DE1589667A1 - Kernbrennstoffelement - Google Patents

Description

PATENTANWALT

DR. HANS ULRICH MÄY

β MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1o

TELEFON C081O OO 3β 82 I jO jOD /

B.2J91.3 München» 12. Dezember 1967

C-WP-1 DO/544

Commissariat & !'Energie Atomique in Pario / Frankreich

Kernbrenns toffelement

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement, insbesondere ein "gebündeltes" Kernbrennstoffelement, das aus einer bestimmten Zahl von länglichen Brennstäben aus umhUlltem Brennmaterial, die zu Bündeln zusammengefaßt sind, besteht.

Bekannt sind Kernbrennstoffelemente dieser Art, bei denen die Brennstäbe durch eine Reihe von Stutzgittern und Abstandshaltern, welche die Enden der Brennstäbe und die dazwischenliegenden Bereiche derselben verbinden, parallel zueinander gehalten werden. Insbesondere sind Kernbrennstoffelemente für Kernreaktoren mit senkrechten Kanälen bekannt, bei denen ein oberes Stützgitter die daran aufgehängten Brennetube trägt und Abstandshalter vorgesehen sind, welche die Brennstäbe sich frei ausdehnen lassen und ihron Abstand im unteren Teil derselben und in den Zwischen

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sonen bewahren· Es ist isbeeondere bekannt, die Sitter aus einer legierung mit geringem Heutroneneinfangquerschnitt, bei» spielsweise einer Zirkoniumlegierung, herzustellen, und man hat bisher, vor allem aus Gründen der einfacheren Bearbeitung, ebene Gitter verwendet. Dabei muß man jedoch wegen der auf solche Gitter ausgeübten Scherkräfte und Biegemomente die Gitter mit einer erheblichen Dicke und damit Masse ausbilden.

Die Erfindung bezweckt Kernbrennstoffelemente, die den praktischen Anforderungen besser als die bisher bekannten entsprechen und insbesondere ein die Brennstäbe tragendes Gitter aufweisen, des« sen Form eine optimale Ausnutzung des zur Herstellung benuteten Werkstoffs ermöglicht.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäS ein gebündeltes Kernbrannstoffelement für Kernreaktoren mit senkrechten Kanälen, das ein Bündel von umhüllten Brennstäben» ein die einen Enden der Brennstäbe tragendes Gitter und mindestens einen Abstandshalter für die Brennstäbe aufweist, vorgeschlagen, bei dem das Gitter die allgemeine Form eines Botationaparaboloids besitzt, dessen Achse mit der des Kernbrennstoffelemente zusammenfällt.

Der in der obigen Definition und im folgenden benutzte Ausdruck "Gitter" soll nicht nur ein mechanisch kompaktes Werkstück sondern auch eine Anordnung von Drähten bezeichnen, die ein Gitter bilden, dessen Knoten von Halteknöpfen fUr die Brennetube eingenommen werden. Diese zweite Lösung 1st insbesondere dann anwendbar, wenn

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die auf das Gitter ausgeübten Kraft« nicht zu groß sind. .

Die Erfindung uafaßt auch noch weitere Maßnahmen, die rorsug·-

weiee in Verbindung mit den obigen, jedoch auch unabhängig davon

und angewandt werden können / wird weiter erläutert durch die folgende Beschreibung von nur als Beispielen angeführten Ave« fühnmgeformt:ii. Die Beschreibung besieht eich auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen: Fig. 1 c inn η AufriO einee erfindungsgemäSen Kernbrennet off element β

mit teilweise weggeschnittenem Mantel} Flg. 2 einen Aufriß des oberen Teile der Pig. 1 im Schnitt längs

einer durch die Achse gehenden Ebene; Pig. 3 ähnlich Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungafora der Erfindung.

Das in Flg. 1 und 2 gezeigte Kernbrennstoffelement beeitEt einen Mantel 10 aus Graphit, der ein Bündel von Brennstäben 12, die an einem Gitter 14 aufgehängt elnd, umgibt. Da dieses Kernbrenn· stoffelement eine erhebliche länge (z.B. etwa 1,50 m) besitzt» ist der Mantel in senkrechter Richtung in mehrere, durch Zugstangen 15 zusammengehaltene Teile unterteilt, wobei die Kugetangen In beliebiger Weise, B.B. durch SchweiOen, an einem unteren Reifen 16 und einem oberen Helfen 18 befestigt sind. Der untere Abschnitt des Hantele stützt sich am Reifen 16 ab. Der obere Reifen dagegen liegt auf dem Gitter 14 auf, das seinerseits den oberen Abschnitt deα Mantels 10 umgreift. Im oberen Reifen 18 1st eine Hut 20 vorgesehen, In welche die Backen einer Sänge zum Handhaben den Krenbrennstoffelemente eingreifen.

