DE1297245B - Kernreaktor-Brennelement mit einer Huelle mit angearbeiteten Zentrierwaenden - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement mechanischen Verformungskräfte nicht mehr in Mitfür einen gasgekühlten Kernreaktor, dessen Brenn- leidenschaft gezogen wird.

stoffstab oder -rohr von einer Hülle umschlossen Das erfindungsgemäße Brennelement der genannwird, die mit nach Art eines Fischgrätenmusters ange- ten Art ist daher dadurch gekennzeichnet, daß jede ordneten Reihen von Kühlrippen versehen ist sowie 5 Zentrierwand in Längsrichtung in einem Abstand mit radial zwischen den Kühlrippenreihen angeord- vom stirnseitigen Ende der Hülle beginnt, der mindeneten, mit der Hülle zusammenhängenden längs aus- stens in der gleichen Größe ist wie die radiale Ausgedehnten Zentrierwänden zwischen der Brennstoff- dehnung der Zentrierwand.

hülle und der Moderatorhülse, welche die gesamte Vorzugsweise läuft der stirnseitige Abschluß der

Anordnung umschließt. io Zentrierwände im Bereich der Verbindung mit der

Es ist bekannt, derartige Brennelemente überein- Hülle konkav abgerundet in die Hülle ein. Diese ander in den senkrechten Kanälen eines Kernreaktors abgerundete, einlaufende Form der stirnseitigen Abaufzustapeln, wobei die Übertragung der mechani- schlußkanten der Zentrierwände ist für die Verteilung sehen Kräfte zwischen den Elementen durch die der einwirkenden Kräfte besonders günstig, gegenseitige Abstützung der äußeren Hülsen erfolgt. 15 Die von der Hülle ausgehenden Zentrierwände Die äußeren Hülsen haben einen solchen äußeren sind gleichmäßig über den Umfang verteilt, und ihre Durchmesser, daß sie in der Bohrung des Kanals, Anzahl kann bei den Elementen mit Kühlrippenin dem sie aufgestapelt sind, gleiten können. Das reihen, die nach Art eines Fischgrätenmusters ange-Kühlgas zur Abführung der im Brennstoff entwickel- ordnet sind, halb so groß sein wie die Anzahl der ten Wärme strömt im Zwischenraum zwischen der ao Kühlrippenreihen.

inneren Hülle und der äußeren Hülse (französische Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsart der ErPatentschriften 1 316 161, 1 328 540, 1 339 587, findung ist jede Zentrierwand durch wenigstens eine 1 344 930). radial von außen nach innen mindestens bis in Höhe

Die bei bekannten Brennelementen der genannten der Umrißlinie der Kühlrippen verlaufende Ausneh-Art zwischen Hülle und Hülse vorgesehenen radial 25 mungen in mehrere Teile unterteilt. Die einzelnen verlaufenden Zentrierwände sind entweder fest mit der Abschnitte oder Teile der Zentrierwände können sich Hülle verbunden oder bilden unabhängige Teile, die dann praktisch unabhängig voneinander deformieren, lediglich in die zwischen aneinandergrenzenden Kühl- so daß die Verwindungsbeanspruchung der gesamten rippenreihen freibleibenden Längsnuten eingreifen. Zentrierwand beseitigt bzw. stark herabgesetzt ist. Diese zuletzt genannten, nicht-festen Zentrierwände 30 Die Erfindung wird an Hand einer Beschreibung können gemäß einer bekannten Ausführungsart Aus- von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die nur nehmungen oder Aussparungen zur Verringerung der beispielhaft zu verstehen sind. Die Beschreibung be-Neutronenabsorption aufweisen, die im wesentlichen zieht sich auf die Zeichnung. Es zeigt in dem (vorzugsweise verjüngten) zum Spaltstoff hin- F i g. 1 einen schematischen Axial-Längsschnitt

gewandten Teil der Zentrierwand vorgesehen sind 35 durch den Endteil eines Brennelementes nach der (französische Patentschrift 1 328 540). Erfindung,

Gegenüber solchen nicht-festen Zentrierwänden F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II der

haben die fest an die Hülle angearbeiteten Zentrier- F i g. 1 und

wände den Vorteil, daß eine bessere mechanische F i g. 3 einen Teillängsschnitt einer weiteren AusVersteifung des Elementes erzielt wird und außerdem 40 führungsform nach der Erfindung, die Möglichkeit besteht, die Zentrierwände als »Trag- Das Brennelement 2, beispielhaft dargestellt in den

