DE1958883A1 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

WESTINGHOUSE Electric Corporation Erlangen, ' "^- ^69 Pittsburgh, Pennsylvania, USA Werner-von-Siemens-Str.

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Kernreaktorbrennelement

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktorbrennelement, das aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Brennstäben, die durch Abstandshalter sowie durch eine Rahmenkonstruktion in ihrer Sollage fixiert sind, besteht. Eine größere Anzahl dieser Brennelemente bildet in dichter Packung das Core eines Kernreaktors und wird in Längsrichtung der Brennstäbe von einem Kühlmittel umströmt, das unter Umständen auch Moderatoreigenschaften haben kann.

Für die gleichmäßige Wärmeabfuhr aus den einzelnen Brennstäben, unter Umständen auch bei wechselnden Betriebstemperaturen, müssen die Abstände zwischen den einzelnen Brennstäben stets einigermaßen konstant gehalten werden. Dies wird in an sich bekannter Weise durch Abstandshalter erreicht. Es müssen jedoch darüber hinaus Mittel vorgesehen werden, die ein Auswechseln der einzelnen Brennelemente ermöglichen. Diese bestehen in einem verhältnismäßig steifen Haltegerüst für die Brennstäbe und vermeiden ein Verbiegen derselben während des Betriebes, damit unter Umständen ein Klemmen bei der Bewegung der Brennelemente verhindert wird. Solche Mittel bestehen z.B. aus einer möglichst großen Anzahl der bereits genannten Abstandshalter, die mit Längsstreben z.B. auch den Führungsrohren von Fingerregelstäben sowie den unteren und oberen Brennstabhalteplatten starr verbunden sind. Es besteht auch die Möglichkeit, das ganze Brennelement in eine kastenförmige Hülse einzubauen, wobei die Wände derselben zur Ermöglichung einer Querströmung des Kühlmittels gelocht sein können.

Aus kerntechnischen und hydraulischen Überlegungen heraus sollte innerhalb des eigentlichen Reaktorkerns möglichst wenig Strukturmaterial vorhanden sein. Andererseits verlangen mechanische

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und warmetechnische Überlegungen einen möglichst engen Abstand der einzelnen Abstandshalter sowie verhältnismäßig schwere Aufbaustrukturen der Brennelemente. Letztere Forderung führt aber zu einer Beeinträchtigung der kerntechnischen und hydraulischen Charakteristiken des Reaktorkerns, so daß in dieser Hinsicht keine optimalen Verhältnisse geschaffen werden können.

Die genannten schweren Halterungseinrichtungen sind erforderlich, da die Wärmeerzeugung in einem Reaktorkern nicht gleichförmig ist und Temperaturgradienten in Längsrichtung der Brennstäbe und quer zu denselben möglich sind. Vor allen Dingen die Temperaturgradienten quer zur Längsachse der Brennstäbe und der Brennelemente versuchen die einzelnen Brennstäbe bogenförmig zu deformieren. Derartige Verbiegungen müssen verhindert werden, damit örtliche Neutronenflußspitzen und damit auch hot spots weitestgehend verhindert werden, aber auch die geometrischen Abmessungen der Brennelemente sowie der Brennstäbe erhalten bleiben. In Anbetracht der durch die verhältnismäßig schweren Haltestrukturen der Brennelemente bedingten verhältnismäßig ungünstigen kernphysikalischen Verhältnisse stellte sich die Aufgabe, einen Brennelementaufbau zu finden, der wesentlich günstigere Eigenschaften in kerntechnischer und strömungstechnischer Hinsicht erwarten läßt.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Rahmenkonstruktion durch Verwendung temperaturkompensierter Bauelemente in Verbindung mit an sich bekannten Abstandshaltergittern aus hochkant angeordneten Blechstegen auch bei Temperaturgradienten quer zu ihrer Längsachse biegesteif ausgeführt sind. Auf diese Weise wird also erreicht, daß unabhängig von den jeweiligen Temperaturverhältnissen die Rahmenkonstruktion > der einzelnen Brennelemente in sich starr und gerade bleibt und damit in der Lage ist, im Zusammenwirken mit an sich bekannten Abstandshaltern die Geradlinigkeit der in ihrem Verband sich befindlichen Brennstäbe aufrechtzuerhalten. Das Wesen dieser Erfindung läßt sich am einfachsten erläutern und verdeutlichen anhand von einigen möglichen Ausführungsbeispielen, die nachstehend näher beschrieben sind. Von den

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VPA 69/8253 -3-zugehörigen Figuren zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht eines Brennelementes, bei dem aus Gründen der Übersichtlichkeit die Brennstäbe sowie die Führungsrohre für die Fingerregelstäbe weggelassen sind, Fig. 2 und 3 - diese gehören zusammen - den temperaturkompensierten Aufbau einer Verbindungsstrebe der Rahmenkonstruktion, Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2, Fig. 5 einen Detail zur Zentrierung des Zentralstabes nach Fig. entsprechend der Schnittlinie V-V,

Fig. 6 den Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer temperaturkompensierten Verbindungsstrebe der Rahmenstruktur, Fig. 7 eine Draufsicht auf einen gitterförmigen Abstandshalter mit den darin angeordneten Brennstabgruppen, Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anderen konstruktiven Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein temperaturkompensierter Mantel des Brennelementes anstelle der temperaturkompensierten Verbindungsstreben Verwendung findet, Fig. 9 eine teilweise und vergrößerte Ansicht entsprechend der Linie IX-IX nach Fig. 8,

Fig. 10 eine vergrößerte Ansicht des temperaturkompensierten Mantels nach Fig. 8 und

Fig. 11 einen Schnitt durch die Wandung des temperaturkompensierten Mantels entsprechend Fig. 10.

Die in Fig. 1 dargestellte Verkörperung der vorliegenden Erfindung zeigt eine Rahmenkonstruktion, die aus jeweils einem BrennetabfUhruhgskasten Υ]_ an den Enden des Brennelementes sowie dazwischen angeordneten temperaturkompensierten Verbindungsstreben 12 besteht. Die gesamte Rahmenkonstruktur ist mit JO. bezeichnet und zeigt, daß zwischen den beiden Brennstabführungskästen JJ2 nur wenige, im wesentlichen die Kühlmittelströmung führende Abstandshaltereinrichtungen 14' vorgesehen sind. Die Brennstabführungskästen bestehen aus je zwei Abstandshaltergittern 14 bzw. 14a an sich bekannter Konstruktion, die durch eine äußere, evtl. mit seitlichen Bohrungen für ein gewisses Kühlmittel (Querströmung) versehene Blechwand 16 verbunden sind und somit einen in sich starren Kasten

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bilden. Die in den Maschen der Abstandshaltergitter 14 gehälterten Brennstäbe werden damit zwangsweise gerade gehalten, zumal die beiden Brennstabführungskästen 17 durch die temperaturkompensierten Verbindungsstreben 12 starr verbunden sind. Die Verbindungsstreben 12 sind außerhalb der Brennetabführungskästen 17 noch in an sich bekannter Weise mit Brennstabhalteplatten sowie Kupplungseinrichtungen verankert, die mit dem Bezugszeichen 15 rein schematisch angedeutet sind.

Da die Rahmenstruktur 20 ⁱⁿ noch zu beschreibender Weise temperaturkompensiert ist und, wie bereits erwähnt, die Brennstabfüh- _ rungskästen den Brennstäben eine geradlinige und ausgerichtete ™ Gestalt aufzwingen, wirken auf die Verbindungsstreben 12 keine Biegekräfte sondern lediglich Zug- oder Druckspannungen, die von diesen jedoch leicht aufgenommen werden können.

Die Fig. 2, 3 und 5 zeigen nun den Aufbau der temperaturkompensierten Verbiridungsstreben 12. Diese Streben bestehen zunächst aus einem inneren Stab 26, einer Zwischenhülse 28, die am oberen Ende des Stabes 26 mit diesem verbunden ist sowie einer äußeren Hülse 30, die am unteren Ende der Zwischenhülse 28 einen Plansch 42 besitzt und über Bolzen 44 mit einem Flansch 40 der Zwischenhülse 28 verbunden ist. Durch Schweißpunkte 46 ist dafür gesorgt, daß sich diese Verbindung nicht zufällig lösen kann. Die tempera- ^ turkompensierende Eigenschaft dieser Streben ist dabei dadurch gegeben, daß Stab 26 und äußere Hülse 30 aus einem Material mit niedrigem Wärmedehnungskoeffizienten, wie z.B. einer Molybdänbasislegierung, besteht, während die Zwischenhülse 28 aus einem Material mit größerem Wärmedehnungskoeffizienten, wie z.B. aus rostfreiem Stahl vom Typ 304, aufgebaut ist. Die Länge dieser drei Teile ist so gewählt, daß wenigstens im Bereich der möglichen Betriebstemperaturen die gesamte Wärmedehnung praktisch gleich Null ist. Für die Verbesserung der Eigensteifigkeit dieser Streben 12 ist ein konusförmiger Zentriersitz zwischen den Teilen 26 und 28 vorgesehen, siehe Bezugszeichen 41 und 39» der sich beim Erreichen der Betriebstemperatur schließt.

Weiterhin sind zur Zentrierung dieser Teile Blattfedern 34 in

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Längsschlitzen 38 des Stabes 26 vorgesehen, die in denselben z.B. über Nieten 36 befestigt sind. Diese Anordnung ist im Querschnitt in Fig. 5 näher dargestellt.

Das untere Ende des inneren Stabes 26 hat einen im Querschnitt verjüngten Abschnitt 48, der über ein Gewinde sowie einen Bolzen 42 mit einer Hülse 50 aus z.B. rostfreiem Stahl vom Typ 304 in der dargestellten Weise verbunden ist. Durch Schweißpfropfen 54 wird dabei der Stift 52 am Herausfallen gehindert. In ähnlicher Weise ist die Verbindung des oberen Endes des Stabes 26 mit der Hülse 28 ausgeführt. Auch hier ist eine Schraubverbindung 32 vorgesehen, die durch eine Einbeulung 52' unlösbar gemacht ist. Diese beiden Enden gehen in nicht näher bezeichneter Weise in einen Gewindezapfen über, der zur Halterung der weiteren, bereits erwähnten, Strukturteile 15 dient. Die Verbindung dieser Streben 12 mit den Abstandshaltegittern der Brennstabführungskästen 17 erfolgt beispielsweise am freien Ende der Hülse 30, siehe die strichpunktierte Linie in Fig. 2 bzw. am Teil 50 gemäß Fig. 3. Die Längendimensionen dieser einzelnen Teil sind dabei so gewählt, daß zwischen den Längssymmetrielinien 20 bzw. 22 der Brennstabführungskästen 17 die Wärmedehnung bei Betriebstemperaturen praktisch gleich Null ist, wie bereits vorher kurz erwähnt wurde.

Eine andere Möglichkeit für den Aufbau der temperaturkompensierten Streben 12 ist aus der Fig. 6 zu ersehen. Der Aufbau dieser Strebe 12' ist weniger kompliziert. Sie enthält eine hohle Innenröhre 60, die koaxial innerhalb einer Befestigungsröhre 62 mit Flansch 68 angeordnet ist. Die gegenseitige Zentrierung erfolgt durch eine Anzahl von Federfingepn 64 und/oder' mehreren steifen Vorsprüngen 66. Durch die Kombination der durch diesen Aufbau bewirkten Wärmeisolation zwischen dem Innenrohr 60 und der Umgebung sowie dem im Innenrohr 60 fließenden Kühlmittelstrom, der sich auf der Eintrittstemperatur zum Reaktorkern befindet, wird auch die Temperatur der Verbindungsstrebe 12' ziemlich konstant gehalten, so daß die thermische Ausdehnung damit auf ein Minimum herabgesetzt wird.

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Die Verbindung dieser Streben 12 bzw. 12' mit den Abstandshaltergittern H ist in Pig. 7 dargestellt. Das Brennelement hat in diesem Beispiel einen sechseckigen Querschnitt, der Abstandshalter ist aus sich kreuzenden hochkant gestellten Stegen 72 aufgebaut, die ein Maschenwerk von rautenförmigen Öffnungen 73 bilden. Jeweils um 120 voneinander versetzt sind durch Eckmaschen die Verbindungsstreben 12 bzw. 12' hindurchgeführt und dort durch Lötung oder Schweißung festgelegt. Derartige Abstandshalterkonstruktionen sind an sich bekannt, siehe das US-Patent 3 379 617 vom 23. April 1968. Bei diesem hier dargestellten Beispiel werden je vier Brennstäbe 76 von einer A Masche 73 umschlossen. Innerhalb der Masche liegen sie einmal an den Stegen 72 an und sind voneinander durch gegenseitige Stützstege 78, die wieder über an sich bekannte senkrecht dazu gegenüber dem Abstandshaltergitter eingepaßte Stege 80 fixiert sind, gehaltert. Diese Stege 78 bzw. 80 müssen nicht starr ausgeführt sein, sie können vielmehr auch aus federndem Material bestehen. Die in der Fig. 7 dargestellten Verhältnisse sind daher nur rein schematisch zu werten, wobei noch darauf hingewiesen wird, daß bei dieser Konstruktion das Auftreten von Reibkorrosion möglichst weitgehend verhindert werden sollte.

Die bisherigen Beispiele hatten ein sogen, kastenloses Brennelement zum Gegenstand, bei dem über den größten Teil seiner ψ Länge auch eine ungehinderte Kühlmittelquerströmung zu den benachbarten Brennelementen im Reaktorkern möglich ist. Das dort verwendete Prinzip der temperaturkompensierten Verbindungsstreben läßt sich auch für sogen, kastenförmige Brennelemente anwenden, bei denen anstelle der Verbindungsstrebeneine äußere mantelförmige Umhüllung des gesamten Brennelementes tritt. In diesem Falle muß dann bei Anwendung des dieser Erfindung zugrundeliegenden Prinzips der Brennelementmantel selbst temperaturkompensiert aufgebaut sein.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen nun eine derartige Konstruktion. Der Brennelementmantel - der Querschnitt des Brennelementes ist wieder als sechseckig angenommen - ist mit 8(5 bezeichnet und besteht aus einzelnen, jeweils für sich temperaturkompensierten

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Abschnitten 92 bzw. 100. Ihr Aufbau ist analog dem der Verbindungsstreben 12. Sie bestehen demnach aus einem jeweils zylindrischen inneren Teil 104 sowie einem äußeren Teil 102 aus einer Legierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, wie z.B. Molybdän oder einer Molybdänlegierung und einem dazwischen angeordneten Teil 106 aus einem sich relativ gut ausdehnenden Material, wie z.B. rostfreier Stahl vom Typ 304. Dieses Teil 106 ist an seinem unteren bzw. oberen Ende mit dem inneren Teil 104 bzw. dem äußeren Teil 102 z.B. durch Schweißen oder Löten verbunden. Diese Teile sind daher gegeneinander frei und können gegeneinander gleiten. Ihre Längen sind so gewählt, daß diese Enden der zusammengesetzten Struktur auch bei Temperaturänderungen keine Lageänderung zeigen.

Damit der gesamte Mantel 86 innen und außen eine ebene Oberfläche aufweist, ist das äußere Teil 102 an der Stelle 112 nach innen abgekröpft. Das innere Teil 104 hat an seinem oberen Ende eine nach auswärts gerichtete Kröpfung 114 und an seinem unteren Ende eine nach innen gerichtete Stufung 116. Das dazwischen angeordnete Teil 106 hat in entsprechender Weise eine nach außen gerichtete Stufung 118 an seinem oberen Ende entsprechend der Erweiterung 114 des inneren Teiles 104.

Die Abschnitte 100 sind mit ihren Enden miteinander verbunden. Am unteren Ende jedes Abschnittes 100 ist eine Einziehung des Teiles 104 vorgesehen, so daß es mit dem äußeren Teil 102 des benachbarten Abschnittes 100 eine Führung 120 bildet, siehe Fig. 11, die d*en miteinander verbundenen Teilen 106 und 112 eine freie Wärmedehnung ermöglicht. Am oberen Ende jedes Abschnittes 100 passen die Teile 114 und 118 in einen ähnlichen Schiebesitz 122, der durch das äußere Teil 102 und das Teil 116 des benachbarten Abschnittes 100 gebildet wird.

Durch die Verbindung dieser einzelnen Abschnitte 100 zum Gesamtmantel 86 ergibt sich zusammen mit den Abstandshaltern eine insbesondere in axialer Richtung sehr stabile Rahmenstruktur, die in ähnlicher »'/eise wie in den vorhergehenden Beispielen das Verbiegen der Brennstäbe während des Betriebes verhindert.

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Wie in der Fig. 9 dargestellt, ist es zusätzlich möglich, diesen Mantel 86 mit axialen Wellungen 110 zu versehen, die für eine weitere Versteifung des ganzen Gebildes sorgen. Sie dienen auch der Verhinderung einer Querdehnung des Mantels. In ähnlicher Weise können Längsschlitze (nicht dargestellt) verwendet werden.

Die Mantelabschnitte 92, die in sich wärmekompensiert und verwendungssteif sind, können an den Stellen 88 in üblicher Weise durch Löten oder Schweißen mit Abstandshaltergittern H verbunden werden. Das sind jene Punkte, zwischen denen praktisch keine Wärmedehnung stattfindet. Der diese Punkte verbindende Mantelbereich ist in den Fig. 8 und 10 mit 90 bezeichnet.

Dieses Konstruktionsbeispiel für einen temperaturkompensierten Brennelementmantel stellt selbstverständlich nicht die einzige Möglichkeit dar, das erfindungsgemäße Ziel zu erreichen. Vielmehr sind auch noch andere konstruktive Möglichkeiten denkbar, die alle den Bedingungen auf Temperaturkompensation und Festigkeit genügen.

11 Figuren
7 Patentansprüche

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Claims (7)

1. VPA 69/8253

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   Patentansprüche

   ΐ 1.)Kernreaktorbrennelement, bestehend aus einer Vielzahl von zueinander parallelen Brennstäben, die durch Abstandshalter sowie durch eine Rahmenkonstruktion in ihrer Sollage fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenkonstruktion durch Verwendung temperaturkompensierter Bauelemente in Verbindung mit an sich bekannten Abstandshaltergittern aus hochkant angeordneten Stegen auch bei Temperaturgradienten quer zu ihrer Längsachse biegesteif ausgeführt ist.
2. 2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenkonstruktion aus zwei die Brennstabenden aufnehmenden Brennetabführungskästen (17) und mehreren diese verbindenden temperaturkompensierten Streben (12) besteht.
3. 3. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennetabführungskästen (17) aus zwei Abstandshaltergittern (14)bestehen, die durch einen Blechmantel (16) starr miteinander verbunden sind.
4. 4. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (12) aus drei zueinander konzentrisch angeordneten stab- bzw. rohrförmigen Bauteilen (26, 28, 30) bestehen, von denen das mittlere einei größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die beiden anderen besitzt und an seinen Enden jeweils mit einem der anderen Bauteile verbunden ist.
5. 5. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (12^f) aus zwei konzentrischen Rohren (62 und 60) bestehen, zwischen denen ein Wärmeisolationsspalt vorgesehen ist und von denen das Innere vom auf Eintrittstemperatur befindlichen Reaktorkühlmittel durchströmt ist.
6. 6. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenkonstruktion aus einem temperaturkompen-

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   sierten Brennelementmantel (86) besteht, der mit Abstandshaltergittern an Punkten mit einer Wärmedehnung praktisch gleich Null starr verbunden ist.
7. 7. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenkonstruktion aus aneinandergereihten und miteinander starr verbundenen Abschnitten (100) besteht, die in sich einen temperaturkompensierten Aufbau analog dem nach Anspruch 4 aufweist.

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