DE1093495B - Trag- und Stuetzvorrichtung fuer Kernreaktor-Brennstoffelemente - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei gewissen Bauarten von Atomreaktoren wird der Brennstoff in Form zylindrischer Stäbe verwendet, die gegebenenfalls drehbar sind und jeweils übereinander in vertikalen Kanälen sitzen, die einen aus Blöcken zusammengesetzten Moderatorkern durchsetzen.

Wenn man keine besonderen Maßnahmen trifft, stützen sich die Brennstoff stäbe aufeinander ab, und derjenige Brennstoffstab, der im untersten Teil eines Kanals sitzt, muß das gesamte Gewicht aller über ihm liegenden Brennstoffstäbe dieses Kanals als Druckkraft aufnehmen.

Um diesen Nachteil zu beheben, sind bisher die folgenden prinzipiellen Lösungen bekannt geworden:

1. Die Brennstoffstäbe werden einzeln mit besonderen Abstützvorrichtungen versehen, mit denen sie sich auf die Wände des Kanals abstützen. Jeder Stab hat ein System von ausschwenkbaren Stützzapfen, die auseinandergedrückt werden, wenn der Stab mit einem unmittelbar unter ihm sitzenden Stab in Berührung kommt, und die dabei in in die Wand des Kanals eingearbeitete Ausnehmungen eingreifen. Eine derartige Lösung bedingt aber das Vorhandensein von Gelenksystemen, welche sowohl bei sehr hoher Temperatur als auch unter der Einwirkung starker Strahlung sicher arbeiten und sich auch mechanisch einwandfrei verhalten müssen, insbesondere bei erheblichen Änderungen der Abmessungen und der Formen der Brennstoffstäbe, an denen sie befestigt sind.

2. Man bringt im Inneren jedes Brennstoffstabes eine Bewehrung unter, die aus sehr widerstandsfähigem, wenig absorbierendem Material besteht und die Druckkräfte von dem eigentlichen Brennstoff fernhält; eine derartige Anordnung stellt aber nicht einfach zu lösende Aufgaben für die Herstellung des Brennstoffelements. Das zusammengesetzte Element muß sich auch während der unterschiedlichen thermischen Arbeitszyklen (die zu unterschiedlichen Dehnungen führen) und unter der Einwirkung der Strahlung (die Dehnungen, Aufblähungen und Deformationen auf Grund der Neutronenstrahlung und der atomaren Spaltungen hervorruft) einwandfrei verhalten.

3. Jeder Brennstoffstab wird an einer äußeren Armatur aus wenig absorbierendem Material befestigt, welche imstande ist, das Gewicht der über diesem Brennstoffstab liegenden weiteren Brennstoffstäbe aufzunehmen. Eine solche Armatur besteht aus einem sich in Richtung der Achse des Stabes erstrekkenden langen Stützelement, das die darüberliegenden Brennstoffstäbe in geeigneter Weise abstützt, und aus Halterungsteilen, mit denen der Brennstoffstab an diesem langgestreckten Stützelement befestigt wird. Diese Teile sind verhältnismäßig kompliziert, sie brin-Trag- und Stützvorrichtung
für Kernreaktor-Brennstoffelemente

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique,
Paris

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

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 18. September 1958

Michel Aubert, Paris,

und Roland Roche, Clamart, Seine (Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

gen im allgemeinen eine unerwünschte zusätzliche Absorption mit sich, erhöhen den axialen Abstand zwischen den Brennstoffstäben innerhalb eines Kanals, was die Reaktivität verringert, beeinträchtigen die Kühlung der Enden der Brennstoffstäbe und erhöhen den Druckverlust oder -abfall in der den Kanal durchfließenden Kühlmittelströmung. Außerdem sind sie häufig verhältnismäßig kostspielig.

