DE1187332B - Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

• Brennelement für Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennelement, das aus einer Anzahl Brennstäben besteht, die parallel zueinander unter Wahrung von Kühlmitteldurchlässen in einer Kassette angeordnet sind. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den Aufbau eines derartigen Brennelementes so zu gestalten, daß bei Verwendung von Metallhydriden als Moderatoren, beispielsweise Zirkonhydriden, in einem Reaktor optimale neutronenökonomische Verhältnisse erreicht werden und gleichzeitig die praktische Betriebsweise eines solchen Reaktors durch Verbesserung der Auswechselbarkeit der Elemente erleichtert wird. Derartige Metallhydride sind bekanntlich auf Grund ihres hohen Wasserstoffgehaltes sehr gute Moderatoren. Ähnlich wie bei Wasserreaktoren ist es bei der Verwendung von Metallhydriden vorteilhaft, ein sehr eng gepacktes Core zu bauen und damit nuklear sehr günstige Volumenverhältnisse von Moderator zu Uranbrennstoff zu erreichen. Als günstiges Verhältnis wird bei Zirkonhydrid z. B. die Relation 2: 1 angesehen, welche im Vergleich zu bekannten Reaktoren-Bauarten sehr klein ist.
• Die Verwendung von Metallhydriden wird durch zwei Erscheinungen erschwert: 1. durch den Austritt des Wasserstoffs aus dem Metall in das Kühlmittel und 2. durch die Wanderung des Wasserstoffes zur kältesten Moderatorstelle hin. Diese Wanderung ergibt sich aus der stark mit der Temperatur veränderlichen Löslichkeit der Metalle. Der Austritt des Wasserstoffes läßt sich z. B. durch Aufbringen geeigneter Schichten auf dem Metall verringern, die als Diffusionsbarriere wirken. Diese Schichten können nichtmetallisch sein und sind dann von einer gewissen Sprödigkeit. Man kann daher die Möglichkeit einer Beschädigung und damit des Austritts von Wasserstoff aus einem Stab nicht ganz ausschließen.
• Es wurde gefunden, daß durch eine Verkleinerung der Stäbe sich die durch Wasserstoffverlust eintretende Verschlechterung der Moderiereigenschaft in tragbaren Grenzen halten läßt.
• Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Anordnung der Moderatorstäbe in Verbindung mit den Brennstoffstäben zu schaffen, die es ermöglicht, Metallhydridstäbe mit beschädigten Diffusionsbarrieren leicht auszuwechseln und durch neue Stäbe zu ersetzen. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß innerhalb der Kassette am äußeren Umfang des Bereiches der Brennstäbe und parallel zu diesen Metallhydridstäbe als Moderatoren angeordnet und gemeinsam mit den Brennstäben in Gitterplatten gelagert sind. Durch diesen Aufbau werden gleichzeitig mehrere Vorteile erreicht. Es wird eine aus kernphysikalischen Gründen erwünschte einigermaßen gleichmäßige Verteilung des Moderators über das Core erzielt. Dabei können die Stäbe so nahe aneinandergerückt sein, daß gerade noch eine ausreichende Menge von Kühlmittel zwischen ihnen hindurchgefördert werden kann. Die Lagerung der Stäbe in Gitterplatten ermöglicht es, trotz der engen Packung jeden einzelnen Stab beliebig zu ziehen und gegebenenfalls gegen einen anderen auszutauschen.
• Die Gitterplatten sind in an sich bekannter Weise als durchbrochene Halter ausgebildet, durch deren Öffnungen das Kühlmittel ungehindert hindurchtreten kann. Die Gitterplatten selbst ermöglichen es ohne weiteres, die Zusammensetzung des Brennelementes im Bedarfsfall zu ändern, nämlich die Anzahl der Moderatorstäbe gegenüber der Anzahl der Brennstoffstäbe zu verändern.
• Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind in der Kassette die Moderatorstäbe auch im Kern des Bereiches der Brennstäbe angeordnet. Durch eine solche Anordnung, die mittels der Lagerung der Stäbe in Gitterplatten sehr einfach zu verwirklichen ist, kann die Neutronenflußverteilung entsprechend den physikalischen Bedingungen verbessert werden.
• Entsprechend der Erkenntnis, daß der Austritt von Wasserstoff durch Verkleinerung der Stäbe reduziert werden kann, besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, die Moderatorstäbe in Längsrichtung zu unterteilen. Auch eine solche Unterteilung läßt sich auf Grund der Anordnung und des Aufbaues des Brennelementes und infolge der Lagerung der Stäbe in Gitterplatten ohne technischen Mehraufwand erreichen.
• Die Erfindung'sieht weiter vor, daß innerhalb der Kassette Reflektorstäba aus Metallhydrid oberhalb und unterhalb des Bereiches cfer'mittleren Stabgruppen angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird der Vorteil erreicht, daß die Zugänglichkeit zu dem inneren Teil des Core, insbesondere zu den Brennstoffelementgmr, nicht wesentlich' verschlechtert wird, obwohl ein Reflektor aus ,Fesfstoffstäben Verwendung findet.
• Ferner ist es vorteilhaft, die Kassette mit einem sechseckigen Querschnitt auszuführen, wodurch eine besonders günstige Raumerfüllung des Core mit den Brennelementen erreicht wird.
• Die Erfindung sieht weiter vor, daß die Refiektorstäbe in den Gitterplatten der mittleren Stabgruppen gehalten sind, insbesondere in den Zapfen der mittleren Stabgruppen. Diese Halterung ermöglicht es, in einfacher Weise unter geringem technischem Aufwand eine sichere und unverschiebbare Lage der Stäbe innerhalb der Kassette zu gewährleisten. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Stäbe über als Scherelemente dienende Sicherungsbleche mit den Gitterplatten verbunden sind. Durch diese Vorkehrung wird eine auch in Längsrichtung unverschiebbare Halterung der Stäbe und eine leichte Lösbarkeit erreicht.
• Es ist bereits der Vorschlag bekannt, ein Element aus einem Moderator'' und einem Brennstoffteil zusammenzusetzen. Dort handelt es sich jedoch um die Verwendung von Graphit als Moderatorstoff, wobei dieser ringförmig um einen zyledrischen Brennstab gelegt ist. Da Graphit-Moderatoren nicht ausgewechselt werden müssen, ist bei der bekannten Anordnung auch keine Möglichkeit vorgesehen, den Moderatorteil getrennt auszuwechseln.
• In ähnlicher Weise ist auch bei einer anderen bekannten Ausbildung ein einziger Brennstoffstab ringförmig von einem Graphit-Moderator umgeben, wobei Brennstoff und Moderator eine einheitliche Zelle bilden. Auch hier ist keine Vorkehrung getroffen, um einen Austausch des Moderatorstabes unabhängig vom Brennelement vornehmen zu können.
• Weitere Einzelheiten und Ausbildungsmöglichkeiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch das gesamte Brennelement; F i g. 2 gibt einen Schnitt längs der Linie A -A der F i g. 1 wieder; F i g. 3 ist ein Schnitt längs der Linie B-B; F i g. 4 ist ein Schnitt längs der Linie C-C; F i g. 5 und 6 zeigen Einzelheiten an den Stellen E und D in F i g. 1.
• Im mittleren Teil der Kassette 1 sind, wie aus der F i g. 4 ersichtlich ist, die Uranbrennstäbe 2 und die Zirkonhydrid-Moderatorstäbe 3 so angeordnet, daß die Brennstoffstäbe von den Moderatorstäben gewissermaßen eingefaßt sind. Zwischen ihnen verbleiben Durchlässe 4 für ein flüssiges Kühlmittel, z. B. geschmolzenes Natrium.
• An den Enden sind die Stäbe mit den Zapfen 2 a, 3 a versehen, @ mit denen sie in die Gitterplatten 5 hereinragen. Die Gitterplatten weisen passende Bohrungen 5a für die Stabzapfen und weitere Bohrungen 5b für den Durchtritt des flüssigen Kühlmittels auf. Die Gitterplatten 5 sind sechseckig geformt, ebenso die sie umgebende Kassette 1.
• Oberhalb und unterhalb der mittleren Stabgruppe sind die Reflektoren 6 und 7 in Gestalt von Zirkon-

