DE1093494B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus mehreren parallel zueinander angeordneten Brennstoffstangen, die jeweils von einer Umhüllung umgeben und durch Rohrabschnitte im Abstand gehalten sind.

In heterogenen Atomreaktoren hat der Kernbrennstoff im allgemeinen die Form kleiner Klötze oder kleiner Stäbe, die in eine vollkommen dichte Hülle eingeschlossen sind. Diese Hülle gibt dem Brennstoffelement die notwendige mechanische Festigkeit und trennt den Brennstoff von dem Kühlmedium.

Wenn der Brennstoff derartiger Reaktoren Uran ist, verwendet man dieses oft als Metall. Brennstoffe, die schlechtere Leiter für Wärme sind als das metallische Uran, beispielsweise Uranoxyd oder Urancarbid, können bei ihrer Verwendung in derartigen heterogenen Reaktoren zu starken Temperaturgefällen und unzulässig hohen Temperaturunterschieden innerhalb des Brennstoffes selbst führen.

Den mechanischen Bedingungen, die an die Hülle der Brennstoffelemente gestellt werden, genügt man normalerweise dadurch, daß man die Wanddicke der Hülle entsprechend erhöht. Eine starke Hülle beeinträchtigt jedoch den Wärmeübergang und bringt leider auch eine zusätzliche Absorption von Neutronen mit sich, was insbesondere bei Reaktoren, für deren Elemente Hüllen aus einem in hohem Maße Neutronen absorbierenden Stoff, wiebeispielsweisenichtrostendem Stahl, benutzt werden, besonders unangenehm ist.

Um die erwähnten Schwierigkeiten zu beheben, kann man einerseits den Brennstoff eines Brennstoffelementes weitgehend unterteilen und andererseits eine sehr dünne Hülle verwenden, die der jeweiligen Unterteilung des Brennstoffes angepaßt ist. Die Brennstoffelemente, die man auf diese Weise erhält, sind bereits in ihrem Äußeren durch eine Hülle zu erkennen, die sich der Form der Brennstoffteile innig anpaßt und die infolgedessen nicht mehr vollkommen glatt ist, sondern eingeschnürte Zonen und Zonen mit größerem äußerem Durchmesser, die gewissermaßen nach außen vorspringen, aufweist.

Es erweist sich als vorteilhaft, mehrere einzelne Brennstoffelemente gruppenweise zusammenzufassen, wodurch sich unter Berücksichtigung kernphysikalischer Zusammenhänge eine besonders günstige Verteilung der unterschiedlichen festen und flüssigen bzw. gasförmigen Stoffe erzielen läßt, die bei dem Betrieb des Reaktors eine Rolle spielen. Es sind dies der Brennstoff, das Metall der Hülle, der Moderator, das Kühlmedium und Regel- bzw. Steuervorrichtungen.

Bei Reaktoren, die als Kühlmedium und Moderator getrennte, unterschiedliche Stoffe verwenden, kann die aus mehreren Einzelelementen bestehende Brennstoffelementanordnung oder -gruppe im Inneren eines Kernreaktor-Brennstoffelement

Anmelder:

Commissariat a l'Energie Atomique,
Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, SteinsdoTfstr. 10

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 29. August 1958

Jacques Andre Stohr, Bures-sur-Yvette, Seine-et-Oise, und Maurice Gauthron, Paris (Frankreich),

sind als Erfinder genannt worden

Moderatorkanals untergebracht werden, durch den das Kühlmedium hindurchfließt.

Bei Schwimmbecken-Reaktoren kann eine derartige Anordnung oder Gruppe innerhalb der Flüssigkeit liegen, die gleichzeitig die Rolle des Moderators und des Kühlmittels spielt; die Flüssigkeit ist meist schweres Wasser bei Verwendung von natürlichem Uran und gewöhnliches Wasser bei Verwendung von Uran, das an dem Isotop 235 angereichert ist.

Bei einer bekannten Brennstoffelementanordnung mit mehreren Brennstoffstangen sind zwischen diesen kurze Rohrabschnitte angeordnet, die mit den anliegenden Hüllen der Brennstoffstangen verschweißt sind. Bei dieser Anordnung bilden sämtliche Brennstoffstangen und die betreffenden Rohrabschnitte ein homogenes netzförmiges Gebilde, das praktisch als ein einziges Brennstoffelement angesehen werden kann. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die einzelnen Brennstoffstangen bei Temperaturdifferenzen hohen mechanischen Spannungen ausgesetzt sind und daher leicht reißen können. Beim Defektwerden einer Brennstoffstange muß ein ganzes Unterelement ausgewechselt werden, wobei das Reparieren dieses Unterelementes wegen der Verschweißung der einzelnen Stangen äußerst umständlich ist.

