DE1614308A1 - Stabfoermiges Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

• Stabförmig'es Brennelement für Kernreaktoren. Für die bei der Kernspaltung-entstehenden, unlöslichen Gase wird in den Brennstäben ein freier Raum, das*sogenannte- Plenum., oberhalb der Brennstoffsäule vorgesehen, um eine-vQrzei - tige Zerstörung der Brennstäbe durch den sich aufbauenden Überdruck zu verhindern und die stark Neutronen absorbierenden Spaltgase vom Brennstoff in das Plenum abzuführen. Dieses freie Volumen muß also unter allen Umständen erhalten-bleiben, damit eine stÖrungsfreie Funktion der Brennstäbe gewährleistet ist.-Zur Sicherung des Plenums, also -gegen - ein,Ver3chieben der, meist aus UO -:Pellets-bestehenden.-Brennstoffsäule in diesen-freien 2 Raum bis zum betriebsbereiten Einsatz im Reaktor, verwendet man---Üblicherweise eine leicht vorgespannte Feder aus NiOr-Legierungeng die jedoch-eine Ausdehnung des Brennstoffs bei-Erwarmung zulässt. Damit ist die Brennstoffsäule in ihrer Lage fixiert, was wegen vielfacher Handhabungen im Fertigungs- und PrÜfvorgang,', beim AssemblIeren der Stäbe zu Elementen, beim Transport zur Reaktorstation und bei-den dortigen Iadevorgängen unbedingt erforderlich ist.
• Die Feder läßt sich je nach Fertigungsprozeß vor-ode r nach der Brennstoffsäule in das Hüllrohr einschieben, worauf der Brennstab (na-eh dem Evakuieren und Helium-Füllen) unter Anpressen der zweiten Endkappe entgegen der P-ederkr4ft, bis-zur Vorspannung gehalten, verschweißt wird., Bei der Arbeitsfolge-Brennst-off-e Feder Füllung.,#Endkappen#Schweißen kann sich das Feder- mit dem-Rohrmaterial legieren und zur Zerstörung des Stabes fÜhrän. Man Vermeidet dies und erleichtert das-Verschweißen des Stabes, wenn die Feder in-das Leerrohr, -also vor die Brennstoffsäule eingelegt wird, -da. das Gewicht (bei senkrechter oder schräger Füllage) und die Reibung der Säule im Rohr deii größten Teil der Federvorspannungaufnehmen-kann. Es müss.en dann aber geeignete Maßnahmen zur Vermeidung eines-Pelletbruchs beim Achweißen der zweiten Endkappe, zum Beispiel durch Einlegen von Aluminiumoxidscheiben, getroff en werden. Ein zusätzlicher Aufwand erfordert bei einer solchen Arbeitsweise die Einhaltung der gespgnnten Federlänge und das Ausmessen der Brennstoffsäule im HÜllrohr. Es kann z. B. vorkommen, daß die Feder zu stark vorgespannt wird (Verkleinerung des genau berechneten Plenums) und/oder die Brennstoffsäule im Hüllrohr durch Lageänderung, Abplatzungen beim Füllvorgang und dergleichen nicht die spezifizierte, vorgelegte Länge hat.
• Gegen die Verwendung einer Feder zur Sicherung des Plenums spricht außer den erwähnten Unsicherheiten beim Fertigungsprozeß weiterhin- ihr relativ großes Eigenvolumen und NeutronenabsorptionsvermÖgen. Trotz dieser zusätzlichen Nachteile, die letztlich die spezifizische Brennstoffleistung.herabsetzen (Beeinflussung des Brennstoffvblumens und der Neutronenbilanz), sind bislang keine . besseren technischen Lösungen gefunden worden, die den erwähnten Faktoren Rechnung tragen..
• Die vorliegende Erfindung, statt der Federn geeignete Bimetall-Klemmringe zu verwenden, oder nur ein kurzes Federstück zwischen Brennstoff und Klemm ing einzulegen, bietet eine Möglichkeit, die genannten Schwierigkeiten und Nachteile zu vermeid:en oder erheblich zu reduzieren$ Die Funktionen-der Feder, also,Freihalten des Plenums und Zulassen einer Ausdehnung des Brennstoffsi werden dabei gleichwertig vom Klemmring erfüllt. Eine radiale Federkraft zum Einlegen des Klemm inges ist nicht unbedingt erforderlich, da der Bimetallring durch Vorwär ausreichend schrumpft, um,leicht in die vorbestimmte Lage gebracht zu worden. Diese Durchinesser-Reduktion wird,-durch Anordnung der Metallkomponente mit höherem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an der Außenzone des Ringes erreicht. Beim Erkalten legt sich der Ring zunächst an die Rohrwandung an und benötigt für einen festen Sitz lediglich eine weitere geringfügige, #radiale Ausdehnung, die er elastisch aufnehmen Mull. Es genügt hierzu die Elastizität einer der beiden Metallkomponentene solange die metallische Bindung des Bimetalls.erhalten bleibt. Der'

