DE1877577U - Kernreaktor-brennstoffelement, das in einer halterungszelle zahlreiche brennstoffstaebe enthaelt. - Google Patents

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Patentanwälte V η α -, ι r λ Λ ι η 1 Γ Ρ1 Beetz u. Lamprecht RA. 3*t5 817*27. 5.63 Dlplom-Jngerileure

MUnohen22,S)ei«dorfs»ralje10 410-8622G· 27.5.1963^s

COMMISSARIAT A I¹EHERGIE ATOMIQUE, Paris 7e*me (Frankreich)

Kernreaktor-Brennstoffelement, das in einer Halterungszelle zahlreiche Brennstoffstäbe enthält

Die Neuerung betrifft Kernreaktor-Brennstoffelemente, die in einer Halterungszelle zahlreiche Brennstoffstäbe enthalten und insbesondere für den Einbau in Druck- und/oder Siedereaktoren bestimmt sind.

Die Neuerung betrifft ganz speziell Kernreaktor-Brennstoffelemente der oben genannten Art, deren Brennstoffstäbe, die aus Brennstoffpastillen bestehen, insbesondere Pastillen aus angereichertem Uranoxyd, welche in vorzugsweise aus Zircalloy hergestellten Hülsen übereinandergesetzt sind, zu Stabbündeln mit rechteckigem Querschnitt zusammengefaßt und durch geeignete Abstandshalter in der Halterungszelle gehalten sind«

Der Zweck der Neuerung besteht im wesentlichen darin, derartige zusammengesetzte Kernbrennstoffelemente derart auszubilden, daß sie besser als bisher den unterschiedlichen Anforderungen der Praxis genügen; insbesondere soll der Zusammenbau erleichtert und vereinfacht werden, jeder Brennstoffstab soll zur Vermeidung unerwünschter Ausbiegungen die Möglichkeit haben, sich unabhängig von_t den anderen Stäben auszudehnen und die Festigkeit des Zusammenhanges der Teile des Brennstoffelementes

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soll selbst bei heftigen Stoßen und sehr starken Stoßbeschleunigungen gewährleistet sein, wobei jedoch die guten hydrodynamischen Eigenheiten der Brennstoffstabbündel in bezug auf den Durchströmungsverlust und den Wärmeaustauschkoeffizienten an der Oberfläche der Umhüllungen der Brennstoffstäbe erhalten bleiben.

Ein diesen Anforderungen genügendes neuerungsgemäßes Kernreaktor-Brennstoff element^, das in einer Halterungszelle zahlreiche Brennstoffstäbe enthält, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die sich über die gesamte Höhe des Reaktorkernes erstreckenden Brennstoffstäbe, die je in einem Hülsenrohr übereinandergesetzte Brennstoffpastillen enthalten,zu vier Stab-Bündeln in quadratischer Netz-Anordnung zusammengefaßt sind, die in mehreren Höhenzonen Haltemittel aufweisen, welche aus flachen Abstandshaltern und die Bündel in den Zonen umgebenden Bandagen bestehen und daß die Brennstoffstäbe lediglich an ihrem unteren Teil festgelegt sind.

Neben diesem Hauptmerkmal können in vorteilhafter Weiterbildung des neuerungsgemäßen Brennstoffelementes noch weitere Merkmale - einzeln oder in Kombination - Anwendung finden, insbesondere das Merkmal, daß die Haltemittel in jeder der Höhenzonen einerseits zwei übereinander angeordnete Bandagengruppen aufweisen, von denen jede aus zwei stoßgeschweißten Bandagen besteht, die^ie Hälfte des Stabbündels umfassen und in Rechteckform derart gebogen sind, daß sie zwei längs einer ihrer längenseiten zusammenliegende Rechtecke begrenzen und einen gemein-

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samen zentralen Steg bilden, der einen rechteckigen Durchbruch enthält, wobei die zentralen Stege der beiden übereinander angeordneten Bandagengruppen rechtwinklig zueinander liegen, und die Haltemittel anderseits zwei Sätze von im gleichen Höhenbereich wie die beiden Gruppen von Bandagen übereinander angeordneten flachen Abstandshaltern umfassen, von denen jeder Satz aus einer' gewissen Anzahl von parallelen rechteckigen Trennstegen besteht, die jeweils in der Mitte ihrer Längenseiten zwei Nuten aufweisen, durch die sie in dem rechteckigen Durchbruch des zentralen Steges der Bandagen festlegbar sind und die senkrecht zum zentralen Steg der betreffenden Bandagengruppe und infolgedessen auch senkrecht zu den Trennstegen der benachbarten Bandagengruppe liegen»

Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erzielen, daß die Mittel zur Befestigung der Brennstoffstäbe an ihrem unteren Teil, an dem jeder Stab einen Stopfen aufweist, durch rohrförmige Abstandshalterungen gebildet sind, die von einer unteren Bodenplatte der Halterungszelle getragen werden und an denen die Stopfen der am Umfang einer Gruppe von Brennstoffstäben befindlichen Stäbe festgeschweißt sind, daß je vier Gruppen von Brennstoffstäben jeweils eines der vier in quadratischer Anordnung in der Zelle zusammengefaßten Stabbündel bilden und daß der zentrale Stopfen jeder Stabgruppe nach unten durch einen Gewindeansatz verlängert ist, der durch Verschraubung in der unteren Bodenplatte festgelegt iste

Zur näheren Erläuterung der Neuerung wird nunmehr ein ausge-' wähltes Ausführungsbeispiel eines neuerungsgemäßen Brennstoff-

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elementes beschrieben, das in der Zeichnung veranschaulicht ist; in dieser Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine in Kavallierperspektive gezeichnete Darstellung eines teilweise aufgebrochenen mittleren Abschnittes des neuerungsgemäßen Brennstoffelementes;

Pig« 2 einen gebrochenen Axial-Längsschnitt durch ein vollständiges Brennstoffelement gemäß der Neuerung (der Schnitt verläuft längs der Schnittlinie b-b und h-h der weiteren Fig. 4 und 6);

Pig. 3 eine Aufsicht auf das Brennstoffelement nach Pig. 2, gesehen in Richtung des Pfeiles f;

Pig. 4 einen Querschnitt längs der Schnittlinie a-a der Pig. 2;

Pig. 5 einen Querschnitt längs der Schnittlinie d-d der Pig. 2;

Pig. 6 einen Querschnitt längs der Schnittlinie g-g der Pig. 2.

In den Piguren der Zeichnung sind nur die für das Verständnis der !Teuerung notwendigen !Peile dargestellt und bezeichnet; in aller Piguren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen»

Das in Pig« 2 dargestellte vollständige Brennstoffelement ist dazu bestimmt - zusammen mit anderen gleichartigen Elementen in den Kernteil eines Druck- oder Siedereaktors eingesetzt zu werden. Das Element weist drei Abschnitte auf: den unteren Pußteil A, den darüberliegenden eigentlichen Elementkörper B, in dem sich das aktive Material befindet, und den oberen Kopfteil G.

Das als Ausführungsbeispiel ausgewählte Brennstoffelement stellt eines von 52 Brennstoffelementen dar, die in einem Druck-Reaktor verwendet werden sollen und als Brennstoff Uranoxyd enthalten«, Der Kernteil dieses Reaktors enthält zwei Gitterplatten, die durch einen starkwandigen Rohrschuß miteinander verbunden sind und senkrecht übereinander liegen. Zwischen den beiden Gitterplatten sind die Brennstoffelemente in entsprechenden öffnungen der Platten festgelegt, wobei die 52 Elemente in einem Grundriß-Hetz mit quadratischen Maschen angeordnet sind»

Der im wesentlichen zylindrisch ausgeführte Fußteil A des Elementes hat einen inneren Durchgangs-Durchmesser, der so groß ist, wie es sich mit einer guten mechanischen Festigkeit des unteren Gitters vereinbaren läßto Die Ausbildung seines inneren Profils soll die beste Verteilung des von unten her in das Element eintretenden und in dem Element aufsteigenden Wassers auf die Zwischenräume zwischen den Brennstoffstäben geäbatten. Das äußere Profil des Fußteiles A zeigt einen konischen Abschnitt 1, der sich beim Einsetzen des Elementes auf eine entsprechend geneigte konische Sitzfläche einer Aufnahmebohrung 2 des Gitters 3 abstützt. Der obere Deckel 4 des Fußteiles A enthält eine größere Anzahl von Bohrungen 5 für den Durchtritt des Wassers und zur Befestigung des Fußtelles A an.dem mittleren, aktiven Teil B des Brennstoffelementes. Der Fußteil A besteht aus nichtoxydierendem Stahl 18-8.

Der mittlere, aktive Teil B des Brennstoffelementes, dessen Aufbau aus den Fig. 1, 2, 5 und 6 ersichtlich ist, besteht aus

einer Halterungszelle, in der durch mechanische Mittel insgesamt 144 lange Brennstoffstäbe 7 in bestimmter Anordnung zusammengehalten sind ο

Jeder Brennstoffstab hat ein äußeres Hülsehrohr 8 aus Zircalloy« Dieses Rohr enthält auf seiner gesamten, dem Reaktorkern entsprechenden Höhe übereinandergesetzte Brennstoffpastillen 9 aus angereichertem Uranoxyd. Die dadurch gebildete Säule aus Uranoxyd ist jedoch durch drei zylindrische Zwischenkörper 10 aus Aluminiumoxyd unterbrochen, die den gleichen Durchmesser wie die Pastillen und eine bestimmte Höhe haben; die Mitten dieser Zwischenkörper 10 liegen auf drei unterschiedlichen, über die länge des Brennstoffstabes gleichmäßig verteilten Miveauhöhene Die inerten zylindrischen Zwischenkörper 10 sind jeweils auf der Höhe von Trennstegen 11a und 11b (Fig. 1 und 5) angeordnet, um die Gefahren des Auftretens eines "burn-out^M auf der Höhe dieser Trennstege zu vermeiden.

Der Aufbau des neuerungsgemäßen Brennstoffelementes ergibt sich aus der folgenden Schilderung seiner Herstellung:

Nach dem Pullen der Hülsenrohre 8 mit den Pastillen 9 und den zylindrischen Zwischenkörpern 10 - das unter einer Helium-Schutzatmosphäre erfolgt - werden die Hülsen deoxBrennstoffstäbe 7 durch an ihren beiden Enden ein- oder aufgeschweißte Abschlußstopfen 12 bzw. 13 hermetisch verschlossen.

Die unteren Stopfen 13 sind auf rohrförmige Abstandshalter 14 aufgeschweißt, die jeweils eine Stabgruppe 16 von neun einzelnen Stäben tragen, die mit gegenseitigem Abstand in Form eines

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Dreier-Quadrates angeordnet sind und eine "aufgelockerte" Stabgruppe bilden (Pig. 6). Der zentrale Stopfen 13a ist nach unten durch einen rohrförmigen Gewindeansatz 13b aus Zircalloy verlängert. Diese Ausbildung gestattet es, die unteren Enden der Brennstoffstäbe festzulegen und gleichzeitig eine mechanische Verbindung zwischen dem Deckel 4 des Fußteiles A und einer Bodenplatte 15 des mittleren Elementteiles B zu erzielen» ·

Die erste Herstellungsphase bei der Fertigung des mittleren Elementteiles B, das den Brennstoff enthält, besteht darin, daß man 16 der mit dem Bezugszeichen 16 bezeichneten Brennstoffstab-Gruppen in der oben beschriebenen Weise aufbaut.

Die zweite Herstellungsphase betrifft das Zusammenfassen von jeweils vier Stabgruppen 16 (oder 36 Einzelstäben) zu je einem der vier Brennstoffstabbündel, die in einer quadratischen Netz-Anordnung in dem Element vorgesehen sind«

Um die 36 Brennstoffitäbe zu einem Bündel zusammenzufassen, werden die Stabgruppen in vier Querschnittsebenen, wie beispielsweise der Schnittebene d-d der Pig. 2, bändagiert« In den Pig. 2 und 5 ist jeweils nur eine dieser Bandagierungs-Ebenen gezeigt; die Bandagen sind auf unterschiedlichen Höhenniveaus im Bereich des Eeaktorkernes bzw. des mittleren Elementteiles B angeordnet. Die Bandagen bestehen aus flachen Metallprofilbändern 18 aus austenitischem Stahl, sie haben eine geringe Stärke und sind zu einem Rechteck gebogen, das zunächst noch nicht geschlossen ist. Jeweils zwei dieser rechteckig gebogenen Flachprofilbänder 18 sind längs einer ihrer langen Rechteckseiten miteinander verschweißt.

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Der sich dadurch ergebende zentrale Steg 19 enthält einen rechteckigen Durchbruch 19a, in den fünf flache Trennstege 11a eingesetzt werden können, die Haltenuten 11c aufweisen» Der Einbau der Trennstege 11a erfolgt leicht dadurch, daß man die Stege horizontal mit ihrer einen Hälfte durch den Durchbruch 19a hindurchführt und sie dann in ihre vertikale lage dreht, wodurch die Nuten 11c sich an den Rändern des Durchbruches 19a beiderseits festlegen.

Dann schiebt man über die 36 Stäbe, die in vier Stabgruppen in Quadratform angeordnet sind, zwei der Pla^chprofilbandagen 18, die bereits mit ihren Trennstegen 11a und 11b versehen sind, derart übereinander, bis zu der ersten Bandagierungszone, daß ihre zentralen S^e 19 und die Trennstege 11a und 11b senkrecht zueinander liegen und die regelmäßigen Abstände der Brennstoffstäbe in den beiden zueinander senkrechten Querrichtungen sichern« Der gleiche Arbeitsvorgang wiederholt sich für die drei anderen Bandagen, die nicht dargestellt sind.

Die endgültige Bandagierung erfolgt dadurch, daß die zunächst noch offenen Enden sämtlicher Bandagen 18 stoßend verschweißt werden. Das beim Zusammenschweißen der Bandagenenden vorgenommene Zusammenziehen der Bandagen 18 drückt die Brennstoffstäbe und die sie trennendeTi Trennstege fest zusammen und ergibt eine besonders kräftige Reibungsverbindung und Halterung.

Die drei anderen quadratischen Bündel der Brennstoffstäbe werden in der gleichen Weise zusammengebaut. .

Der dritte Arbeitsvorgang, zu dem auf die Pig. 1, 2, 4 und 5 der Zeichnung hingewiesen wird, besteht darin, daß man vor dem Aufschweißen der oberen Platte jeweils eines der vier Brennstoffslabbündel in jeder der vier Ecken der aus Zircalloy-Blech hergestellten äußeren Zelle 20 mit etwa quadratischem Querschnitt einbaute Die vier Ecken der Zelle 20 sind zuvor durch vier rechtwinklig gebogene gleichschenklige Zircalloy-Bleche abgeschlossen worden, die entweder durch mechanische Befestigungsmittel oder durch Schweißen an der Wand der Zelle 20 festgelegt sind und einerseits die vier senkrechten Aufnahmen in den Ecken begrenzen, in die jeweils die bandagierten Brennstoffstabbündel eingesetzt werden, und anderseits einen im Querschnitt kreuzförmigen zentralen Kanal 22, der für das Einführen eines Steuerstabes benutzt wird. Die Enden der Zelle 20 werden an der unteren Platte 15 und der oberen Platte 23 aus Zircalloy festgelegt, an denen durch Verschraubungen einerseits der Fußteil A und anderseits der Kopfteil C des Brennstoffelementes befestigt werden. So sind die untere Platte 15 der Zelle und der Deckel 4 des Fußteiles A durch die 16 Gewinderohransätze 13b der jeweils zentralen Brennstoff stäbe 13a der 16 Stabgruppen und die auf diese Ansätze aufgeschraubten Muttern 6 verbunden.

.Der in den Mg. 2, 3 und 4 dargestellte Kopfteil C fixiert das Brennstoffelement in axialer Sichtung im Kernteil des Reaktors.

Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform des Kopfes C werden in dem Kopfteil C angeordnete schwenkbare

Nockenriegel 24 verwendet, die sich bei ihrer Schwenkung unter eine Kante des oberen Gitters 25 oder in dieses Gitter eingearbeitete Ausschnitte einschwenken lassen» Vier koaxial zur Schwenkachse der Nockenriegel 24 angeordnete Federn 26 drücken das Element auf das untere Gitter 3» diese Federn nehmen die Längsdehnungen des Elementes auf und verhindern durch das Anpressen der Fußteile A an die Sitzflächen im unteren Gitter 3 das Auftreten unerwünschter Nebenströmungen des Wassers ο

Man kann die vier Nockenriegel 24 auch durch vier Haltezapfen ersetzen, die in Durchbrüchen des oberen Gitters nach dem System eines Bajonettverschlusses gehalten werden. Auch bei dieser Lösung drücken vier Federn das Brennstoffelement auf das untere Gitter und nehmen die Längsdehnungen auf„

Eine andere Lösung, in der zwei Schubriegel im Kopfteil des Brennstoffelementes durch Einsetzen der Führung für den Steuerstab seitlich unter das Gitter gedrückt werden, kann ebenfalls Anwendung finden» Eine solche, sehr einfache und widerstandsfähige Ausführung, bei der keine Federn zur Aufnahme der Dehnungen erwähnt sind, bildet den Gegenstand der französischen Patentanmeldung PV 841 209 vom Ho 10.1960«

In den drei Fällen wird der aus nichtoxydierendem Stahl hergestellte Kopfteil C des Brennstoffelementes an der oberen Deckplatte 23 des Zellengehäuses 20 durch Versehraubungen 27,28 festgelegt«

Das soeben beschriebene Brennstoffelement wurde zur Durch-

führung von Versuchen in einer Nachbildung aus Stahl hergestellt, wobei die Pastillen aus Uranoxyd durch Stahlpastillen gleicher Abmessungen ersetzt waren» Diese Nachbildung wurde sodann hycfcaulischen Untersuchungen und Schlag- bzw. Stoßprüfungen unterworfen. Der Durchfluß-Druckverlust, der dabei gemessen wurde, überschreitet nicht einen Druck von 250 g/cm bei den folgenden Betriebsbedingungen des Reaktors: Plüssigkeitsdurchsatz durch das Element 20 liter/sec, Temperatur 280⁰O, Strömungsgeschwindigkeit des Wassers 2 m/sec. Man kann eine wesentliche Verringerung des durch die Trennste&e bedingten DurehflußwiderStandes erzielen, wenn man die Stärke der Trennstege in den Durchflußquerschnitten auf 1 mm verringert. Die Stoßversuche haben gezeigt, daß das Brennstoffelement in Querrichtung Beschleunigungen von 20 g und in axialer Richtung Beschönigungen von 60 g ohne Beschädigung aushält<>

Es dürfte klar sein, daß die Neuerung sich nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel eines Brennstoffelementes beschränkt, sondern auch die naheliegenden Abwandlungen der Konstruktion umfaßt.

Claims (2)

ΡΛ3Ι.5817*2Π.63 - 12 Schutzansprüche

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, das in einer Halterungszelle zahlreiche Brennstoffstäbe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die sich über die gesamte Höhe des Reaktorkernes erstreckenden Brennstoffstäbe (7), die je in einem Hülsenrohr (8) übereinandergesetzte Brennstoffpastillen enthalten,zu vier Stabbündeln in quadratischer. Netz-Anordnung zusammengefaßt sind, die in mehreren Höhenzonen Haltemittel aufweisen, welche aus flachen Abstandshaltern (Trennstege 11a,11b) und die Bündel in den Zonen umgebenden Bandagen (18) bestehen und daß die Brennstoffstäbe lediglich an ihrem unteren Teil festgelegt sind«

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel in $eder der Höhenzonen einerseits zwei übereinander angecrdnete Bandagengruppen aufweisen, von denen jede aus zwei stoßgeschweißten Bandagen (18) besteht, die je die Hälfte des Stabbündels umfassen und in Rechteckform derart gebogen sind, daß sie zwei längs einer ihrer Längaaseiten zusammenliegende Rechtecke begrenzen und einen gemeinsamen zentralen Steg (19) bilden,- der einen rechteckigen Durchbruch (19a) enthält, wobei die zentralen Stege (19) der beiden übereinander angeordneten Bandagengruppen (18,18) rechtwinklig zueinander liegen, und die Haltemittel anderseits zwei Sätze von im gleichen Höhenbereich wie die beiden Gruppen von Bandagen übereinander angeordneten flachen Abstandshaltern umfassen, von denen jeder Satz aus einer gewissen Anzahl von parallelen rechteckigen Trennstegen (11a,11b) besteht, die

jeweils in der Mitte ihrer Iiängenseiten zwei Nuten (11c) aufweisen, durch die sie in dem rechteckigen Durchbruch des zentralen Steges der Bandagen festlegbar sind und die senkrecht zum zentralen Steg der betreffenden Bandagengruppe und infolgedessen auch senkrecht zu den Trennstegen der benachbarten Bandagengrupp"e liegen.

3ο Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befestigung der Brennstoffstäbe (7) an ihrem unteren Teil, an dem jeder Stab einen Stopfen (13) aufweist, durch rohrförmige Abstandshalterungen (14) gebildet sind, die von einer unteren Bodenplatte (15) der Halterungszelle (20) getragen werden und an denen die Stopfen der am Umfang einer Gruppe (16) von Brennstoffstäben befindlichen Stäbe festgeschweißt sind, daß je vier Gruppen von Brennstoffstäben jeweils eines der vier in quadratischer Anordnung in der Zelle (20) zusammengefaßten Stabbündel bilden und daß der zentrale Stopfen (13a) jeder Stabgruppe nach unten durch einen Gewindeansatz (13b) verlängert ist, der durch Verschraubung (Mutter 16) in der unteren Bodenplatte festgelegt ist.