DE1279227B - Kernreaktor-Brennelementbuendel - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1279 227

Aktenzeichen: P 12 79.227.7-33 (C36310)

Anmeldetag: 6. Juli 1965

Auslegetag: 3. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft ein Brennelementbündel für heterogene Kernreaktoren, die durch Kreislauf eines Kühlmittels, insbesondere eines unter Druck stehenden Gases, gekühlt werden.

Die Erfindung betrifft insbesondere Brennelementbündel, bei denen das Kernbrennstoffmaterial in eine Reihe paralleler Einzelelemente in Form von jeweils mit einer Hülse umkleideten Stäben von geringem Durchmesser aufgeteilt ist. Jedes derartige Einzelelement ist mit den benachbarten Einzelelementen durch Konstruktionsteile verbunden, die den Zusammenhalt des Bündels gewährleisten. Diese Konstruktionsteile müssen eine genügende Steifheit besitzen, um den mechanischen und Wärmebeanspruchungen zu widerstehen, denen das Brennelement unterworfen ist. Im allgemeinen sind sie mit Griffen zur Handhabung des Brennelements, insbesondere beim Laden und Entladen des Brennstoffs, ausgestattet.

Die Konstruktionsteile der Bündelelemente bestehen oft aus Haltegittern am Ende und längs der Stäbe verteilten Abstandshaltern. Eine solche Lösung besitzt zwar den Vorzug der Einfachheit, weist dafür aber andere schwere Nachteile auf. Die Gitter und Abstandshalter bedingen hohe Einzeldruckverluste beim Durchströmen des Kühlmediums und fügen im Kühlmitteldurchflußkanal eine erhebliche neutronenabsorbierende Materiahnasse hinzu; außerdem beseitigen sie nicht die Gefahr einer mangelnden Wärmebeständigkeit, da sie die Stäbe nur an einer Reihe voneinander entfernter Punkte halten.

Diese Nachteile vermeidet eine Anordnung, wobei die Stäbe untereinander nicht nur in bestimmten Höhen, sondern über ihre ganze Länge durch zur Achse der Stäbe parallele Wände fest verbunden sind. Die zur Zusammenfassung der Stäbe dienenden Konstruktionsteile bestehen dann aus Längsrippen, die die Hülsen verbinden. Brennelementbündel in derartiger Anordnung werden im allgemeinen als »Schneekristall-Elemente« bezeichnet.

Die Herstellung eines derartigen Brennelements aus einem Stück bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Die Bearbeitung auf der Drehbank bzw. durch Fräsen oder spanabhebende Bearbeitung nach üblichen Verfahren ist kaum möglich, und das Strangpressen ist vor allem für die in Betracht kommenden Materialien (Beryllium oder Zirconiumlegierungen) schwierig durchzuführen und bedingt hohe Herstellungskosten, selbst für ein Element mit sieben Stäben (einem Mittelstab und sechs in Winkelabständen von 60° angeordneten umgebenden Stäben).

Aus der Schweizer Patentschrift 376190 ist ein Kernreaktor-Brennelementbündel

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. H. U. May, Patentanwalt,

8000 München 2, Ottostr. 1 a

Als Erfinder benannt:

Pierre Cousseran, Clamart, Seine;

Jean Marc Hassig, Orsay, Seine-et-Oise;

Roland Roche, Clarmart, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 10. Juli 1964 (981344)

derartiges bündeiförmiges Brennstoffelement bekannt, bei dem die Brennstabhülsen sich mit radialen Längsrippen aneinander abstützen und dadurch zwischen den Hülsen Strömungskanäle bilden. Hierbei sind die einander benachbarten Längsrippen je zweier übereinander angeordneter Brennstabhülsen in axialer Richtung durch Klammern miteinander verbunden, nicht aber die radial aneinanderstoßenden Längsrippen. Es mangelt daher an Festigkeit.

In dem deutschen Patent 1203 888 sind Kernreaktor-Brennelementbündel vorgeschlagen, die aus mehreren parallelen stabförmigen Einzelelementen bestehen, deren Hülsen radiale, als Abstandshalter wirkende und im wesentlichen über ihre gesamte Länge reichende Längskühlrippen besitzen, die teilweise zu in Achsrichtung der Brennelemente offenen Haken geformt sind, die in entsprechend ausgebildete Haken der Rippen an den Nachbarelementen greifen.

Diese Lösung ist aber nicht geeignet, die eingangs genannten, an Brennelementbündel zu stellenden Forderungen vollkommen zu erfüllen, da die radial benachbarten Längsrippen nur an einigen Stellen, nämlich in Höhe der hakenförmigen Kupplungen, miteinander verbunden werden und eine

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axiale Verschiebung der Elemente gegeneinander auch nur über eine geringe Strecke möglich ist, nämlich bis zum Anstoß der Rückseite des einen Hakens am Ende der Aussparung der anderen Längsrippe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Brennelementbündel herzustellen, das insbesondere alle Vorteile des »Schneekristall-Elements« beibehält, jedoch einfacher herzustellen ist.

wobei der Ausdruck Stange so zu verstehen ist, daß er sowohl ein durchgehendes Einzelstück als auch eine Säule von Einzeltabletten umfaßt, wobei die letztere Lösung im allgemeinen bei keramischen Kernbrennstoffen angewandt wird.

Die Stäbe einer Schicht oder eines Kranzes werden durch Trennwände, wie die die Stäbe 8 und 8' verbindende Trennwand 10, in bestimmten Abständen voneinander und bezüglich der Stäbe der anderen

Erfindungsgemäß sind zu diesem Zweck bei einem io Schichten gehalten. Jede der zwei Stäbe verbinden

den Trennwände erstreckt sich über deren Länge und umfaßt zwei Längsrippen 12 und 12', die jeweils von einem Stab getragen werden und einander gegenüberliegend angeordnet und mit abnehmbaren

Kernreaktor-Brennelementbündel, das aus mehreren
parallelen stabförmigen Einzelelementen besteht,
deren Hülsen radiale, als Abstandshalter--wirkende
und ion wesentlichen über ihre gesamte Länge reichende Längsrippen besitzen, wobei an benachbar- 15 Kupplungsstücken zur starren Verbindung verbunten Einzelelementen ein Paar der Längsrippen in den sind.

einer Ebene einander gegenüberliegt und die Einzel- Jeder Stab besitzt mit den benachbarten Stäben,

elemente an diesen Längsrippen in axialer Richtung die zur gleichen oder einer benachbarten Schicht geverschiebbar, im übrigen jedoch starr miteinander hören, eine Anzahl von Verbindungen, so daß das verbunden sind, die Längsrippen eines Paars jeweils 20 System entweder statisch bestimmt oder mehr oder entsprechend mit je einer radialen Keilnut oder mit weniger statisch überbestimmt ist, um das Montagezwei gegenüberliegenden seitlichen Längsnuten ver- spiel aufzufangen, wobei die Kupplungsstücke als sehen, in die in axialer Richtung Kupplungsstücke »Gelenke« zwischen den Stäben angesehen werden, eingeschoben sind. Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform besitzt

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der 25 jeder Stab, wie ersichtlich, mindestens drei Verdie Längsrippen mit der radialen Keilnut versehen bindungen mit seinen Nachbarn,
sind, sind die Kupplungsstücke doppelschwalbenschwanzförmig ausgebildet.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform,

bei der die Längsrippen mit den zwei gegenüber- 30 sich zwischen zwei einander gegenüberliegenden liegenden seitlichen Längsnuten versehen sind^ sind Endflächen der Längsrippen 12 und 12' einschiebt die Kupplungsstücke in Form einer Doppel-U- oder
einer gekreuzten S-Klammer ausgebildet.

