DE1614308B2 - Stabfoermiges brennelement fuer kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein stabförmiges Brennelement für Kernreaktoren, bestehend aus einer von einem Hüllrohr umgebenen Brennstoffsäule, die in ihreraxialen Position festgelegt ist.

Für die bei der Kernspaltung entstehenden, unlöslichen Gase wird in den Brennstäben ein freier Raum, das sogenannte Plenum, oberhalb der Brennstoffsäule vorgesehen, um eine vorzeitige 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 Verschieben der, meist aus UO2-Pellets bestehenden Brennstoffsäule in diesen freien Raum bis zum betriebsbereiten Einsatz im Reaktor, verwendet man üblicherweise eine leicht vorgespannte Feder aus NiCr-Legierungen, die jedoch eine Ausdehnung des Brennstoffs bei Erwärmung 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 Ladevorgängen unbedingt erforderlich ist.

Die Feder läßt sich je nach Fertigungsprozeß vor oder nach der Brennstoffsäule in das Hüllrohr einschieben, worauf der Brennstab (nach dem Evakuieren und Helium-Füllen) unter Anpressen der zweiten Endkappe entgegen der Federkraft, bis zur Vorspannung gehalten, verschweißt wird. Bei der Arbeitsfolge Brennstoff-, Feder-Füllung, Endkappen-Schweißen kann sich das Feder- mit dem Rohrmaterial legieren und zur Zerstörung des Stabes führen. 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 den größten Teil der Federvorspannung aufnehmen kann. Es müssen dann aber geeignete Maßnahmen zur Vermeidung eines Pelletbruchs beim Schweißen der zweiten Endkappe, z. B. durch Einlegen von Aluminiumoxidscheiben, getroffen werden. Ein zusätzlicher Aufwand erfordert bei einer solchen Arbeitsweise die Einhaltung der gespannten 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 u.dgl. 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 spezifische Brennstoffleistung herabsetzen (Beeinflussung des Brennstoffvolumens und der Neutronenbitanz), sind bislang keine besseren technischen Lösungen gefunden worden, die den erwähnten Faktoren Rechnung tragen.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Befestigungselemente zu finden, die die Brennstoffsäule in einem Hüllrohr in ihrer axialen Position festlegen, ohne die bekannten Nachteile der bisher verwendeten Federn zu besitzen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennstoffsäule im Hüllrohr durch die Klemmwirkung eines Bimetallklemmelements festgehalten ist.

Die Funktionen der bisher verwendeten Federn, also Freihalten des Plenums und Zulassen einer Ausdehnung der Brennstoffsäule, werden dabei gleichwertig vom Klemmring erfüllt. Eine radiale Federkraft zum Einlegen des Klemmrings ist nicht unbedingt erforderlich, da der Bimetallring durch Vorwärmen ausreichend schrumpft, um leicht in die vorbestimmte Lage gebracht zu werden. Diese Durchmesser-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 muß. Es genügt hierzu die Elastizität einer der beiden Metallkomponenten, solange die metallische Bindung des Bimetalls erhalten bleibt. Der Klemmring bildet somit die obere, feste Begrenzung der Brennstoffsäule und wird nur durch Erwärmen gelockert. Dies geschieht erst bei der Eigenerwärmung des Brennstoffs im Reaktor.

Die Bimetall-Kombination, die Form und die radiale Vorspannung des Klemmrings im Hüllrohr erlauben vielfache Variationsmöglichkeiten. Sie können beispielsweise so ausgelegt werden, daß die Brennstoffsäule bis etwa 50°C durch den Preßsitz des Klemmrings fixiert bleibt und die Gleitung des Ringes bei weiterer Temperaturerhöhung um rund 20⁰C durch den Schub der sich ausdehnenden Pelletsäule eintritt. Die bekannte Kupfer/Invar-Kombination als Klemmring in Spiral- oder C-Form (Abb.3 bis 6; 8) mit 5%iger Durchmesser-Vorspannung in einem Zircaloy-Hüllrohr des Brennstabes für einen bekannten Siedewasser-Reaktor ermöglicht die Einhaltung dieser Bedingungen.

Eine 3,3 m lange Brennstoffsäule würde sich in diesem Fall bei 70⁰C um etwa 0,6 mm verlängern. Die Brennstab-Durchbiegung zur Aufnahme dieser Verlängerung könnte vernachlässigt werden, da bereits das Hüllrohr

den größten Teil der Radialkräfte aufnehmen würde. — Es sind aber auch Ausführungen in Federform mit wenigen Windungen denkbar (in A b b. 5 skizziert), bei denen z. B. nur die oberen beiden Windungen im Rohr durch die Bimetall-Wirkung festsitzen, während die unteren Windungen bei bestimmter Vorspannung eine gewisse Federfunktion ausüben. Gegenüber den bislang üblichen Federkonstruktionen mit mindestens 20 bis 50 Windungen bliebe auch bei dieser Bimetall-Klemmringvariante ein beachtlicher Vorteil erhalten.