wände« auszunutzen. F i g. 1 und 2, ist für einen Reaktor mit Graphit-

Die fest angearbeiteten Zentrierwände der bekann- moderator und einer CO₂-Gaskühlung bestimmt. Das ten Brennstoffelemente erstrecken sich praktisch über Gas zirkuliert in vertikalen Kanälen, die durch den die gesamte Länge des Elementes. 45 Moderator hindurchführen. Das Brennelement 2 entWenn ein Brennelement mit solchen Zentrierwan- hält ein Rohr 4 aus Brennstoffmaterial, z. B. aus den einem Wärmezyklus unterworfen wird, wie dies Uran oder leicht legiertem Uran, das an seinen beiin einem Reaktor geschieht, dann ist es verschie- den Enden durch je eine Uran-Pastille 6 abgeschlosdenen Deformationen und Spannungen unterworfen: sen ist. Das Rohr 4 ist von einer inneren Hülle 8 Es treten insbesondere Brüche der Schweißstellen 5° umschlossen, die aus einem Material mit geringer zwischen dem Verschlußstück und der inneren Hülle Neutronenabsorption besteht, das bei hoher Tempern der Verlängerung der Zentrierwände auf. Es korn- ratur genügend mechanische Festigkeit und Dichtigmen durch mechanische Spannungen bedingte Ge- keit aufweist. Die innere Fläche der Hülle 8 weist fügeänderungen in der Verbindungszone der Zen- umlaufende Innenbunde 10 auf, die in entsprechende trierwände mit der eigentlichen inneren Hülle vor, 55 Ringnuten 12 des Rohres 4 eingreifen, um so das und es treten Deformationen infolge Verwindungs- als »ratchetting« bekannte gegenseitige Verrutschen beanspruchungen der Zentrierwände auf. der Teile zu vermeiden. Die Hülle 8 ist mit einem

Ziel der Erfindung ist es, die Schwierigkeiten, die Verschluß 14 verschweißt. Die Hülle 8 trägt auf ihrer bei solchen Brennelementen insbesondere im Bereich Oberfläche gegeneinander gewinkelte Kühlrippen, die der Schweißverbindung zwischen Hüllenabschluß 60 in sechs nebeneinanderliegenden Längsreihen grup- bzw. Stopfen und Hüllenmantel auftreten und von piert sind, wobei jede Reihe einen Umfangs-Winkeleiner erhöhten Beanspruchung im Bereich des Zen- bereich von etwas weniger als 60° einnimmt. In der trierwandansatzes herrühren, zu vermeiden. Es wurde Abwicklung ergibt sich ein Fischgrätenmuster. Zwigefunden, daß man derartige Schäden verhindern sehen benachbarten Reihen sind abwechselnd Längskann, wenn man für eine solche Entfernung des 65 nuten 17 und Zentrierwände 20 vorgesehen. Die (stirnseitigen) Fußpunktes der Zentrierwand von der Anzahl der Reihen kann vergrößert oder verkleinert Schweißnaht sorgt, daß letztere durch die im Bereich werden, und zwar in Abhängigkeit von einigen Abdes Zentrierwandansatzes besonders stark wirkenden messungs-Parametern, insbesondere dem Verhältnis

zwischen dem Durchmesser der Hülle 8 und dem des Kanals 18, der durch die äußere Hülse 19 gebildet wird, in der das Brennelement durch die Zentrierwände 20 gehalten und zentriert wird. Die Anzahl der Kühlrippen-Reihen kann nicht unterhalb von vier gewählt werden, aber bis zu einer Anzahl von zwölf oder mehr ansteigen. Der Halt des Brennelementes in axialer Richtung und in Beziehung auf die äußere Hülse 19 wird durch eine nicht dargestellte Vorrichtung gewährleistet, die beispielsweise vom Typ der in der französischen Patentschrift 1 215 911 beschriebenen Art sein kann.

Die drei Zentrierwände 20 bestehen mit der Hülle 8 aus einem Stück; sie weisen vorteilhaft gerade Begrenzungsflächen und einen sich verjüngenden Querschnitt auf, der im Verbindungsteil mit der eigentlichen Hülle 8 seine maximale Dicke hat. Am äußeren Ende hat die Dicke ihr Minimum, und die Zentrierwände 20 greifen dort in Nuten der äußeren Hülse 19 ein, die zu diesem Zweck vorgesehen sind. Die Hülle 8 und die Zentrierwände 20 werden z. B. in bekannter Weise durch Strangpressen aus einer Rohform gepreßt, anschließend werden die Kühlrippen und die Zentrierwände bearbeitet.

Das erfindungsgemäße Brennelement, das in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ist auf einer gewissen Länge am Ende des Brennelementes frei von Zentrierwänden, während die Kühlrippen, deren Umriß die F i g. 1 mit strichpunktierten Linien zeigt, sich über eine möglichst große Länge des Brennelementes erstrecken. Die Länge I, auf der das Brennelement frei von jeder Zentrierwand ist, ist mindestens ebenso lang, wie die radiale Ausdehnung der Zentrierwand von der Hülle 8 ab. Im Falle von Brennelementen mit einem Uran-Stangendurchmesser von etwa 40 mm und einem Innendurchmesser der äußeren Hülse von etwa 100 mm wird die Länge I in einer Größe von etwa 50 mm gewählt.

