DE1464962A1 - Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

• "Brennelement für Kernreaktoren"

  Die Erfindung betrifft ein Brennelement für Kernreaktoren,

  das aus mehreren, in einer Brennelementhülle zusammenge- -

  faßten Brennstoffstäben besteht, die mit Längsrippen ver-

  sehen und zur Bildung eines gegenseitigen Abstandes mit den

  Rippen sich berührend im Brennelement angeordnet sind.

  Bei schnellen Reaktoren, insbesondere bei Reaktoren,mit Gas-

  oder Dampfkühlung ist es von besonderer Wichtigkeit, daB die

  vorgegebenen Brennstoffstababstände und damit gleichmäßig

  weite Kühlkanäle über den ganzen Reaktorquerschnitt einge-

  halten werden. Schon geringe Abweichungen vom Sollwert er-

  geben nämlich starke Unterschiede in der lokalen Wärmeabfuhr

  und damit auch in der Temperatur der Brennstoffstabhüllen.

  Um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten, ist man bestrebt,

  den Reaktorbei möglichst hohen Temperaturen zu betreiben.

  Die Temperatur an den Brennstoffstäben ist aber aus Sicher-

  heitsgründen begrenzt. Bei Temperaturschwankungen oder bei Unsicherheiten über die Höhe der Oberflächentemperatur an den Brennstoffstäben ist es unerläßlich, einen ausreichend großen Spielraum zur Grenztemperatur vorzusehen, so daß der durch die zulässige Brennstoffstabtemperatur gegebene Wirkungsgrad nicht erreicht werden kann.
• Es muß deshalb bereits beim Entwurf der Brennelement-BÜndel dafür. Sorge getragen werden, daß stets eine einwandfreie, von Störungen möglichst unbeeinflußbare Geometrie der Kühl- kanäle gewährleistet ist.
• Schließlich sollen auch die allgemeinen langen und dünnen Brennstoffstäbe in der Brennelementhülle so gut festgehalten .werden, daß sie - mit Ausnahme der unterschiedlichen axialen Wärmedehnungen - keine Relativbewegungen ausführen können, was zur Vermeidung sowohl von Stabschwingungen wie auch von Reaktivitätastörungen nötig ist.
• Bei den meisten bekannten Reaktoren weisen die Brennstoff- stäbe Drahtschlingen, Blechstreifen oder Rahmengitter als Abstandshalter auf. Diese Einrichtungen haben aber alle den Nachteil, daß sie in den Kühlkanälen angeordnet sind und des- halb im allgemeinen zu hohen Druckverlusten für das umlaufende Kühlmittel führen. Außerdem werden die Brennstoffstäbe dabei nur an einigen Punkten abgestützt, so daß sie sich zwischen den Stützstellen noch unkontrollierbar verformen können. Je dichter beieinander aber die Stützpunkte liegen, desto mehr Abstandshalter müssen in den Kühlkanälen angeordnet sein, so daß dadurch wieder der Druckverlust für das Kühlmittel beim Durchströmen der Spaltzone wächst.
• Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Brennstoffstäbe mit Längsrippen zu versehen und benachbarte Brennelemente mit den Rippen sich gegenseitig auf ihrer ganzen Länge abstützen zu lassen. Damit konnte aber noch nicht die Frage gelöst werden, wie lange Brennstoffstäbe dabei auf einfache Weise gegen Verdrehen-gesichert werden können. Es genügt bei langen Brennstoffstäben nämlich nicht, wenn sie an den beiden Enden fest- gehalten werden: Man hat deshalb schon versucht, die Brennstoffstäbe in glei- chen Abständen axial zu unterteilen und zwischen den einzel- nen Abschnitten von den Brennstoffstabrippen verdeckte Blech- gitter anzuordnen, mit denen die Brennstoffstäbe verbunden und dadurch gegen Verdrehen gesichert werden. Diese Ausführung hat aber den Nachteil, daß die Brennstoffstäbe selber schwierig zusammenzusetzen sind, da ein solches Brennelement aus vielen miteinander zu verbindenden Brennstoffstäben be- steht. Außerdem bereitet hierbei das Abführen der Spaltgase aus dem Brennstoff in Hohlräume am Ende der Stäbe erhebliche Schwierigkeiten.
• Auch die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Brenn- element für Kernreaktoren, das aus mehreren in einer Brenneletnenthülle zusammengefaßten Brennstoffstäben besteht, die mit Längsrippen versehen und zur Bildung eines gegenseitigen Abstandes mit den Rippen sich berihrend im Brennelement an- geordnet sind. Dabei sollen aber die zuvor genannten Nach- teile vermieden werden, d.h. die Brennstoffstäbe sollen durch einen einfachen Aufbau einfach hergestellt und zu Brennelementen gebündelt werden können, trotzdem aber glatt- flächige, durchgehende Kühlkanäle aufweisen.
• Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daB mindestens jeweils zwei Brennstoffstäbe an den Rippen fest miteinander verbunden sind. Dadurch entstehen Brennelement-Untergruppen, die sich nach dem Zusammenbündeln gegenseitig selbst am Ver- drehen hindern. Infolgedessen sind besondere Vorrichtungen ,zum festhalten der Brennstoffstäbe in ihrer vorbestimmten Winkelstellung überflüssig. Man kann daher auf Einbauten im Brennelement verzichten und die Brennstoffstäbe trotzdem beliebig lang machen.

  Zum Bilden der genannten Untergruppen kann man Einzelstäbe

  beispielsweise an den Rippen zusammenschweißen oder -löten.

  Bei großen Stückzahlen lassen sich evtl. sogar die ganzen

  Untrergruppen-Profile in einem Stück nach dem Stranggießver-

  fahren herstellen.

  Man kann auch die Untergruppen nach ihrer Fertigstellung

  über die Rippen nochmals genau kalibrieren, so daß auch

  eine ungünstige Aufsummierung der verbleibenden Toleranzen

  im Bündel durch geringe elastische Verformung ausgeglichen

  werden kann, ohne irgendwo zur Bildung von Lücken Anlaß zu

  geben.

  Es ist günstig, die Zahl der Brennstoffstäbe pro Untergruppe

  so klein zu halten, wie es für deren Fixierung nötig ist, um

  bei unterschiedlichen axialen Wärmedehnungen möglichst kleine

  Schub- und Biegespannungen zu erhalten.

  Eine für quadratische Brennstoffanordnungen besonders günstige

  ---Brennstoffstab-Untergruppe ist in der Figur dargestellt. Dabei

  sind jeweils vier Brennstoffstäbe 1 an den Rippen 2 miteinander

  verbunden, z. B. miteinander verlötet oder verschweißt. Hier-

  durch wird aus den vier Brennstoffstäben eine kompakte Brenn-

  element-Untergruppe gebildet, die geeignet ist, auch größere

  seitliche Druckkräfte aufzunehmen, trotzdem aber infolge ihrer

  relativ kleinen Querschnittsflächen nur kleinen Schub- und Biege-

  spannungen ausgesetzt ist. Außerdem wird es bei solch kleinen

  Untergruppen im allgemeinen nicht nötig sein, an den Außenzonen

  der Brennelemente andersartige Untergruppen oder Einzelstäbe

  zu verwenden.

  Man kann aber auch z. B. aus fünf Brennstoffstäben eine Unter*

  gruppe mit kreuzförmigem Querschnitt bilden_oder speziell bei

  Dreieck-Anordnung der Brennstoffstäbe dreieekige*Untergruppen

  aus drei Brennstoffstäben.

  Die Ausführungsmöglichkeiten der Brennelemente nach der Er-

  findung sind nicht auf die beschriebenen Bespiele beschränkt,

  So ist es zum Verbinden der Brennstoffstäbe nicht nötig, daß

  die Brennstoffstabhüilen von vornherein mit Rippen versehen

  sind. Diese können auch - bei Vorhandensein geeigneter Schweiß-

  oder Lötverfahren - nachträglich, d.h.- beim Verbinden der

  Brennstoffstäbe angebracht werden. Insbesondere bei Flüssig-

  keitskUhlung kann man entsprechend breitere Rippen sogar

  direkt gegen die .Wand der Nachbarstäbe stoßen lassen, so daß

  nur noch die halbe Anzahl der Kühlrippen erforderlich ist.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Brennelement für Kernreaktoren, das aus mehreren in einer Brennelementhülle zusammengefaßten Brennstoffstäben besteht, die mit Längsrippen versehen und zur Bildung eines gegen- seitigen Abstandes mit den Rippen sich berührend im Brenn- element angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von Untergruppen mindestens jeweils zwei Brennstoff- stäbe (1) an den Rippen (2) fest miteinander verbunden sind. z. Brennelement nach Anspruch 1, mit quadratischer Brennstoff- stabgitter-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vier die Ecken eines Quadrates bildende Brennstoffstäbe (1) zu einer Untergruppe miteinander verbunden sind.