DE1211342B - Brennstoffelement-Bauteilgruppe fuer einen Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1211342

Aktenzeichen: U 6878 VIII c/21 g

Anmeldetag: 2. Februar 1960

Auslegetag: 24. Februar 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffelement-Bauteilgruppe für einen Kernreaktor.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Brennstoffelement-Bauteilgruppe, die zur Verwendung in einem gasgekühlten Kernreaktor geeignet ist, der für einen Betrieb bei Temperaturen in der Größenordnung von 500 bis 600° C bestimmt ist.

Es ist bereits eine Brennstoffelementeinheit für die Unterbringung in einem lotrecht ausgerichteten Kühlmittelkanal eines Reaktorkerns vorgeschlagen worden, die aus aufeinandergestapelten Bündeln von ummantelten Brennstoffkörpern besteht. Die Brennstoffkörper sind dabei der Länge nach in einem rohrförmigen, Kühlmittel führenden Gehäuse untergebracht und durch perforierte Halte- bzw. Tragbauteile über das Innere des Gehäuses hinweg endausgerichtet. Nach diesem älteren Vorschlag sitzen die Haltebauteile frei im Gehäuse und sind durch Verbindungsstangen, die ebenfalls frei im Gehäuse sitzen, auf Abstand gehalten. Diese Verbindungsstangen stel- ao len im Prinzip eine durchgehende Haltestange dar, die sich der Länge nach durch die Haltebauteile erstreckt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennstoffelement-Bauteilgruppe für einen Kernreaktor, bestehend aus mehreren innerhalb eines rohrförmigen und Kühlmittel führenden Gehäuses übereinander angeordneten Bündeln von ummantelten länglichen Brennstoffkörpern, wobei jedes Brennstoffbündel zwischen zwei perforierten Halteplatten endfixiert ist, die unterschiedliche Ausdehnung zwischen den Brennstoffstangen und den Graphithülsen und in geringerem Ausmaß den Halteplatten aufzufangen und die Wärmeübertragung von der Bauteilgruppe zum Moderator des Reaktors weitgehend herabzusetzen. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zur Beabstandung der Halteplatten jedes Brennstoffbündels jeweils eine mit Spiel im Gehäuse sitzende Hülse vorgesehen ist und daß eine von einer Basishalterung am unteren Ende des Gehäuses nach aufwärts sich erstreckende, durch die Mittelöffnungen der Halteplatten geführte Tragstange vorgesehen ist, auf der die aus den Teilen Brennstoffkörper, Halteplatten, Hülse und Gehäuse bestehende(n) Bauteilgruppe(n) lose aufgefädelt ist (sind).

Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennstoffelement-Bauteilgruppe ist leicht auszubauen und begünstigt somit die Aufbereitung nach der Darstellung.

Durch das Herausnehmen des Haltestabs bricht die Brennstoffeinheit in eine Anzahl leicht trennbarer Bestandteile auseinander, wobei nur die Brennstoffstabhülsen (von geringem Volumen und in aufgeteilter Brennstoffelement-Bauteilgruppe für einen
Kernreaktor

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

Gordon Packman,

Peter Waine, London;

Ivor Kent,

Culcheth, Warrington, Lancashire

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 3. Februar 1959 (3745)

Form in einem späteren Verarbeitungsstadium leicht abzusondern) als Nichtbrennstoffmaterial übrigbleiben, um in der Aufbereitungsanlage verarbeitet zu werden.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. So zeigt die

F i g. 1 im Schnitt eine Seitenansicht eines Bauteilgruppenstapels, wobei das Teilstück unter der Linie A-A nach einer Linie aufgeschnitten ist, die der Linie X-X in der F i g. 2 entspricht,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie H-II in der

F i g. 3 eine Ansicht von unten,
F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der

F i g. 5 eine Seitenansicht teilweise im Mittelschnitt,

F i g. 6 eine auseinandergezogene Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform und

Fig. 7 einen Mittelschnitt einer weiteren abgeänderten Ausführungsform.

In der F i g. 1 ist ein Brennstoffelement 10 dargestellt, das mit Hüls'en versehene Brenstoffkörper 11 aufweist; die Brennstoffkörper bestehen zweckmäßigerweise aus Urandioxyd, die in Berylliumhülsen

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untergebracht sind. Drei Brennstabbündel 12 sind zu einer Einheit übereinandergestapelt. Die Hülsen der Brennstoffkörper 11 sind mit Berylliumendstopfen 37 verschlossen. Diese Endstopfen stecken in Beryllium-Tragplatten 13. Die Platten 13 werden durch ring- bzw. rohrförmige Abstandsstücke 14 auseinander gehalten, so daß das Gewicht der Brennstoffkörper 11 von den Tragplatten am unteren Ende aufgenommen wird; das obere Ende der Brennstoffkörper kann sich frei ausdehnen.

