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Kernreaktor-Brennstoffelement Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennstoffelement,
bei dem der Brennstoff von einer Umhüllung umschlossen ist, die an ihrem äußeren
Umfang mit in Längsrichtung verlaufenden Stegen versehen und hierdurch in einem
äußeren Mantel zentriert ist, der aus einem die Neutronen nur wenig absorbierenden
Material besteht.
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Bei Brennstoffelementen dieser Art ist es bekannt, am unteren Ende
ein Auflager von geringen Abmessungen vorzusehen, das durch biegsame metallische
Drähte mit der Grundfläche des Mantels verbunden ist und der Abstützung des Brennstoffelementes
dient. Bei dieser Ausführung wird das gesamte Gewicht des Brennstoffelementes ausschließlich
von dem Mantel aufgenommen, was die Druck-Beanspruchung für den Stopfen erheblich
vermindert, der die Hülle an dem Ende verschließt, an dem sie auf ihrem Auflager
ruht. Bei einer Übereinanderstapelung solcher Brennstoffelemente im Innern eines
Kernreaktorkanals nehmen allein die äußeren, meist aus Graphit bestehenden Mäntel
die Last der über ihnen aufgestapelten Brennstoffelemente auf, wodurch sich die
Belastung der einzelnen Verschlußstopfen weiter verringert. Dessen ungeachtet gibt
es jedoch Betriebsbedingungen, insbesondere bei mit hoher Betriebstemperatur arbeitenden
Kernreaktoren, unter denen der auf die unteren Verschlußstopfen der Brennstoffelemente
ausgeübte Druck immer noch zu groß ist, und insbesondere dann, wenn die Brennstoffelemente
sehr lang sind und die Stirnfläche der Verschlußstopfen gering ist, zu einem Fließen
des Materials der Verschlußstopfen führt.
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Den gleichen Nachteil weisen auch die in der deutschen Auslegeschrift
1103 474 beschriebenen Brennstoffelemente auf, bei denen der Brennstoff von
einer Umhüllung umschlossen ist, die an ihrem äußeren Umfang mit in Längsrichtung
verlaufenden Stegen versehen und hierdurch in einem äußeren Mantel zentriert ist,
der aus einem die Neutronen nur wenig absorbierenden Material besteht. Dabei stützen
sich der Brennstoff, die Umhüllung und die Stege am unteren Ende jedes Brennstoffelementes
über Endglieder am äußeren Mantel ab. Diese Endglieder müssen also einen ganz erheblichen
Druck aufnehmen, der bei entsprechenden Betriebstemperaturen Anlaß zu einem Fließen
ihres Materials sein kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kernreaktor-Brennstoffelement
anzugeben, bei dem das Gewicht des Brennstoffs, seiner Umhüllung und der Zentrierstege
wesentlich gleichmäßiger, d. h. über eine größere Fläche verteilt, als bisher auf
den äußeren Mantel übertragen wird, so daß eine Überlastung des Materials der Übertragungselemente
auch bei höchsten Betriebstemperaturen mit Sicherheit vermieden bleibt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die einstückig
mit der Umhüllung ausgebildeten Stege an ihrer äußeren Kante mit spiralförmig um
die Achse des Brennstoffelementes verteilten zahnförmigen Vorsprüngen versehen sind,
die in ein an der Innenfläche des Mantels vorgesehenes, die Umhüllung und den Brennstoff
mittels der Vorsprünge tragendes Gewinde einschraubbar sind.
