DE1911974A1 - Brennelemente fuer neutronische Kernreaktoren - Google Patents

Description

ALEXANDER R. HERZFELD 6 Frankfurt a,m,wis

RECHTSANWALT BEI DEM LANDGERICHT FRAN KFU RT AM MAI N RECHTSANWALT sophienstrasse

Anmelder: United States Atomic Energy Commission Washington D. G., USA

Brennelemente für neutronische Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft Brennelemente für neutronische Kernreaktoren, insbesondere eine gegebenenfalls entlüftbare, aus einzelnen Brennstiften zusammengesetzte, integrale Brennelementanordnung, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Brennelemente mit einer Mehrzahl von Brennstiften sind bekannt und in neutronischen Kernreaktoren in grossem Umfang in Gebrauch. Die zur Lagerung der einzelnen Brennstifte in dem Brennelement verwendeten Mittel müssen eine übermässige Erschütterung oder Vibration der Brennstifte.vermeiden und den Druckabfall des Kühlmittelflusses möglichst gering halten. Ferner soll ein einfach herstellbarer Aufbau des Brennelements aus den einzelnen Brennstiften und Lagermitteln möglich sein.

GIROKONTO 480/6853 DEUTSCHE BANK A. G. FRAN IiFOBr A. M. · POSTSCHECK FRANKFURT A. M. 64 36 5

Der Hauptnachteil der bekannten, aus einzelnen Brennstiften zusammengesetzten Brennelemente liegt in der Schwierigkeit ihrer Herstellung. Dies ist in besonderem Masse dann der Fall, wenn die einzelnen Brennstifte zum Abzug der gasförmigen Spaltprodukte entlüftet werden. Die Herstellung derartiger Brennelemente erfordert zahlreiche Arbeitsschritte der Verschweissung oder sonstigen mechanischen Verbindung.

In der USA-Anmeldung, Serial No. 717} 2-56, der Anmelderin wird zur Vereinfachung der Herstellung ein verbessertes Brennelement vorgeschlagen. Jedoch bestehen auch hier noch einige Herstellungsschwierigkeiten, ζ. B. hinsichtlich der Ausrichtung der Rohrstücke während der Verbindung, möglicherweise auftretender Versprödung der Metallumkleidung oder Entstehung von Feinrissen, der Herausarbeitung der verformten Wandteile, des Abschlusses der oberen Rohrenden, insbesondere bei Anwendung des in der Anmeldung offenbarten Eröf|pungsverfahrens.

Die Erfindung hat ein leicht herstellbares, gegebenenfalls in einer entlüfteten Anordnung einsetzbares Brennelement des stiftförmigen Typs zur Aufgabe, das insbesondere die Zanl der zur mechanischen Verbindung erforderlichen Arbeitsschritte stark reduziert, eine leichte Ausrichtung der Brennstifte in Reihenform während des Zusammenbaus ermöglicht und gleichzeitig die gemeinsame Entlüftung aller in einer Seihe angeordneten Brennstifte gestattet.

Zur Herstellung dee erfindungsgemässen Brennelements werden. im wesentlichen zylindrische Brennstifte in einem kurzen, ihrem einen. Ende benachbarten, aber in einigem Abstand von ihm befindlichen Abschnitt zu einem rechteckigen Querschnitt verformt. AnschliessendL werden die Brennstifte in einer Seihe mit den kleineren Flächen des verformten Abschnitts eineinandergelegt und ein Verbindungsstift wird durch in den taeinanderliegenden Flachen vorgesehen© öffnungen durch die gesamte Brennet%treihe gesteckt. Sodann werden die Brennstifte an den St ossf lachen z. £. durch Kalt löten miteinander verbunden und bilden nunmehr eine Reihe integral verbundener Breaaaetifte. Hehrere Beinen von Brennstiften werden Seite an. Seite angeordnet uad bilden ein Brennelement. Wird ein entlüftetes Brennelement angestrebt, so kann der Tferbindungsatift in Fora eines Eolilrohrs ausgebildet sein, das über Radial6ffmingeii einen StrÖmungsaustausch des Brennstifts ermöglicht. Wenigstens ein Brennst if t in jeder Heine von Brenaastiften wird dann über ©ine äussere Samnelanordnuiig für die Abgase entlüftet«,

Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Die Figur 1 ctde isometrische Ansicht eines einzelheit eijfin- dungsgemäss verformten Brennstifts j " '" '^a '^J*^;>"'"'"" '^Λ'""

die Figur 2 im Längsschnitt de.n Zusammenbau exBei? Heuie von. in der Figup 1 gezeigten Brennstifteni

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die Figur 3 im Querschnitt die Brennstiftreihe der Figur 2 entlang der waagerechten Schnittlinie 3-3»

die Figur 4 einen einzelnen Brennstift im Längsschnitt entlang der Schnittlinie 4-4 der Figur 2;

die Figur 5 die isometrische Ansicht von zwei erfindungsgemäss hergestellten und nach zwei verschiedenen Verfahren an · eine gemeinsame Sammelleitung angeschlossenen Brennstiftreihen.