  hydridstäben 8 angeordnet. Die Durchmesser der

  tpreb enis rechen etwa denjenigen der mitt-

  eStabgru pedamit der freie Durchlaß des

  Kühlmittels auch Ihn Reflektor gewährleistet ist.

  Jedoch sind auch Ouerschnittsverschiedenheiten möglich.
• Die Außenenden der Moderatorstäbe im Reflektor können, wie die F i g. 5 zeigt, mit der Gitterplatte vernietet sein, z. B. nach Art von Hohlnieten 9. Die Stäbe 2, 3 weisen Bohrungen 2 b und 3 b auf, in welchen Zapfen 8a der Reflektorstäbe gelagert sind. Der Reflektor kann als Ganzes von dem mittleren Teil durch axiales Abheben getrennt werden. Damit die Stäbe 2, 3 auch in axialer Richtung fixiert sind, werden in Nuten 2 c und 3 c der Zapfen 2 a und 3 a Sicherungsbleche 10 seitlich eingeschoben, die als Scherelemente dienen, so daß die Mitnahme der Stäbe 2, 3 beim Herausziehen der Gitterplatten aus den Kassetten gewährleistet ist. Wenn nach dem Herausheben der mittleren Stabgruppe 2, 3 ein Stab gelöst werden soll, so werden die Sicherungsbleche seitlich abgezogen, die entsprechende Gitterplatte wird abgehoben und nunmehr können ein oder mehrere Stäbe herausgenommen und ersetzt werden.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Kernreaktor-Brennelement bestehend aus einer Anzahl Brennstäben, die in einer Kassette parallel zueinander unter Wahrung von Kühlmitteldurchlässen angeordnet sind, d a d u r c h gekennzeichnet, daß innerhalb der Kassette(1) am äußeren Umfang des Bereiches der Brennstäbe (2) und parallel zu diesen Metallhydridstäbe (3) als Moderatoren angeordnet und gemeinsam mit den Brennstäben (2) in Gitterplatten (5) gelagert sind. z. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch im Kern des Bereiches der Brennstäbe (2) Moderatorstäbe (3) angeordnet sind. 3. Brennelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Moderatorstäbe (3) in Längsrichtung unterteilt sind. 4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Kassette (1) Reflektorstäbe (8) aus Metallhydrid oberhalb und unterhalb des Bereiches der mittleren Stabgruppen (2, 3) angeordnet sind. 5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kassette (1) einen sechseckigen Querschnitt aufweist. 6. Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorstäbe (8) in den Gitterplatten (5) der mittleren Stabgruppe (2, 3) mit gehalten sind, insbesondere in den Hohlzapfen (3 a) der mittleren Stabgruppe gelagert sind. 7. Brennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (2, 3) über als Scherelemente dienende Sicherungsbleche (10) mit den Gitterplatten (5) verbunden sind.