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Die Ausbildung der Zentrierstege mit der Umhüllung des Brennstoffs
in einstückiger Form ist aus der deutschen Auslegeschrift 1042 774 bekannt, und
ebenso ist die Einarbeitung eines Gewindes in die Innenfläche des äußeren Mantels
in der belgischen Patentschrift 562 620 vorbeschrieben. Eine Abstützung des Brennstoffgewichtes
durch ein Zusammenwirken der Zentrierstege mit dem Mantel bzw. von Teilen der Umhüllung
des Brennstoffs mit dem in den Mantel eingearbeiteten Gewinde ist jedoch bei beiden
vorbekannten Brennstoffelementen nicht vorgesehen. So gibt es bei dem Brennstoffelement
nach der deutschen Auslegeschrift 1042 774 überhaupt keinen solchen äußeren Mantel,
und nach der belgischen Patentschrift 562 620 wird das Gewicht des Brennstoffs,
der Umhüllung und der
Zentrierstege durch am unteren Ende des Brennstoffelementes
vorgesehene Stützglieder aufgenommen. Die den Brennstoff umschließende Umhüllung
ist daher lediglich an ihrem unteren Ende, d. h. auf einem relativ kleinen Bereich
am äußeren Mantel, abgestützt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Kernreaktor-Brennstoffelementes
tragen dagegen die Zentrierstege das gesamte Gewicht der aus dem Brennstoff und
seiner Umhüllung gebildeten Kartusche und entlasten den Stopfen, mit dem deren unteres
Ende verschlossen ist, und insbesondere auch die Schweißnaht zwischen diesem Stopfen
und der Umhüllung vollkommen. Dabei ist es in weiterer Ausbildung der Erfindung
von Vorteil, zwischen den zahnförmigen Vorsprüngen der Stege und dem Grund der spiralförmigen
Gewindegänge in dem äußeren Mantel ein annähernd gleichmäßiges Spiel vorzusehen,
das eine freie gegenseitige Dehnung der Brennstoffkartusche und des Mantels gestattet,
so daß ein Ausgleich verschieden starker Ausdehnungen der Kartusche und des äußeren
Mantels im Reaktorbetrieb ohne weiteres möglich ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel,
für ein erfindungsgemäßes Kernreaktor-Brennstoffelement näher beschrieben, das in
der Zeichnung veranschaulicht ist, die eine teilweise geschnittene Ansicht eines
solchen Brennstoffelementes zeigt.
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Das dargestellte Brennstoffelement ist beispielsweise zum Einsatz
in graphitmoderierten Reaktoren bestimmt, die durch gasförmiges Kohlendioxyd gekühlt
werden, das vertikale, in den Kern des Reaktors eingelassene Kanäle durchströmt.
Selbstverständlich läßt sich die Erfindung auch bei Brennstoffelementen für andere
Reaktortypen anwenden, insbesondere für Reaktoren mit flüssigem Moderator und Druckrohren,
für Reaktoren mit horizontalen Kanälen usw.
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Das dargestellte Brennstoffelement enthält einen Kern 2 aus Brennstoff,
der beispielsweise aus reinem oder schwach legiertem Uranium besteht und im Innern
einer metallischen Umhüllung 4 angeordnet ist, die aus einem Material besteht,
das einen geringen Einfangquerschnitt für Neutronen aufweist und bei hohen Temperaturen
eine genügende Festigkeit besitzt, wie z. B. eine Magnesium Zirkonium-Legierung
mit geringem Zirkoniumgehalt. Das dargestellte Brennstoffelement ist in der bekannten
Weise aufgebaut, bei der der Brennstoffkern 2 an ; seiner Oberfläche mit umlaufenden
oder mit schraubenförmigen Rippen 6 versehen ist und die auf den Kern
2 aufgepreßte Umhüllung 4 die zwischen den Rippen 6 vorhandenen Vertiefungen
8 ausfüllt.
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Die Umhüllung 4 ist an beiden Enden durch an- ; geschweißte
Stopfen 10 und 12 verschlossen, die beispielsweise aus einer Magnesiumlegierung
mit sehr schwachem Mangangehalt oder aus einer Magnesium-Zirkon-Legierung bestehen.