  Klommring bildet somit; die obere, feste- BeGrenzung der 13renn-

  stof f säule und wird nur durch Erwärmen gelockert. Dies geschieht

  erst bei der Eigenerwärmung des Brennstoffs im Reaktor.

  Die Bimetall-Kombinati on, die Forii-t- -und die 'radiale Vorspannung

  des Klemmringes im Hüllrob-11 erli-luberi vielfache Variations-

  mÖGlichkeiten.- Sie k-Önnen, beispielsweise so -ausgelegt werden,

  d,3ß die B:cennsto-ffo;iule bis ca- 50'0 durch den Preßsitz des

  Klemmringes fixiert bleibt und die Gleitung des Ringes bei

  weiterer Temperzitiirerhöl.iu.tir, um rund ".3-0'C durch deh Schub der

  sich ausdehnenden Pellets,#*Lule eintritt. Die belmnnte Ku-Dfer/

  Invar-Kombination als 17,-le-iu.iring in Spiral- oder 0,Form (Abb.

  bis 6; 8) mit 5 1/,#iger Durchmeszer-Vorspannung in einem Zircaloy-

  Hüll-rohr des Brennst,.#ibes Mr einen bekannten Siedewasser--Heaktor

  ermöglicht die dieser Bcdingungen. Eine 3,3 m lange-

  Brennstoffsäule wÜrde-sich in diesem Fall bei 70'c um etwa

  0,6 miii'vei#!.läriC#er-ii. Die Brennstab-DurchbieGung zur Aufnahme

  dieser Verlängerung k#5m.-ite werden, -da bereits

  daa 11-,111r-olir de.i-.i GrÖßten Teil der Uadialkräfte aufnehmen

  würde. - Es sind aber auch Ausführungen in Federform mit -wenigen

  Windungen denkbar (in Abb. 5 skizziert),-bei denen z-. B. nur

  die oberen beideil Wind:ungen im Rohr durch die Bimetall-Wirkung

  festsitzen .während. die unteren Wiiid.ungen bei bestimmter Vor-

  spannung eine gewisse Federfunktion ausüben. Gegenüber den

  bislang Üblichen Federkonstruktionen mit mindestens 20 50 Win-

  dunge'n bliebe auQh bei-d-bser Biinetall-Klemmringvariante ein

  beajc#h-tlicher'Vorteil erhalten4

  In manchen Fällen. kann die Kombination von Klommringen mit

  zur Brennstoffsäule anGeordneten-kurzen Federn vorteilhaft sein,

  wenn die vorgespannte Feder die beginnende Ausdehnung der

  Brennstoffsäule- übernehmen und der Klemmrin - g erst bei höherer

  Temperatur, so weit relockert werden soll, daß-- eine Gleitung

  eintritt. DLe Ausdehnung der Pelletsäule (bei 3,3 m Länge/10010

  ca. 3 mm oberhalb 250-G) wärde dz)nn z. B-. bLiä 20010-Von dem

  .kurzen Federstück und dgrüber vom gleitenden Klommring aufge7

  nommen werden. Die betrachtete, 3,3 m lange UO 2-Brennstoffsäule,

  dehnt sich bei-20000-uIu-0,08 % =#2,64 mm aus, so daß zwei

  Begrenzungs- und eine Federwindung genÜgen, um diese Ausdehnung beim Anfahren des Reaktors aufzufangen. Die Temperatur des darüberliegenden Bimetall-Klemmringes wird naturgemäß niedriger sein. Selbst wenn sich bei einer mittleren Brennstofftemperatur von 20010 der Bimetall-Ring auf 80 - 10010 erwärmt haben sollte, so wärde auch schon der einfache Dreieckrfng (Abb. 1) mit'Konstantan/In#rar-Blech, 1 mm Dicke, 6 mm Breite, ungespannter Durchmesser 12,83 mmi im Hüllrohr mit Innendurchmesser 12,46 mm, auf 12,44 mm Durchmesser schrumpfen, so daß er im Plenumteil des Hüllrohres frei verschiebbar wäre.