Das so hergestellte Brennelementbündel besitzt

eine Festigkeit, die der eines aus einem Stück be- 35 der Längsrippen gegebenenfalls gehobelt. Die Außenstehenden »Schneekristall-Elements« vergleichbar ist. flächen können entweder eben (Fig. 2a) sein oder Außerdem können alle Stäbe zum Ausgleich von ein gebogenes, für die beiden Längsrippen gleiches Abweichungen ihrer Axialverlängerungen gleiten, Querprofil aufweisen.

wobei sie jedoch in unveränderlichen Abständen von- Die in den F i g. 2 a und 3 gezeigte Klammer 14

einander gehalten werden. Die Einzeldruckverluste 40 besteht aus einer aufgeschnittenen und S-förmig gewerden erheblich verringert und die zur Erhaltung bogenen Metallplatte. Die an den Enden des S ander Geometrie des Elements notwendige Masse von gebrachten Finger 16 und 16' greifen in dafür längs absorbierendem Material wird herabgesetzt. der Seitenflächen der Längsrippen 12 und 12' vorge-

In der folgenden Beschreibung sind Ausführungs- sehene Längsnuten 18 und 18' ein. Die Klammer 14 formen der Erfindung, die als Beispiele zur Erläute- 45 ist in regelmäßigen Abständen umgekehrt angeordrung angegeben sind, beschrieben. Die Beschreibung net, so daß jeder Arm mit der entsprechenden bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin Längsrippe, beispielsweise 12', einerseits durch auf zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen »Schneekristall-Brennelements« im 5° Abschnitte 22 verbunden ist.
Schnitt längs einer zur Achse senkrechten Ebene, Zur Herstellung der Klammer 14 können verschie-

Fig. 2a, 2b, 2c Einzelansichten eines in Fig. 1 mit A bezeichneten Ausschnitts, von verschiedenen abgewandelten, zwei Längsrippen eines Paars von

Bei einer in den Fig. 2a und 3 gezeigten ersten Ausführungsform bestehen die Kupplungsstücke zwischen zwei Längsrippen aus einer Klammer 14, die

und sie gegeneinandergedrückt hält.

Zur Gewährleistung eines richtigen Anliegens der Längsrippen gegeneinander sind die Endabschnitte

₁-, — j.-j.-j ■ χ. '

der einen Seite angeordnete Abschnitte 20 und andererseits durch auf der anderen Seite angeordnete

dene in Form dünner Bleche vorliegende Materialien benutzt werden. Man kann insbesondere 0,1 mm starkes Blech aus rostfreiem Stahl benutzen, das den

Einzelelementen von außen umgreifenden Kupplungs- 55 Vorteil besitzt, sich leicht aufschneiden und biegen

stücken,

F i g. 3 schematisch in perspektivischer Darstellung drei durch Kupplungsstücke gemäß F i g. 2 a verbundene Stäbe,

Fig. 4a, 4b, 4c, ähnlich wie Fig. 2a, 2b und 2c, abgewandelte Ausführungsformen von innen in zwei entsprechende Längsrippen eines Paars von Einzelelementen eingeschobenen Kupplungsstiicken.

zu lassen und eine genügende Korrosionsbeständigkeit zu besitzen. Von anderen, mit Vorteil zu verwendenden Materialien seien Molybdän- und Zirconlegierungen genannt.

Das Festhalten der Klammer 14 in Längsrichtung kann auf verschiedene Weise geschehen. Insbesondere kann diese Klammer mit mindestens einer der Längsrippen durch einen Vorstecker 24 (Fig. 3) fest verbunden werden. Man kann auch an den Enden

Das in Fig. 1 gezeigte Kernbrennstoffelement besteht aus einer Gruppe von 31 Stäben 6 und 6', die 65 des gebündelten Elements angeordnete, geeignet geum einen Mittelstab längs dreier koaxialer Zylinder formte Einkerbungen vorsehen,
verteilt sind. Jeder Stab besteht aus einer Brennstoff- In jedem Fall können die Stäbe leicht durch stange, die mit einer Hülse 8 oder 8' ummantelt ist, Strangpressen und, falls notwendig, anschließendes

Bearbeiten durch Drehen, Hobeln oder Fräsen hergestellt werden. Ihr Zusammenbau ist ebenfalls verhältnismäßig einfach: Die Stäbe werden einander gegenübergestellt und die Klammern 14 werden eingeschoben.