Anstatt die Zentrierwände mit einer geraden radialen Randkante enden zu lassen, ist ein gebogener oder »auslaufender« Übergang ihrer Verbindung mit der Hülle und eine anschließende Abschrägung des radial äußeren Teiles der Wände oder Stege vorgesehen. Dadurch wird die Festigkeit des Endes der Verbindungszone erhöht; ferner wird es dadurch möglich, die gesamte Bearbeitung der Wände mit einem hierfür vorgesehenen Fräser — ohne Benutzung eines anderen Werkzeuges — vorzunehmen, wenn man der Übergangs-Abrundung einen Halbmesser gibt, der gleich dem des Fräsers ist.

Durch die Gestaltung der Zentrierwände in der soeben beschriebenen Form wird jedes An- oder Aufreißen der Schweißnaht 22 zwischen dem Verschluß 14 und der inneren Hülle 8 sicher vermieden. Diese Formgebung reduziert aber noch nicht die Verwindungsspannungen in den Zentrierwänden. Diese Spannungen können sich so auswirken, daß die Zentrierung verlorengeht. Um diese Verwindungsspannungen zu beseitigen, sind die Zentrierwände gemäß der Erfindung durch radial verlaufende Ausnehmungen, beispielsweise in der Form der eingezeichneten Schlitz-Ausnehmungen 24, unterteilt, deren Tiefe so gewählt ist, daß sie beispielsweise die Umrißlinie der Kühlrippen erreichen. Es kann vorgesehen werden, die Tiefe der Ausnehmungen 24 bis zur eigentlichen inneren Hülle 8 vorzutreiben.

Eine andere Form dieser Radialausnehmungen ist in F i g. 3 dargestellt. Teile, die bereits besprochenen Teilen entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen, die lediglich noch mit dem Index α versehen sind. Die Breite der Ausnehmungen wird nicht in der Größenordnung der Dicke der Zentrierwände gewählt, sondern genügend weit, um von einem Sägefräser hergestellt zu werden, der in der Ebene der Zentrierwände arbeitet und bis zur inneren Hülle 8 hingeführt wird. Wenn die Uraniumstange bzw. das Rohr 4 des Brennelementes einen Durchmesser in der Größenordnung von 40 mm hat, dann hat die Ausnehmung24a, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, eine Breite von etwa 40 mm, gemessen an der Umrißlinie der Kühlrippen, und eine seitliche Schrägung gegenüber der Vertikalen von etwa 30°. Der untere Teil der Nut 24 a weist gekrümmte Konturen 26 auf, die daher rühren, daß ein Sägefräser eine bestimmte Größe haben muß. Die Aufteilung der Zentrierwände in eine Reihe voneinander unabhängiger Teile erlaubt es, die Verwindungsspannungen in den Zentrierwänden zu beseitigen oder zumindest wesentlich zu verringern. Zwischen dem Boden der Nuten der äußeren Hülse 19 und den äußeren Enden der Zentrierwände 20 bzw. 20' wird etwas Spiel vorgesehen, womit Wärmedehnungen der Zentrierwände im Betrieb unschädlich werden.

Da bei der Ausbildung der Kühlrippen in Fischgrätenform das Kühlmittel auf beiden Seiten der Zentrierwände in der gleichen Richtung fließt, wird die Kühlmittelströmung durch die Ausschnitte in den Zentrierwänden nur unwesentlich gestört. Wegen der Symmetrie der Strömung wird auf die Zentrierwände kein Drehmoment ausgeübt.

Die Zentrierwände können in Abweichung vom beschriebenen Ausführungsbeispiel auch durch Schweißen an die Hülle angefügt werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennelement für einen gasgekühlten Kernreaktor, dessen Brennstoffstab oder -rohr von einer Hülle umschlossen wird, die mit nach Art eines Fischgrätenmusters angeordneten Reihen von Kühlrippen versehen ist sowie mit radial zwischen den Kühlrippenreihen angeordneten, mit der Hülle zusammenhängenden längs ausgedehnten Zentrierwänden zwischen der Brennstoffhülle und der Moderatorhülse, welche die gesamte Anordnung umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zentrierwand (20, 20 ä) in Längsrichtung in einem Abstand (1) vom stirnseitigen Ende der Hülle (8, 8 α) beginnt, der mindestens in der gleichen Größe ist wie die radiale Ausdehnung der Zentrierwand.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stirnseitige Abschluß der Zentrierwände (20, 20 a) im Bereich der Verbindung mit der Hülle (8, 8 d) konkav abgerundet in die Hülle einläuft.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zentrierwand (20, 20 a) durch wenigstens eine radial von außen nach innen mindestens bis in Höhe der Umrißlinie der Kühlrippen verlaufende Ausnehmung (24, 24 a) in mehrere Teile unterteilt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen