DE1938646B2 - Brennstab für Atomkernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstab für Atomkernreaktoren mit einem den Kernbrennstoff enthaltenden, beidseitig druckdicht abgeschlossenen metallischen Hüllrohr und mindestens einem Druckausgleichsraum für beim Abbrand entstehende Spaltgase.

Um bei Brennstäben die Druckbelastungen am metallischen Hüllrohr, die durch unterschiedlichen Innen- und Außendruck auftreten, zu verringern, ist es bekannt, den Brennstab bei der Herstellung mit einem erhöhten Innendruck zu versehen. Bei den gegenwärtig üblichen Druckwasserreaktoren werden Brennstäbe verwendet, die einen relativ hohen lnnendurck von etwa 160 at aufweisen. Das bedingt eine hohe Beanspruchung lies Hüllrohres, es sei denn, daß dem äußeren Druck durch einen eingeprägten Innendruck des Brennstabes das Gleichgewicht gehalten wird.

Ein Vordruck im Innern der Brennstäbe erfordert so jedoch besondere Maßnahmen, um zu verhindern, daß «ler Innendruck, der durch die Erzeugung von !Spaltgasen während des Einsatzes der Stäbe ansteigt, tiöher wird als der vom Kühlmittel des Reaktors !herrührende Außendruck. Selbst wenn kein Vordruck it i!'gebracht wird, so bedingen doch die heute üblichen Ii iheren Abbrandralen, die für eine höhere Ausnutzung der spaltbaren Stoffe erforderlich sind, einen relativ hohen Innendruck. Die übliche Lösung besteht darin, einen Hohlraum im Brennstab zur Sammlung der Spaltgase freizulassen. Es ist aber auch schon bekannt geworden, eine normalerweise abgeschlossene Kammer unter niederem Druck vorzusehen, die bei einem vorgegebenen Druck bricht, um die Spaltgase aufzunehmen. Diese Lösung hai den Vorteil, daß das für das ^5 Spaltgas zur Verfügung stehende Volumen ansteigt, so daß kritische Druckbelastungen nicht so schnell erreicht uerden. Demgegenüber ist jedoch eine derariige Kammer, die bei einem Solldruck bricht, schwierig herzusteilen, um die vorgegebenen Druckbereiche genau einzuhalten. Schon eine geringe Differenz in der Dicke der Sollbruchstelle kann eine große Verschiebung des Druckwertes, der zum Bruch führen soll, bewirken.

Diese Ausgleichskammern müssen also bei einem genau vorgegebenen Druckwert brechen, da bei einem vorzeitigen Bruch zusätzliche Beanspruchungen im Hüllrohr durch den höheren Außendruck auftreten, während durch einen verspäteten Bruch das Hüllrohr durch einen erheblichen Überdruck im Innern geschädigt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brennsta,b mit einem Druckausgleichsraum zu schaffen, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes einen sicheren Druckausgleich gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennstab dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Druckausgleichsraum innerhalb des Hüllrohres zusätzlich von einer dicht geschlossenen, balgartigen, metallischen Hülle umgeben ist, die bei Druckanstieg zumindest teilweise zusammendrückbar und durch im Innern derselben angeordnete mechanische Mittel durchstoßbar ist. Dabei kann die balgartige Hülle in etwa zylindrisch ausgebildet und auf einer senkrecht zur Brenn.,tabachse verlaufenden Bodenplatte befestigt se^;n, die gleichzeitig einen axial zum Brennstab angeordneten Dorn zum Durchstoßen der oberen Stirnseite der Hülle trägt.

Dadurch, daß die Hülle des Druckausgleichsraumes plastisch verformbar ist, wird der Druckanstieg im Brennstab bei Freiwerden von Spaltgasen nicht so rasch erfolgen wie bei den bisher üblichen Verfahren. Darüber hinaus wird durch Durchstoßen der Hülle mit einem dornartigen Stift innerhalb eines relativ engen, vorgegebenen Druckbereiches der Ausgleichsraum für das Spaltgas freigegeben.

Um ein sicheres Durchstoßen der Hülle zu erreichen. können senkrecht zum Hauptdorn weitere Dorne auf demselben angeordnet sein. Ferner ist es möglich, daß die Dorne an der Innenwandung der zylindrischen Hülle senkrecht zur Brennstabachse befestigt sind.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Brennstab im Bereich des Druckausgleichsraumes.

Fig. 2 den Druckausgleichsraum nach Durchstoßen des Doms,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform des Druckausgleichsraumes,

Fig.4 und 5 einen Längs- und einen Querschnitt durch einen Druckausgleichsraum mit einer speziellen Dornausführung,

Fig.6 und 7 einen Längs- und einen Querschnitt mit waagerecht angeordneten Dornen und

Fig. 8 ein Schaubild über den Druckverlauf innerhalb des Brennstabes.

Ein Brennelement 10 nach der Erfindung ist in F i g. 1 gezeigt. Das Brennelement 10 enthält Brennslofftablettcn 12, die beispielsweise aus Urandioxyd bestehen können und von einem metallischen Hüllrohr 14 aus rostfreiem Stahl oder einer Zirkonlegicrung umschlossen sind. Das Hüllrohr (4 selbst ist mit den Endstopfen 16 und 18 dicht verschlossen. Der Brennstab 10 kann während des Herstelliingsprozesscs mit einem InnenvordruiK verschen werden, um die Hüllrohrbeanspruchungen herabzusetzen.

Innerhalb des Brennstabes 10 sind einer oder mehrere Druckausgleichsräume 20 vorgesehen, die von einer baigartigen metallischen Hülle 22 umgeben sind. Dabei können diese Druckausgleichsräume 20, die zur Aufnahme freiwerdender Spaltgase während des Abbrandes des Kernbrennstoffe:, dienen, im allgemeinen unter Normaldruck hergestellt werden. Diese Druckausgleichsräume 20 müssen bei einem vorgegebenen Druck, der durch die Spaltgase innerhalb des Hüllrohres 14 entsteht, zugänglich werden. Deshalb ist innerhalb der Hülle 22 ein dornartiger Stift 24 angeordnet, wobei dessen Spitze im geringen Abstand von der oberen Stirnfläche 28 der Hülle 22 endet. Bei Ansteigen des Druckes innerhalb des Hüllrohres 14 durch freiwerdende Spaltgase wird die Wandung der Hülle 22 so weit zusammengedrückt, bis die Wandung so dicht an die Spitze des Domes 24 gerät, daß sich durch den Dorn 24 - wie in Fig.2 dargestellt durchstoßen wird. Der Spaltgasdruck, der ein Durchstoßen der Hülle 22 bewirkt, ist dabei höher als der Innendruck des Brennstabes zu Beginn der Einsatzzeit, aber geringer als der Außendruck im Kühlmittel des Reaktorkerns.

Brennstäbe in den herkömmlichen Druekwasserreak toren sind einem Außendruck von 140 bis 160 at ausgesetzt. Dabei beträgt die Temperatur im Innern der Tabletten 12 etwa 2300° C und in der Randzone etwa 600° C, während die Hüllrohre Temperaluren von etwa 340° bis 450° C aufweisen. Durch den Laständerungs-Tageszyklus sind die Tabletten 12 und das Hüllrohr 14 darüber hinaus hohen Temperatur- und Druckschwankungen unterworfen, die eine hohe Dauerbeanspruchung des Hüllrohres 14 bewirken.

Während der Einsatzzeit eines Brennstabes entstehen Spaltgase in Form von Xenon und Krypton, die ein Ansteigen des Innendruckes im Brennstab 10 hervorrufen. Bisher war ein relativ großer Hohlraum in den Brennstäben vorgesehen, um diese Spaltgase aufzunehmen. Das Problem der Aufnahme dieser Spaltgase ist auch bei Aufbringen eines Vordruckes im Brennstab schwierig.

Die beschriebenen Brennstäbe halten jedoch den Druckbeanspruchungen auf das Hüllrohr ohne zusätzliche große Sammelräume für entstehende Spaltgase stand. Nach eiern Ausführungsbeispiel hat das Hüllrohr einen Außendurchmesser von 11,3 mm, während die Tabletten 12 einen Durchmesser von 10.2 nun aufweisen. Die Stärke des Hüllrohres beträgt mit Rücksicht auf die verminderte Druckbeanspruchung nur 0,49 mm im Gegensatz zu einer Wandstärke von 0.7 mm so bei herkömmlichen Brennstäben, d. h. bei Brennstäben ohne Innenvordruck. Die Verringerung der Wandstärke um 0,22 mm ist auf Grund des Innenvordruckes berechnet und auf einen Betriebsdruck des Reaktors von 105 at bei Betriebsbeginn ausgerichtet. Da der ss Druck in einem Brennelement sich bei Einsatz in einem Kernreaktor etwa verdreifacht, ist also lediglich ein Vordruck von 35 al bei der Herstellung des Brennstabes erforderlich.

Die Länge eines Brennstabes 10 ist wesentlich fto bedingt durch den jeweiligen Reakiortyp und durch die erforderliche Höhe des Sammelraumes für eine oder mehrere Druckausgleichsräume 20. Wenn beispielsweise Brennelemente herkömmlicher Bauart etwa 3bb cm an aktiver Länge aufweisen, so müssen 15 cm zusätzlicher Länge als Sammclraum für das Inertgas vorgesehen werden. Bei Brennstäben nach der Erfindung, in denen eine oder mehrere Druckausgleichsräiime 22 vorgesehen sind, ist lediglich eine zusätzliche Länge von etwa 7,5 cm erforderlich, so daß die Gesamtlänge des Brennstabes um 7,5 cm verringert werden kann.

Die Hülle 22 des Druckausgleichsraumes 20 kann aus einem etwa 0,25 mm starken rostfreien Stahlrohr gefertigt werden, wobei die Einziehungen 26 der Hülle

22 durch Abrollen über einer Spindel oder durch hydraulischen Druck erzeugt werden. Die Endscheiben 28 und 30 an den Stirnseiten der Hülle sind eingeschweißt oder eingelötet. Die Endscheibe 28 am oberen Ende ist relativ dünn und weist eine Stärke von 0,1 mm auf, so daß sie leicht durchstoßen werden kann. Die andere Endscheibe 30 weist demgegenüber eine Stärke von 6,5 mm auf, und ist mit einer zentralen Bohrung versehen, um den Dorn 24 senkrecht zu halten.

Die Hülle 22 wird kurz vor Aufsetzen des Endstückes 16 in das Hüllrohr 14 eingesetzt, wobei die Hülle 22 nicht mit dem Hüllrohr verschweißt zu werden braucht.

Selbstverständlich ist es möglich, daß mehrere Druckausgleichsräume 20 vorgesehen werden. Das Diagramm in Fig. 8 zeigt einen Druckvergleich innerhalb eines Brennstabes 10. bei dem einmal zwei allein durch Druck zerstörbare Kammern nach Kurve A und einmal zwei durch einen Stift durchstoßbare Kammern nach Kurve B - entsprechend der vorliegenden Erfindung - miteinander verglichen werden. Dabei ist auf der Ordinate der Druck im Brennstab und auf der Abzisse die Zeit in Prozent der Gesamtstandzeit des Brennstabes aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist zu ersehen, daß beide Brennstäbe den gleichen Druck von etwa 110 al beim ersten Einsatz innerhalb des Reaktors aufweisen. Der Innendruck des Brennstabes nach Kurve A steigt im Betrieb schneller an als der Druck des Brennstabes nach Kurve B, da hierbei die Hülle des Druckausgleichsraumes bereits durch den ansteigenden Druck verformt wird. Nach dem dargestellten Beispiel sollen die Kammern beider Stäbe bei einem Druck von etwa 140 at brechen. Bei einem Bruch der Kammern des Brennstabes A sinkt der Innendruck bis unter seinen ursprünglichen Einsatzdruck. Das bedingt einen Differenzdruck, der eine erhebliche höhere Druckbeanspruchung als zum Zeitpunkt des Einsatzes des Brennstabes bewirkt. Im Gegensatz dazu fällt der Druck im Brennstab flmit der deformierbaren Hülle lediglich bis auf den Ausgangsdifferenzdruck ab. Die entstehenden Druckdifferenzen sind also im zweiten Stab weniger groß. Da darüber hinaus der Grcnzdruck der Brennstäbe A nicht genau vorhergesagt werden kann, muß das Hüllrohr dieses Brennstabes stärker ausgeführt werden, damit ein vorzeitiger Bruch nicht zusatzliche Druckbeanspruchungen hervorruft.

Andere Ausführungsformen der Hüllen 22 sind in den Fi g. 3 bis 7 dargestellt.

In Fi g. 3 ist eine Hülle 22 gezeigt, die aus einem Rohr

23 hergestellt ist, das lediglich an den Enden Einziehungen 26 aufweist. Dabei ist im mittleren Teil der Hülle 22 eine Führung 36 angeordnet, um den Dorn 24 stets in seiner vorgegebenen Lage zu halten. Durch diese Aiisfiihrungsform kann eine größere Menge von Spaltgas innerhalb dieses Druckausgleichsraumes aufgenommen werden, da der Raum nich; durch Einziehungen beschränkt ist.

In den Ausführungsbeispielen nach I-i g. 4 und ΐ weist die Hülle 22 eine glatte zylindrische Oberfläche 23 auf. Dabei sind senkrecht zum Dorn 24 zusätzliche Dorne 38 angeordnet, und die Endscheibe 28 ist konisch

geformt. Nach diesen Ausführungsbeispielen gibt es zwei Möglichkeiten des Durchstoßens der Hülle 22: Entweder kann das konische Endstück 28 durch den Dorn 24 oder aber die Seitenwände 23 können durch die Dorne 38 durchstoßen werden.

Die Ausführungsbeispiele nach Fig.6 und 7 sind ähnlich denen nach F i g. 4 und 5, jedoch fehlen in diesen Ausführungsbeispielen die axialen Dorne 24 und die konisch geformte Endscheibe 28. Stattdessen sind lediglich Dorne 38 an der zylindrischen Seitenwand 23 der Hülle 22 befestigt. Die Dorne 38 sind also so angeordnet, daß sie die Seitenwandung 23 bei einem entsprechenden Druck des Spaltgases durchstoßen können.

Außer diesen genannten Ausbildungsformen von Brennstäben, die der Lehre der Erfindung entsprechen, sind selbstverständlich auch noch weitere Ausführungsformen möglich. Das gilt insbesondere für die Anordnung von mehreren Druckausgleichskammern, die jede bei einem vorgegebenen Druck durchstoßen werden kann. Diese Kammern können mit einer zentralen Endplatte ausgebildet sein. Die Erfindung bezieht sich dabei auf alle Ausführungsformen, die innerhalb des Rahmens des Erfindungsgedankens liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennstab für Atomreaktoren mit einem den Kernbrennstoff enthaltenden, beidseitig druckdicht «bgeschlossenen metallischen Hüllrohr und minde- »tens einem Druckausgleichsraum für beim Abbrand entstehende Spaltgase, dadurch gekenni e i c h η e t, daß der Druckausgleichsraum (20) innerhalb des Hüllrohres (14) zusätzlich von einer dicht geschlossenen, balgartigen, metallischen Hülle (22) umgeben ist, die bei Druckanstieg zumindest teilweise zusammendrückbar und durch im Innern derselben angeordnete mechanische (24; 38) durch- »toBbarist.

2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die balgartige Hülle (22) in etwa zylindrisch ausgebildet und auf einer senkrecht zur Brennstabachse verlaufenden und mit dem Hüllrohr (14) verbundenen Bodenplatte (30) befestigt ist, die gleichzeitig einen axial zum Brennstab angeordneten Dorn (24) zum Durchstoßen der oberen Stirnseite (28) der Hülle (22) trägt.

3. Brennstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zum Dorn (24) weitere Dorne (38) auf demselben angeordnet sind.

4. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der lnnenwandung der zylindrischen Hülle (22) Dorne (38) senkrecht zur Brennstabachse befestigt sind.