DE1514993C3 - Kernreaktor-Brennelement mit einem Bündel von parallelen Brennstoffstäben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktor-Brennelemente mit einem Bündel von parallelen Brennstoffstäben, die in einer äußeren Hülle aus Strukturmaterial untergebracht sind, mit einem zentralen, in Längsrichtung verlaufenden Haltestab, ferner mit einer Halteeinrichtung, die sowohl das untere Ende der Hülle als auch dasjenige der Brennstoffstäbe abstützt, sowie mit Seitenabstandsbauteilen, in denen die Brennstoffstäbe an dem Haltestab verschiebbar angebracht sind, um die Brennstoffstäbe seitlich zu positionieren.

Ein solches Brennelement ist aus der FR-PS 13 65 475 bekannt.

Brennelemente, die außer der äußeren Hülle auch eine innere Hülle im Abstand von der äußeren aufweisen, zeigen beispielsweise die FR-PS 12 46 699 und die FR-PS 13 22 485. Der Ein- und Ausbau der Brennelementbündel ist schwierig, auch im Hinblick auf die Gewichtsbelastung der äußeren Hülle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kernreaktor-Brennelement zu schaffen, bei dem alle Teile vor Gebrauch zusammengebaut und nach Gebrauch auseinandergenommen werden können und bei dem während des Gebrauchs eine relative Axialbewegung zwischen den Teilen verhindert, trotzdem aber weder die Halteeinrichtung noch das seitliche Lokalisierungssystem bei unterschiedlicher Ausdehnung verschiedener Brennstoffstäbe belastet wird.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise eine weitere innere Hülle, die auf dem größten Teil ihrer Länge im Abstand von der äußeren Hülle angeordnet ist, vorhanden ist, daß diese innere Hülle ebenfalls in an sich bekannter Weise von der Halteeinrichtung getragen wird, und daß die innere Hülle und die Halteeinrichtung Teilstücke aufweisen, die für den Eingriff in Bajonettschlitze im unteren Endteilstück der äußeren Hülle zur Lokalisierung und Hinderung der Axialbewegung zwischen dieser inneren Hülle, der äußeren Hülle und der Halteeinrichtung

ausgebildet sind.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht eines Kernreaktor-Brennelements im Mittelschnitt,

F i g. 2 eine Draufsicht im Schnitt nach der Linie H-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-1II in Fig. 1,

F i g. 4 eine Teilseitenansicht einer Einzelheit,

F i g. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren Einzelheit,

Fig.6 eine vergrößerte Seitenansicht einer anderen Einzelheit,

F i g. 7 eine vergrößerte Teildraufsicht eines weiteren Details, während

Fig.8 eine vergrößerte Teildraufsicht noch einer anderen Einzelheit wiedergibt.

In der Zeichnung ist ein Kernreaktor-Brennelement dargestellt, das insbesondere, aber nicht ausschließlich, für einen gasgekühlten, graphitmoderierten Kernreaktor geeignet ist und ein Bündel von Brennstoffstäben 1 aufweist, welches innerhalb einer Graphithülle 2 untergebracht ist. Die Brennstoffstäbe 1 bestehen jeweils aus einer röhrenförmigen zylindrischen Metallhülle 3, die mit einer Außenaufrauhung entweder in Form eines befestigten Drahtwendeis oder, wie gezeigt, in Form von schraubenförmig oder rund umlaufenden Rippen 4 versehen ist. Jede Hülle 3 enthält einen Stapel von zylindrischen spaltbaren Keramikpellets (z. B. UO2) 5, von denen jedes eine Vertiefung 6 an jedem Ende hat. Die Vertiefungen 6 der Pellets 5 bilden bei gestapelten Pellets eine Folge von Zwischenräumen 7 entlang jedem Brennstoffstab. Eine becherförmige, angeschweißte Endkappe 8 verschließt das obere Ende jeder Hülle 3, und eine verschweißte Endkappe 9 mit vorstehenden Mittelzapfen 10 verschließt das untere Ende jeder Hülle 3. Eine nicht-spaltbare Scheibe 11 zur Wärmeisolierung (z. B. Aluminiumoxid) ist zwischen jede Endkappe 8, 9 und die angrenzenden Pellets 5 des Stapels eingefügt. Jeder Brennstoffstab 1 ist etwas kürzer als die Hülle 2, und die Hüllen 3 erstrecken sich ohne Unterteilung über die ganze Länge der Brennstoffstäbe.