An ihrer Außenfläche ist die Umhüllung 4 außerdem mit Kühlrippen 14 versehen, die
schief zur Längsachse des Brennstoffelementes verlaufen und in benachbarte Gruppen
aufgeteilt sind. Die Kühlrippen zweier benachbarter Gruppen sind so orientiert,
daß sie ein fischgrätartiges Muster bilden; jede solche Gruppe von Rippen ist von
der benachbarten durch einen zusammen mit der Umhüllung 4 gezogenen längsverlaufenden
Steg 16 getrennt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Reihen von
Kühlrippen vorhanden, daher trägt die Umhüllung drei Gruppen von gewinkelten Rippen,
die durch drei Zentrier-Stege 16 voneinander getrennt sind. Natürlich kann die Anzahl
der Rippengruppen und damit auch der Trennwände in Abhängigkeit von einer gewissen
Zahl von Parametern, insbesondere von dem Verhältnis der Durchmesser der Umhüllung
und des äußeren Graphit-Mantels 18, der den ummantelten Brennstoff koaxial umgibt,
verändert werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Verbindung zwischen der Umhüllung
4 und dem äußeren Graphit-Mantel 18, der die Umhüllung 4 an -Länge um ein
geringes übertrifft, durch Einschrauben der Umhüllung 4 in den Mantel 18.
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Zu diesem Zwecke sind die Stege 16 am Rand mit Zähnen 19 versehen,
deren `Peilung entsprechend der Steigung des in den Mantel 18 eingearbeiteten Gewindes
gewählt wird.
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Der Mantel 18 ist an seiner Innenfläche mit fortlaufenden spiralförmigen
Gewindegängen 20 versehen, in welche die Zähne der Stege 16 passen und in welche
die Kartusche aus dem Brennstoffkern 2 und seiner Umhüllung 4 eingeschraubt werden
kann. Die Abmessungen der Zähne 19 und der Gewindegänge 20 sind so gewählt, daß-
zwischen ihnen ein geringes radiales Spiel verbleibt, das eine freie gegenseitige
Ausdehnung des Mantels 18 und der Umhüllung 4 erlaubt.
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Außer diesem radialen Spiel kann zwischen den Zähnen 19 der
Stege 16 und den Gewindegängen 2Q des Mantels 1:8 vorteilhafterweise ein
Spiel in Längsrichtung vorgesehen werden, dessen Größe längs der Kartusche veränderlich
ist; vorzugsweise ist es in den Gewindegängen am Oberteil des Mantels 18 minimal
und in den Gewindegängen an der Unterseite des Mantels 18 maximal. Beim Einschrauben
der Kartusche in den Mantel 18 wird diese daher fast ausschließlich vom obersten
Teil des Mantels 18 getragen, wobei in dieser Gegend ein fester Berührungspunkt
vorhanden ist. Im -Verlauf des Reaktorbetriebs steigt die Temperatur allmählich
an, bis sie die Betriebstemperatur erreicht, wobei die Anzahl der Berührungspunkte
zwischen den Stegen 16 der Umhüllung 4 und dem Mantel 18 immer
mehr zunimmt, da die Wärmedehnung des Metalls (Magnesium oder Zirkon) der Umhüllung
4 diejenige des Graphits des Mantels 18 übertrifft. Auf diese Weise wird der Kontakt
zwischen UmhüiIung 4 und Mantel 18 verbessert, denn das radiale und longitudinale
Spiel ist entsprechend der Höchsttemperatur so bemessen, daß der Kontakt über die
ganze Länge der Kartusche so eng wie möglich wird.
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Auf diese Weise trägt jeder Mantel 18 mit Hilfe der Längsstege
16 das Gewicht der Kartuschen, die er enthält, wobei die Endverschlüsse 10 und 12
und insbesondere ihre Schweißverbindungen mit den Enden der Umhüllung 4 keinerlei
Zug- oder Druckbeanspruchung ausgesetzt sind.
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Außer bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich die Erfindung
sehr vorteilhaft bei Kartuschen anwenden, die rohrförmig sind und mit einer inneren
und äußeren Hülle versehen sind, die durch zwei Flüssigkeitsströmungen gekühlt werden,
deren Strömungskräfte die Stabilität der Kartuschen beeinträchtigen. Ferner ist
eine Verschraubung der Kartusche mit einem äußeren Mantel auch im Fall
von
Hüllen mit längsverlaufenden Kühlrippen möglich, wobei diese alle oder zum Teil
ganz ähnlich wie in dem dargestellten Beispiel mit einer Verzahnung versehen werden.