Die Figur 1 zeigt ein im übrigen bekanntes, rohrförmiges Gehäuse 1 für einen zylindrischen Brennstift, das benachbart aber in gewissem Abstand von seinem oberen Ende einen verformten Abschnitt 2 aufweist. Dieser besitzt einen rechteckigen Querschnitt mit den Seitenflächen 3 und 4 grösserer bzw. kleinerer Längen. Die Seitenflächen 3 sind auf eine Länge begrenzt, die grosser als der verbleibende kreisförmige Querschnitt des Gehäuses 1 ist, so dass entsprechend der Bestellung in den Figuren 1, 2 und 3 der verformte Afeselnitt 2 radial über den 3?eil mit kreisförmigem Quersetoitt ragt. Die Längensumme der Seitenflächen 3 und 4 "bleibt dem Umfang des verbleibenden Teils mit kreisförmiges schnitt annähernd gleich. Die Formung bzw. Verfos?stmg Bildung des rechteckigen Querschnitts des verformten Abschnitts 2 kann in bekannter Weise erfolgen. Nach Beschickung des Q-ehäuses 1 jrti den Brennstcfftabletten J? wird das untere

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Ende der Rohre durch Anschweissen nicht gezeigter Abschlusskappen bekannter Ausführung verschlossen. Die Beschickung mit den in der Figur zur Veranschaulichung bereits gezeigten Brennstofftabletten 5 erfolgt dabei erst nachdem eine Anzahl von Brennstiften entsprechend der nachfolgenden Beschreibung erfindungsgemäss hergestellt und zu einer integralen gitterförmigen BrennelementeHanordnung zusammengebaut ist.

Mehrere Rohrgehäuse 1 ähnlich wie in der Figur 1 gezeigt, jedoch ohne Brennstofftabletten 5 werden entsprechend der Figur 2 mit den Flächen 4 aneinanderliegend in einer Reihe angeordnet. Die in jeder Stossflache 4 vorgesehenen öffnungen fluchten dabei mit den enbsprechenden öffnungen benachbarter Gehäuse. Die öffnungen können vor der Anordnung der Gehäuse in einer Reihe oder danach vorgesehen werden, um eine,die Lagerung des durch sie geführten Verbindungssbifts gestattende, genaue Ausrichtung der Öffnungen zu erleichtern (vgl. die Figuren 2_v 3 und 4). Der Sbift 7 kann fest oder, falls Entlüftung der Brennstifte angestrebt wird, hohl ausgebildet sein. Im letzteren Fall steht die Mittelbohrung 8 über die Radialöffnungen 9 mit dem Inneren eines jeden Brennstifts in Verbindung (vgl. die Figuren 2, 3 und 4). Der Sbift 7 und die öffnungen 6 sind für die Einführung des Stifts 7 in die gezeigte Lage dicht passend ausgebildet, um eine genaue Ausrichtung der Brennstifte von der metallurgischen Verbindung zu gewährleisten und die Gefahr des Entweichens gasförmiger Spaltprodukte aus den Brennstiften möglichst gering zu halten.

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Ein typisches Brennelement kann z. B. aus 15 Hefen von jeweils 15 Brennsbiften bestehen. Dabei wird jede Reihe einzeln gebildet, indem mehrere, z. B. 15 Brennstifte aneinander anliegend angeordnet werden und der Stift 7 durch die Reihe hindurchgesteckt wird. Eine Kappe 10 mit einem flachen Basisteil und einem aufwärtsgebogenen Randteil wird dann zwecks abdichtenden Verschlusses des oberen Endes der Brennstoffstifte in der dargestellten Weise auf jedes Gehäuse 1 gesetzt. Sodann werden die Kappen 10 mit den Gehäusen 1 und die einander anliegenden Flächen nifceinander durch Kaltlöten oder dergl. metallurgisch verbunden. In der gleichen Weise wird auch der Verbiiiduiigssbif t an der Einführungssbelle in die öffnungen 6 abgedichtet. Änschliess.end wird die Dichte der Verbindungsateilen in jeder Brennsbifbreihe mit Hilfe bekannter Leckprüfungsverfahren geprüft.

Zwei verschiedene Möglichkeiben der Anordnung eines Kopfstückes zur Verbindung mehrerer Brennstiftreihen zwecks Bildung eines inbegralen Brennelements sind erläuterungshalber in der Figur 5 zusammen gezeigt. In der Praxis gelangt natürlich nur eine Anordnung in einem bestimmten Brennelement zur Anwendung. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist der Erfindungsgedanke hier an Hand von nur zwei Reihen einer begrenzten Anzahl von Brennstiften erläutert.

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' SAD ORtGISSIAL

Nach eimer Ausgestaltung ist der am Ende der Reihe befindliche Brennstift 31 verlängert und mit einem verformten Abschnitt 12 versehen, der dem verformten Abschnitt 2 ähnlich, aber in seiner längenausdehnung im rechten Winkel zu diesem angeordnet ist· Der zweite verformte Abschnitt 12 ist mit de» entsprechenden zweiten verformten Abschnitt einer anliegenden Stiftreihe in der gleichen, weiter oben hinsichtlich der Verbindung der in einer Reihe von Brennstiften anliegenden Brennstifte beschriebenen ¥eise verbunden. Ein innerer Verbindungsstift 12 ist ähnlich de«. Stift ? durch den zweiten verformten Abschnitt geführt und dient, sofern entlüfteter Betrieb wünschenswert let, gleichzeitig als eine die gasförmigen Spaltprodukte der Brennstiftreihen aufnehmende Sammelleitung. Der zylindrische übergangsbereich 14 zwischen dem ersten und dem zweiten verfOPMten Abschnitt des Endstifts 11 ist hohl und erleichtert damit den Durchfluss des gasformigen Spaltprodukte zwischen den einzelnen Stiften. Einer der Endstifte 11 ist seinerseits über eine geeignete, nicht gezeigte, die Spaltproduktgase einer Vielzahl von Brennelementen eines neutronischen Reaktors Aufnehmende Sentralsaimslleitung entlüftet.

einer zweiten Atiisgöetaltung ist ein Ssmaelrohr 15 mit im Abstand angeordneten, und in einen Esuästif t X? in jeder Reihe von Brennstiften eingepasst®» rohrförmigen Verlängerungsstücken 16 versehen· Das Ssmmelrohr 15 ist seinerseits'wie in der zuvor beschriebenen Anordnung über ein nicht gezeigtes Zentralsammelrohr entlüftet»

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Obgleich beide dieser Kopfstückanordnungen in der Zeichnung mit dem Endstift jeder Reihe von Brennstiften verbunden sind, sind andere Ausgestaltungen verwendbar, in denen z. B. andere Stifte innerhalb einer Reihe unmittelbar mit dem Kopfstück verbunden sind.

Im Anschluss an die vorstehend erläuterten Herstellungssehritte werden Brennstofftabletten in das Rohrgehäuse über deren untere Enden eingeführt und diese sodann mit bekannten Verschlusskappen hermetisch verschlossen. Um die unteren Enden der Brennstifte sind zur Stabilisierung Abstandsringe 18 gelegt.

Der beschriebene Aufbau führt zu einem integralen, aus Brennstiften aufgebauten Brennelement, das leicht herstellbar und infolge der Einfachheit und Zugänglichkeit der Schweißstellen auch leicht injizierbar ist. Ferner ist ohae Beschränkung hierauf der entlüftete Betrieb möglich.

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Claims (7)

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Pat ent ans prüche

' Ij Brennelement für Kernreaktoren mit mehreren Reihen von im wesenblichen zylindrischen Brennstiften, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem kurzen-Abschnitt (2) zu einem Querschnitt mit relativ grösseren und kleineren, flachen Seitenflächen (3) 4-) verformt sind und jeder der eine Reihe bildenden Stifte mit wenigstens einer der relativ kleineren Seitenflächen an wenigstens einem benachbarten Stift anliegt und an den Störstellen metallurgisch"verbunden ist, und ein Verbindungsstift (7) in jeder Reihe quer durch die Sbossflächen der anliegenden Stifte"" geführt ist.

2. Brennstift gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Reihe wenigstens ein Brennstift in einem zweiten, in axialem Abstand zum ersten Abschnitt befindlichen Abschnitt (12) entsprechend dem ersten. Abschnitt verformt ist und mit diesem Abschnitt an wenigstens"einer Seitenfläche des verformben Abschnitts"'wenigstens eines Brennstifbs einer benachbarten Reihe anliegt, und durch die Stossflachen ein weiterer Verbiridungssbifb (IJ) geführt ist, wobei die Stossf lachen ebenfalls metallurgisch miteinander verbunden sind.

3. Bi'fuinsbift gemäss Anspruch 2_? dadurch gekennzeichnet, die ernten und zweiten verCor.-nten Abschnitte (2, 12) j im ro-. ht«ri V/LnkeL .',ueiniibJ^r angeordnet sind»

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4, Brennelement gemäss einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das den verformten Absdnitt "benachbarte Ende der einzelnen Brennsbifte mit einer aus einem flachen Basisteil und einem nach oben abgebogenen Randstück bestehenden Kappe (10), verschlossen ist, wobei das Randstüek metallurgisch mit dem Brennstift verbunden isb,

5» Brennelement gemäss einem der Ansprüche 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsstift bzw. die Verbindungsstifte (7» 13) hohl ist bzw* sind und mit Radialöffnungen versehen ist bzw„ sind, die eine Strömungsverbindung zwischen den Brennstiften und dem Verbindungsstift bzw= -sbifben hersbellt bzw, herstellen.

6. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die grösseren Seitenflächen kürzer als der Durchmesser des zylindrischen Stiftteils sind»

7. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstiftreiben über wenigstens einen jeweiligen Endstift einer Reihe an im Abstand angeordnete Verlängerungssbutzeii (16) eines Sammelrohrs (15) angeschlossen sind, wobei die Verlangerungsstutzen mit dem jeweiligen Endsjtifb meballurgisch verbunden sind und mit diesem in £brömungsverbindung stellen..

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Le e rs β s t β