DE1296279B - Kernbrennstoffpatrone - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernbrennstoff- Zug beansprucht werden kann und diese Werkstoffe patrone für einen Kernreaktor mit vertikalen Brenn- keine für einen solchen Fall hinreichende Zugfestigstoffkanälen, die an ihren beiden Enden, an denen keit aufweisen.

eine einen Kernbrennstoffstab dicht umgebende Ausgehend von diesem bekannten Stande der Tech-

Patronenhülse durch mit den Hülsenmantelrändern 5 nik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dicht verschweißte, dünnwandige Verschlußstücke ab- eine Kernbrennstoffpatrone der eingangs erwähnten geschlossen ist, je ein Druckübertragungsstück aus Art zo auszubilden, daß für ihre Herstellung auch einem bei der höchsten Betriebstemperatur der Pa- preiswerte Materialien in Frage kommen,
trone gegen Kriechen widerstandsfähigem Material Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geaufweist, dessen Formgebung ein Kriechen des Ver- io löst, daß die Patrone an ihren Enden mit ihr gegenschlußstückmaterials aus der Druckbelastungszone seitiges koaxiales Zentrieren in dem Brennstoffkanal hemmt. sichernden, kalottenförmigen oder konischen kom-

Eine Kernbrennstoffpatrone dieser Art ist in der plementären Stützpaßflächen versehen ist und daß die deutschen Auslegeschrift 1096 512 beschrieben. Bei an den dünnwandigen Verschlußstücken anliegenden einer solchen Patrone geht es vor allem darum, eine 15 Stirnflächen des Brennstoffstabs und/oder der als solche Ausbildung der gesamten Patrone zu finden, Stopfen ausgebildeten, in den vertieft-topfförmigen daß bei einem Einsatz der Patrone in einem Kern- Verschlußstücken oder in dem Hülsenmantel sitzenreaktor mit vertikalen Brennstoffkanälen die Betriebs- den Druckübertragungsstücke aufgerauht sind,
temperatur zur Verbesserung der Wänneausnutzung Bei der erfindungsgemäßen Kernbrennstoffpatrone

bis in denjenigen Bereich hinein erhöht werden kann, 20 wird der Druckübertragungskörper also ausschließbei dem das Hülsenmaterial, das beispielsweise aus auf Druck beansprucht und kann daher aus relativ Magnesium oder aus einer Magnesiumlegierung be- sprödem, aber billigem Material bestehen. Die als steht, zwar noch die zur Abdichtung des Brennstoff- relativ großflächige zueinander komplementäre Stützstabs der Patrone gegenüber dem meisten unter relativ paßflächen ausgebildeten Abstützflächen zentrieren hoh*em Druck stehenden Kühlmedien notwendige 25 gleichzeitig in einem Brennstoffkanal aneinander anFestigkeit aufweist, aber bei größeren Druckbelastun- stoßende Brennstoffpatronen auf gegenseitige Koaxiagen an den Abstützstirnflächen der Patrone doch lität, so daß die Belastung der Druckübertragungsschon zu fließen beginnt, so daß man die von größeren stücke durch das Gewicht der Brennstoffpatronen Gewichtsbelastungen durch die übereinander in dem genau durch die Patronenachse verläuft. Insofern Brennstoffkanal angeordneten Patronen beanspruch- 30 macht sich also die Erfindung, die aus der franten Verschlußstücke der Hülsen durch besondere zösischen Patentschrift 1281810 an sich bekannte Maßnahmen gegen ein solches Kriechen sichern muß. Möglichkeit einer gegenseitigen Zentrierung von

Bei den Kernbrennstoffpatronen nach der deut- Brennstoffpatronen mit Hilfe von kalottenförmigen sehen Auslegeschrift 1096 512 ist zu diesem Zwecke oder konischen, zueinander komplementären Stützeine Armierung der Verschlußstücke vorgesehen, die 35 paßifachen zunutze. Die genau gegenseitige Zentrieaus einem Material mit höherer Temperaturfestigkeit rung der Brennstoffpatronen in dem Brennstoffkanal besteht, als sie das Material der Verschlußstücke auf- bei der erfindungsgemäßen Ausführung einer Kernweist. Bei einer Ausfuhrungsform einer solchen Pa- brennstoffpatrone sorgt außerdem dafür, daß der trone ist zusammen mit einem relativ dünnwandigen Stützdruck, der von der dünnen Wand des Ver-Verschlußstück ein Druckübertragungsstück aus dem 40 Schlußstücks aufgenommen werden muß, sich sehr gleichen Material höherer Temperaturfestigkeit vor- gleichmäßig über die gesamte Kreisfläche dieser Wand gesehen, das mit einem zentralen zapfenartigen Teil verteilt und daß ein exzentrisches Wegdrücken von in den Hohlraum des vertieft-topfförmigen Ver- Verschlußstückmaterial, wie es bei ungenauer Zenschlußstücks hineingreift und mit einem als Bandage trierung der sich aufeinander abstützenden Brennstofffür den Umfang wirkenden äußeren Axialflanschteil 45 patronen auftreten kann, nicht zu befürchten ist. Für außen über das Ende des Hülsenmantels der Brenn- die mit hohem Druck belastete dünne Wand des Verstoffpatrone greift. An seinem freien Stirnende weist schlußstücks dagegen sorgt die Aufrauhung der zujedes Druckübertragungsstück eine ballige konvexe mindest einseitig an ihr anliegenden Druckfläche des Stirnfläche auf, mit der es sich auf eine ebenfalls Druckübertragungsstücks und/oder des Brennstoffkonvexe Stützfläche eines weiteren gleich ausgebilde- 50 stabs dafür, daß es nicht zu einem Fließen von Maten Elements abstützen kann. terial kommt, selbst wenn dieses Material bis an seine

Ein solcher Druckübertragungskörper muß zwang- Kriechgrenze erwärmt wird.

läufig ein relativ großes Volumen aufweisen und wird Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sollen nun-

daher bei einer Herstellung aus Beryllium sehr teuer, mehr einige Ausführungsbeispiele näher beschrieben während bei einer Herstellung aus rostfreiem Stahl 55 werden, die in der Zeichnung veranschaulicht sind sein Absorptionsvermögen für Neutronen sich störend und alle Merkmale und Vorteile der erfindungsbemerkbar macht. Stellt man ihn dagegen aus ge- gemäßen Kernbrennstoffpatronen deutlich werden sintertem Aluminium oder aus keramischem Material lassen. Dabei zeigen in der Zeichnung
her, so wird seine Herstellung durch die schwierige Fig. IA und 1B zwei benachbarte Patronen-

Bearbeitbarkeit dieses Materials insbesondere mit 60 enden, von denen das eine mit einer konkaven, das Rücksicht auf die erforderliche Bearbeitungsgenauig- andere mit einer konvexen Stirnfläche versehen ist; keit ebenfalls sehr aufwendig. Materialien, die solche beide passen entsprechend einer ersten Ausführungs-Schwierigkeiten nicht bieten würden, wie beispiels- art der Erfindung ineinander,
weise Graphit, lassen sich für die Herstellung der Fig. 2A und 2B in analoger Darstellung zu den

Druckübertragungskörper bei den bekannten Kern- 65 F i g. 1A und 1B eine Variante der Erfindung und
brennstoffpatronen nicht verwenden, da bei größeren F i g. 3 A und 3 B ebenfalls in analoger Darstellung

Temperaturänderungen der Patrone der bandagen- zu den Fig. IA und 1B eine zweite Variante der artige Axialflansch des Druckübertragungsstücks auf Erfindung.

Claims (5)

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   Bei der in den F i g. 1A und 1B dargestellten Aus- Sprengringe 11 befestigt; die Sprengringe bestehen

   führungsart enthalten zwei aneinander angrenzende aus Stahl, Magnesium oder Zirkalloy und sitzen teil-

   Patronen der gleichen Vertikalsäule jeweils zwei weise in ringförmigen Rinnen 12, die in die zylin-

   gleiche Hülsenmäntel G, an denen Führungsrippen A drischen Oberflächen der Druckübertragungsstücke

   angebracht sind und die an den Enden mit einem aus- 5 eingedreht sind, teilweise in ringförmigen Nuten 13

   gehöhlten Stirnabschluß 1 α bzw. einem vorgewölb- in der zylindrischen Innenfläche der Verschlußstücke,

   ten 1 b verschlossen sind. Jeder dieser Stirnabschlüsse Die Rinnen 12 sind genügend tief und können beim

   enthält ein topfförmiges Verschlußstück 2 aus Ma- Einbringen der Druckübertragungsstücke jeweils den

   gnesium oder einer Magnesiumlegierung mit relativ ganzen Sprengring aufnehmen,

   dünnen Wänden (beispielsweise 2 mm Wandstärke); io Die konkaven und konvexen Flächen sind bei die-

   dieses Verschlußstück erscheint im Axialschnitt ser Variante wieder wie beim ersten Beispiel an den

   U-förmig; es ist in das offene Ende der entsprechen- entsprechenden stirnseitigen Begrenzungsflächen der

   den Hülse eingelassen und steht direkt mit dem beiden Druckübertragungsstücke vorgesehen.