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Die Breimniabe 12 beet«htm aus einer .1Sule -von keraalsehen lernbrennstoff!ableti«η, di« in «in« Bit einem oberen Utopien ?4 (Pig. 2) und einen unteren Π "topfen 26 (Fig. t) verschlissene dichte HUHt' uiiigcüchlosaen sind. Diese Brenne ty be ktinnen aue einom oder mehreren Abschnitten bestehen. Is streiten Fall 1st jeder der Abschnitte an uuinen beiden Enden durch Stopfon verschlossen} die benachbarten Stopfen besitzen Vorrichtungen zur Verbindung der Abschnitte untereinander, z.B. mittels einer Hohrnubve rl: !nouns. W Bin oder mehrere /I)ii1nndslialter, win der in Flg. 1 nchoraatieoh gezeigte Abstandhalter 2d, sorgen für die Aufrechterhaltung des Abstands der Brennstäbe voneinander.

Erfindungoßeniüß sind die Brennstäbe 12 an einen Gitter aufgehängt, das nicht eben ist sondern in einer durch die Achse gehenden Ebene einen an ein Paraboloid nnßehiihertGn Querschnitt besitzt. Bekanntlich stell! die Parabel die flleichgewichtakurve eines keine Steifigkeit besitzenden Drahts dar, der längs der zur Symmetrieachse der Kurve senkrechtem Aciioe eine gleichbleibende Elnheitebelaetunß trägt. In WIr)(Iichi!eil entspricht das Gitter 14 wegen der Vertu!lung der Brennstübc nicht genau dieser Bedingung« Andererseits eignen sich Ii ο ο Unrat« Herstellungsverfahren schlecht zur Herstellung eines Parabolprofile. Es let auch oft günstiger» nicht ein ParabolprofJl, nondern eine einfachere Foraw beispielsweise eine KugelValotte zu verwenden, insbesondere wenn das Gitter aus einem massiven Stück herausgearbeitet werden soll. Das Gitter 14 1st in jedem Fall mit dem oberen Reifen 18 fest verbunden, büispieinreise durch Schweißen, so daß letzterer die auf die Achse jm &«yJ«bieten Zugkräfte mit aufnimmt.

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Dae in Pig. 2 gezeigte Qittor trügt eine Relhß /on Sinken 30 mit halbkugelförmigem Kopf, die Jede eines der fSltmenktt nlnnr Kugelgelenkverbindung zwischen dem Gitter und einem Brennstab 12 bilden. Üaa andere Element der Kugelgelenkverbindung besteht aus einer Schraubkappe 32, deren mit Gewinde versehener Hohleita einen abgerundeten Boden 34 besitet, der bei eingeschraubtem Brennatab gHgen den Kopf der Niete 30 drückt. Die Schraubkappe 32 iet entlang Mantellinien geschlitzt, um die entsprechenden Zweige des Gittere um die Niete herum hindurchtreten zu lasarm. In die Schraubkappe 32 1st ein Schraubzapfen 30 eingeschraubt, der den oberen Stopfen 24 des Brennstebs verlängert. Uo beim Einschrauben ein Auseinanderspreizen des geschlitzten Teils der Schraubkappe 32 »u verhindern, ¥fi vorsugswelse ein Ririf: Hi von geeigneter Länge auf den Schraub« iVipfen aufgeschoben, bevor üio«er in die Schraubkappe eingeschraubt wird.

Ziw Erläuterung des Einbaua Jedes Brennetabs ist der mittlere Brtmnafcab in Fig. 2 von seiner Schraubkappe 32 getrennt gezeigt. ΰίϊ,'βίι Sahraubkappe 32 wird zunächst auf die entsprechende Viete ;ίθ giisötfct, worauf tier ία it lern Ring 36 versehen» Brennstab angehobthi und gedreht v/lrtl, um den SchraubKapfen κϊ in die Schraubkappy V³. uLu<vu>u-Λ\ν· j .H₁ Na^h Beendiicung dieses Arbeitsgänge wird aiti SicherheitaetllI 40 durchgesteckt, um Jede unerwünschte Ab-Jlring» beispielsweise durch Schwingungen, zn verhindern»

