DE19848581C1 - Brennstab für ein Brennelement zum Einsatz in einem Kernreaktor - Google Patents

Abstract

Ein Brennstab mit spaltbarem Werkstoff in einem Hüllrohr (1), das an beiden Enden durch Stopfen (2, 3) verschlossen ist und mit die Tablettensäule (7) von den Stopfen (2, 3) distanzierenden Stützkörpern (4, 5) soll hinsichtlich der Volumenausnutzung an seinen Enden optimiert werden. Das ist jedoch ohne Erhöhung der mechanischen Belastung des Hüllrohres (1) in diesem Bereich zu gewährleisten. Dazu ist jeder Stützkörper (4, 5) selbst an seinem der Tablettensäule (7) zugewandten Ende als thermisch isolierende Schicht (8, 10) ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstab mit einer spaltbaren Brennstoff enthaltenden Tablettensäule in einem Hüllrohr, das an beiden Enden durch Stopfen gasdicht verschlossen ist, und mit die Tablettensäule von den Stopfen distanzierenden Stütz­ körpern.

Kommerzielle Brennelemente wassergekühlter Kernreaktoren ent­ halten heute meist eine Tablettensäule mit übereinandergesta­ pelten Brennstoff-Tabletten aus Uranoxid und/oder Plutonium­ oxid, die von einem metallischen Hüllrohr radial umgeben sind. Dieses Hüllrohr ist am oberen Ende mit einem Endstopfen gasdicht verschlossen, wobei eine Druckfeder zwischen diesen Endstopfen und der Tablettensäule im Hüllrohr einen Hohlraum zum Sammeln von gasförmigen Spaltprodukten freihält. Am unte­ ren Ende ist das Hüllrohr ebenfalls durch einen Endstopfen gasdicht abgeschlossen, der einen in axialer Richtung in das Hüllrohr hineinragenden Stützkörper, z. B. ein Rohrstück, trägt, auf dem die Tablettensäule aufliegt.

Damit die mechanische Tragfähigkeit des Stützkörpers, die bei steigender Temperatur abnimmt, während des Reaktorbetriebs nicht überschritten und die Spaltgastemperatur im Spalt­ gasraum nicht zu hoch wird, ist bei dieser Konstruktion bis­ her vorgesehen, zwischen der untersten aus spaltbarem Werk­ stoff bestehenden Tablette der Säule und dem Stützkörper eine wärmeisolierende Tablette, z. B. aus Natururan oder brenn­ stofffreier Keramik anzuordnen. Bei Tabletten aus Mischoxiden ist auch zwischen der obersten Brennstofftablette und der Druckfeder eine derartige Isolationstablette angeordnet. Bei Uranoxid-Tabletten wird häufig eine etwa 0,5 bis 1 mm dünne Stahlscheibe auf die oberste Brennstoff-Tablette gelegt und an die Druckfeder angeschweißt, um deren Federkraft flächen­ förmig auf die Tablettensäule zu übertragen.

Die Isolationstablette am unteren Brennstab-Ende hat in der Regel etwa die Abmessungen einer Brennstoff-Tablette (z. B.. Zylinderdurchmesser 9 mm, Zylinderhöhe 11 mm) und nimmt daher ein verhältnismäßig großes Volumen ein, das damit nicht mehr zur Aufnahme von Brennstoff oder gasförmigen Spaltprodukten zur Verfügung steht. Die verhältnismäßig große axiale Abmes­ sung der Isolationstablette ist erforderlich, um ein Verkan­ ten der Tablette zu verhindern. Die äußersten Brennstoff- Tabletten erzeugen häufig eine Leistungsaufwölbung, da hier ein höherer Neutroneneinfall vorliegt als in der Mitte der Brennstoffsäule.

Aus der DE 42 18 023 A1 ist auch schon eine Anordnung be­ kannt, die den Ersatz der wärmeisolierenden Tablette durch einen wärmeleitenden Metallstopfen vorsieht. Über diesen wär­ meleitenden Metallstopfen wird jedoch das obere Ende des Stützkörpers stark aufgeheizt, so daß die Gefahr besteht, daß das Hüllrohr mechanisch stark belastet wird.

In der DE-AS 10 86 820 ist ein Kernbrennstab beschrieben, dessen Brennstoff-Tabletten ein zentrales Loch haben, um im Zentrum der Tablettensäule einen Hohlraum zum Sammeln der gasförmigen Spaltprodukte zu bilden. Daher ist am oberen und unteren Ende der Säule kein weiterer Hohlraum mit einem Stützkörper vorgesehen, sondern die Brennstofftabletten liegen über je eine Isoliertablette distanzlos an den Stopfen der Hüllrohre an. Die Isoliertabletten haben dabei etwa die doppelte Höhe einer Brennstoff-Tablette.

Auch der in der FR 2291578 A1 gezeigte Brennstab enthält nur einen zentralen Gas-Sammelraum und die Tablettensäulen - die durch am Hüllrohr angeschweißte Metallscheiben in Teil-Säulen unterteilt sind - liegen ebenfalls ohne eine axiale Distanz über Isoliertabletten auf den Endstopfen an. Die gelochten Brennstoff-Tabletten und die Isoliertabletten sind dabei als flache Scheiben ausgebildet. Es ist aber äußerst schwierig, einen aus solchen flachen Scheiben gebildeten Stapel in ein Hüllrohr einzuschieben, da sich die Tabletten dabei verkanten und verklemmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in einem Brennstab für einen Kernreaktor eine zuverlässige und ausrei­ chende thermische Isolierung zwischen der spaltbaren, Werk­ stoff enthaltenden Tablettensäule und einem Stützrohr zu schaffen, so daß eine mechanische Belastung des die Tablet­ tensäule umfassenden Hüllrohres sicher ausgeschlossen ist, wobei gleichzeitig zur Erzielung einer einfachen und sicheren Montage die Anzahl der verschiedenen Einzelteile so gering wie möglich zu halten ist.

Erfindungsgemäß wird dies für einen Brennstab der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß jeder Stützkörper selbst an seinem der Tablettensäule zugekehrten Ende als thermisch isolierende Schicht ausgeführt ist.

Bei vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgese­ hen, daß der Außendurchmesser der thermisch isolierenden Schicht nicht größer als der Außendurchmes­ ser des Stützkörpers ist, und daß die thermisch isolierende Schicht durch eine auf das Stützkörper-Ende aufgeklebte 1 bis 5 mm dicke Scheibe aus Isolierwerkstoff gebildet ist, die mit Keramikkleber auf dem Stützkörper-Ende befestigt ist.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Isolierschicht auf das Stützkörper-Ende aufge­ strichen oder aufgesprüht ist.

Gemäß zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind alle Brennstäbe auf gleiche Art mit einer isolierenden Schicht versehen oder es sind die Brennstäbe entsprechend unterschiedli­ chen Randbedingungen aufgrund ihrer Anordnung im Brennelement mit unterschiedlichen isolierenden Schichten versehen.

Die erfindungsgemäße Gestaltung eines Brennstabes für Brenn­ elemente von Kernreaktoren ist sehr vorteilhaft, weil sie ei­ nerseits eine bauliche Einheit zwischen Stützkörper und Iso­ lierung herstellt, deren Stärke andererseits ausschließlich auf die thermischen Erfordernisse abstellbar ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Brennstab und

Fig. 2, 3 Stützkörper-Enden in größerem Maßstab mit unter­ schiedlichen Ausführungen einer thermisch isolie­ renden Schicht.

Ein Brennstab für ein nicht näher dargestelltes Brennelement für einen Kernreaktor ist nach außen durch ein Hüllrohr 1 so­ wie durch einen unteren Stopfen 2 und einen oberen Stopfen 3 gasdicht verschlossen. Ein unterer Stützkörper 4 sowie ein oberer Stützkörper 5 und eine Feder 6 halten eine vom Hüll­ rohr 1 umschlossene Säule aus Tabletten 7 auf Distanz zu den Stopfen 2 und 3. Beide Stützkörper sind hohl und weisen Durchbrüche 9 auf, die axiale Ausgleichsströmungen von Spalt­ gasen ermöglichen.

Der Stützkörper 4 trägt auf seinem der Säule aus den Tablet­ ten 7 zugekehrten Ende eine Scheibe 8 (siehe Fig. 2) aus thermisch isolie­ rendem Werkstoff. Die Scheibe 8 ist beispielsweise aus Kera­ mik und mit einem Keramikkleber auf dem Stützkörper 4 befe­ stigt.