   Brennstoffstab C der Patrone in Berührung; die Be- Die ebenen Auflageflächen zwischen Drucküber-

   rührungsflächen 51 und Sl zwischen diesen Teilen 15 tragungsstücken und Verschlußstücken einerseits und

   sind aufgerauht. Das Verschlußstück 2 ist am unteren zwischen Verschlußstücken und Brennstoffstäben an-

   bzw. am oberen Rand der Hülsen G jeweils mittels dererseits sind ebenfalls wie bei dem ersten Beispiel

   einer Schweißnaht 3 angeschweißt. aufgerauht.

   In jedem Verschlußstück 2 sitzt je ein Drucküber- Bei der Ausführungsart nach den F i g. 3 A und 3 B

   tragungsstück 4 a, 4 b, dessen inneres Stirnende 5 3 ao sind die Verschlußstücke 2 α bzw. 2 b dünnwandige

   plangeschliffen ist und an dem ebenen Boden 5 4 des Schalen aus Magnesium oder einer Magnesiumlegie-

   Verschlußstücks 2 anliegt; auch diese Berührungs- rung von der Gestalt einer Kugelkalotte, die an dem

   flächen 5 3 und 5 4 sind vorzugsweise aufgerauht. nach außen umgebördelten flanschartigen Ende Ga-I

   Die Druckübertragungsstücke bestehen aus Zir- bzw. Gb-I der Hülsen Ga bzw. Gb angeschweißt ist; kalloy oder aus Graphit; sie können auch aus einer 25 der nach außen reichende Flansch muß natürlich so Zirkalloy-Hülle und einem inneren Graphitkern auf- bemessen sein, daß er mechanisch hinreichend widergebaut sein; damit werden Beschädigungen beim standsfähig ist. Die eine der Kalotten 2 α ist nach Manipulieren der Patrone sicher vermieden. außen konkav, die andere 2 b nach außen konvex,

   Das freie Ende der Druckübertragungsstücke, die damit wieder, wie bei den vorangehenden Fällen, die aus den Hülsen G herausragen, werden von gekrümm- 30 beiden Patronenenden ineinanderpassen und so ein ten Oberflächen begrenzt, die bei dem Drucküber- automatisches Ausrichten ermöglichen,
   tragungsstück la konkav (Fläche 5a) und bei dem Die Druckübertragung erfolgt über Drucküber-Druckübertragungsstück 1 b konvex (Fläche 5 b) aus- tragungsstücke 4 α und 4 b aus Zirkalloy, Graphit gebildet ist. Die Oberflächen 5 α und 5 b passen genau oder Aluminium, die in das Innere der Hülsen einaneinander; bei dem dargestellten Beispiel sind es 35 gesetzt sind und sich einerseits gegen den Brennstoff-Kugelkalotten von gleichem Kugelradius. stab C und andererseits gegen die konvexe oder kon-

   Die Druckübertragungsstücke werden von Ge- kave Innenfläche der Verschlußstücke abstützen,

   winderingen 6 α oder 6 b aus dem gleichen Material, Die Berührungsflächen zwischen Verschlußstücken

   aus dem die Hülsen G oder die Verschlußstücke 2 und Druckübertragungsstücken sind wieder aufge-

   bestehen, gehalten, die an Aussparungen 7 anliegen 40 rauht.

   und bei 8 in die Innenwand der Verschlußstücke 2 Diese Ausführungsart ist von besonderem Interesse eingeschraubt sind. für alle die Fälle, bei denen die Temperatur der End-Die Gewinderinge 6 α und 6 b verbreitern sich nach abschlüsse soweit wie möglich reduziert werden soll, unten bzw. oben und werden von Oberflächen 9 α Unter Umständen kann man auch eine dünne und 9 b begrenzt, deren Krümmung im Sinne der ent- 45 Schale aus rostfreiem Stahl zwischen die beiden sprechenden Oberflächen 5 α und 5 b weiterläuft, so Außenflächen der Verschlußstücke legen. Das ist bei daß sich die beiden Patronen wegen der konjugierten einer Temperatur von mehr als 400° C praktisch unOberflächen von selbst zentrieren. erläßlich, um ein Zusammenschmelzen der beiden