Die unteren Enden der Brennstoffstäbe 1 werden von dem Brennstabstützteil 12 eines Haltegitters getragen bzw. gehalten, wobei der Teil 12 vier konzentrische Ringe 13 aufweist, die aus gebogenem, gedoppeltem Bandmaterial (z. B. aus Edelstahl) geformt sind, das hochkant steht und so ausgebildet ist, daß öffnungen 14 gebildet werden, die gleichmäßig über die Ringe 13 verteilt sind. Die öffnungen 14 werden durch sich genau gegenüberstehende bogenförmige Teilstücke 15 des Bandmaterials gebildet, und die übrigen Teilstücke 16 der Ringe werden durch Schweißen oder Hartlöten der gedoppelten Bänder gebildet. Die Ringe werden von einem lasttragenden Teil des Haltegitters getragen, der sechs radiale Stützen aus jeweils zwei parallelen Schenkeln 17 aufweist, die aus Bandmaterial (z. B. aus Edelstahl) bestehen und hochkant unter den Ringen 13 angeordnet sind. Letztere sind in flache Schlitze 18 der Schenkel 17 eingelassen und werden durch umgekehrte längliche U-Bügel 19 gehalten, die an die Schenkel 17 punktgeschweißt sind, wie in F i g. 4 angedeutet. Zwei sich gegenüberliegende Paare von Schenkeln 17 weisen am inneren Ende bogenförmige Teilstücke 20 ( F i g. 2) auf, an denen ein kurzes Rohr 21 zentrisch zum Gitter 12 angeschweißt oder hartgelötet ist. Das Rohr 21 hat eine ringförmige Innenschulter 22, auf der sich das Ende

eines langen zentralen Rohres 23 abstützt, das an das Rohr 21 angeschweißt ist. Die übrigen Paare der Schenkel 17 sind durch Schweißen oder Hartlöten mit dem einen oder anderen der sich gegenüberliegenden Schenkel 17 mit den bogenförmigen Teilstücken 20 verbunden, und die benachbarten Paare sind außerdem aneinander befestigt, wie in F i g. 2 gezeigt.

Die äußeren Enden der Schenkel 17 sind abgewinkelt und an die oberen Teilstücke einer ringförmigen Halteeinrichtung 24 angeschweißt oder hartgelötet. Die Halteeinrichtung 24 wird von zwei mit Flanschen versehenen Ringen gebildet, die entlang ihren Flanschen so zusammengeschweißt oder hartgelötet sind, daß sie ein oberes umlaufendes Teilstück 25, einen gemeinsamen Flansch 26 und ein unteres umlaufendes Teilstück 27 bilden (vgl. F i g. 5, die eine Seitenansicht — teilweise im Mittelschnitt — des Haltegitters und der Halteeinrichtung 24 ist). Das Teilstück 25 der Halteeinrichtung 24 ist mit drei U-förmigen Ringsegmenten 28 versehen, die je zwei gesonderte, teilweise umlaufende rippenartige Teilstücke bilden. Die Ringsegmente 28 sind gleichmäßig über den Umfang des Teilstücks 25 verteilt. Jedes Ringsegment 28 hat außerdem einen nach unten herausragenden Endanschlag 28' (F i g. 2 und 5), jedoch nur an einem Ende. Zwischen zwei der drei rippenförmigen Ringsegmente 28 ist das Material des Teilstücks 25 ausgestanzt, um zwei Paare von nach innen vorstehenden Zungen 29 zu bilden ( F i g. 5 und 2).

Die Brennstoffstäbe 1 sind jeweils über die zentralen in den Öffnungen 14 des Gitters 12 sitzenden Zapfen 10 der unteren Endkappen 9 an dem Teilstück 16 des Stützgitters 12 so befestigt, daß sie dadurch getragen werden. Das untere Ende jedes Zapfens 10 ist bei 20' ringförmig genutet ( F i g. 1), und in diese Nut greift eine verformbare Klammer 50 ( F i g. 8 vergrößert gezeigt) ein, deren Schenkel 51 durch ein entsprechendes Werkzeug nach innen verformt werden können, wodurch der jeweilige Brennstoffstab 1 in seiner abgestützten Stellung festgehalten wird; er kann aber auch durch Spreizen der Klammer 50 mittels eines geeigneten Werkzeugs und Herausziehen aus der Nut 20' bei Demontage des Brennelementes nach der Bestrahlung entfernt werden.

Auf dem Flansch 26 der Halteeinrichtung 24 sitzt ein äußerer Graphitmantel 31 der Hülle 2 mit dem unteren Ende auf. Eine innere Hülle 32 aus Graphit wird durch das Teilstück 25 der Halteeinrichtung 24 gehalten. Die innere Hülle 32 ist von dem Graphit-Außenmantel 31 der Hülle 2 durch einen Zwischenraum getrennt, ausgenommen dort, wo vier Umfangs-Teilstücke 33 des Mantels 32 von größerem Außendurchmesser (eins an jedem Ende und die anderen zwei mit gleichem Abstand in der Mitte liegend) die innere Oberfläche des Mantels 31 berühren. Die Abstände zwischen den Mänteln 31 und 32 bilden statische Gasspalte, die die Wärmeisolierung des Mantels 31 gegen die durch die Brennstoffstäbe während der Bestrahlung in einem Kernreaktor erzeugte Wärme unterstützen.

Der innere Mantel 32 weist außerdem drei nach außen vorstehende Rippen 34 (F i g. 1 und 2) auf, die um sein unteres Ende herum gleichmäßig verteilt sind und radial weiter als die untersten Teilstücke 33 vorragen. Die Rippen 34 greifen zusammen mit den Ringsegmenten 28 der Halteeinrichtung 24 in einen Bajonettschlitz 35 in der inneren unteren Endfläche des Mantels 31 ein. Dieses Eingreifen dient zur Arretierung und Sicherung gegen relative axiale Bewegung der Mäntel 31 und 32 und der Halteeinrichtung 24, zusammen mit dem Haltegitter 12, das an letzterer befestigt ist. Wenn der Mantel 32 und die Halteeinrichtung 24 in die Führung des Bajonettschlitzes 35 des Mantels 31 eingeführt sind und dann die Rippen 34 und die Ringsegmente 28 zum Eingreifen in den Bajonettschlitz 35 gedreht worden sind, wird die Verriegelung in dieser Stellung vollendet durch Einsetzen eines Bauteils 29' (in F i g. 6 vergrößert und in F i g. 2 eingebaut gezeigt) in Flucht mit dem entsprechenden Paar von Zungen 29 und Zusammenbiegen der letzteren zum Eingreifen des Bauteils 29', der dann am einen Ende des Bajonettschlitzes 35 angreift, während der Anschlag 28' am anderen Ende des Bajonettschlitzes 35 angreift, und damit ist die Halteeinrichtung 24 in ihrer Stellung fixiert.

Um die oberen Enden der Brennstoff stäbe 1 auf richtigem Seitenabstand innerhalb der Mäntel 31 und 32 zu halten, ist ein Abstandsgitter 36 ( F i g. 1,3 und 7) am zentralen Rohr 23 befestigt, und zwar mit einer Hülse 37, die an das Rohr 23 angeschweißt ist und eine Umfangsnut 38 aufweist, in welche verschweißte oder hartgelötete bogenförmige Teilstücke 39 (Fi g. 7) des Abstandsgitters 36 eingreifen. Das Abstandsgitter 36 weist eine Vielzahl von röhrenförmigen Bauteilen 40, beispielsweise aus Edelstahl, auf, die jeweils eine Vielzahl (z. B. wie in F i g. 3 gezeigt, fünf) nach innen gerichteter Vorsprünge 41 haben, am besten mit dem Ausdruck »Grübchen« beschrieben, die gleichmäßig über den inneren Umfang des jeweiligen röhrenförmigen Bauteils 40 verteilt und durch Prägen geformt sind.

Die röhrenförmigen Bauteile 40 können entweder von gleichbleibendem Durchmesser sein (wie gezeigt) oder alternativ einen sich über ihre Länge ändernden Querschnitt haben, so daß sie in ihrer Mitte den kleinsten und an ihren beiden Enden den größten

35· Querschnitt aufweisen, um die Montage zu erleichtern. Die röhrenförmigen Bauteile 40 sind zueinander in der richtigen Stellung über Stege 42 aus hochkant angeordnetem Bandmaterial (z. B. aus Edelstahl) gesichert, um sie der konzentrischen Teilung des Haltegitters 12 anzupassen, jeder dieser Stege 42 hat bogenförmige Teilstücke 43, die an die röhrenförmigen Bauteile 40 geschweißt oder hartgelötet sind, und gerade Teilstücke 44, die sich zwischen den röhrenförmigen Bauteilen erstrecken. Die geraden Teilstücke 44 sind jeweils an ein entsprechendes Teilstück 44 eines benachbarten Steges 42 geschweißt oder hartgelötet, so daß Verbindungsstücke von doppelter Materialdicke gebildet werden. Das Abstandsgitter 36 ist durch einen Ring 46 aus hochkant angeordnetem Bandmaterial (z. B.

Edelstahl) vervollständigt, an den bogenförmige Teilstücke der äußeren Stege 42 geschweißt oder hartgelötet sind.

Das obere Abstandsgitter 36 ist etwas unterhalb der Oberkante der Brennstoffstäbe 1 angeordnet und fluchtet mit dem oberen umlaufenden Teilstück 33 des Mantels 32. Die dazwischen liegenden Abstandsgitter 36, ähnlich dem oberen Abstandsgitter 36, sind jeweils in Höhe der zwei dazwischen liegenden umlaufenden Teilstücke 33 des Mantels 32 angeordnet. Die Brennstoffstäbe 1 können sich in den röhrenförmigen Bauteilen 40 der Abstandsgitter 36 (die nur durch die nach innen gerichteten Vorsprünge 41 berührt werden) zur Aufnahme unterschiedlicher Wärmeausdehnung axial bewegen, während sie seitlich durch die Vorsprünge gehalten werden. Zum gleichen Zweck können sich die Abstandsgitter 36 relativ zum Mantel 32 bewegen, bedingt durch das Ausmaß der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem Zentralrohr 23 und

dem Graphitmantel 32.

Das obere Ende des Graphitmantels 32 endet unter dem oberen Ende des Graphitmantels 31, damit im oberen Endteilstück des Mantels 31 das untere umlaufende Teilstück 27 der Halteeinrichtung 24 eines darüber liegenden Brennelementes (nicht gezeigt) aufgenommen wird. Das obere Ende des Mantels 31 ist bei 45 abgeschrägt, um das Einführen zu erleichtern. Die ■ seitliche Lokalisierung zwischen benachbarten Brennelementen ist, wenn sie in einem Brennelementkanal gestapelt werden, dadurch gewährleistet. Das Gewicht vom einen Brennelement auf das nächstuntere Brennelement wird über den Flansch 26 der Halteeinrichtung 24 übertragen, indem dieser sich auf die Oberkante der äußeren Hülle 2 des nächstunteren Brennelementes aufsetzt. Das unterste Brennelement wird durch seinen Flansch 26 getragen, der auf einem (nicht gezeigten) Haltesockel im Boden des entsprechenden Brennstoffkanals sitzt.

