DE1943495A1

DE1943495A1 - Kernreaktor-Brennelement

Info

Publication number: DE1943495A1
Application number: DE19691943495
Authority: DE
Inventors: Williams Albert Etheridge
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-08-29
Filing date: 1969-08-27
Publication date: 1970-03-05
Also published as: US3671393A; FR2016579A1; GB1269210A; FR2016579B1; JPS4818990B1

Description

26. 8. 1969

UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY, 11, Charles II Street, London, S. W, 1, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 41344/68 vom 29. 8. 1968 beansprucht

Kernreaktor-Brennelement

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktor-Brennelemente, welche keramischen, in einer Schutzhülle eingeschlossenen Kernbrennstoff aufweisen.

Bei solchen Brennstoffelementen ist eine Schutzhülle erforderlich, welche stark genug ist, um den inneren Beanspruchungen zu widerstehen, denen sie durch die Wärmeausdehnung und das Anschwellen des Brennstoffs ausgesetzt wird, wenn ein Brennstoffelement in einem Kernreaktor bestrahlt wird. Die Hülle widersteht somit einer Beschädigung und einem Bruch und hindert Spaltprodukte daran, in das Reaktorkühlmittel zu gelangen.

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Die Festigkeit der Hülle steht normalerweise in Beziehung zu ihrer Dicke oder Schicht stärke; da aber.= die Hülle für Neutronen parasitär bzw. störend ist und außerdem einen Hauptposten bei den Kosten der Brennstoffelemente ausmacht, ist es erwünscht, sie so dünn wie möglich zu halten und zur gleichen Zeit zu befähigen, den ihr durch den Brennstoff während der Bestrahlung auferlegten inneren Beanspruchungen zu widerstehen. Normalerweise wird bei der Konstruktion eines Brennelementes dafür Sorge getragen, daß das Brennstoff-Anschwellen und -Ausdehnen innerhalb der Hülle in solcher V/eise aufgenommen wird, daß die Umhüllung keiner übermäßigen Belastung ausgesetzt wird. Eine bekannte Methode, dies zu erzielen, schließt die Verwendung hohler keramischer Brennstoffkörper oder solcher von geringer Dichte ein, um ein Brennelement zu schaffen, welches innere Hohlräume aufweist, die ein radiales Ausdehnen und Anschwellen des Brennstoffes aufnehmen können, und diese bekannte Methode sieht außerdem ein Volumen freien Raumes im Brennelement zur Aufnahme gasförmiger Spaltprodukte, die im Brennstoff erzeugt werden, vor.

Bei Kernreaktoren jedoch, die mit Hochleistungspegeln arbeiten, ist das Ausmaß des Brennstoff-Anschwellens und der Freigabe gasförmiger Spaltprodukte derart, daß selbst bei Verwendung von Brennstoffkörpern, die einen Hohlraum innerhalb der Brennstoffelemente bilden, eine radiale Belastung der Hülle erfolgen kann. Als ein weiterer Hotbehelf, die Radialbelastung der Hülle zu vermeiden, kann eine Längsausdehnung des Brennstoffmaterials in der Hülle ermöglicht werden.

Befinden sich beispielsweise Brennstoffpellets bzw. -tabletten in einer Säule ,innerhalb der Schutzhülle, so kann eine Längsausdehnung der Säule von Brennstoffpellets in einfacher Weise dadurch, ermöglicht werden, daß ein Raum in der Hülle am,, einen Ende der Säule von Brennstoff pellets vorgesehen wird. Da das Spiel zwischen der Hülle und der Außenoberfläche der Säule von Brennstoff pellets auf einem Minimum gehalten wird,

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um eine maximale Wärmeübertragung über die Hülle zu erreichen, so besteht die Möglichkeit, daß ein oder mehrere der Pellets sich eher in der Hülle verklemmen, als sich auszudehnen oder sich in Längsrichtung in der Hülle zu bewegen. Derjenige Teil der Säule von Brennstoffpellets, der dann an einer Längsausdehnung durch das verklemmte KLIet oder die verklemmten Pellets gehindert wird, kann sioh nur radial ausdehnen, was eine radiale Beanspruchung der Brennstoffelementhülle zur Folge hat. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, wurde bereits vorgeschlagen, eine Reihe von Abstandsbauteilen in einer Brennelementhülle vorzusehen, welche die Säule von Brennetoffpellets in Längssegmente unterteilen. Die Abstandsbauteile sind in der Brennelementhülle fixiert und so angeordnet, daß ein Raum am einen Ende eines jeden dieser Segmente von Pellets vorhanden ist, um jedem Segment die Möglichkeit zu geben, sich in Längsrichtung relativ zur Hülle auszudehnen. Ein Problem entsteht bei der Herstellung eines solchen Brennelementes insofern, als es schwierig ist, die Abstandsbauteile in der Hülle genau anzuordnen, um so die erforderlichen Räume für die Längs aus dehnung der Segmente der .ßrennstoffpellets sicherzustellen.

Die Unterteilung des Brennstoffs in Längssegmente durch fixierte Abstandsbauteile ist außerdem dann wünschenswert, wenn der Brennstoff eine geringe Dichte hat oder in Form hohler Körper vorliegt, die zur Aufnahme des radialen Anschwellens bestimmt sind. Wenn das Brennelement sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, beispielsweise während eines unbeabsichtigten Leistungsausstoßes des Reaktors, dann kann Brennstoff-Schmelzen eintreten. Wenn nicht der Brennstoff in Einheitslängen unterteilt ist, wie beispielsweise durch fixierte Abstandsstücke in der Hülle, kann ein Absacken des Brennstoffs bis zum unteren Ende eines vertikal angeordneten Brennelementes stattfinden, was zu einer Instabilität des Reaktors führt.

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Erfindungsgemäß weist ein Kernreaktor-Brennelement Kernorennstoffmaterial, welches in einer Schutzhülle eingeschlossen ist, sowie eine Vielzahl von Abstandsbauteilen auf, welche das Brennstoffmaterial in Längssegmente in der Hülle unterteilen, wobei zumindest das eine Ende eines jeden Abstandsbauteils so geformt ist, daß es einen geringen Widerstand gegen Längsstauchen aufweist, derart, daß diesen Segmenten die Möglichkeit gegeben wird, sich in Längsrichtung der Hülle durch Zusammenstauchen der entsprechenden Enden der Abstandsbauteile auszudehnen.

Vorzugsweise werden die Abstandabauteile gegen Längsbewegung in der Brennelementhülle fixiert, beispielsweise durch Hartverlöten im Innern der Hülle, oder durch Eindrücken der Hülle in Wirkverbindung mit Verriegelungsnuten um die Abstandsbauteile herum.

Eine Ausführungsform von Abstandsbauteilen nach der Erfindung weist einen rohrförmigen Körper auf, der im Innern der Brennelementhülle sitzt, wobei zumindest das eine Ende des Körpers mit dünnwandigen Verlängerungen von Blumenknospenform versehen ist, die kuppeiförmig umgebogen sind, um ein zusammenstauchbares halbkugelförmiges Ende am Körper zu bilden.

Eine weitere Ausführungsform von Abstandsbauteil nach der Erfindung weist einen rohrförmigen Körper auf, der im Innern der Brennelementhülle sitzt, wobei zumindest das eine Ende des Körpers mit sich in Längsrichtung erstreckenden Fingern ausgestattet ist, die außerdem in radialer Richtung von der Innenbohrung der Hülle entfernt sind, wenn der Abstandsbauteil in der Hülle sitzt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

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Pig. 1 einen Längsschnitt durch ein Brennelement mit Abstandsbauteilen gemäß der Erfindung,

Pig. 2 einen Längsschnitt durch eine Alternativ-Ausführungsform von Abstandsbauteil, während

Pig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Abstandsbauteils wiedergibt.

Wie sich aus Pig. 1 ergibt, weist ein mit Helium gefülltes Kernreaktor-Brennelement 1, welches sich für die Verwendung in einem flüssigmetallgekühlten Kernreaktor eignet, eine rohrförmige Edelstahlhülle 2 mit Endabschnitten 3 und 4 von gegenüber dem Mittelabschnitt der Hülle 2 reduziertem Durchmesser auf. Die Endabschnitte 3 und 4- sitzen in Edelstahl-Innenhülsen 5 bzw. S und sind mit Endschweißungen 7 und 8 abgedichtet. An demjenigen Ende der Innenhülse 5, welches der Endschweißung 7 abgelegen ist, liegt ein Wirbelbauteil 9 an, der am einen Ende eines rohrförmigen Druckstabes 10 sitzt. Ein Wirbelbauteil 13 sitzt am anderen Ende des Druckstabes 10. Die Bauteile 9 und 13 sind mittels Stopfen 14- und 15 abgedichtet und mit Sprengringen 16 und 17 versehen, die den Druckstab 10 innerhalb der Hülle 2 lokalisieren.

Die Hülle 2 enthält Kernbrennstoff material in Form einer Säule von ringförmigen Brennetoffpellets 18, z.B. aus einem Uran-Dioxyd/Plutonium-Dioxyd-Gemisch. Die Säule von Brennstoffpellets 18 ist in eine Anzahl von Längssegeenten 19 durch rohrförmige Abstandsbauteile 20 unterteilt. Jeder Abstandsbauteil besteht aus Edelstahl und ist aus einem Blech oder Rohr von der gleichen Dicke wie der der Schutzhülle 2 hergestellt. Jeder Abstandsbauteil 20 weist in der Mitte eine Uafangseindrückung 21 auf, die zur Aufnahme von Hartlot dient, welches zum Pixieren des Abstandsbauteils 20 innerhalb der Schutzhülle 2 verwendet wird. Jedes Ende jedes Abstandsbauteils 20 ist verlängert, um drei oder vier dünnwandige "Blumenblätter¹» 22 zu bilden, die naoh innen umgebogen sind, üb die Abatandsbauteile 20 mit zueaaaenstauchbaren Halbkugelenden zu versehen. Die Spitzen der

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"Blumenblätter" 22 treffen am Scheitelpunkt der Halbkugelenden des Abstandsbauteils 20 zusammen. Ein Abstandsbauteil 20 ist außerdem zwischen dem Wirbelbauteil 13 und dem benachbarten Ende der Säule von Brennstoffpellets 18 vorgesehen. Die Brennstoff pellets 18, die eine Ringform aufweisen, sehen einen zentralen Längshohlraum 23 im Brennelement vor.

Das andere Ende der Säule von Brennstoffpellets 18, und zwar das dem Druckstab 10 abgelegene Ende, steht in Berührung mit einem Wolfram- oder Molybdän-Strickmaschenpellet 24, welches von der Innenhülse 6 des Endabschnitts 4 durch einen Edelstahlfc Abstandsbauteil 25 auf Abstand gehalten wird. Der Abstandsbauteil 25 weist ein dickwandiges zentrales Teilstück 26 mit einer Umfangsnut 27 auf, in welche die Schutzhülle 2 eingedrückt wird. Der Ab3tandsbauteil 25 weist dünnwandige zylindrische Endverlängerungen 28 und 29 auf, wobei die zylindrische Verlängerung 28 sich am Strickmaschenpellet 24 und die zylindrische Verlängerung 29 sich an der Innenhülse 6 abstützt.

Die Fign. 2 und 3 zeigen Alternativ-Ausführungsformen von zusammenklappbaren Abstandsbauteilen, die anstelle der in PIg. 1 dargestellten verwendet werden können.

Pig. 2 zeigt einen Edelstahl-Abstandsbauteil 30, der einen ) dickwandigen Rohrkörper 31 mit einem zentralen !Eeilstück 32 von reduzierter Dicke aufweist, wobei eine Umfangsaussparung 33 um den Körper 31 herum vorgesehen ist, in welche die Brennelementhülle 2 mechanisch eingedrückt wird. Jedes Ende des Körpers 31 weist vier dünnwandige "Blumenblätter" 34 auf, die nach innen umgebogen sind, um den Abstandsbauteil 30 mit zusammenstauchbaren Halbkugel end en zu versehen. Pig. 3 zeigt einen zusammenklappbaren Abstandsbauteil 35, der einen dickwandigen Rohrkörper 36 mit einem zentralen Teilstück 37 τοη reduzierter Dicke aufweist, wobei eine Umfangsaussparung 38 um den Körper 36 herum vorgesehen ist, in welche die Brennelementhülle 2 mechanisch eingedrückt wird. Das eine Ende des Körpers 36 weist vier in

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gleichem Abstand angeordnete und in Längsrichtung vorstehende Finger 39 auf, die im Querschnitt dünn sind. Die Finger 39 werden durch äußere Reduzierung der Wanddicke des einen Endes des Abstandskörpers 36 und dann durch Längsschlitzen des auf diese Weise gebildeten dünnwandigen rohrförmigen Endteilstücks gebildet. Daher sind die Finger 39, wenn der Abstandsbauteil in einer Brennelementhülle sitzt, in radialem Abstand von der Innenbohrung der Hülle angeordnet.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 können sich die Brennstoffpellets 18 in jedem der Segmente 19 in Längsrichtung relativ zur Hülle 2 ausdehnen, indem sie die halbkugelförmig gebogenen Enden der Abstandsbauteile 20 zusammenstauchen. Dies ist auch der Fall bei einem Brennelement, bei welchem Abstandsbauteile 30, wie in Fig. 2 dargestellt, verwendet werden. Im Falle eines Brennelementes, bei dem Abstandsbauteile 35 nach Fig. 3 verwendet werden, wird eine Längsausdehnung des Brennstoffmaterials in den Segmenten 19 durch Zusammenstauchen der Finger 39 des Abstandsbauteils 35 aufgenommen.

Die kuppeiförmigen Enden der Ab-.tandsbauteile 20 und 30 oder die Finger 39 der Abstandsbauteile 35 sind ausreichend stark, um Beschädigungen während des Ladens bzw. Beschicken des Brennstoffs in die Brennstoffelementhülle 2 während der Herstellung zu widerstehen. Das Brennstoffladen bedeutet lediglich das Einführen von Brennstoff und der Abstandsbauteile Ende an Ende in die Brennelementhülle.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

- 8 69 121 Kü/A 26. θ. 1969

Patentansprüche <

/Λ

M.7Kernreaktor-Brennelement mit in einer Schutzhülle ein-

geschlossenem Kernbrennstoffmaterial und einer Vielzahl von Abstandsbauteilen, welche das Brennstoffmaterial in Längssegmente in der Hülle unterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das eine Ende eines jeden Abstandsbauteils (20, 30, 35) so ausgebildet ist, daß es einen geringen Widerstand gegen Längs-Zusammenstauchen aufweist, derart, daß diese Segmente (19) sich in Längsrichtung der Hülle (2) durch Zusammenstauchen der entsprechenden Enden (22, 34, 39) der Abstandsbauteile (20, 30, 35) auszudehnen vermögen.
2. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsbauteile (20, 30, 35) gegen Längsbewegung in der Brennelementhülle (2) fixiert sind.
3. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abstandsbauteil (20, 30) einen rohrförmigen Körper aufweist, welcher im Innern der Brennelementhülle (2) sitzt, wobei zumindest das eine Ende des rohrförmigen Körpers mit dünnwandigen Verlängerungen (22, 34) von blumenblattähnlicher Form ausgebildet ist, die kuppeiförmig nach innen gebogen sind, um ein zusammenstauchbares Halbkugelende am Körper zu bilden.
4. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abstandsbauteil (35) einen rohrförmigen Körper (36) aufweist, der im Innern der Brennelementhülle (2) sitzt, wobei zumindest das eine Ende des Körpers (36) mit sich in Längsrichtung erstreckenden Fingern (39) ausgestattet ist,, die außerdem in radialem Abstand von der Innenbohrung der Hülle (2) bei in der Hülle sitzendem Abstandsbauteil (35) angeordnet sind.

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