Eine Graphithülse 15 umgibt die in sich zusammenhängende Einheit und hat am unteren Ende einen ringförmigen Absatz 16, der entweder aus einem Stück mit der Hülse 15 besteht oder als Ring daran befestigt ist, auf dem die Einheit ruht. Es besteht ein Zwischenraum zwischen den Graphitabstandsstücken 14 und der Innenwand der Graphithülse 15 über den größeren Teil der Länge der Abstandsstücke; dadurch entsteht ein Ringraum 51, der zur Wärmeisolierung der Graphithülse 15 dient. Ein Teil des Kühlmittels kann durch den Ringraum zwischen der Außenseite der Graphithülse 15 und der Wandung des Brennstoffkanais im Moderator zur Kühlung des Moderators geleitet werden. Ein Haltering 17 aus Graphit ist in das obere Ende der Hülse 15 eingeschraubt oder auf andere Weise daran befestigt. Zwischen der obersten Tragplatte 13 und dem Haltering 17 besteht ein Zwischenraum, so daß eine verschiedene Ausdehnung der Beryllium-Tragplatten 13, der Graphithülse 15 und der Graphitabstandsringe 14 möglich ist. Die Tragplatten 13 (in den F i g. 2 näher dargestellt) haben eine Mittelöffnung 18 und eine Anzahl Öffnungen 19, wobei durch letztere Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffkörper 11 strömt. Eine etwa zylindrische Stange 20 aus rostfreiem Stahl oder Beryllium, die der Deutlichkeit halber vergrößert dargestellt ist, ist durdh die Mittelöffnungen 18 hindurchgeführt bzw. geschraubt. Keramikhülsen 39, die in Abständen auf der Stange 20 sitzen, weisen Rippen 50 auf, die an den Wandungen der Öffnungen 18 anliegen und dazu dienen, eine Berührung zwischen der Stange 20 und den Beryllium-Tragplatten 13 zu verhindern. Die Stange 20 durchragt das Brennstoffelement, so daß andere Brennstoffelemente ebenfalls auf die Stange aufgesetzt bzw. geschraubt werden können, um einen Brennstoffelementenstrang zu bilden, dessen Elemente starr durch die Stange miteinander verbunden v/erden. Ein Teil des zweiten Brennstoffelementes 21 ist in der F i g. 1 dargestellt. Die Stange 20 hat am unteren Ende einen Knauf 22, der in eine abgesetzte Vertiefung 23 einer Buchse 24 paßt; diese Buchse ist durch Rippen 25 mit einem Ring 26 verbunden und stützt sich auf dem Zapfen 41 eines Bockes 49 ab. Der Ring 26 ist mit Hilfe von Schrauben 27 und Stiften 28 (F i g. 3 und 4) an einem weiteren Ring 29 mit Rippen 30 befestigt, die ein Mittelstück 31 tragen. Ein Drahtgitter 32 ist zwischen den beiden Ringen eingeklemmt, um etwaige Bruchstücke von den Brennstoffkörpern zurückzuhalten und Feststoffe aus dem Kühlmittel herauszufiltern. Der Ring 29 ist in die Hülse 15 eingeschraubt; infolgedessen ruht das Brennstoffelement oder der Strang von Brennstoffelementen darüber auf dem Ring, so daß das Brennstoffelement oder der Brennstoffelementenstrang durch die Stange 20 angehoben oder gesenkt werden kann. Auf diese Weise können Brennstoffelemente sehr einfach in einen Brennstoffkanal 40 eines Kernreaktors eingesetzt und wieder herausgenommen werden.

Die Stange 20 ist mit längsverlaufenden Aussparungen 33 zur Aufnahme von Kabeln 34 für Thermoelemente versehen, die zu jedem gewünschten Brennstoffkörper 11 führen. Der Deutlichkeit halber ist lediglich ein Kabel 34 in der F i g. 1 dargestellt. Dieses Kabel endet in einer Lötstelle 35, die in einer Vertiefung 36 auf der Hülse 38 eines Kernbrennstoffkörpers 11 eingebettet ist. Eine Hülse 39 trägt dazu bei, das oder die Kabel 34 in ihrer Lage zu halten. Das

ίο obere Ende der Stange 20 (in der F i g. 5 dargestellt) endet in einem verstärkten Kopf 42 mit einer Bohrung 43 bestimmter Form. Der verstärkte Kopf 42 paßt durch die Öffnungen 18 in den Tragplatten 13. Die Stange ist an einem rohrförmigen Teilstück 44 mit Hilfe eines Bolzens 45 befestigt; dieser Bolzen durchdringt die Bohrung 43 mit so viel Spiel, daß eine Ausdehnung der Stange 20 nach oben möglich ist. Der Bolzen durchragt außerdem Bohrungen 46 in dem rohrförmigen Körper 44. Eine Buchse 47 ist an die Innenseite des rohrförmigen Körpers 44 rings um die Bohrung 46 angeschweißt, um die Lage des verstärkten Kopfes 42 in axialer Richtung festzulegen. Eine Bundbuchse 48 ist außerdem an die Innenseite des rohrförmigen Körpers 44 zur Zentrierung desselben in dem darunter befindlichen Element 10 angeschweißt. Der rohrförmige Körper 44 kann an einem Abschirmungsstopfen befestigt werden, um eine komplette Einheit zum Beschicken eines Brennstoffkanals in einem Kernreaktor zu schaffen.

Die einzige Stange 20, die einen Stapel von Brennstoffelementen zusammenhält, nimmt wenig Raum in den Brennstoffelementen ein. Lediglich der Brennstoffkörper in der Mitte in einer konzentrischen Anordnung von Brennstoffkörpern muß zur Aufnahme der Stange geopfert werden. Es ist auch ein Vorteil, daß während des Anhebens und Senkens die Stange 20 einer Zugspannung unterworfen ist, während die übrige Einheit, insbesondere die Graphithülsen 15, gedruckt werden. Außerdem sitzen die Enden der übereinandergestapelten Brennstoffelemente abdichtend aufeinander, so daß kein Kühlmittel in den Ringraum zwischen den Graphithülsen einer Einheit und der Wandung des Brennstoffkanals eindringen kann. Es können aber auch aufeinanderfolgende Graphithülsen 15 beispielsweise durch Zapfen miteinander verbunden werden, wodurch noch eine geringe Biegsamkeit an den Verbindungsstellen erreicht wird.

Bei einer abgeänderten, in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform sind die keramischen Hülsen 39 gegen nachgiebige Halteeinrichtungen ausgetauscht. Die Einrichtungen weisen eine aus einer Nickel-Chrom-Legierung bestehende Buchse 51, die an die Stange 20 angeschweißt ist, eine Halterippe 58 sowie zwei Blattfedern 52 (von denen nur eine dargestellt ist) auf. Die Halterippe und die Blattfedern sind symmetrisch auf dem Umfang der Buchse 51 verteilt. Mittelöffnungen 18 in den Halteplatten 13 sind mit Buchsen 57 aus rostfreiem Stahl versehen, die dort verchromt sind, wo sie mit dem Beryllium der Halteplatten 13 in Berührung kommen. Das Brennstoffelement wird zusammengesetzt, indem die Stange 20 und die Buchse 51 durch die Buchse 57 hochgezogen wird, so daß die Federn 52 an der Buchse 57 anliegen und die Stange 20 in den Halteplatten 13 lagern. Dadurch wird eine Berührung der Stange aus rostfreiem Stahl mit den Beryllium-Halteplatten vermieden und die Schwingungen der Stange infolge der Strömung des Reaktorkühlmittels vermindert.

In der F i g. 6 ist die Stange 20 ohne Aussparungen dargestellt. Es ist auch möglich, die Kabel für Thermoelemente an der Innenseite der Graphithülsen entlangzuführen.

Eine weitere abgewandelte Ausfünrungsform zeigt die F i g. 7. Die Stange 20 weist hier am unteren Ende einen Knauf 22 ο auf, der so schmal ist, daß er durch die Öffnungen 18 hindurchpaßt; dadurch kann die Stange durch einen Stapel von Brennstoffelementen nach unten hindurchgeführt werden. Rings um den Knauf 22 a ist eine geschlitzte Klemmhülse 53 vorgesehen, die in einer Buchse 24 a mit Rippen 25« durch eine Haltescheibe 54 und einen Federring 55, der in einer Nut 56 der Buchse 24 α sitzt, gehalten wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement-Bauteilgruppe für einen Kernreaktor, bestehend aus mehreren innerhalb eines rohrförmigen und Kühlmittel führenden Gehäuses übereinander angeordneten Bündeln von ummantelten länglichen Brennstoffkörpern, wobei jedes Brennstoffbündel zwischen zwei perforierten Halteplatten endfixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beabstandung der Halteplatten (13) jedes Brennstoffbündels (12) jeweils eine mit Spiel im Gehäuse (15) sitzende Hülse (14) vorgesehen ist und daß eine von einer Basishalterung (24, 26, 29) am unteren Ende des Gehäuses (15) nach aufwärts sich erstreckende, durch die Mittelöflnungen (18) der Halteplatten geführte Tragstange (20) vorgesehen ist, auf der die aus den Teilen (11,13,14,15) bestehende(n) Bauteilgruppe(n) lose aufgefädelt ist (sind).

2. Brennstoffelement-Bauteilgruppe nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstange (20) mit der Basishalterung (24, 26, 29) lösbar verbunden ist.

3. Brennstoffelement-Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstange (20) mit längsverlaufenden Aussparungen (33) für die Aufnahme von Thermoelementkabeln versehen ist.

4. Brennstoffelement-Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Mittelöffnungen (18) der Halteplatten nachgiebige Mittel (51, 52, 58) eingreifen, die an der Tragstange (20) befestigt sind.

5. Brennstoffelement-B auteilgruppe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinandersitzenden Enden der Gehäuse (15) in Form von flachkegeligen Ringflächen ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 041180,
046 209;

britische Patentschrift Nr. 791011;

USA.-Patentschriften Nr. 2 841 545, 2 848 404;

»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 3, 1955, S. 334 bis 337.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1110 771.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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