   Diese konjugierten Oberflächen könnten statt kugel- Verschlußstücke zu verhindern, das zu befürchten

   förmig auch konisch sein. 50 wäre, wenn die beiden Verschlußstücke in direktem

   Bei einer solchen Endausbildung ist die Erhöhung Kontakt miteinander stünden,
   der Widerstandsfähigkeit gegen Fließen dadurch erzielt, daß jedes Verschlußstück 2, wie aus der Zeich- Patentansprüche:
   nung zu sehen ist, zwischen den aufgerauhten Flächenpaaren 51, 52 und 53, 54 unter Druck gehalten 55 1. Kernbrennstoffpatrone für einen Kernwird. Die Schweißnähte 3 zwischen Verschlußstücken reaktor mit vertikalen Brennstoffkanälen, die an und Hülsen gewährleisten die sichere Abdichtung der ihren beiden Enden, an denen eine einen Kern-Patrone gegen das Kühlströmungsmittel und außer- brennstoffstab dicht umgebende Patronenhülse dem werden die Patronen durch das Ineinanderpassen durch mit den Hülsenmantelrändern dicht verder konjugierten kugelförmigen oder konischen Ober- 60 schweißte, dünnwandige Verschlußstücke abgeflächen koaxial aufeinander ausgerichtet. schlossen ist, je ein Druckübertragungsstück aus

   Die in den F i g. 2 A, 2 B dargestellte Variante, in einem bei der höchsten Betriebstemperatur der der dem ersten Beispiel entsprechende Bauteile mit Patrone gegen Kriechen widerstandsfähigem Maden gleichen Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind, terial aufweist, dessen Formgebung ein Kriechen unterscheidet sich vom ersten Beispiel durch die Art 65 des Verschlußstückmaterials aus der Druckbeder Befestigung der Druckübertragungsstücke; bei lastungszone hemmt, dadurch gekenndieser Variante sind die Druckübertragungsstücke zeichnet, daß die Patrone an ihren Enden mit im Inneren der Verschlußstücke mittels elastischer ihr gegenseitiges, koaxiales Zentrieren in dem

   Brennstoffkanal sichernden, kartenförmigen oder konischen komplementären Stützpaßflächen (5 a, 5 b) versehen ist und daß die an den dünnwandigen Verschlußstücken (2, 2 a, 2 b) anliegenden Stirnflächen des Brennstoffstabes (C) und/ oder der als Stopfen ausgebildeten, in den vertieft-topfförmigen Verschlußstücken (2) oder in dem Hülsenmantel (G) sitzenden Druckübertragungsstücke (4 a, 4 b) aufgerauht sind.
2. 2. Brennstoffpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsstücke (4 a, 4 b) in den vertieft-topfförmigen Verschlußstücken (2) durch Formschluß gehalten sind und mit ihren die Stützpaßflächen (5 a, 5 b) aufweisenden Enden aus dem Hülsenmantel (G) herausragen.
3. 3. Brennstoffpatrone nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsstücke (4 a, 4 b) in den Verschlußstücken (2) durch je einen sich an eine Schulter des Druckübertragungsstückes anlegenden, in das topfförmige Verschlußstück eingeschraubten Gewindering (6 a, 6 b) gehalten sind (F i g. 1 A und 1 B).
4. 4. Brennstoffpatrone nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsstücke (4 a, 4 b) in den Verschlußstücken (2) durch Sprengringe (11) gehalten sind, die in einer äußeren Ringnut (12) des Druckübertragungsstückes sitzen und in eine innere Ringnut (13) des Verschlußstückes einrasten (F i g. 2 A) und 2 B).
5. 5. Brennstoffpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsstücke (4 a, 4 b) in die Enden der Hülse (G) eingeschoben sind und mit dem Brennstoffstab (C) direkt in Verbindung stehen, und daß das Verschlußstück (2 a, 2 b) das außen auf das Druckübertragungsstück gesetzt ist, die Form einer dünnwandigen konkaven oder konvexen Kugelkalotte hat, welche die Stützpaßfläche für die nächste Patrone bildet (F i g. 3 A und 3 B).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen