DE1764909C - Brennstoffkassette fur Kernreaktoren - Google Patents

Description

)ie Erfindung betrifft eine Brennsloifkassette für mrcaktorcn mit einem polygonalen Mantelrohr und einem in diesem angeordneten, hauptsächlich mittels ./.er Wände des Mantelrohres zusammengehaltenen elastischen Brennstabbündel, das im wesentlichen aus parallelen Brennstäben besteht, die entsprechend einem gleichseitigen Dreieck versetzt angeordnet und mittels auf die Brennstäbe schraubenförmig mit derselben Windungsrichtung und im wesentlichen derselben Steigung aufgewickelter Abstandselemente gegenseitig auf Abstand gehalten

ίο sind. Derartige Brennstoffkasseiten sind bereits bekannt (USA.-Patentschrift 3 150 057).

Bei Kernreaktoren mit so engen Brennstabgittern, z. B. bei schnellen Reaktoren, mit einem Nennabsta^d zwischen den Stäben von nur einem oder einigen Millimetern, gibt es keinen Raum für die üblichen Abstandshalter zwischen den Brennstäben. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, Draht als Abstandselemente zu verwenden, wobei dieser Draht um die Brennstäbe längs Schraubenlinien gewickelt wird.

Man erhält dabei lirennstabbündel, die wenn überhaupt nur eine sehr unbedeutende Elastizität haben. Ein solches Bündel wird deshalb entweder zu lose oder zu starr. In einem allzu »losen« Bündel sind besonders bei schnellen Reaktoren die Brennstäbe durch das schnell vorbeiströmende Kühlmittel starken Vibrationen ausgesetzt und werden dadurch schnell zerstört, so daß die Brennstoffhülsen Löcher bekommen. In einem allzu starren Bündel sind dagegen die Stäbe großen Biegebeanspiuchungen ausgesetzt, die von den unvermeidlichen Herstellungstoleranzen für die in der Brennstoffkassette enthaltenen Komponenten und von der verschiedenen Wärmeausdehnung dieser Komponenten herrühren, so daß die Brennstäbe auch in diesem Fall zerstört werden.

Zweck der Erfindung ist, eine Brennstoffkassette der einleitend angegebenen Art zu schaffen, bei der die obengenannten Mangel ganz be.e-tigt sind. Zu diesem Zweck ist die genannte Brennstoffkassette -:.o ausgebildet, daß das Brennstabbündel aus zwei Arten jon Brennstäben A und B zusammengesetzt ist, wobei jeder Brennstab B ein Abstandselement mehr als jeder Brennstab A trägt, und daß jeder Brennstab A, mit Ausnahme der an den Seiten des Bündels liegenden, von sechs Brennstäben B umgeben und von den Abstandselementen dieser Brennstäbe an verschiedenen Stellen, aber in im wesentlichen gleichen Niveaus gespitzt wird, während jeder Brennstab B, mit Ausnahme der an den Seiten des Bündels liegenden, von sechs Brennstäben, abwechselnd vom Typ A oder B, umgeben und an sechs verschiedenen und im wesentlichen auf gleichen Niveaus liegenden Stellen von diesen gestützt wird. Mit dieser Ausbildung der Kassette erhält man ein elastisches, zusammendrückbares Bündel von Brennstäben, in dem die Biegsamkeit der Stäbe ausgenutzt wird, um den Anlagekräftcn zwischen den Brennstäben die gewünschte Größe zu geben. Es ist nicht mehr erforderlich, extrem kleine Herstellungstoleranzen für die in der Brennstoffkassette enthaltenen Komponenten einzuhalten, besonders für die Brennstäbe und Mantelrohre. Der Einfluß der verschiedenen Wärmeausdehnung der Komponenten wird vermindert, die sowohl auf verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten als auch auf verschiedenen Temperaturen der einzelnen Komponenten innerhalb der Brennstoffkassette beruht. Jede Gruppe von drei einander benachbarten Brennstäben, in diesem Zusammenhang kann auch die Mantelrohrwand als

Brennstab betrachtet werden, bildet einen Kanal für das Kühlmittel. In der obengenannten Weise angeordnete schraubenlinienförmige Ahstandselemente verbessern in hohem Maße die Mischung des Kühlmittels in und zwischen den einzelnen Kanälen und die Wärmeübertragung.

