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Brennstoffpatrone zum Einsetzen von oben in einen Kernreaktorkern
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffpatrone, die von oben her in einen Kernreaktorkern
einsetzbar ist und aus einem 3rennstoffstabbundel mit mehreren im wesentlichen parallelen
vertikalen Brennstoffstäben und einem das BrennstoffstabbUndel umgebenden und tragenden
vertikalen Hüllenrohr besteht.
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Brennstoffpatronen, beispielsweise für Leichtwassersiedereaktoren,
haben teure Hüllenrohre. Um den Aufwand für diese Rohre zu senken, ist bereits vorgeschlagen
worden, die Patronenkonstruktion so zu gestalten, daß das Hüllenrohr wiederverwendbar
ist. Nach einem bekannten Vorschlag müssen eine Anzahl Brennstoffstäbe im Bündel
beim Transport der Brennstoffpatron. das Gewicht der Patrone tragen. Das Hüllenrohr
hängt bei dieser Konstruktion an der Deckplatte des BrennstoffßtabbUndels und kann
nach Lösen einiger Schrauben abgehoben werden. Der Nachteil dieser Konstruktion
ist, daß die nach der Bestrahlung im Reaktor spröden Brennstoffstäbe beim Herausnehmen
aus dem
Reaktorkern zerrissen werden können, was sehr ernste Folgen
haben würde. Nach einem anderen Vorschlag wird das Hüllenrohr als tragender Teil
der Konstruktion ausgef4ihrt, indem es an der Deckplatte des Bündels festgeschraubt
und mit einem Bodenstück versehen wird, auf dem die Bodenplatte des Bündels ruhen
kann. Wenn man auch in diesem Fall beim Hantieren des Brennstoffstabbündels einige
wenige Brennstoffstäbe das Gewicht dieses BUndels tragen läßt, wird doch das Hüllenrohr
beim Hantieren der Brennstoffpatrone das ganze Gewicht der Patrone tragen und alle
Beanspruchungen aufnehmen, unter der Voraussetzung, daß das Hüllenrohr nicht erheblich
deformiert wird.
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Es hat sich gezeigt, daß bei den bekannten Brennstoffpatronen mit
wiederverwendbaren Hüllenrohren der wesentliche Nachteil besteht, daß für die Trennung
von Hüllenrohr und Brennstot'fstabbündel voneinander die Befestigungsorgane wie
Schrauben o.dgl. gelöst werden müssen, die das Hüllenrohr am Brennstofistabbündel
festhalten. Das kann aber wegen der Strahlungsgefahr gewöhnlich nur in sechs bis
zehn Metern Tiefe in einem mit Wasser gefüllten Aufbewahrungsbassin geschehen. Es
ist offensichtlich, daß dies bedeutende Hantierungsschwierigkeiten und Zeitvergeudung
verursacht und kostspielige Werkzeuge erfordert.
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Ein Zweck der Erfindung ist, die obengenannten Nachteile zu vermeiden.
Dies wird dadurch ermöglicht, daß das Brennstoffstabbündel einen lose und frei herauBnehbaren
Einsatz im
Hüllenrohr bildet und dieses an seinem oberen Ende Tragorgane
hat, so daß das Hüllenrohr mit dem Lasthaken eines Hebegeräts zusammen mit der ganzen
Brennstoffpatrone angehoben werden kann. Mit disser Ausbildung der Brennstoffpatronen
wird gewonnen, daß beim Reben der Brennstoffpatrone mit dem Tragorgan des Hüllenrohrs,
beispielsweise vom Platz der Patrone im Reaktorkern, das HUllenrohr allein das ganze
Gewicht der Patrone trägt und alle Beanspruchungen aufnimmt. Eine Gefahr des Zerreissens
der bestrahlten zerbrechlichen Stäbe beim Brennstoffwechsel liegt nicht vor. Außerdem
wird gewonnen, daß das Trennen von Hüllenrohr und verbrauchtem Brennstoffstabbündel
im Aufbewahrungsbassin mit besonders einfachen und billigen Workzeugen in einer
einfachen Weise und ohne Zeitvergeudung geschehen kann. Man kann auch ganz einfach
die Brennstoffpatrone umkehren und das Brennstoffstabbündel herausschütteln oder
erforderlichenfalls leicht herausziehen, ohne im voraus einige Schrauben o.dgl.
lösen zu mUseen.
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Vorzugsweise bestehen die Tragorgane des Hüllenrohres aus ragösen,
die als Verlängerungen der Hüllenrohrwand ausgeführt sind. Das Hüllenrohr ist zweckmäßig
mit einem Bodenstück versehen, auf dem das Brennstoffstabbündel ruht. Kit Vorteil
kann das Brennstoffstabbündel mit einem besonderen Tragorgan bUr den Lasthaken eines
Hebezeuges versehen sein, um seine Ilantierung zu erleichtern. Es ist bei gewissen
Brennstoffpatronen mit im wesentlichen polygonalem, beispielsweise hauptsächlich
quadratischem Querschnitt zweckmäßig, daß die Tragorgan in zwei diagonal entgegengesetzten
Ecken des Querschnitts liegen.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung ist, bei Brennstoffpatronen mit HUllenrohren
des oben beschriebenen "Tragtaschen"- oder "Beutel"-Typs, die nicht geschraubt,
genietet oder in einer anderen Weise an der Deckplatte des Brennstoffstabündels
o.dgl. angebracht werden, eine Abnutzung zwischen dieser Deckplatte oder dem entsprachenden
Teil und dem Hüllenrohr zu vermeiden.
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Dies wird dadurch erreicht, daß das Brennetoffstabbtndel an seinem
oberen Ende mit federnden Organen, vorzugsweise paarweise angeordneten Blattfedern,
versehen ist, die das Brennstoffstabbündel im HUllenrohr zentrieren. Die Blattfedern
oder federnden Organe anderer Form werden dabei vorteilhaft im wewesentlichen an
Tragorganen des Hüllenrohre angeordnet, d.h. bei quadratischem Querschnitt vorzugsweise
in den beiden Ecken, die Tragösen oder entsprechende tragorgan haben. Dabei können
die anderen beiden Ecken mit Federn versehen sein, die die Brennstoffpatrone oder
das Brennstoffstabbündel im oberen Kerngitter zentrieren.
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Bei der Herstellung von Hllllenrohren mit im wesentlichen polygonalox,
z.B. im wesentlichen quadratischom Querschnitt, die Anschlußorgans fUr Hebegeräte
haben, können diese Anschlußorgane wie oben erwähnt als zwei Tragösen in diagonal
entgegengesetzten Ecken am oberen Ende des Hüllenrohres ausgebildet sein.
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Bin weiterer Zweck der Erfindung ist dabei, statt die übrigen Ecken
auf dem oberen Ende des Hüllenrohres ganz zu entfernen,
diese als
Federn zwischen dem Kerngitter und der Patrone oder zwischen dem Hüllenrohr und
dem Brennstoffstabbündel oder zwischen allen diesen drei Komponenten auszuführen.
Federn nach der letzteren Ausführungsform können so ausgebildet werden, daß beim
Montieren des BrennstofstabbUndels in das Hüllenrohr nur eine geringe Federkraft
zwischen dem Hüllenrohr und dem Stabbündel erhalten wird, aber beim Herablassen
der Patrone in. den Kern werden die Federn vom Kerngitter abgebogen, und die Kraft
zwischen dem Stabbündel und Hüllenrohr nimmt zu. Es ist zweckmäßig, das Hüllenrohr
in der in der deutschen Patentanmeldung P 17 52 486.6 angegebenen Weise herzustellen,
um die in diesem Fall besonders wichtige Bemessungsgenauigkeit zu erhalten. Als
Material für das Hüllenrohr eignet sich dann kaltbearbeitetes Zircaloy, gehärtetes
Zr-2,5 % Nb o.dgl.. Mit Zr-2,5 % Nb meint man eine 2,5 % Niobium enthaltende Zirkoniumlegierung.
Der Berührung3punkt zwischen der Feder und der respektiven Komponente kann als Ausprägung
oder Ausbiegung aus dem Federmaterial ausgeführt sein, aber wenn eine härtere Oberfläche
erforderlich ist, kann eine aufgenietete oder aufgeschweißte Nocke den Berührungspunkt
bilden.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung in einer für einen Beichtwassersiedereaktior
geeigneten Form sind im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen:
Fig. 1 eine Brennstoffpatrone mit tragendem und wiederverwendbarem Hüllenrohr in
teilweisem Längsschnitt nach Linie I-I in Fig. 2,
Fig. 2 eine obere
Stirnansicht der Brennstoffpatrone nach Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt der Brennstoffpatrone
nach der Linie III-III in Fig. 1, Fig. 4 eine untere Stirnansicht der Brennstoffpatrone
nach Fig. 1, Fig. 5 in PeXpektive den oberen Teil der Brennstoffpatrone nach Fig.
1 und Fig. 6 bis 10 weitere in Perspektive dargestelIte Ausführungsformen des oberen
Teils der Brennstoffpatrone.
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In dej Figuren bezeichnet 1 eine Anzahl Brennstoffstäbe, die einen
keramischen Kernbrennstoff wie U02 in der Form von gesinterten Tabletten 2 enthalten.
Diese sind in einem Kapselungsrohr 3 eingeschlossen, das an den Enden mit Endpfropfen
4 und 5 oder 6 und 7 verschlossen ist. Die Kapselungsrohre und die Endpfropfen können
aus einer Zirkoniumlegierung, z.B. Zircaloy, bestehen. Im oberen Teil jedes Stabes
ist ein Spaltgasraum 8 angeordnet, in dem eine Schraubenfeder 9 sitzt. Die Brennstoffstäbe
sind parallel zueinander zwischen einer Deckplatte 10 und einer Bodenplatte 13 angeordnet,
die mit Schenkeln 14 versehen ist und von einem Hüllenrohr 12 mit im wesentlichen
quadratischem Querschnitt umgeben ist. Das Hüllenrohr hat ein Bodenstück 15, das
in eine Patronenaufstellplatte
(Kernboden) paßt. Die Schenkel 14
ruhen auf dem Bodenstück 15.
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Die Deckplatte 10 und Bodenplatte 13 sind gitterähnlich ausgebildet
und haben Ausnebmungen zur Aufnahme von auf den Bndpfropfen 4, 5, 6, 7 angeordneten
Vorsprüngen, die zum Fixieren der Brennstoffstäbe in einem vorausbestimmten Abstand
voneinander dienen.
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Damit die Brennstoffstäbe, die s.B. eine 3,5 m übersteigende Länge
und eine Dicke von s.B. 12,5 mm haben können, nicht durch die Vibrationen zerstört
werden, die durch die Strömung des Ktlhlnittels durch die Brennstoffpatrone verursacht
werden, sind in mehreren Höhenlagen (nur eine Höhenlage ist gezeigt) Abstandhalter
16 angeordnet, die die Brennstoffstäbe 1 in ihrer vorgesehenen Lage halten. Feder
dieser Abstandhalter enthält eine Anzahl Abstandhalterelemente 17, die in einem
Abstandhalterrahmen 18 angeordnet sind. Die Abstandhalterelemente 17 können s.B.
die in der belgischen Patentschrift 683 351 gezeigte AusfUhrung haben oder eine
noch vorteilhaftere, wie sie in der belgischen Patentschrift 708 277 gezeigt ist.
Der Abstandhalterrahmen 18 wird im HUllenrohr 12 durch vom Rahmen 18 getragene Federorgane
zentriert, z.B. acht Blattfedern in der Form von Federzungen 19, im gezeigten Fall
acht Zungen, also zwei Federn pro Hüllenrohrseite. Wenn erwünscht, kann der Abstandhalter
16 axial in Verhältnis zum Ktlllenrohr 12 durch Federzungen 19 fixiert werden, die
an zwei einander entgegengesetzten
Seiten des Abstandhalterrahmens
18 angeordnet sind, mit Vorsprüngen in der Form von kurzen Stiften oder Zapfen 20
versehen, die in auf dem Hüllenrohr angeordnete Ausnehmungen in der Form von Löchern
21 eingreifen, die etwas größer als die Stifte sind. Diese Löcher 21 werden zweckmäßig
mit Hilfe einer Bohrschablone gebohrt, und es ist zweckmäßig, die Federzunge 19
so auBzufUhrcn, daß sie das etwas zu große Loch 21 abdeckt und die Leckage durch
diese begrenzt.
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Die Kombination von mehreren Brennstoffstäben mit Abstandhaltern und
eventuell Deck- und Bodenplatte wird gewöhnlich kurz Bündel genannt und ist in den
Figuren mit 11 bezeichnet.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffpatrone nach Pig. 1 bis 4 enthält
das Bündel vierundsechzig Brennstoffstäbe, von denen nur zwei tragend sind. Natürlich
können, wenn erwünscht, auch eine andere Anzahl Stäbe, z.B. vier, tragend sein.
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Die Endpfrepfen 6 und 7 der tragenden Stäbe haben dickere und längere
Vorsprünge, die an den Außenenden mit einem Gewinde versehen sind und mit auf der
anderen Seite der Deck- bzw.
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Bodenplatte liegenden Gegenmuttern 22 gesichert werden können, wobei
ein gewisses Spiel für die thermische Längenausdehnung zwischen den Muttern 22 bzw.
der Platte 10 und 13 und zwischen der Deckplatte 10 und den oberen Ansätzen 23 der
Stäbe 1 belassen wird. Die geringe Anzahl der tragenden Stäbe wird dadurch ermöglicht,
daß ihre tragende Funktion nur beim Hantieren
des Bündels 11 selbst
ausgenutzt wird, z.B. beim Einsetzen eines Bündels in das Hüllenrohr. Bei Hantierung
des Brennstofrstabbündels 11 wird ein auf der Deckplatte 10 befestigter Griff 24
benutzt. Zum Hantieren der 3rennstoffpatrone ist das Hüllenrohr 12 an seinem oberen
Ende mit zwei Tragorganen für Hebegeräte in der Form eines Paares diagonal entgegengesetzter,
mit Löchern 29 versehener Tragösen 25 versehen, die eine Verlängerung des Hüllenrohres
12 sind. Dies ist am deutlichsten in den Fig. 5 bis 10 veranschaulicht. Vorzugsweise
sind die Tragösen 25 in einem Stück mit dem Hüllenrohr 12 ausgeführt, aber es ist
auch denkbar, sie festzuschweissen oder festzunieten. Ein solches Nieten wird vorzugsweise
an der Außenseite des Hüllenrohres vorgenommen und ermöglicht die Wahl eines anderen
Materials für die Tragösen als für das Hüllenrohr. Statt die Tragösen 25 oder die
Hüllenrohrverlängerung mit Löchern 29 zu versehen, um das Greiforgan des Hebegeräts
das flüllenrohr ergreifen und heben zu lassen, können die Tragösen 25 bzw.
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Hüllenrohrverlängerung mit innen oder außen angeordneten (nicht gezeigten)
Vorsprüngen vasehen werden. Die Löcher 29 oder Vorsprünge haben mindestens Je eine
wenigstens teilweise nach unten gekehrte Schulter 30, die eine Angriffsmöglichkeit
für das Greiforgan des Hebegeräts bietet. Wenn die Vorsprünge innen angeordnet werden,
kann das Brennstoffstabbündel 11 mit diesen entsprechenden Ausnehmungen versehen
werden, um ein einfaches Auseinandernehmen der Brennstoffpatrone zu ermöglichen.
Vorzugsweise
haben jedoch diese Vorsprünge eine minimale rstreckung
von der Innenseite des Hüllenrohres 12 hinein gegen die Längsachse der Brennstoffpatrone.
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Der Bodenteil 15, auf dem wie zuvor erwähnt das Brennstoffstabbündel
11 ruht, ist im Hüllenrohr 12 mit Nieten 26 oder Schrauben 27 befestigt. Die Schrauben
27 können mit törnerschalg, Heli-Coil# Mid-Grip o.dgl. gesichert werden.
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Beim Herausnehmen der Brennstoffpatrone aus dem Kern besteht keine
Gefahr, daß die Stäbe 1, die nach der Bestrahlung brüchig geworden sind, zerrissen
werden, was ernste Folgen haben könnte. Das Auseinandernehmen einer Brennetoffpatrone
zum Wiederverwenden des Hüllenrohres 2 und Bodenstucks 15 kann geschehen, nachdem
die Stifte 20 der Federn 19 bis unter die Innenseite des Hüllenrohres 12 hineingedrückt
worden sind.
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Ein solches Eindrücken kann mit Hilfe von Blechen o.dgl. geschehen,
die mit Stiften versehen sind und gegen die Seiten des Hüllenrohres gepreßt werden.
Das Auseinandernehmen der Brennstoffpatrone wird noch einfacher, wenn die Abstandhalter
16 statt in herkömmlicher Weise in axialer Richtung mit langgestreckten längsverlaufenden
Stützorganen fixiert sind, oder wenn sie überhaupt nicht fixiert sind, sondern nur
durch die Reibung an den Stäben auf ihrem Platz gehalten werden. Wenn man befürchtet,
daß die wenigen tragenden Brennstoffstäbe, die das Bündel 11 zusammenhalten, nicht
ohne Bruch das Herausziehen
des BSndels aus dem Hüllenrohr zulassen,
kann man stattdessen ganz einfach die Brennstoffpatrone wenden, um das Bündel herauszuschütteln.
Die am oberen Ende. der Brennstoffpatrone angeordneten langgestreckten, längsverlaufenden
Federn 28 dienen zum Zentrieren der Brennstoffpatrone im oberen Kerngitter und können
an der Deckplatte 10 oder am Hüllenrohr 12 befestigt sein und im letzteren Fall
zusammen mit diesem wiederverwendet werden. In keinem Fall brauchen sie beim Auseinandernehmen
der Brennstoffpatrone entfernt zu werden.
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Da das Brennstoffstabbündel 11 wie ausgeführt als loser Einsatz im
Hüllenrohr 12 steht, muß eine Abnutzung zwischen der Deckplatte 10 und dem Hüllenrohr
12 verhindert werden. Dies geschieht zweckmäßig mittels an der Deckplatte angebrachter,
paarweise angeordneter Blattfedern 31, die im Anschluß an die Tragösen 25 (Fig.
2 und 5) angeordnet sind.
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Wenn die Tragösen 25 in einem Stück mit dem Hullenrohr ausgeführt
sind, können die restlichen über dem oberen Ende des Brennstoffstabbündels 11 liegenden
Teile des Hüllenrohres entfernt werden, so daß das obere Ende des Hullenrohres ein
im wesentlichen dem in Fig. 5 gezeigten ähnliches Auss@hen bekommt. Statt diese
Teile zu entfernen, können sie als Federn 28' zwischen dem Kerngitter und der Brennstoffpatrone
auDgeführt werden (Fig. 6 und z, als Federn 31' zwischen dem Brennstoffstabbündel
11
und Hüllenrohr 12 (Fig. 8) oder als Fedorn 32 mit einem federnden Teil 28" zwischen
dem Kerngitter und dem Hüllenrohr 12 und einem federnden Teil 31" zwischen dem Brennstoffstabbündel
11 und Hüllenrohr 12 (Fig. 9 und 10).
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Das Niveau der Deckplatte ist in Fig. 6 bis 10 mit einer strichpunktierten
Linie gezeigt. Der Berührungspunkt zwischen der Feder (28, 28', 28" und 31, 31',
31") und der respektiven Komponente (Deckplatte 10 bzw. Kerngitter) kann als Ausprägung
33 oder Ausbiegung 34 aus dem Federmaterial ausgebildet werden, aber wenn eine härtere
Oberfläche für notwendig gehalten wird, kann eine aufgenietete oder aufgeschweißte
Erhöhung den Berührungspunkt bilden. Die Federn 32 in Fig. 9 und 10 sind so gebogen,
daß beim Einsetzen eines Brennstoffstabbündels in das Hüllenrohr nur eine geringe
Federkraft zwischen dem Brennstoffstabbündel 11 und Hüllenrohr 12 erhalten wird,
d.h. zwischen der Deckplatte 10 und den federnden Teilen 28" auf den Federn 32.
Bei einem folgenden Absetzen der Brennstoffpatrone in den Kern werden die Federn
32 vom Kerngitter nach innen gebogen, und die Federkraft zwischen dem BrenntoffstabbUndel
11 und Hllllenrohr 12 nimmt zu. statt eine Verlängerung des Hüllenrohres 12 als
besondere Tragösen 25 auszubilden, kann man auch das Hüllenrohr 12 mit derselben
Strecke um den ganzen Umkreis des Querschnitte verlängern. In diesem Fall müssen
Löcher für die Führungsfedern 28 in der Hüllenrohrwand angeordnet werden.