• .Die Klemmringe sollen bei Inbetriebnahme des Reaktors im wesentlichen#ihre Wärmezufuh-r aus axialer und wenig aus radialer Richtung erhalten, weshalb Wärmeleitplatten (Abb. 4, 8) und Abstandsripplen (Abb. 3, 5) oder Nocken (Abb. 4, 69 8) vorteilhaft sind. Statt Wärmeleitplatten können-beispielsweise auch zylindrische Ansätze in metallischer Verbindung mit den Klemmringen angebracht werden, die in den Hohlraum eines entsprechenden Ringpellets als Abschluß der Brennstoffsäule hineinragen. Vom Gesichtspunkt der Wärmezufuhr und -abgabe sind Dreiecksformen (Abb. 1, 2) günstig; sie können zusätzlich noch mit Wärmeleitplatten (ähnlich Abb. 4) versehen werden'. Ihre Wärmeableitung an das Hüllrohr kann nur über die anliegenden Kanten der 3 Ecken erfolgen. Bei einer Dreieck- oder Viereckkonzeption läßt sich die Bimetallkomponente mit höherem thermischen Ausdehnungskoeffizienten auch innen anordnen, um eine Schrumpfwirkung bei TeM'peraturerhÖhung zu erhalten. - PÜr die Verstärkung des Bimetall-Effektes und des Preßsitzes empfiehlt sich eine Verkleinerung des Verhältnis ses Dicke zu Breite des Blechbandes gegenüber den skizzierten Ausführungsformene also von 1/3 auf beispielsweise 1/10,-wodurch die am Hüllrohr anliegenden Flächen größer werden. Durch.Einkerbungen (Abb. 2) oder.Abstandsnocken läßt sich.die Wärmeableitung aber gleich groß halten wie bei Klemmringen geringerer Breite. - Natürlich sind auch andere-als die skizzierten Rechteck-Querschnitte denkbar, doch dÜrfte die Beibehaltung der bewährten Bandfora von Bimetallen im allgemeinen angebracht seih. Der :Preßsitz im Hüllrohr bei Temperaturen unterhalb .50 muß mindestens so fest sein, daß das Gewicht der Brennstoffsäule gehalten wird, wenn man den Stab um 1809 gegen die Vertikale dreht. Das dürfte zwar nur unbeabsichtigt geschehen,. doch muß die Sicherung zur Pixierung des Brennstoffs für einen solchen Fall vorgesehen werden. Bei falschem Transport in dieser Kopflage würden sogar noch Beschleunigungskräfte hinzukommen, so daß die Forderung" das doppelte Brennstoffgewicht als Größenordnung für die Aufnahme axialer Kxäfte.durch den Klemm ing anzustreben, angemessen sein dUrftee Der ungünstigste Fall bei bekannten Brennstäben könnte de-M-n'ach zu eiiie:c axialen Belastung von ca. 8,-2 kg führen; tatsächlichwerJen in diesem Fall sogar nur minimal 4,1 kg gefordert. Vorversuche#mit offenen Ringformen aus 0,5 mm dicken, 6 mm breiten Stahlbändern'ergabene daß ein nur-um Ö,2 % seines-DurchmesBers auffedernder Klemmring an den glattwandigen Zircaloy-2-Hüllrohren so-angelpreßt wirde daß er axiale Belastungen bis zu 3,5 kp ohne Verschiebung aufnimmt. Mit dickeren Bändern und größeren radialen Vorspannungen lassen sich-die Belastungen verdoppeln. Schl ießli ch kann der Reibwiderstand erhöht werden; Cu, Ni an darAußenzone der Bimetallringe; lufrauhung der Oberfläche* ,Als weitere Eigenschaften-des Klemmringes müssen-Temperaturbeständigkelt und Verträglichkeit mit benac-hbartem-Mateeiäl gefordert werden, wie sie-in etwa von der Feder erfüllt- werden; Es darf keine Reaktion mit einem 300 5001910 heißein Hül-lrolir.