoffelementes 20 bestehen.

Das Spaltstoffelement 20 umfaßt vier Stabgruppen 40, die seitlich in der gemäß der Erfindung getroffenen Weise miteinander verbunden sind. Mit ihren stirnseitigen Enden sind die Stabgruppen an den Kopf- und Fußstücken 42, 44 des Spaltstoffelementes befestigt, die in den bereits erwähnten Kühlkanalöffnungen 43j 45 eingelassen sind.

Jedes Kopf- und Fußstück 42, 44 besitzt eine Grundplatte 46 mit annähernd quadratischer Form. Die äußeren Ränder 48 der Grundplatte 46 sind abge schrägt, um ein reibungsloses Auswechseln des Spaltstoffelementes bei abgenommenen Deckelplatten 26, 28 zu gestatten. Auf die Grundplatten 46 sind die brückenbogenartig zusammengefügten Rippen 52 aufgesetzt, deren untere Kanten 54 in entsprechende Ausnehmungen der Grundplatten 46 eingreifen und verschweißt sind. Insgesamt sind vier Rippen vorgesehen, die untereinander rechte Winkel einschließen.

Mit ihren oberen Innenkanten sind die Rippen 52 an die zylindrische Stütznabe 56 angeschweißt. Die gegenüberliegenden Kanten 58 sind leicht abgeschrägt, um das Einführen der Kopf- und Fußstücke in die zugehörigen Kanäle 43, 45 zu erleichtern. Die äußeren Enden der Sütznabe 56 gehen jeweils in kugelige Ansätze 60 über, an denen das Spaltstoffelement mit einem geeigneten Greiforgan gefaßt werden kann. Das andere Ende der zylindrischen Stütznabe 56 läuft in

ίο den konischen Ansatz 62 aus. Im Raum um die Stütznaben 56 lassen die vier Rippen 52 Öffnungen 64 frei, um dem Kühlmittel Zutritt zu allen Teilen der Grundplatten 46 zu gewähren. Die äußeren Kanten 66 der Rippen sind abgedreht, so daß sie relativ dicht anliegen. Zur besseren Zentrierung weisen sie ein Paar vorspringender Stege 68.auf, die sich unmittelbar an die innere Oberfläche der Rohrstücke 34 anlegen. Somit kann ein genaues Abdrehen der ganzen Zwischenpartie der äußeren Kanten 66 vermieden werden.

Kopf- und Fußstück 42, 44 weisen ferner Anschlagschultern 72, 70 auf. Mit den Schultern 70 sitzt das Spaltstoffelement auf. Die Schultern 72 stehen mit geringem Abstand unterhalb der Platte 28, so daß Raum für thermische Längsausdehnung gegeben ist.

Gemäß den Fig. 2 und 3 tritt das Kühlmittel durch eine Vielzahl von Durchflußöffnungen 74 der Grundplatten 46 in das Spaltstoffelement ein. Die Durchflußöffnungen 74, von denen vier vorhanden sind, befinden sich in der Nähe der Enden der Spaltstoffstäbe 76 jeder Stabgruppe 40. Sie decken sich mit den Durchflußöffnungen 74 der zugehörigen Endplatten 78. Jede Grundplatte 46 ist mit den Endplatten durch Schrauben 80 verbunden.

Im folgenden sei nun die Erfindung an Hand der Fig. 4 bis 6 erläutert. Wie dargestellt, besitzt die Spaltstoffstabgruppe 40 eine Mehrzahl kürzerer und längerer Spaltstoffstäbe 76, 76 a, die (gemäß Fig. 6) aus Hüllrohren 82 mit einer darin eingefüllten Vielzahl keramischer Tabletten 84 bestehen. Die Tabletten 84 sind als kurze Zylinderstücke ausgebildet und bestehen z. B. aus UO₂ ohne Canning. Sie erfüllen das Hüllrohr bis auf den freien Raum 86 am oberen Ende, der eine Wärmeaus dehnung der Spaltstofftabletten relativ zum Hüllrohr gestattet. In die Enden der Hüllrohre 82 sind Abschlußstopfen 88 bzw. 90 eingefügt und dicht mit dem Hüllrohr 82 verschweißt. Die kurzen Abschlußstopfen 88 besitzen an ihren äußeren Enden aus strömungstechnischen Gründen konische Verjüngungen 92. Jede Stabgruppe 40 enthält durchweg einundachtzig Spaltstoffstäbe in im wesentlichen quadratischer Grundrißanordnung von neun mal neun Stäben.