T *.i Ιμϊιβ abgewandelte AusfUhruagiUorman «Jind offensichtlich '■!■''iUcii Cr,*aiii5 der in Pig. 3 geeeigtiiiAueführungeforitt besitet )'V Bossen 30' anstelle der Nieten 30, Diese Auebll-

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dun« let besonders vorteilhaft, wenn das das Gitter bildende Macarial solche mechanischen Eigenschaften beeitBt, daS es durch Ziehen oder Pressen geformt werden kann« Um zu vermeiden, daß man die Brennstäbe bei ihrem Zusammenbau mit den Gitter drehen muß, ftlrid hler die Stopfen 24' mit einer rohrförmigen Verlängerung rait Schilt sen für den Durchtritt der Zweige des Gittere versehen. Das zweite Blement der Kuge!gelenkverbindung besteht aus einem Schraubtapfen. 32¹, der in ein in der geeohliteten rohrförmigen Verlängerung des Stopfens vorgesehenes Gewinde eingeschraubt ist. Um ein Auseinanderspreizen der Finger dieser Verlängerung zu verhindern, ist ein Überwurfring 36' vorgesehen.

Es sei bemerkt, daß der Reifen IS⁵ über einen Teil seiner Läng© eine geringe Dicke beeitKt. Auf diese Weise wird erreicht, daß beim unerwünschten Herunterfallen eines Elemente auf ein aMeref* die Stauchung dieses felle die kinetische Energie absorbiert.

Unabhängig von der Herstellungsart des Gittere ist die Biegung des Mittelteil· bezüglich der Kanten als Kompromiß zweier Paktoren gewählts Die Verstärkung der Biegung entspricht einer verringerten Spannung (und erlaubt eine Verringerung der Dicke), führt jedoch andererseits eu einer Oberflächenvergrößerung des Gitters und einem eueäteilchen Raumbedarf in senkrechter Richtung. Beispielsweise genügt bei einem Gitter von 160 mm Durohmesser, das siebenunddrelßig UOO mm lange und mit tK^-Tabletten von 13 mm Durchmesser gefüllte Brennatäbe trägt« ein Durchhang von 30 mm, um das Gewicht des Gitters um einen Taktor von 7 bis 8 tu verringern, während ein größerer Überhang keinen wesentlicheren Gewinn bringen

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Die Bedeutung (inr Erfindung oi^jlil oiah J«mer sue io i5dtii3«nmfißiß«n Vergleichen; Wtilirond ein ebenes Outer «we " Liißiorunß (einer Kupfer und Molybdän enthaltenden ElrtHiiiiu·* J«#i(srung) für «in Brexmoioffelement der oben basohrieluuian Art eine ltfv.kv ν* ι 30 mm bcßjliEt und etwa 1800 g wiegt, fcann man (ij<-«( a Gewi.diH hvA einem Gitter mit einem Durchhang t«jij 30 nut tmd (itwa 3 min Ui«he auf 220 g verringern, Bei Vcrwen(]iiii/{ ton pouiSraiem. Si ι hl ließe nich dlceee Gevfi«;lit noch veil er vurriiißaMii jßd(it;li ohne oiß die neutronenabsorption auf diene Wein« wesentlich f cu verringern wiire, de der Heutronenoinfan^queraehnitt ftriiflar ist«

Bvi den beiden dnrgeateIHen AusiuhrungeforiBen bealict das 011 ttr

jüioIi unten. Dieoc Auablldung lot in allgemeinen dn .im Pail einea plOtellehen Abfallcr eines Brennn, dvr au einem Bruch fülirti dae Gitter dr.a doxunter hüfi ii6 Hohen Eloistmte die Brennet übe in der Mitte Bammelt. Auflerde?« l^nt sie die Nut PO frei. Wenn aber die mechanischen ISigen-

der Legierung, auo der daa Gitter hergestellt ist, einen iTj unter Drt?oli begünatigen, (boiapielswcisfl \tcmt (Utme Legierung 3m Kühlgas einer oxydativen Bißbildung unt«?Jitgi) kann man die Anordnung umkehren und die Wölbung des Gittere nach oben /inordiien« Din logierung steht dann im Betrieb unter Druck und ni<;]n Mehr uni.er Zugspannung. Offensichtlich kann man auch die Brenn·« i Übe ew*' ein im unteren Teil des Brennstoffelements angeordnet"» OH-Vii« aufoeteen statt sie aufEuhiingoii, obgleich die .!»η allgemeinen vorzuziehen ist.