Das zentrale Rohr 23 bewirkt die Aufnahme eines Hebe- und Senkgestänges (nicht dargestellt), an dem ein Stapel Brennelemente befestigt werden kann, wobei das Hebe- und Senkgestänge an der Halteeinrichtung 24 des untersten Brennelementes des Stapels befestigt wird. Im typischen Fall können sechs Brennelemente in einem Stapel vorgesehen sein.

Das Brennelement ist insofern vorteilhaft, als die Einzelteile alle von unten durch eine einzige Halteeinrichtung (24) gehalten werden und daß das Gewicht der Einzelteile auf die unteren Brennelemente im Stapel über die äußeren Graphithüllen weitergeleitet wird.

Dadurch stehen die äußeren Graphithüllen eines Brennelementstapel nicht nur während des Betriebes unter Druckbelastung, sondern auch sowohl während des Heraushebens aus einem Brennelementkanal als auch während des Hineinsenkens in einen bei Beschickungsvorgängen. Somit wird verhindert, daß die Graphitmäntel zu irgendeinem Zeitpunkt während des Betriebs oder bei der Beschickung auf Zug beansprucht werden. Die Zugfestigkeit von Graphit ist bekanntlich nicht so hoch wie seine Druckfestigkeit.

Weiterhin bewirkt die Konstruktion, daß unterschiedliche Ausdehnungen zwischen den verschiedenen Brennstoffstäben eines Brennelementes weder zu Beanspruchungen des Stütz- und seitlichen Lokalisierungssystems noch der Brennstoffstäbe selbst führen.

Ein weiterer Vorteil ist die relative Einfachheit des Brennstoffstab-Wechsels während der Fabrikationszeit, wenn sich dieser infolge aufgetretener Schäden oder anderweitiger Fehler als notwendig erweist, um die Herstellungs- oder Prüfungsvorschriften zu erfüllen. Das untere Ende des Brennstoffstabes braucht nur gelöst zu werden, dann kann der Brennstoffstab axial nach oben herausgezogen und leicht durch einen anderen ersetzt werden. Bei früheren Ausführungen, die das Schweißen eines Brennstoffstabes an beiden Enden desselben in seiner Stellung in den Halterungen mit sich "brachte, war das notwendige Entfernen ein schwieriger und zeitraubender Ausschneideprozeß, und außerdem war das erneute Verschweißen eines Ersatzstabes erforderlich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kernreaktor-Brennelement mit einem Bündel von parallelen Brennstoffstäben, die in einer äußeren Hülle aus Strukturmaterial untergebracht sind, mit einem zentralen, in Längsrichtung verlaufenden Haltestab, ferner mit einer Halteeinrichtung, die sowohl das untere Ende der Hülle als auch dasjenige der Brennstoffstäbe abstützt, sowie mit Seitenabstandsbauteilen, in denen die Brennstoffstäbe an dem Haltestab verschiebbar angebracht sind, um die Brennstoffstäbe seitlich zu positionieren, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine weitere innere Hülle (32), die auf dem größten Teil ihrer Länge im Abstand von der äußeren Hülle (2) angeordnet ist, vorhanden ist, daß diese innere Hülle (32) in ebenfalls an sich bekannter Weise von der Halteeinrichtung (24) getragen wird, und daß die innere Hülle (32) und die Halteeinrichtung (24) Teilstücke (34 bzw. 28) aufweisen, die für den Eingriff in Bajonettschlitze (35) im unteren Endteilstück der äußeren Hülle (2) zur Lokalisierung und Hinderung der Axialbewegung zwischen dieser inneren Hülle (32), der äußeren Hülle (2) und der Halteeinrichtung (24), ausgebildet sind.