Erfindungsgemäß sind nun die Spaltstoffstäbe 76, 76a in ein Gerüst gitterartig gekreuzter Abstandshalter 100, 102, 114 eingeschlossen, welche aus drei quer zueinander durch die Stabzwischenräume 94, 124 gelegten, in gemeinsamen Schlitzen 110, 112., 116, 118 zusammengefügten Stegrastern besteht, wobei der Abstand der Stege 100, 102 jedes der von oben bzw. unten in" das Mittelraster 114 eingreifenden beiden Raster zwei Stabteilungen beträgt. Diese Raster — sie sind gegeneinander um eine Stabteilung parallel versetzt — sind einseitig zur Halterung (Punktschweißung 104) der benachbarten Stäbe (vgl. Fig. 6) benutzt, während die Stege des Mittelrasters 114 berührungsfrei von den Spaltstoffstäben angeordnet und als Rasterverbinder benutzt sind.

Auf diese Weise wird der gewünschte Zusammenhalt der Spaltstoff stäbe und ihre Sicherung gegen Verbiegen erzielt. Daher kann auch die Dicke der

Stabhüllen klein gehalten werden. Weiter wird erreicht, daß nur wenige Spaltstoffstäbe, im vorliegenden Falle neun, an den Stegen 100 oder 102 verschweißt zu werden brauchen. Sollte also ein Schaden an einem dieser Stäbe auftreten, brauchen, im Gegensatz zu den bekannten Elementen, nur neun Stäbe herausgenommen oder ausgewechselt zu werden. Außerdem ist es nicht erforderlich, alle Stäbe einer Gruppe auf einmal zu verschweißen oder zu verlöten. Bei Anwendung der Punktschweißung wird außerdem die Stabhülle nicht einer übermäßigen Wärmebelastung während des Schweißprozesses ausgesetzt. Übrigens können die Stege untereinander verlötet sein. Es ist aber vorteilhafter, sie von den Kanten 106, 108 her ineinanderzuschachteln.

Mit Ausnahme der Stablücke 124a (in Fig. 4 an der rechten Seite der Stabgruppe 40) sind die Stege 100 und 102 jeweils nur einmal durch die Durchflußkanäle 124 gelegt, so daß niemals zwei Stege im gleichen Durchflußkanal liegen. Der Steg 102a jedoch liegt mit dem Steg 100a im gleichen Durchflußkanal 124a, um Befestigungselemente an der äußeren Peripherie der Stabgruppe 40 zu vermeiden.

Wie die Fig. 1, 4 und 5 weiter zeigen, sind in die Spaltstoffhüllen 76a längere Abschlußstopfen 90 eingelassen. Sie besitzen eine solche Länge, daß die Enden der kurzen Spaltstoffstäbe 76 genügenden Abstand von den einzelnen Endplatten 78 haben und sich das eintretende Kühlmittel so gleichmäßig wie möglich über die zwischen den Stäben 76 gebildeten Durchtrittsöffnungen verteilt. Die verlängerten Abschlußstopfen haben ferner die Aufgabe, jede der Stabgruppen 40 mittels der Haltegitter gemäß der Erfindung mit den Endplatten 78 zu verbinden. Hierzu sind die äußeren Enden der Abschlußstopfen 90 mit Gewindebohrungen 96 versehen, in die die Schrauben 98 eingeschraubt sind. Bevor die Abschlußstopfen 90 der Spaltstoffstäbe 76 a an den Endplatten 78 verschraubt werden, werden die Spaltstoffstäbe 76 und 76 a seitlich gemäß der Erfindung miteinander verbunden. Somit wird eine Längsbewegung der Stege 100 und 102 mit den Spaltstoffstabreihen 76, die an jedem dieser Stege befestigt sind, absolut verhindert. Die Endplatten 78 dienen überdies dazu, die vier Stabgruppen 40 an den Kopf- und Fußstücken 42, 44 zu haltern und so das Spaltstoffelement zu einem Ganzen zusammenzuschließen. Es sei noch eine weitere Besonderheit des Spaltstoffelementes gemäß der Erfindung erwähnt.

Gemäß Fig. 2 weist das Spaltstoffelement 20 nach innen abgesetzte Kanten 126 und 128 auf. Andererseits weist das im Gitterverband benachbart sitzende Spaltstoffelement 20^/ gemäß Fig. 7 an fast gleicher Stelle vorspringende Kanten 130 und 132 auf. Die abgesetzten Kanten 126, 128 werden durch Auslassen, die vorspringenden Kanten 130,132 durch Hinzufügen entsprechender Spaltstoffstabreihen gewonnen. Die abgesetzten und die vorspringenden Kanten bilden, wenn mindestens vier Elemente entsprechend in den Reaktorkern eingesetzt sind, das kreuzförmige Querschnittsprofil eines Kanals zur Aufnahme eines entsprechend geformten Regelstabes.

In Fig. 8 wird eine abgewandelte stirnseitige Beiestigung einiger der langen Spaltstoffstäbe 134 an den Endplatten 78 α im einzelnen gezeigt.

In der Stabgruppe40a sind die Spaltstoffstäbe 76a an der Peripherie direkt an der Endplatte 78 a mit Hilfe der Schrauben 136 befestigt. Die Schrauben 136 sitzen an ähnlicher Stelle wie die Schrauben 98a in Fig. 3. Die sonstigen dort vorhandenen Schrauben 98 sind bei der Anordnung nach Fig. 8 fortgelassen. Statt dessen sind die Spaltstoffstäbe 134 mit entsprechend abgeänderten Abschlußstopfen 138 versehen, deren äußere Enden in eine Vielzahl von Senkbohrungen 140 der Abschlußplatte 78a eingreifen. Die Abschlußstopfen sind am Ende 142 verkürzt bzw. abgesetzt. Die Kanten 144 stehen mit etwas Abstand von der benachbarten Abschlußplatte 78 a ab, um Fertigungstoleranzen und thermische Ausdehnungen auszugleichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Spaltstoffelement für heterogene Kernreaktoren, insbesondere Druckwasserreaktoren, bestehend aus stirnseitig gehalterten Spaltstoffstabgruppen in vorzugsweise quadratischer Grundrißanordnung, welche durch Abstandshalter gegen radiale Auslenkung gesichert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffstäbe in ein Gerüst gitterartig gekreuzter Abstandshalter eingeschlossen sind, welches aus drei quer zueinander durch die Stabzwischenräume gelegten, in gemeinsamen Schlitzen zusammengefügten Stegrastern besteht, wobei der Abstand der Stege jedes der von oben bzw. unten in das Mittelraster eingreifenden beiden Raster zwei Stabteilungen beträgt, und daß diese Raster, gegeneinander um eine Stabteilung parallel versetzt, einseitig zur Halterung der benachbarten Spaltstoffstäbe dienen, während die Stege des Mittelrasters berührungsfrei von den Spaltstoffstäben angeordnet und als Rasterver-Sinder benutzt sind.

2. Spaltstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überwiegende Zahl der mit den Haltegittern verbundenen Spaltstoffstäbe kürzer als bestimmte, vorzugsweise an der Peripherie der Spaltstoffstabgr,uppen liegende Spaltstoffstäbe bemessen sind, welche die ersteren kopf- und fußseitig überragen und den Zusammenhalt mit den Stirnstücken des Spaltstoffelementes herstellen (Verbindungsstäbe), und daß die verkürzten Spaltstoffstäbe mittels der Haltegitter an den Verbindungsstäben frei aufgehängt sind.

3. Spaltstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Dreifachgitter vorgesehen ist, vorzugsweise in der halben Höhe der Spaltstoffstäbe, und daß bei Verwendung mehrerer Gitter dieselben symmetrisch mit Zwischenabstand über die Länge der Spaltstoffstäbe verteilt sind.

4. Spaltstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffelemente entlang einer Längskante erkerartig vorspringen oder erkerartig abgesetzt sind, derart, daß sich bei im Reaktorgitter eingebauten Spaltstoff elementen kreuzquerschnittsförmige Kanäle für die Regelstäbe ergeben.

5. Spaltstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der im Spaltstoffelement innenliegenden Peripherie der Spaltstoffgruppen liegenden Spaltstoffstäbe lose in die Stirnstücke eingelassen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen