DE1805365A1 - Kernreaktor-Brennstoffelementeeinheit - Google Patents

Description

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Garmisoh-OPartenkirchen, 24-» Oktober 1968 HsiH

THE NUCLEAR POWER GROUP LIMITED,
Radbroke Hall, Knutsford, Oheshire, Grroflbritannlen

Kernreaktor-Brennstoff el entente einheit

Die Erfindung betrifft Kernreaktor-Brennstoffelementeeinheiten .

Eine bekannte Ausführungsform einer in gasgekühlten, graphitmoderierten Hoohtemperaturreaktoren verwendeten Brennstoffelementeeinheit besteht aus einer Mehrzahl von mit ihren Enden aufeinanderstoßenden und zusammengesteckten Rohrhülsen, die ein im wesentlichen einheitliches durchlaufendes Rohr bilden, jedoch an den Verbindungsstellen zwischen den Hülsen in gewissem Umfang gelenkig bleiben.

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in dem von den einzelnen"Hülsen gebildetendurchlauf enden Rohr liegen Bündel von Brennstoff enthaltenden Rohren. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß bei einer in einem vertikalen Kanal des Reaktorkernee liegenden Einheit die Hülsen und ebenso die Brennstoffbehälter in angrenzenden Hülsen sich gegenseitig stützen.

Die Brennstoff enthaltenden Rohre liegen meist in einem ringförmigen Raum, der zwischen den Röhrhüleen aus Graphit und einem zentral angeordneten rohrförmigen Element entsteht, welches Kernbrennstoff enthalten kann oder nicht. Der Hauptzweck dieses Zentralelements ist, die Handhabung der Brennstoffelementeeinheit beim Einführen in den oder Entfernen aus dem Kernaufbau zu erleichtern.

Durch das durch die Hülsen aus Graphit gebildete Rohr und über die Oberbläche der Kernbrennstoff enthaltenden, im Abstand voneinander liegenden Rohre strömt Kühlen· -

In Reaktoren, in denen das Kühlgas einen hohen Druck aufweist, können von dem Gasdruck herrührende Kräfte in den Brennstoff enthaltenden Rohren - nachfolgend "Brennetoffstäbe" genannt - eine Vibration mit der sich daraus ergebenden Gefahr der Beschädigung der Stäbe und verringerten Erzeugung von Spaltprodukten hervorrufen.

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Die feste Verklamraerung der Brennstoffstäbe kann insofern zu Schwierigkeiten führen, als sie die auf der Abstrahlung beruhende differentielle Ausdehnung oder Schrumpfung unmöglich macht und "die Gelenkigkeit der einzelnen Rohrhülsen der Einheit herabsetzt.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kernreaktor-Brennstoffelementeeinheit, in der Schwingungen der Brennstoffstäbe vermieden oder auf vernachlässigbare Werte verringert werden, ohne daß man zu irgendeiner Verklammerung Zuflucht nehmen muß.

Demnach betrifft die Erfindung eine Kernreaktor-Brennstoff elementeeinheit, bestehend aus einer Mehrzahl von mit den Enden aufeinanderstoßenden Hülsen, die in zwei oder mehr im Abstand voneinander angeordneten Bündeln Kernbrennstoff enthaltende Stäbe aufnehmen, wobei die in einem vertikalen Kanal des Reaktors in Bestimmungslage liegenden Stäbe eines Bündels durch die Stäbe des unmittelbar darunterliegenden Bündels gestützt werden und in einer oder mehreren Gruppen so angeordnet sind, daß die Stäbe jeder Gruppe mit denen einer korrespondierenden Gruppe des darunterliegenden Bündels zusammenwirken. Diese Einheit zeichnet sich dadurch aus, daß bei jedem Paar angrenzender Brennstoffstäbe die Endfläche mindestens eines Stabes einen weggeschnittenen Bereich bzw. einen Vorsprung derart aufweist, daß eine den Schwerpunkt eines Stabes mit den angrenzenden Endflächen verbindende verti-

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kale Linie außerhalb der Berührungsfläche zwischen zwei Endflächen verläuft und die Brennstoffstäbe der Gruppen so liegen, daß die durch ihr Gewicht hervorgerufenen Gravitationskräfte einer Gruppe Kräftepaare erzeugen, durch die sie an einem Ende aufeinander zu und am anderen Ende voneinander weg gegen feste Oberflächen gedrückt werden, die mindestens teilweise durch die Wände der Hülsen gebildet werden, wobei die auf zusammenwirkende Endflächen der Stäbe wirkenden Kräfte zusammengehörender W Gruppen in angrenzenden Bündeln alle Stäbe beider Gruppen entweder zueinander oder voneinander weg drücken.

Bei einer Ausführungsform der.Erfindung sind die Brennstoffstäbe gruppenweise in einem zwischen den Hülsen und einem Zentralglied gebildeten Ringraum aufgenommen, und die Enden der auseinanderliegenden Stäbe einer Gruppe liegen gegen die Innenwände der Hülse an, abwechselnd mit den sich gegen das Zentralglied abstützenden Stäben der anderen Gruppe.

TJm eine Relativdrehung zwischen den Stäben einer

Gruppe zu verhindern, können an jedem Stab Nasen angeformt sein, die mit Ausnehmungen oder Nasen angrenzender Stäbe der Gruppe zusammenwirken. Falls erforderlich, können die Nasen auch gegen Flächen anliegen oder in Ausnehmungen eingreifen, die an den Innenwänden der Hülsen und/oder Außenwänden der Zentralglieder an- bzw. einge-

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formt sind. Die Nasen können auch, als Abstandsglieder zwischen angrenzenden Brennstöffstäben eines Bündels wirken, und sie können sich, über die ganze Länge der Stäbe oder nur über deren Endbereiche erstrecken.

Die Erfindung besteht ferner in einer Kernreaktor-Brennstoffelementeeinheit, wie sie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben ist. In diesen stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kernreaktor-Brennstoff elemente einheit nach der Erfindung, geschnitten längs der Linie A-A der Fig. 2,

Pig. 2 eine Aufsicht auf eine Einheit nach Pig. 1, gesehen in Pfeilriehtung B nach Pig. 1,

Pig. 3 einen Schnitt durch den Endbereich eines Brennstoffstabes aus einer Einheit nach den Pig. 1 und 2,

Pig. 4 eine vereinfachte und schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Einheit gemäß der Erfindung, die in übertriebener Weise die Stellungen, die die Brennstoffstäbe einzunehmen versuchen, veranschaulicht.

Bei einer beispielhaften und zunächst unter Bezugnahme auf die Pig. 1 und 2 erläuterten Ausführungsform ist eine Kernreaktor-Brennstoffelementeeinheit aus einer Mehrzahl von Graphithülsen einer mit 1 bezeichneten Art aufgebaut. Jede Hülse nimmt ein Bündel von Kernbrennstoff

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- 6 enthaltenden Stäben 2 auf.

Die Stäbe 2 liegen in einem Ringraum 31 der zwischen der Hülse 1 und einem in deren Mittelachse liegenden Zentralteil· 4 verbleibt.

Die Stäbe 2 sind - bei dem dargestellten Beispiel · in Dreiergruppen angeordnet. Eine typische Gruppe ist bei 2.., 2p und 2, gezeigt. Jeder Stab besteht hauptsächlich aus einem Kernbrennstoff 5 aufnehmenden Rohr. Der Brennstoff kann innerhalb des Rohres oder, wie in Pig. 3 veranschaulicht, innerhalb seiner Wände liegen.

Jeder Stab 2 weist Nasen 2a auf, die gegen entsprechende Nasen benachbarter Stäbe der zugehörigen Gruppe so anliegen, daß eine Drehung der Stäbe gegeneinander verhindert wird.

Die Stäbe können außerdem zusätzliche Nasen 2b aufweisen, die dazu dienen, einen Stab von einem anderen Stab einer -angrenzenden Gruppe oder dem Zentralteil 4 im Abstand zu halten oder die hinter Vorsprünge 1a der Innenwand einer Hülse 1 greifen. Die Nasen 2a, 2b können sich über die gesamte axiale länge der Stäbe 2 oder nur über kürzere Abschnitte an den Enden erstrecken.

Die unteren Endflächen der Brennstoffstäbe 2 haben bei der dargestellten Ausführungsform weggeschnittene Bereiche oder Vorsprünge, die bezüglich.der Mittelachsen

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der Stäbe, versetzt liegen. In der nachfolgenden Beschreibung wird der Begriff "Vorsprung" gebraucht und ein solcher Vorsprung jeweils mit 2c bezeichnet. Die Form der Vorsprünge ist aus Pig. 2 ersichtlich. Bei dem -dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die oberen Endflächen der Stäbe keine versetzten Vorsprünge auf, aber solche können, falls gewünscht, auch an den oberen ündflachen angeformt sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann am besten unter Bezugnahme auf Fig. 4 erklärt werden, die einen Teil des ringförmigen Kanals zeigt, der zwischen einem Stapel von Hülsen 1 in einer Brennstoffelementeeinheit und einem Zentralteil 4-, der auch, wie dargestellt-, eine Anzahl von rohrförmigen, mit ihren Enden aufeinanderliegenden Teilen sein kann, geformt wird. Einzelheiten der Verbindungen zwischen den Hülsen und rohrförmigen Teilen sind nicht dargestellt, da sie nicht Teil der Erfindung sind.

Zum Zwecke der Erklärung ist angenommen, daß die Stäbe 2p und 2, jeder Gruppe in der Zeichenebene liegen, obwohl klar, daß dies in der Praxis nicht der Fall ist, wenn sie gemäß Fig. 3 in Dreiergruppen angeordnet liegen. Die Stäbe 2 in der zweiten Hülse von oben in der Zeichnung sind in der gleichen Weise angeordnet, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die Vorsprünge 2c liegen gegen flache Endflächen angrenzender Stäbe 2 einer ent-

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sprechenden Gruppe in dem Bündel der darunterliegenden Hülse an.

Betrachtet man zunächst die beiden angrenzenden Hülsen in der Mitte der Fig. 4».so erkennt man, daß die von den Gewichten der Stäbe in der oberen der beiden Hülsen hervorgerufenen Gravitationskräfte längs'einer vertikalen Linie wirken, die durch die Schwerpunkte der Stäbe geht. Diese vertikale Linie verläuft außerhalb der Berührungsbereiche zwischen angrenzenden Stäben mit der Folge, daß Kräftepaare erzeugt werden, die bestrebt sind, die Stäbe auseinander zu halten, wie in Fig. 4 in übertriebener Weise dargestellt.

Die auf die Verbindungsstellen zwischen den Endflächen der Stäbe wirkenden Querkräfte werden von den Wänden der Hülsen 1 und von den Stäben einer benachbarten (nicht dargestellten) Gruppe über das Zentralglied 4 aufgenommen.

Betrachtet man nun das obere Hülsenpaar, so sieht man, daß die Vorsprünge an den unteren Enden der Stäbe 2 in der obersten Hülse so liegen, daß die Gravitationskräfte ein Kräftepaar erzeugen, das die Stäbe in sich wechselseitig unterstützender Beziehung gegeneinander lehnen läßt. So lehnen die Brennstoffstäbe jeder Gruppe einer Hülse sich an einem Ende gegeneinander, während sie sich an dem anderen Ende voneinander wegdrücken. Die Anordnung der Stäbe und die ihrer jeweiligen Vorsprünge

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ist so, daß in angrenzenden Hülsen die Stäbe entsprechender Gruppen entweder alle mit angrenzenden Flächen einwärts oder alle auswärts gerichtet sind.

Wie bereits erwähnt, sind die Stäbe in Fig. 4 in übertriebener Weise schrägliegend dargestellt. In der Praxis werden sie im wesentlichen vertikal liegen, aber die auf sie wirkenden Kräfte wirken den eine Vibration hervorrufenden Kräften entgegen.

Bei dem dargestellten Beispiel wird angenommen, daß die Brennstoffelemente Graphithülsen haben, aber für die Erfindung ist die Verwendung von Graphit für die Hülsen nicht wichtig, und auch andere Neutronen wenig absorbierende Materialien, wie beispielsweise Siliciumcarbid, können verwendet werden. Auch die Kernbrennstoff enthaltenden Teile können aus Graphit oder einem anderen Neutronen gering absorbierenden Material bestehen.

Die beschriebene Brennstoffelementeeinheit ist zwar insbesondere für gasgekühlte, graphitmoderierte Reaktoren geeignet, kann aber auch in jedem anderen Reaktor verwendet werden, in dem die Brennstoffelementeeinheit in einem vertikalen Kanal untergebracht ist, durch den ein Kühlfluidum zirkuliert.

Bei der beschriebenen und dargestellten Ausführungsform besteht jedes Bündel aus einer Vielzahl von Gruppen aus Brennstoffstäben, aber dies ist nicht entschei-

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dend. Unter gewissen Umständen kann ein Bündel auch nur eine Gruppe mit jeder geeigneten Anzahl von Stäben enthalten. Ebenso spielt es für die Erfindung keine Rolle, ob jede Gruppe die gleiche Zahl von Brennstoffstäben hat oder nicht.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist ferner ein Brennstoffstab als ein Kernbrennstoff aufnehmendes Einzelteil gezeigt, aber der Begriff soll auch Anordnungen t einschließen, in denen jeder Teil eine Mehrzahl getrennter Elemente einschließt, von denen jedes Kernbrennstoff enthält und ähnliche versetzte Vorsprünge aufweist, so daß alle Elemente eines Teils bezüglich ihrer Anlehnung gegeneinander oder an die Wände der Hülse oder des Zentralteils in derselben Richtung tendieren.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Kernreaktor-Brennstoffelementeeinheit, bestehend aus einer Mehrzahl von mit den Enden aufeinanderstoßenden Hülsen, die in zwei oder mehr im Atistand voneinander angeordneten Bündeln Kernbrennstoff enthaltende Stäbe aufnehmen, wobei die in einem vertikalen Kanal des Reaktors in Bestimmungslage liegenden Stäbe eines Bündels durch die Stäbe des unmittelbar darunterliegenden Bündels gestützt werden und in einer oder mehreren Gruppen so angeordnet sind, daß die Stäbe jeder Gruppe mit denen einer korrespondierenden Gruppe des darunterliegenden Bündels zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet , daß bei jedem Paar angrenzender Brennstoffstäbe (2) die Endfläche mindestens eines Stabes einen weggeschnittenen Bereich bzw. einen Vorsprung (2c) derart aufweist, daß eine den Schwerpunkt eines Stabes mit den angrenzenden Endflächen verbindende vertikale Linie außerhalb der Berührungsfläche zwischen zwei Endflächen verläuft und die Brennstoffstäbe der Gruppen so liegen, daß die durch ihr Gewicht hervorgerufenen Gravitationskräfte einer Gruppe Kräftepaare erzeugen, durch die sie an einem Ende aufeinander zu^urid am entgegengesetzten Ende voneinander weg gegen feste Oberflächen gedrückt werden, die mindestens teilweise durch die Wände der Hülsen (1) gebildet werden, wobei die auf zusammenwirkende Endflächen der Stäbe wirkenden Kräfte zusammengehörender Gruppen in angrenzenden Bündeln alle Teile beider Gruppen entweder zueinander oder

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voneinander weg drücken. " .

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennstoffstäbe gruppenweise (2₁ , 2₂, 2,) in einem zwischen den Hülsen (1). und einem Zentralglied (4) gebildeten Ringraum liegen und die Enden auseinanderliegender §täbe einer Gruppe gegen die Innenwände der Hülse anliegen, abwechselnd mit den sich gegen das Zentralglied abstützenden Stäben der anderen Gruppe

3. Einheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß zur Vermeidung einer Relativdrehung zwischen den Stäben einer Gruppe an jedem Stab Nasen (2a) angeformt sind, die mit Ausnehmungen oder Nasen angrenzender Stäbe der Gruppe zusammenwirken.

4. Einheit nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Nasen (2a) gegen Flächen (1a) anliegen oder in Ausnehmungen eingreifen, die an den Innenwänden der Hülsen und/oder Außenwänden der Zentralglieder an- bzw. eingeformt sind.

5. Einheit nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Abstandselemente zwischen angrenzenden Brennstoffstäben eines Bündels dienende Nasen (2a) vorgesehen sind.

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6. Einheit nach den Ansprüchen 1 sowie 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Nasen (2a, 2b) sich über die ganze Länge oder nur über· die Bndbereiche der Brennstoffstäbe erstrecken.

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