In manchen Fällen kann die Kombination von Klemmringen mit zur Brennstoffsäule angeordneten kurzen Federn vorteilhaft sein, wenn die vorgespannte Feder die beginnende Ausdehnung der Brennstoffsäule übernehmen und der Klemmring erst bei höherer Temperatur so weit gelockert werden soll, daß eine Gleitung eintritt. Die-Ausdehnung der Pelletsäule (bei 3,3 m Länge/100°C etwa 3 mm oberhalb 250°C) würde dann z. B. bis 200°C von dem kurzen Federstück und darüber vom gleitenden Klemmring aufgenommen werden. Die betrachtete, 3,3 m lange UO2-Brennstoff>äule, dehnt sich bei 200⁰C um 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 200⁰C der Bimetall-Ring auf 80 bis 100°C erwärmt haben sollte, so würde auch schon der einfache Dreieckring (Abb. 1) mit Konstantan/lnvar-Blech, 1 mm Dicke, 6 mm Breite, ungespannter Durchmesser 12,83 mm, 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 Wärmezufuhr aus axialer und wenig aus radialer Richtung erhalten, weshalb Wärmeleitplatten (Abb.4, 8) und Abstandsrippen (A b b. 3, 5) oder Nocken (A b b. 4, 6, 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 Birnetallkomponente mit höherem thermischen Ausdehnungskoeffizienten auch innen anordnen, um eine Schrumpfwirkung bei Temperaturerhöhung zu erhalten. — Für die Verstärkung des Bimetall-Effektes und des Preßsitzes empfiehlt sich eine Verkleinerung des Verhältnisses Dicke zu Breite des Blechbandes gegenüber den skizzierten Ausführungsformen, also von '/3 auf beispielsweise ¹Ao, wodurch die am Hüllrohr anliegenden Flächen größer werden. Durch Einkerbungen (A b b. 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 Bandform von Bimetallen im allgemeinen angebracht sein.

Der Preßsitz im Hüllrohr bei Temperaturen unterhalb 50 bis 80° C muß mindestens so fest sein, daß das Gewicht der Brennstoffsäule gehalten wird, wenn man den Stab um 180° gegen die Vertikale dreht. Das dürfte zwar nur unbeabsichtigt geschehen, doch muß die Sicherung zur Fixierung 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 Kräfte durch den Klemmring anzustreben, angemessen sein dürfte. Der ungünstigste Fall bei bekannten Brennstäben könnte demnach zu einer axialen Belastung von etwa 8,2 kg führen; tatsächlich werden in diesem Fall sogar nur minimal 4,1 kg gefordert. Vorversuche mit offenen Ringformen aus 0,5 mm dicken, 6 mm breiten Stahlbändern ergaben, daß ein • nur um 0,2% seines Durchmessers auffedernder Klemmring an den glattwandigen Zircaloy-2-Hüllrohren so angepreßt wird, daß er axiale Belastungen bis zu 3,5 kp ohne Verschiebung aufnimmt. Mit dickeren Bändern und größeren radialen Vorspannungen lassen sich die Belastungen verdoppeln. Schließlich kann der Reibwiderstand erhöht werden: Cu, Ni an der Außenzone der Bimetallringe; Aufrauhung der Oberfläche.

Als weitere Eigenschaften des Klemmringes müssen Temperaturbeständigkeit und Verträglichkeit mit benachbartem Material gefordert werden, wie sie in etwa von der Feder erfüllt werden: Es darf keine Reaktion mit einem 300 bis 500°C heißen Hüllrohr auftreten. Dagegen dürfte sich die metallische Bindung zwischen den Metallkomponenten schon bei Temperaturen um 500⁰C lösen, da kein reversibler Dehnvorgang eintreten muß; der Schmelzpunkt der Metalle sollte aber nicht unter 1000⁰C liegen. — Diese Forderungen werden von den meisten handelsüblichen Bimetallen erfüllt.

Bei Ersatz der in bekannten Brennstabkonstruktionen eingesetzten Federn (meist aus Inconel-X) durch beispielsweise Cu/lnvar-Bimetallklemmringe ergibt sich eine erhebliche Herabsetzung der parasitären Neutronenabsorption durch die Verringerung des Strukturmaterials. Als Anhaltspunkt für die Größe dieser Auswirkung genügt eine Berechnung der Absorptionsverhältnisse durch Neutronen im thermischen Geschwindigkeitsbereich. Gegenüber den Federkonstruktionen ergeben sich bei Klemmringen der in den A b b. 7 und 8 skizzierten Formen zwischen 1,5% (Dreieck im Druckwasser-Hüllrohr) bis 18% (C-Form mit Wärmeleitplatte im Siedewasser-Hüllrohr) der auf Gewicht und Boräquivalente bezogenen »Verunreini- ■ gungen« des entsprechenden Brennstoffes.

Die zulässige Plenum-Vergrößerung durch Klemmringe errechnet sich zu maximal 32% (Dreieck im Druckwasser-Hüllrohr) und im ungünstigsten Fall zu 5% (C-Form mit Wärmeleitplatte im Siedewasser-Hüllrohr), da der Dreieck-Klemmring nur 0,5% eines relativ großen Federvolumens einnimmt, während der C-Ring mit Platte etwa 1% eines verhältnismäßig geringen Federvolumens beim Siderwasser-Brennstab beansprucht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Stabförmiges Brennelement für Kernreaktoren, bestehend aus einer von einem Hüllrohr umgebenen Brennstoffsäule, die in ihrer axialen Position festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffsäule im Hüllrohr durch die Klemmwirkung eines Bimetallklemmelements festgelegt ist.

2. Stabförmiges Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimetallkomponenten so ausgewählt und angeordnet sind, daß der Preßsitz im Hüllrohr durch Erwärmung aufgehoben wird und der Klemmring leicht verschiebbar ist.

3. Stabförmiges Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dreiecks-, vielecks-, C-, spiral- oder federförmigen Bimetallklemmelemente mit Abstandshaltern und/oder Wärmeleitvorrichtungen versehen sind.

4. Stabförmiges Brennelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an sich bekannten Federn im Plenum der Hüllrohre ganz oder teilweise durch Bimetallklemmringe ersetzt sind.