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Kernreaktor-Brennstoffelement Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreakto.r-Brennstoffelement,
das aus konzentrisch angeordneten Hüllrohren mit dazwischen angefülltem Brennstoff
besteht,.die mit den Endverschlüssen verschweißt sind.
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Bei wassergekühlten Kernreaktoren wird in den meisten Fällen
U02 als Kernbrennstoff verwendet. Der Brennstoff befindet sich dabei in Metallhüllen.
Die Brennstoffhülle, besteht dabei aus einem Metallrohr und der Endverschluß aus
einem Metallstopfen, der nach Einfüllung des pulverförmigen oder aus gesinterten
Tabletten bestehenden Urandioxyds mit dem Ende des Metallrohres verschweißt wird.
Der Brennstoffstab besitzt somit an jedem Ende eine Rundschweißnaht. Es sind auch
rundförmige Brennstoffelemente bekannt, bei denen sich der Brennstoff zwischen zwei
konzentrischen Hüllrohren befindet. Die Endverschlüsse bestehen dabei aus ringförmigen
Metallstopfen, an welche die Hüllrohre angeschweißt sind. Bei diesen Elementen sind
somit zwei Rundschweißnähte an jedem Ende des Brennstoffrohres vorhanden.
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Für Siedewasserüberhitzerreaktoren sind rohrförmige Brennelemente
bekannt, bei denen während des Betriebes am äußeren Hüllrohr Sieden stattfindet
und am inneren Hüllrohr der erzeugte Naßdampf überhitzt wird. Die hierbei auftretenden
unterschiedliehen Temperaturen der Hüllrohre bewirken erhebliehe Wärmespannungen.
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Zur Reduktion der Wärmespannungen sowie zur Verbesserung der Korrosionseigenschaften
des von heißem Dampf gekühlten Innenrohres ist ferner vorgeschlagen worden, für
Innen- und Außenrohr verschiedene Metallegierungen zu verwenden (Material I und
Material II). Trotz dieser Maßnahme bleiben erhebliche Belastungen bestehen, und
es ergeben sich Zweifel, ob die Schweißnähte die auftretenden Spannungen aufnehmen
können. Besonders gefährdet ist dabei die Schweißnaht, die das innere Hüllrohr mit
dem Endstopfen verbindet, weil bei dieser Schweißnaht einerseits hohe Temperaturen
vorliegen und weil andererseits die an sich für das Innenrohr besonders günstigen
Metallegierungen (Inconell, Hartalloy) sich teilweise sehr schwer schweißen lassün
bzw. die Schweißnähte nicht die guten Eigenschaften des Rohrinaterials haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Endverschlußstücke so
aufzuteilen und anzuordnen, daß die sie verbindenden Schweißnähte durch die thermische
Belastung nicht überbeansprucht und beschädigt werden. Die Lösung dieser Aufgabe
besteht gemäß der Erfindung darin, daß an mindestens einem seiner Enden mindestens
drei Rundschweißnähte vorgesehen sind und daß das Innen- und das: Außenrohr sowie
die Endverschlüsse oder Teile davon aus verschiedenen oder teilweise verschiedenen
Materialien bestehen.
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Die Endverschlüss# des Brennstoffelementes können auch zweigeteilt
sein. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß mindestens eine Rundschweißnaht
durch einen Isolierschlitz thermisch isoliert ist.
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An sich ist man bestrebt, bei der Konstruktion von Reaktorbrennstoffelementen
wegen der erhöhten Gefährdung der Schweißnähte durch Risse, Undichtigkeiten, durch
Korrosion und wegen der Herstellungskosten der Elemente ein Minimum an Schwei i
ßkosten vorzusehen. Die Erhöhung der Zahl der Rundschweißnähte über das erforderliche
Minimum von zwei mal zwei Nähten je Rohrelement bewirkt demgegenüber die
im folgenden aufgezeigten Verbesserungen, so daß sich der scheinbare Nachteil einer
zusätzlichen Schweißnaht als besonders vorteilhaft erweist. Durch die genannten
Maßnahmen wird auch das Herstellungsverfahren verbessert.
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Die am schwierigsten zu fertigende Schweißnaht zwischen dem InnenhüHrohr
und im oberen Innenhüllrohr, das aus einem anderen Material besteht, welches seinerseits
mit dem Material des Außenhüllrohres bzw. einem weiteren Zwischenmaterial, das als
Stopfen für die Brennstoffüllung dient, ist gut verschweißbar und kann vor Einfüllen
der Brennstofftabletten wärmebehandelt werden, so daß die Qualität dieser am schwierigsten
zu fertigenden Schweißnaht erheblich verbessert werden kann. Die Zwischenschaltung
verschiedener Materialien vom Innenhüllrohr zum Außenhüllrohr ist aus metallurgischen
Gründen wünschenswert. Die Verwendung geeignet ausgewählter Materialien kann sowohl
einen günstigen Wärmefluß als auch eine Verkleinerung der im Betrieb auftretenden
Spannungen bewirken.
Es ist auch möglich, die Verschlußteile alle
aus dem gleichen Material zu fertigen, aus dem das Außenhüllrohr hergestellt ist,
so daß die zusätzliche und durch Wärmebehandlung zu verbessernde Schweißnaht direkt
die Verbindung zwischen zwei verschiedenen Materialien herstellt. Die Anordnung
einer zusätzlichen Schweißnaht bietet ferner den Vorteil, diese in einem Bereich
sehr großer Materialquerschnitte zu legen, so daß diese schwer herzustellende Schweißnaht
infolge ihrer kräftigen Ausbildung zuverlässig hergestellt werden kann.
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Die relativ freie Wahl in der Verlegung der zusätzlichen Schweißnaht
erlaubt ferner durch Anordnung eines Isolierschlitzes, diese in den Bereich relativ
niedriger Temperaturen zu legen. Verwendet man bei rohrförmigen Brennstoffelementen,
die mit zwei konzentrischen Hüllrohren versehen sind, Brennstoffpulver, so kann
die zusätzliche Schweißnaht zwischen Innenrohr und dem einen Teil des zweigeteilten
Endstopfens ebenfalls vor Einfüllen des Brennstoffes wärmebehandelt werden.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in den F i g. 1 und
2 der Stand der Technik aufgezeigt, während in den F i g. 3 und 4 ein Brennstoffelement
mit zwei konzentrischen Hüllrohren und der zusätzlighen Schweißnaht, dargestellt
ist. In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Ziffern bezeichnet.
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In der F i g. 1 umschließt das HüHrohr 1 den Brennstoff
2. Die Endverschlüsse 4 sind mit dem Rüffrohr 1 durch die Rundschweißnaht
3 verbunden. Das in der Pi g. 2 dargestellte- Brennstoffelement Üesteht
aus zwei konzentrischen Hüllrohren. Das äußere Hüllrohrl besteht aus dem Material
II und umschließt den Brennstoff 2, der in Tabletten- oder Pulverforin zwischen
dem äußeren Hüllrohr 1 und dein Innenrohr 5 gelagert ist. Das Brennstoffelement
wird durch die -Endverschlüsse 6 verschlossen. Der Endverschluß 4 ist sowohl
mit dem äußeren Hüllrohr 1 als auch mit dem Imienrofir 5 jeweils durch
eine Rundschweißnaht 3 verbunden. In - der F i g. 3
ist ein
Brennstoffelement mit zwei konzentrischen Hüllrohren wiedergegeben. Das äußere Hüllrohr
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umschließt dabei ebenfalls den Brennstoff 2. Die Endverschlüsse 4 sind in
bekannter Weise durch Rundschweißnähte 3 mit den Hüllrohren verbunden. Das
Innenhüllrohr 5, das aus einem Material 1 besteht, und der Rohrabschnitt
6, der aus einem Material II bestehen kann, ist mit einer zusätzlichen Schweißnaht
7 verbunden. Der Endverschluß 4 kann
aus dem Material II bestehen.
Das äußere Hüllrohr 1
kann beispielsweise aus dem Material II bestehen, *ährend
das Innenhüllrohr 5 aus dem Material 1 bestehen kann.
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In der F i g. 4 ist eine weitere Variante eines Brennstoffelementes
nach der Erfindung dargestellt. Das äußere Hüllrohr 1, das aus einem Material
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besteht, umschließt den Brennstoff 2, der in Tabletten- oder Pulverform
vorhanden sein kann. Das äußere Hüllrohr 1 ist mit dem Endverschluß 4 durch
eine Schweißnaht 3 verbunden. Das Innenhüllrohr 5,
das aus dem Material
I besteht, ist mit einem Teil 9
des Endverschlusses 4, das aus dem Material
1 besteht, durch die Schweißnaht 10 verbunden. Der. Endverschluß 4
ist mit dem Endverschlußtäil 9 durch, die zusätzliche Schweißnaht
7 verbunden. Die! Schweißnaht 7 ist von dem durch das innere Hüllrohr5
gebildeten überhitzerrohr durch einen Isolieispalt 8 thermisch geschützt.