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Bei der ge«βigten Ausführungaform besitzen die Brennstäbe alle die gleiche LSnge. Diese Lösung ist Im allgemeinen ana «runden der Formung vorouBlehen und beattst keinerlei Haohteil, da eich auch die tiefer hängenden mittleren Brennat&be ateta Ih gleichen Abstand von den Brennataben des im Kanal darunter angeordneten Brennstoffelemente befinden (dae in Pig. 1 etriohpunktiert geselgt let).

Selbstverständlich kann man den Zweigen dee Gittere einen nicht rechteckigen sondern in der Strömungsrichtung des Kühlmittels profilierten Querschnitt geben. Man kann auf diese Weise den Druckabfall des Kühlmittels wesentlich -verringern. Eine bei der Herstellung durch Tiefziehen verhältnismäßig einfach vorzunehmende Frofilgebung ermöglicht eine Verringerung des Druokverlustkoefficlenten um die HSIfte.

Je nach der zur Herstellung dee Gitters verwendeten legierung können verschiedene Herstellungsverfahren angewandt werden. Wenn der Werkstoff für Tiefziehen hinreichend geeignet let, kann das Gitter aus einer Ziehplatine durch Aussohneiden, Gesenkschmieden und Formen hergestellt werden. Wenn der Werkstoff die notwendigen Dehnungen nicht aushält, kann das Gitter durch elektrolyt!sehe oder Elektroeroslonsbearbeitung oder nach jedem anderen geeigneten Verfahren hergestellt werden.

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Claims (10)

• 9 -Patentansprüche

1.) Kernbrennstoff element für Kernreaktoren alt senkrechten Kanälen.. das ein Bündel von umhüllten Brennetäben, ein das eine Ende der Brennatäbe tragendes Gitter und mindestens einen Abstandshalter um den Abstand der Brennstäbe zueinander aufrechtzuerhalten, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dae Gitter (14 oder 14') die Form eines Rotationskörpers besitzt, dessen Mantellinie in wesentlichen eine Parabel 1st, deren Achse mit der des Kernbrennstoff-* ( elements zusammenfällt.

2.) Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter im oberen Teil des Kernbrennstoffelementa angeordnet ist und die Brennetäbe (12 oder 12») mittels Kugelgelenkverbindungen am Gitter aufgehängt sind.

3.) Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kugelgelenkverbindung aus einer an der Oberseite des Gittere befindlichen halbkugelfumigen Bosse (50 oder 30') besteht, auf der eich ein an dem die Hülle des Brennatäbe (12*) verschlieBenden oberen Stopfen (24 oder 24*) abnehmbar befestigtes Blement abstutBt.

4.) Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß dl· Bosse vom Kopf einer an Gitter befestigten Miete (30) gebildet wird.

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5.) Kernbrennstoff element nach Anspruch 2 oder 3 t dadurch gekennzeichnet, da8 die Bosse von einer in das Gitter eingedrückten Aue· stülpung (30·) gebildet wird.

6.) Kernbrennstoff element nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekenn* zeichnet, daß das abnehmbare Element aus einem Schraubzapf en (32·) besteht, der in ein im geschliteten Sndabschnitt des Stopfens (24*) vorgesehenes Gewinde eingeschraubt ist.

7.) Kernbrennstoffelement nach Anspruch 3 oder \, dadurch gekenn» zeichnet, daß das abnehmbare Element aus einer Schraubkappe (32) besteht, die auf einen am Ende des Stopfens sitzenden Gewindezapfen (38) aufgeschraubt und lunge gegenüberliegender Hantellinien geschlitzt ist, um die Zweige des Gitters hindurchtreten su lassen.

8.) Kernbrennstoffelement nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch einen rings um den geschlitzten Bndabschnitt der Schraubkappe (32) angeordneten, das Auseinanderspreizen dieses Endabschnitte verhindernden Ring (36).

9.) Kernbrennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (14) mit einem Helfen (18) fest verbunden 1st, der eine Hut (20) für den Eingriff eines Handhabungsgreifers besitzt und die vom Gitter ausgeübten radialen Kräfte mitaufnimmt.

10.) Kernbrennstoffelement naoh Anspruch 9t dadurch gekennzeichnet, dafi der Reifen Über einen Teil seiner senkrechten Abwicklung eine geringe Blöke besitzt, so dafl er bei Stofibeenspruohung verformbar ist.

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