#-auftreten. Dagegen dÜrfte sich die-metallische Bindung zwischen den Metallkomponenten schon-bei -Tempere#turen- 50090110den, da kein-reversibler Dehavorgang eintreten muß-.der Schmelzpunkt der Metalle sollte aber nicht unter 100000 li-egen's- Diese Forderungen werden von den-meisten handelsüblichen Bimetallen erfüllt.
• Bei Ersatz- der in bekannten Brennstabkonstraktionen eingesetzten Federn (meist aue'Inconel-X) durch beispieläwoiäe:CU/Invar;.. Bimetallklemmringe ergibt sich eine -.erhebliche lierabp-et,-7ung der parasitären lJeneonenabsorption durch die Verringerung des Strukturmaterialso Als Anhaltspunkt für die Größe dieser-Aus- .#iirkung genügt eine Berechnung der Absorptionsverhältnisse durch Neutronen im thermischen Geschwindigkeitsbereich. Gegenüber den Federkonstruktionen ergeben sich bei Klemm ingen der .A.ri den Abb- 7 und 8 skizzierten Formen zwischen 1,5 % (Dreieck im Druc'#wasser-HÜllrohr) bis 18 % (C-Form mit Wärmeleitplatte im Siedewasse r-Hüllrohr) der auf Gewicht und Boräquiv'alente bezogenen "Verunreinigungen" des entsprechenden Brennstöffes. Die zulässige Plenum-VergrÖßerung durch Klemmringe errechnet sich zu maximal 32 % (Dreieck im Druckwasser-HÜllrohr) und- im ungünstigsten Fall zu % (0-Form mit Wärmeleitplatte im Siedewasser-HÜllrohr), da der Dreieck-Klemmring nur 0,5 % eines relativ großen Federvoluzens einnimmt, während der O-Ring mit Platte etwa 1 % eines verhältnismäßig geringen Federvolumens beim Siderwasser-Brennstab beansprucht,

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Stabfärmiges Brennelement für Kernreaktoreni dadurch ßekennzeichnet" dass die Brennstoffsäule in dem Hüllrohr durch die Klemmwirkung eines-Bimetallelemerkts festgelegt ist.
2. 2. Stabförmiges Brennelement nach Anspruch 1, dadurch &ekennzeichnet, dass-die Bimetallkomponenten so ausgewählt und angeordnet sind, dass der Preßsitz in Hüllrohren für Kernreaktor-B rennstäbe-. durch Erwärmung aufgehoben wird und der Klemmring leicht-verschiebbar ist, StabföXmi,ges Brennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreiecks-, vielecks-, C-,- spiral-oder federförmig-en Ringezit Abstandshaltern und/oder Wärmeleitvorrichtungen versehen sind. 4. Stabförmiges Brennelement nach Anspruch 1 blis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an sich bekannten Federn.im Plenum der Kernrealktdr-*Brennstäbe ganz oder-tellweise-durch Bimeiall-Klemmringe ersetzt sind.