4. Brennstoffstäbe sind mit einer äußeren Armatur ader Hülse versehen, deren unterer Teil an der inneren Mantelfläche eine Nut oder eine Schulter aufweist, auf der der untere Teil der Brennstoffstäbe oder mit diesem unteren Teil verbundene Organe ruhen; das Gewicht der übereinandergesetzten Brennstoffstäbe oder -elemente wird von den Hülsen aufgenommen, die sich mit geeigneten, an ihren Enden vorgesehenen Stützflächen aufeinander abstützen. Die Hülsen haben ringförmige Nuten, die entweder innen oder außen vorgesehen sein können und es gestatten, die Hülsen mit einem geeigneten fernbetätigten Greiforgan zu erfassen. Zwischen dem oberen Ende eines Brennstoffstabes und dem unteren Ende des über ihm liegenden Brennstoffstabes wird ein kleinerer Zwischenraum offengehalten, um den Deformationen und Dehnungen der Brennstoffstäbe während des Betriebes des Reaktors Rechnung zu tragen. Diese Ausführung hat immer noch den Nachteil, daß die Ab-

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kühlung der Enden der Brennstoffstäbe ungenügend ist und ein durchaus nicht zu vernachlässigender Druckabfall in der Zirkulation des Kühlmittels auftritt.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Trag- und Stützvorrichtung für eine Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einer zylindrischen, das Brennstoffelement konzentrisch umgebenden Armatur, die an ihrer Innenseite eine Stützfläche für die Abstützung des Brennstoffelementes aufweist.

Das erfindungsgemäß verbesserte Brennstoffelement ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Stützarmatur in Form einer Hülse längs ihrer inneren Wandfläche einen simsartigen Absatz aufweist, der eine Stützfläche für längsverlaufende Vorsprünge des Brennstoffelementkörpers bildet und durch ein ringförmiges Organ abgedeckt ist, welches einstückig mit der Armatur ausgeführt sein kann, in seinem Inneren nach Art einer Blasdüse geformt und mit Einschnitten versehen ist, in welche die der Abstützung dienenden Vorsprünge des Brennstoffelementkörpers eingreifen.

Der Absatz und das auf ihm liegende Organ in Form einer Düse sind derart ausgebildet, daß die Kühlung der Enden der Brennstoffelemente — statt durch das Vorhandensein dieser Stützorgane beeinträchtigt oder verringert zu werden — sich wesentlich verbessert, während der Druckverlust im Vergleich zu den früheren bekannten Systemen ganz wesentlich herabgesetzt ist.

Bei einer speziellen Ausführungsart der Erfindung sind die langgestreckten Vorsprünge des Brennstoffelementkörpers als dünne radiale Rippen, Flügel oder Schaufeln ausgebildet; an ihrem unteren Ende sind diese Rippen oder Schaufeln gerade, d. h. radial, oder spiralig ausgebildet; in diesem letzteren Fall soll die Steigung der Spirale, mit der diese Schaufeln ausgeführt sind, groß gegenüber dem Durchmesser des Brennstoffelementes sein und mindestens das Doppelte dieses Durchmessers betragen, damit das Einschneiden der Einschnitte in das ringförmige Organ nicht erschwert wird. Um den Durohtrittsquerschnitt für die Kühlflüssigkeit nicht zu stark zu verringern, werden nur die Teile der Rippen oder Schaufeln, die am weitesten von der Achse des Brennstoffelementes entfernt liegen, auf dem Absatz abgestützt; die Rippen oder Flügel, die sich auf den Absatz abstützen, können sämtlich — oder wenigstens ein angemessener Anteil von ihnen — gleichzeitig Kühlrippen oder -flügel des Brennstoffelementes bilden.

Die Trag- oder Stützvorrichtung gemäß der Erfindung kann mit Vorteil bei heterogenen Atomreaktoren mit vertikalen Kanälen dazu benutzt werden, um zu bestrahlende Versuchsstücke oder -proben in einen solchen Kanal einzuführen; sie kann auch ihrerseits sehr kleine Stücke oder Teile aufnehmen, die in eine entsprechende Hülle eingeschlossen werden.

Unter Hinweis auf die Zeichnung wird nun ein lediglich zur Erläuterung der Erfindung bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben, das eine verbesserte Trag- oder Stützvorrichtung für Brennstoffelemente in Atomreaktoren mit vertikalen Kanälen betrifft. Es zeigt

Fig. 1 eine Vertikalschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung einer Trag- oder Stützvorrichtung für Brennstoffelemente,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt längs der Schnittlinie H-II der Fig. 1, aus dem der Querschnitt der radialen Rippen oder Flügel der Hülle des Brennstoffelementes zu ersehen ist.

In der Fig. 1 ist der Brennstoffkörper 1 ein zylindrischer Stab (hohl oder voll) aus spaltbarem Material, z. B. aus Uran. Dieser Körper 1 ist von einer Hülle 2 umgeben, die aus einem schwach absorbierenden Material, wie Magnesium oder reinem Aluminium, besteht.