Die Fig. 2b und 2c zeigen zwei Abwandlungen der in den F i g. 2 a und 3 gezeigten Ausführungsform. Die Klammer 14 der Fig. 2b unterscheidet sich nur dadurch von der vorangehenden, daß sie abwechselnd U-förmig gebogen ist. Die Klammer der Fig. 2c benutzt zwei vollständige U-Stücke, die mit ihrem Boden bei 26 aneinandergeschweißt sind.

Die in den Fig. 2a, 2b und 2c gezeigten Klammern 14 gewährleisten eine Verbindung der Längsrippen durch äußere Umklammerung. Im Gegensatz dazu zeigen die Fig. 4a, 4b und 4c Kupplungsstücke zur Verbindung zwischen den Längsrippen, die innerhalb deren Dicke selbst liegen. Das Kupplungsstück kann insbesondere aus einem rohrförinigen Keil 28 (F i g. 4 a), aus einem Keil mit einem Querschnitt von Doppel-T-Form (Fig. 4b) oder aus einem doppelschwalbenschwanzförmigen Keil (Fig. 4c) bestehen.

In allen diesen Fällen greift der Keil 28 gleichzeitig in zwei Schwalbenschwanznuten 30 und 30' (F i g. 4 a) ein, die jede in der Endfläche einer Längsrippe angebracht sind, um die beiden Längsrippen in Berührung miteinander zu halten.

Die doppelschwalbenschwanzförmigen (F i g. 4 c) oder als Doppel-T (Fig. 4b) ausgebildeten Keile28 können durch Strangpressen aus einer Bramme mit Kreisquerschnitt von 0,8 mm Durchmesser aus rostfreiem Stahl und die rohrförmigen Keile (F i g. 4 a) aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl von 0,05 mm Dicke hergestellt werden.

Ganz allgemein können die Keile 28 nach verschiedenen Verfahren wie Stanzen, Strangpressen usw. aus den gleichen Materialien wie die für die Klammern 14 aufgezählten hergestellt werden. Man kann auch für diese Keile 28 Materialien mit geringerer Neutronenabsorption, die jedoch schwieriger zu formen sind, wie beispielsweise Beryllium, benutzen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennelementbündel, bestehend aus mehreren parallelen stabförmigen Einzelelementen, deren Hülsen radiale, als Abstandshalter wirkende und im wesentlichen über ihre gesamte Länge reichende Längsrippen besitzen, wobei an benachbarten Einzelelementen ein Paar der Längsrippen in einer Ebene einander gegenüberliegt und die Einzelelemente an diesen Längsrippen in axialer Richtung verschiebbar, im übrigen jedoch starr miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippen eines Paares (12,12') jeweils entsprechend mit je einer radialen Keilnut (30, 30') oder mit zwei gegenüberliegenden seitlichen Längsnuten (18,18') versehen sind, in die in axialer Richtung Kupplungsstücke (28 bzw. 14) eingeschoben sind.

2. Kernreaktor-Brennelementbündel nach Anspruch 1, bei dem die Längsrippen mit der radialen Keilnut versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsstücke (28) doppelschwalbenschwanzförmig ausgebildet sind.

3. Kernreaktor-Brennelementbündel nach Anspruch 1, bei dem die Längsrippen mit den zwei gegenüberliegenden seitlichen Längsnuten versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsstücke (14) die Form einer Doppel-U- oder einer gekreuzten S-Klammer haben.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 376 190.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 12031

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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