Die Abslandselemente bestehen zweckmäßig aus demselben Material wie die Hülsen der Brernstäbe und können z. B. aus Drähten mit beliebigen, z. B. kreisförmigem, quadratischem oder paralleltrapezförmi gern Querschnitt bestehen, wobei die Drähte an den betreifer. ^;v 1 Brennstäben nur an ihren Enden und mit einer gewissen Vorspannung befestigt sein können, um diese in vorausbestimmten Laiien zu halten, trotz der Einwirkung von Teniperaturschwankungen und des Strömungsdrucks im Kühlmittel. Die Ab-'■iandselemente können auch mit Vorteil aus Rippen bestehen, die in einem Stück mit der zugehörigen Bannstolfhülse hergestellt sind Da das Bündel aus Brennstäben somit im I nterschied zu der Gitterplatte eine gewisse Elastizität erhält, ist es zwecküiäKig. daC jeder Brennstab eine als Siabverlämy^rung ,^geordnete, schmale, federnde Stange trägt, deren •leies Ende in der Gitterplatte, vorzugsweise mittels ■schweißen, befestigt ist.

Nach der einfachsten Ausführungsform der Erfindung trägt jeder Brennstab B ein einziges schiauben-■örmiges Abstandselement, dessen Höhe in radialer Richtung im wesentlichen gleich dem Nennabstand /wischen zwei einander benachbarten Brennstäben ist. Die Brennstäbe der Art A sind somit in diesem ^e-ill nicht bewickelt. In einer alternativen und vorteilluuteren Ausführungsform trägt jeder Brennstab der Art B zwei diametral entgegengesetzte Abstandsgroße Variationen des Anlagedrucks können vermieden werden. Die Rippen können eine größere Steigung als Draht haben, was zu einem niedrigeren Druckabfall über dem Reaktorkern und besserer Wirtschaftlichkeit führt.

Aus der belgischen Patentschrift 667 245 ist ein in Kreisform aufgebautes Brennstabbündel bekannt. Alb Abstandshalter dienen auf die Brennstäbe spiralförmig aufgewickelte Drähte» Das Brennstoffbündel ist so aufgebaut, daß ein nicht mit einem Abstandshalter umwickelter Brennstab von jeweils fünf mit Abstandshaltern bewickelten Brennstäben umgeben ist. Der Nachteil des Aufbaus dieses bekannten Brenn stabbündels besteht einmal darin, daß man unterschiedlich große Durchströmungsfiächcn für das zwischen den Brennstähen strömende Wasser erhält, zum anderen darin, daß die Raumausnutzimg nicht optimal ist und die Brennstoffstäbe bc. äußerer Belastung ihre Position im Brennstabbündel nicht exakt einhalten. Aus der deutschen Patentschrift 948 691 ist es weiter für Rohrwärmetauscher bekannt, die ",VUi nie tauscherrohre in gleichseitiger Dreieckform anzuordnen und jeweils ein mit einem Abstandshalter-

element versehenes Rohr mit sechs nicht mit Abstandshalterelementen versehenen Rohren zu umgeben. Eine solche Aufteilung der Brennstäbe mit oder ohn.* Abstandshalter ist jedoch für eine Brennstoffpatrone vollkommen ungeeignet, da die einzelnen Brennstäbe in ihren vorausbestimmten Positionen allzu unsicher fixiert sind, so daß sie leicht deformiert werden und ihre Lage im Verhältnis zu benachbarten Brennstäten ändern können.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind

elemente und jeder Brennstab der Art A ein einziges 35 im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben,

Abstandselement, wobei die Höhe der Abstandsele- in diesen zeigt:

mente in radip'cr Richtung im wesentlichen gleich fig. 1 eine Brennstoffkassette im Längsschnitt

groß wie der halbe Nennabstand zwischen zwei ein- nach der Linie I-I in F i g. 2.

ander benachbarten Brennstäben ist. Diese Ausfüh- Fig. 2 die Brennstoffkassette nach F i g. 1 im

rungsform bietet eine Reihe von Vorteilen, von 40 Querschnitt nach der Linie IM I der F i g. 1,

F i g. 2 die prinzipielle Anordnung der Stäbe in einer Brennstoffkassette nach F i g. 1 und 2 und , F i g. 4 und 5 im Querschnitt alternative Ausführungsformen einiger in der Brennstoffkassette nach Fig. 1 und 2 enthaltener Brennstäbe.

Die dargestellte Brennstoffkassette hat ein Mantelrohr 1 mit im wesentlichen hexagonalem Querschnitt. Auch andere polygonale Querschnitte können u"ter Ausnutzung der Vorteile der Erfindung verwendet werden. Das Mantelroher 1 hat an einem Ende, dem Einlaufende 2 der Kassette für das Kühlmittel, eine Gitterplatte 4. Die Brennsiäbc 5 liegen <m wesentlichen parallel und enthalten in der Brennstoffhülse 7 einen keramischen Kernbrennstoff 6, z. B. in du Form von UO^-Tabletten. Jeder Brennstab 5 trägt eine als Stabverlängerung dienende, schmale, federnde Stange 8, deren freies Ende in der Gitterplatte 4 bei 9 in geeigneter Weise, z. B. durch Schweißen, befestigt ist. Die Brennstäbe 5, die entsprechend einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind, werden mit Hilfe von nicht federnden Abstandselementcn 10 in im voraus bestimmten Abständen voneinander gehalten. Bei mindestens etwa -/.i der Stäbe bestehen die Absfands-

von
denen folgende genannt werden:

ä) Sehr geringe Wahrscheinlichkeit von Schäden auf den Brcnnstoffhülsen durch Abnutzung, da jeder Kontakt zwischen den Brennstäben durch Anlage von Abstandselement an Abstandselement, z. B. Rippe gegen Rippe, erfolgt. Es sei erwähnt, daß eine derartige Abstandshaltung bei Brennstabbündeln bereits bekannt ist (belgische Patentschrift 680 508);

b) zusätzliche Stützorgane, um den Stäben der Art A an den Seiten des Bündels eine Stütze gegen das umgebende Mantelrohr zu geben, sind nicht notwendig;

c) man erhält eine Kühlkanalverminderung an der Mantelrohrwand, was den schädlichen Temperaturgradienten für die periphercn Brennstäbe vermindert;

d) die Brennstäbe werden, wenn sie mit Rippen versehen sind, steifer gegen Durchbiegen, weshalb der erforderliche Anlagedruck bei gerin-

__. - _B ..-. _o elemente aus schraubenförmig aufgebrachten und i.»-

gerer Deformation ehr Stäbe erhalten wird. 65 der gleichen Windungsrichtung und im wesentlichen

Durch Schleifen der Höhe der Rippen auf ein der gleichen Steigung verlaufender. Oriihtet 110 °

exaktes Maß kann die Genauigkeit der Maße des Rippen 10" mit gleichliegenden Anfangs- und -

ganzen Stabbündels wesentlich erhöht und allzu punkten. Vorzugsweise bestehen die Drähte

Rippen 10" aus demselben Material wie die Brennstoffhülsen 7.

Wie einleitend angeführt, gibt es zwei verschiedene Arten A und B von Brennstoffstäben. Diese unterscheiden sich dadurch, daß jeder Brennstab der Art B ein Abstandselement mehr als jeder Brennstab der Art A trägt. In der Ausführung nach Fi g. 2 sind die Brennstäbc der Art B mit einem einzigen Draht bewickelt und die Brennstäbe der Art A sind nicht bewickelt, während bei der Ausführung nach F i g. 5 die Brennstäbe der Art B mit zwei Rippen und die Brcnnstäbc der Art A mit einer Rippe versehen sind. In beiden Fällen sind die Brennstabgitter in derselben Weise aufgebaut, wie in der Prinzipskizze F i g. 3 gezeigt ist. Im unteren linken Teil dieser Figur ist die Anordnung der Brennstäbc der Art B gezeigt, im unteren rechten Teil die Anordnung der Brennstäbe der Art A und in der oberen Hälfte der Figur ein vollständig aufgebautes Stabgitter, das Stäbe der beiden Arten A und B enthält. Die untenstehende Tabelle zeigt die Anzahl der Brennstäbe der Art A im Verhältnis zur totalen Anzahl der Brennstäbe (A4 B) in einer Brennstoffkassette mit hexagonalem Querschnitt, unter der Voraussetzung, daß der zentrale Stab von der Art A ist.

A +	B	7	19	37	61	91	127	169
A		1	7	13	19	31	43	55

Durch den oben ersichtlichen prinzipiellen Aufbau des Brennstabgitters ist jeder Brennstab der Art A mit Ausnahme der an den Seiten des Bündels liegenden von sechs Brennstäben der Art B umgeben und an sechs verschiedenen und im wesentlichen äquidistanten Niveaus pro Steigungswindung von diesen gestützt, während jeder Brennstab der Art B mit Aufnahme der an den Seiten des Bündels liegenden von sechs verschiedenen Brennstäben umgeben und an sechs verschiedenen und im wesentlichen äquidistanten Niveaus je Steigungswindung von diesen gestützt ist, wobei diese letzteren sechs Brennstäbe so angeordnet sind, daß jeder zweite Brennstab der Art A und jeder nachfolgende der Art B ist.

In den Fällen, in denen die Abstandselemente aus Draht 10' bestehen, kann dieser einen beliebigen, z. B. kreisförmigen oder paralleltrapezförmigen Querschnitt haben. Die Dicke des Drahtes ist in der Ausführung nach F i g. 1 und 2 im wesentlichen gleich dem Nennabstand zwischen den Brenns'äben 5. und die Drähte 10' sind, z. B. durch Schweißen, am zugehörigen Stab 5 nur an ihren F.nden und mit einer gewissen Vorspannung befestigt, um die Stäbe trotz der Einwirkung von Temperaturänderungen und des Strömungsdruckes des Kühlmittels in ihren vorausbestimmten Lagen zu halten. In F i g. 4 ist gezeigt, daß der Draht 10' auch durch eine Rippe 10" ersetzt werden kann. Die Rippe kann durch Gießen oder Walzen in einem Stück mit der Hülse hergestellt sein oder später auf die Hülse angebracht werden.

Wie aus F i g. 2 hervorgeht, werden die Brennstäbc. die nicht bewickelt sind und an den Seiten des Bündels liegen, keine Stütze nn der Mantclrohrwand 1 haben. Sir können durch mehrere Stül/nrganc cestiit/t werden, die /. H. auf Drähte 11 (im wesenl-IkKn parallel mit fc» Rmin<-!;ihcn). aufgesetzte Kugeln 12', Halbkugcln 12", Kugelscgmente 12"' od. dgl. oder auch Einprägungen 13 in der Mantelrohrwand sein können. Die Einprägungen 13 für einen Brennstab 5 können in einer einzigen Reihe oder auch, wie die Kugeln 12 od. dgl. auf den Drähten 11 in zwei Reihen derart angeordnet sein, daß auch die unbewikkelten Stäbe 5 an den Seiten des Bündels dieselbe Stütze wie die innerhalb des Bündels erhalten, d. h. eine Stütze an sechs aufeinanderfolgenden, verschiedenen und im wesentlichen äquidistanten Niveaus pro Steigungswindung.