Die Hülle 2 ist mit geraden radialen Längsrippen 3 versehen. Wie aus der Fig. 2 zu erkennen ist, können auch wesentlich kürzere Rippen 4 vorgesehen sein, die ledigLich für den thermischen Wärmeaustausch bestimmt sind, und einige breitere oder längere Rippen 3, die sowohl dem Wärmeaustausch als auch der Abstützung des Brennstoffelementes dienen.

Die Abstützung des Brennstoffelementes erfolgt auf einem im unteren Teil einer etwa zylindrischen Armatur 6 angearbeiteten simsartigen Absatz, auf dem ein Stützring 5 aufliegt. Die Armatur 6 ist aus einem wenig Neutronen absorbierenden Material, wie beispielsweise Graphit hoher Reinheit (Kernreinheit), hergestellt. Der untere Teil 7 dieser Armaturhülse hat einen kleineren Querschnitt und kann infolgedessen in die Bohrung der unterhalb liegenden Armatur eingeschoben werden. Die Abstützung der übereinander angeordneten hülsenartigen Armaturen aufeinander erfnigt über kugelschalenförmig gekrümmte Ringtragflächen 8, die eine leichte Neigung der Hülsenarmaturen gegeneinander zulassen.

Die hülsenartige Armatur 6 weist in ihrem oberen Teil eine innere Ringnut 9 auf, die dazu bestimmt ist, Greifervorsprünge eines zur Behandlung — d. h. zum Einsetzen oder Herausziehen des gesamten Brennstoffelements einschließlich seiner Armatur — dienenden Werkzeuges aufzunehmen, das von ober her in den Kanal eingeführt wird, der die hülsenartigen Armaturen mit den Brennstoffelementen enthält.

Der Stützring 5 trägt einen als Düse ausgebildeten Teil 11, der den unteren Bereich 10 der Armatur 6 einnimmt; dieser Teil 11 ist mit radialen Einschnitten versehen, die im vorliegenden Beispiel vier radiale vertikale Spalte bilden und in ihrer Anordnung den radialen Rippen 3 mit großer radialer Länge entsprechen, die in diese Spalte eingreifen.

Bei einer abweichenden Ausführungsform kann der Teil 11 einfach aus einer inneren Verdickung am unteren Rand der Armatur 6 bestehen, die wulstartig abgerundet ist, um wenigstens angenähert als Düse zu wirken.

Die besonders günstige Kühlung der Enden der Brennstoffelemente wird dadurch erreicht, daß der Durchflußquerschnitt für die Kühlflüssigkeit .im Bereich der Abschnitte 7 und 10 stets etwas düsenartig eingeengt und damit die Strömungsgeschwindigkeit an diesen Stellen erhöht ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Trag- und Stützvorrichtung für ein Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einer zylindrischen, das Brennstoffelement konzentrisch umgebenden Armatur, die an ihrer Innenseite eine Stützfläche für die Abstützung des Brennstoffelementes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützarmatur in Form einer Hülse (6) längs ihrer inneren Wandfläche einen simsartigen Absatz aufweist, der eine Stützfläche für längsverlaufende Vorsprünge des Brennstoffelementkörpers bildet und durch ein ringförmiges Organ (5, 11) abgedeckt ist, das in seinem Inneren nach Art einer Blasdüse geformt und mit Einschnitten versehen ist, in welche die der Abstützung dienenden Vorsprünge des Brennstoffelementkörpers eingreifen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Organ (5, 11) einstückig mit der Armatur (6) ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Organ als besonderer Bauteil ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unterhalb des simsartigen Absatzes befindliche Armaturenteil (7), dessen innerer Querschnitt ungefähr gleich dem inneren Querschnitt des ringförmigen Organs (5, 11) ist, eine geringere Stärke als der übrige Teil der Armatur (6) hat und daß die Flächen (8), mit denen zwei übereinander angeordnete Armaturen sich berühren, an derjenigen Stelle vorgesehen sind, an der sich die Dicke oder Stärke der Armatur verringert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längsverlaufenden Vorsprünge des Brennstofrelementkörpers (1, 2) aus längsgerichteten dünnen Rippen oder Flügeln (3, 4) bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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