Das Brennstoffelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Brennstoff Stangen an mehreren einander entsprechenden Stellen längs einer Brennstoffstange jeweils gleiche Einschnürungen aufweisen und

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daß die Rohrabschnitte, deren Achsen parallel zu den Achsen der Brennstoffelemente liegen, in mindestens zwei durch entsprechende Einschnürungen verlaufenden Ebenen angeordnet sind und daß die so gebildete Anordnung in denselben Ebenen jeweils von einem metallenen Umfangsgurt zusammengehalten ist.

Die einzelnen Brennstoffstangen sollen eingeschnürte Abschnitte aufweisen, die im allgemeinen ringförmig sind, damit mehrere Rohre der Halterung oder Armatur ein Element festhalten können, indem sie es zwischen sich in der Höhe eines der eingeschnürten Abschnitte des Elementes festklemmen. Außerdem können einzelne Eemente, die außen, d. h. unmittelbar an dem Metallgurt liegen, ihrerseits unmittelbar in Berührung mit diesem Gurt stehen, und zwar ebenfalls im Bereich ihrer eingeschnürten Abschnitte oder Zonen; die zentralen Elemente des Bündels werden dann nur bzw. allein von den Rohren gehalten.

Die Verbindungen zwischen je zwei einander berührenden Rohrstücken einerseits und zwischen dem Umfangsgurt und einem diese Umgürtung berührenden Rohr andererseits werden zweckmäßigerweise durch Punktschweißung hergestellt. Die Brennstoffstangen werden in der gleichzeitig mit dem Zusammenfügen des Bündels zusammenzuschweißenden Armatur durch Formschluß festgehalten; üblicherweise erfolgt kein Verschweißen zwischen der Armatur und den Metallhüllen der Brennstoffstangen.

Innerhalb jeder Armatur weisen sämtliche Elemente des Brennstoffelementes eingeschnürte Zonen auf, deren Höhe — in Richtung der Längsachse des Bündels — ungefähr gleich der Höhe der Rohre der Armatur ist. Bei Erfüllung dieser Bedingung können sich die Elemente in der Armatur nicht nennenswert in Längsrichtung verschieben, selbst wenn auf diese Elemente größere axiale Kräfte einwirken sollten.

Der metallische Umfangsgurt kann durch ein flaches Band gebildet werden, dessen Breite gleich der Höhe der Rohre der Armatur ist. In diesem Falle hat die Armatur in allen ihren Teilen eine gleiche Höhe in Richtung der Bündelachse, die gleich der Höhe der eingeschnürten Zonen der einzelnen Brennstoffstangen ist, die in dieser Armatur festgehalten werden.

Unter der Voraussetzung, daß der Umfangsgurt eine genügend hohe Festigkeit aufweist, kann er gegebenenfalls schmaler sein, so daß er nicht vollständig die Metallrohre bedeckt, mit denen er durch Schweißung verbunden ist. Er kann aber auch wesentlich breiter sein als die Rohre und an beiden Seiten über die. Rohre herausragen.

Die Brennstoffstangen können auf ihrer gesamten Länge weitere Einschnürungszonen haben, die frei bleiben und entweder so hoch sind wie die Einschnürungen, an denen die Armaturen die Elemente festhalten, oder die auch unterschiedliche Abmessungen aufweisen können. Zweckmäßigerweise verwendet man im wesentlichen zylindrische Brennstoffeinzelelemente, deren eingeschnürte Abschnitte oder Zonen einen nur wenig kleineren Durchmesser haben als die stärkeren Zwischenstücke und jeweils einander gleich und in regelmäßigem Abstand über die Länge des Einzelelementes verteilt sind. Jedes Element enthält dann zwischen zwei aufeinanderfolgenden Armaturen beispielsweise eine bis vier derartige Einschnürungszonen.

Die einzelnen Brennstoffstangen des Bündels können sämtlich einander gleich oder auch unterschiedlich ausgeführt sein. Sie können sich beispielsweise durch die Stärke ihres Querschnittes und durch den Abstand der aufeinanderfolgenden Einschnürungen unterscheiden, es sollten jedoch an denjenigen Stellen, an denen Armaturen vorgesehen sind, mehrere Einschnitte in derartigen Elementen zusammenfallen.

Jedes Elementbündel wird mit wenigstens zwei Armaturen versehen; bei langen zylindrischen Elementen erweist es sich als zweckmäßig, mehr als zwei Armaturen zu verwenden, um die Festigkeit bzw. Starrheit der gesamten Anordnung zu erhöhen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden ίο nun zwei Ausführungsbeispiele eines Brennstoffelementes nach der Erfindung beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt sind. Selbstverständlich können sämtliche äquivalenten Anordnungen vorgesehen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Es zeigt

Fig. 1 eine Zusammenfassung von sieben einzelnen Brennstoff stangen zu einem Brennstoffelement,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Schnittlinie A-A der

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Anordnung, die aus neun Brennstoffstangen zusammengesetzt wird.

In den Figuren sind lediglich die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Teile dargestellt; einander entsprechende Teile sind in den Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In den Fig. 1 und 2 erkennt man die sieben im wesentlichen zylindrischen, einander gleichen Brennstoffstangen 1 bis 7 und die beiden Metallarmaturen 8 und 9 des Brennstoffelementes. Jede Armatur weist einen äußeren Gurt 10 von im wesentlichen sechseckiger Form aus nichtrostendem Stahl auf. Innerhalb dieses Gurtes 10 liegen zwölf aus nichtrostendem Stahl hergestellte Rohre bzw. Rohrabschnitte 11 bis 22, die die Brennstoffstangen 1 bis 7 jeweils in eingeschnürten Zonen dieser Elemente festhalten, die sämtlich auf der Höhe der Armatur liegen.

Die eingeschnürte Zone der Brennstoffstange 1 steht in Druckberührung mit sechs Rohren, und zwar den Rohren 11 bis 16; jede der anderen Brennstoffstangen 2 bis 7 liegt an dem Umfangsgurt 10 und vier Rohren eng an. Bei der Brennstoffstange 2 sind dies beispielsweise die Rohre 17, 11, 12 und 18. Jedes Rohr wird beim Zusammenbau des Bündels mit denjenigen Rohren, die es berühren, sowie mit dem Gurt 10 — falls es auch an diesem anliegt — verschweißt. So wird beispielsweise das Rohr 14 mit den Rohren 13, 15 und 20 und das Rohr 20 mit dem Rohr 14 und dem Gurt 10 verschweißt. Alle Verbindungsschweißungen sind Punktschweißungen, die sich an den offenen Rohren leicht herstellen lassen. Der Durchmesser der Brennstoff stangen ist jeweils in der Höhe der eingeschnürten Stellen ungefähr 10 mm und an den stärkeren Stellen des Elementes 12 mm. Die Höhe der Armatur und der eingeschnürten Zonen oder Abschnitte der Brennstoffstangen ist 10 mm.

Die zweite Anordnung umfaßt neun im wesentlichen zylindrische und durch zwei Metallarmaturen parallel zueinander gehaltene Brennstoffstangen. In der Fig. 3 sieht man die eingeschnürten Abschnitte 23 bis 31 der Brennstoffstäbe. Die Armatur besteht aus dem äußeren achteckigen Metallgurt 32, aus acht kurzen Metallrohren 33 bis 40, die untereinander durch Punktschweißung verbunden sind, und aus acht weiteren, gleichen Rohrabschnitten 41 bis 48, die an dem Metallgurt 32 durch Punktschweißung festgelegt sind. Der eingeschnürte Abschnitt 23 der zentralen Brennstoffstange steht mit den acht Rohren 33 bis 40 in unmittelbarer Berührung; die eingeschnürten Abschnitte der acht außenliegenden Brennstoffstangen stehen in Be-

rührung mit jeweils vier Rohren, die im Falle der Einschnürung 31 die Rohre 39, 40, 47 und 48 sind.

Claims (2)

Patentansprüche·.

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, !»stehend aus mehreren parallel zueinander angeordneten Brennstoffstangen, die jeweils von einer Umhüllung umgeben und durch Rohrabschnitte im Abstand gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Brennstoffstangen an mehreren einander entsprechenden Stellen längs einer Brennstoffstange jeweils gleiche Einschnürungen aufweisen und daß die Rohrabschnitte, deren Achsen parallel zu den

Achsen der Brennstoffelemente liegen, in mindestens zwei durch entsprechende Einschnürungen verlaufenden Ebenen angeordnet sind, und daß die so gebildete Anordnung in denselben Ebenen jeweils von einem metallenen Umfangsgurt zusammengehalten ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Metallrohre entweder untereinander oder mit dem Umfangsgurt oder schließlich sowohl untereinander und mit dem Umfangsgurt durch Schweißung verbunden sind.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 045 563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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