In der Ausführung nach Fig. 5 trägt jeder Stab der Art A eine einzige Rippe 10", während jeder Stab der Art B zwei diametral entgegengesetzte Rippen 10" trägt. Die Rippenhöhe ist in diesem Fall hauptsächlich gleich dem halben Nennabstand der Stäbe. Natürlich kann an Stelle von Rippen auch Draht von entsprechender Dicke verwendet werden. Während ein Brennstab mit einem einzigen Draht oder einer

ao einzigen Rippe mit einer eingängigen Schraube verglichen werden kann, kann man einen Brennstab mit zwei Rippen oder Drähten mit einer zweigängigen Schraube vergleichen. Einer der Vorteile der Ausführung nach Fig. 5 ist, daß eine eventuelle Abnutzung

as auf Grunu von Vibrationen zwischen Rippe gegen Rippe oder Draht gegen Draht anstatt zwischen Rippe oder Draht und Brcnnstoffhülse erfolgen wird. Andere Vorteile sind, daß zusätzliche Stützorgane (mit • 11. 12 13 in Fi g 7 bezeichnet) nicht notwendig sind.

und daß man an der Mantelrohrwand eine Kühlkanalverkleinerung erhält, weil die Rippenhöhe gleich dem halben Nennabstand der Stäbe ist. was den schädlichen Tcmpera'urgradienten für die peripheren Brennstäbe herabsetzt. Mit Rippen versehene B'Cim· stäbe haben eine größere Biegefestigkeit als draht bewickelte Stäbe, so daß der erforderliche Anlagedruck bei geringerer Deformation der Stäbe erhalten wird. Durch Schleifen der Rippen auf ein exaktes Maß kann die Genauigkeit der Maße des ganzen Stabbündels wesentlich erhöht und somit all/u große Variationen des Anlagedruckes vermieden werden Rippen können deshalb eine größere Steigung ;iK Draht haben, was zu einem niedrigeren Druckabfall im Reaktorkern und besserer Wirtschaftlichkeit führt.

Die Brennstäbc die mit brütbarem Material in den Enden und spaltbarem Material in der Mitte verehen sein können, können z. B. einen Durchmesser von {> bis 7 mm und eine Länge von etwa 1.5 m haben und mit einem Nennabstand zwischen den Stäben von gut 1 mm angeordnet sein. Dabei kan die Steigung der Drähte oder Rippen 100 bis 300 mm betragen. Alle diese Zahlen können bei gleich gutem Resultat um 10, 20 oder 30·/· über- oder unterschritten werden.

Das Mantelrohr 1 ist bei der in F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform mit einer Schulter 14 am Auslaufende 3 der Brennstoffkassette versehen. Diese Schulter 14 gibt eine Führung für die benachbarten Brennstoffkassetten und eine Dichtung der Spalte

zwischen diesen.

Da die Brennstäbc unter allen Betriebverhältnissen über die Abstandwlemcnte einen guten Kontakt miteinander und mit der Mantelrohrwand haben müssen, muß zwischen diesen Komponenten ein gewisser An-

lagedruck herrschen. Man erhält sonst ein allzu »loses« Bündel, in dem die Brennstäbe durch Vibrationen zerstört werden. Bei dieser Anforderung an ilen Anlagalrucfc kann es schwer sein, das Brcnnstnb

bündel in das Mantelrohr einzufügen. Das Zusammenmontieren kann jedoch in der folgenden Weise

geschehen:

Erst werden die Stabverlängerungen der Brennstäbe in die Gitterplatte eingeführt und an dieser z. B. mitte!= Schweißen befestigt. Man erhält dann ein Bündel, das von der Gitterplatte gegen die freien Enden der Brennstäbe ausläuft. Danach wird das Bündel von den Seiten aus mit Hilfe von Druckblechen od. dgl. auf das richtige Maß gebracht Man füllt nun die Hohlräume im zusammengedrückten Bündel mit einem Mittel, das bei einer Temperatur, bei der die Brennstäbe nicht beschädigt werden, zu fester Form erstarrt. Das Mittel muß auch leicht entfernt werden können, z. B. dadurch, daß es durch Temperaturerhöhung oder in anderer Weise in flüssige Form versetzt wird oder beispielsweise mit Wasser weggespült wird. Diese Forderungen werden unter anderem durch' Wasserlösungen von Rohrzucker (vorzugsweise 20 Gewichtsprozent Zucker) und Wasserlösungen von Glyzerin erfüllt. Die Brennstäbe werden

S nicht durch die Volumenausdehnung des Mittels beeinflußt, da diese vor dem Erstarren stattfindet. Man kann auch leichtschmelzende Metallegierungen, wie Schriftmetall, anwenden. Es ist auch denkbar, gewisse Kunststoffe zu verwenden. Nach dem Erstarren des

ίο Mittels können die das Bündel zusammenhaltenden Druckbleche entfernt und das Bündel in das Mantelrohr eingeführt werden. Nachdem das Mittel entfernt worden ist, wird die Gitterplatte am Mantelrohr befestigt und die Brennstoffkassette ist fertigmonüert.

Es sei erwähnt, daß die Erfindung auch bei Brennstoffkassetten mit zwei Gitterplatten angewendet werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Brennstoffkassette für Kernreaktoren mit einem polygonalen Mantelrohr und einem in diesem angeordneten, hauptsächlich mittels der Wände des Mantelrohres zusammengehaltenen elastischen Brennstabbündel, das im wesentlichen aus parallelen annstäben besteht, die entsprechend einem gleichseitigen Dreieck versetzt angeordnet und mittels auf die Brennstäbe schraubenförmig mit derselben Windungsrichtung und im wesentlichen derselben Steigung aufgewickelter Abstandselemente gegenseitig auf Abstand gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstabbündel aus zwei Arten von Brennstäben A und B zusammengesetzt ist, wobei jeder Brennstab B ein Abstandseicment mehr als jeder Brennstab A trägt, und daß jeder Brennstab A. mit Ausmhme der an den Seiten des Bündels liegenden, von sechs Brennstaben B umgeben und \on den Abstandselementen dieser Bnnüstübe an verschiedenen Stellen, aber in im wesentlichen gleichen Niveaus gestützt wird, während jeder Brennstab B. mit Ausnahme der an den Seiten des Bündels liegenden, von sechs Brennstiib'jn. abwechselnd vom Typ A oder B. umgeben und an sechs verschiedenen und im wesentlichen auf gleichen Niveaus liegenden Stellen von diesen gestützt wird.

2. Brennstoff kassette nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jedes A~.«tundsclcrru*nl ein Draht (10') ist.

3. BrennstofFkassettc nach Anspruui 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht am Brennstab nur an seinen Finden und mit einer gewissen Vorspannung befestigt ist.

4. Brennstolfkassette nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abstandselement eine Rippe (10") ist, die in einem Stück mit der Brennstoffhülse (1) angefertigt ist.

5. Brennstoffkassette nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstab (5) eine als Stabverlängerung angeordnete schmale, federnde Stange (8) trägt, deren freies Ende an der Gitterplatte (4) beiestigt ist.

6. Brennstoffkassette nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstab B ein einziges Abstandselement (10") trägt, dessen Höhe in radialer Richtung im wesentlichen gleich dem Nennabstand zwischen zwei nahe aneinanderliegenden Brennstäben (5) ist. während alle Brennstäbe A kein Abstandselement tragen.

7. BrennstorTkassette nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstab B zwei diamelral entgegengesetzte Abstandselemente (10") und jeder Brennstab A ein einziges Abstandselement (10") trägt, wobei die Höhe der Abstandselemente in radialer Richtung im wesentlichen gleich dem halben Nennabstand zwischen zwei einander benachbarten Brennstäben (5) ist.