Das durch die Feder 6 auf die Säule aus den Tabletten 7 ge­ preßte Ende des Stützkörpers 5 ist mit einer durch Plasma­ sprühen aufgebrachten, thermisch wirksamen Isolierschicht 10 versehen. Diese Isolierschicht 10 kann aber auch als Paste durch Streichen mit einem Pinsel oder gewöhnliches Spritzen aufgetragen sein und erforderlichenfalls bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur ausgehärtet sein.

Wie aus Fig. 1 mit den entsprechenden Details in Fig. 2 und 3 ersichtlich, ist die Säule aus den Tabletten 7 in Achsrichtung zwischen der thermisch isolierenden Scheibe 8 und der thermisch isolierenden Schicht 10 eingespannt, wobei thermisch bedingte unterschiedliche Längenänderungen von der Feder 7 aufgenommen und ausgeglichen werden.

Dagegen würden radiale Maßänderungen der vom Hüllrohr 1 um­ faßten Bauteile, insbesondere der Stützkörper 4 und 5, das Hüllrohr 1 mechanisch belasten, sobald diese radialen Maßän­ derungen ein vorgesehenes Spiel überschreiten. Dieses Spiel ist im Normalfall durch Spalte zwischen dem Hüllrohr 1 einer­ seits und andererseits dem Stützkörper 4 bzw. 5 dargestellt.

Aufgrund der geometrischen Gestalt der Gesamtheit der in ei­ nen Reaktor eingebauten Brennstäbe sind deren Enden einem stärkeren Neutronenfluß ausgesetzt als deren mittlere Ab­ schnitte. Demzufolge findet an den Enden eine Leistungsauf­ wölbung statt. Die Tabletten 7 sind so dimensioniert, daß sie die Hüllrohrwand bei den dabei erreichten Temperaturen nicht nen­ nenswert belasten. Die Stützkörper 4 und 5 erreichen nur re­ lativ niedrige Temperaturen, weil der Wärmefluß von den ihnen benachbarten Tabletten 7 durch die thermisch isolierende Scheibe 8 bzw. Isolierschicht 10 in gezielter Weise auf einen bestimmten Sollwert begrenzt ist. Dadurch ist auch eine me­ chanische Belastung des Hüllrohrs 1 durch die Stützkörper 4 und 5 in radialer Richtung ausgeschlossen.

Bei zu erwartenden unterschiedlichen thermischen Belastungen der Brennstäbe in ein und demselben Brennelement, können diese durch entsprechende Anpassung der Stärke der isolieren­ den Schicht 8 bzw. 10 so ausgelegt werden, daß die mechani­ schen Beanspruchungen gleich sind.

Abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel kann es auch zweckmäßig sein, nur unten oder nur oben im Brennstab eine thermische Isolierung vorzusehen.

Häufig ist es aus wirtschaftlichen Gründen auch vorteilhaft, die thermische Isolierung oben und unten im Brennstab gleich­ artig auszuführen.

Claims (11)

1. Brennstab, insbesondere für ein Brennelement zum Einsatz in einem Kernreaktor, mit einer spaltbaren Brennstoff enthal­ tenden Tablettensäule (7) in einem Hüllrohr (1), das an bei­ den Enden durch Stopfen (2, 3) gasdicht verschlossen ist und mit die Tablettensäule (7) von den Stopfen (2, 3) distanzie­ renden Stützkörpern (4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Stützkörper (4, 5) selbst an seinem der Tabletten­ säule (7) zugewandten Ende als thermisch isolierende Schicht (8, 10) ausgeführt ist.

2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur der untere Stützkörper (4) an seinem der Tablettensäule zugewand­ ten Ende als thermisch isolierende Schicht ausgebildet ist.

3. Brennstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Au­ ßendurchmesser der thermisch isolierenden Schicht (8, 10) gleich groß oder kleiner ist als der Außendurchmesser des Stütz­ körpers (4, 5).

4. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ther­ misch isolierende Schicht durch eine auf das Stützkörper-Ende aufgeklebten Scheibe (8) aus Isolierwerkstoff gebildet wird.

5. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (8) 1 bis 5 mm dick ist.

6. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (8) mit Keramikkleber auf dem Stützkörper-Ende befe­ stigt ist.

7. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die iso­ lierende Schicht (10) auf das Stützkörper-Ende aufgestrichen oder aufgesprüht ist.

8. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die iso­ lierende Schicht (10) auf das Stützkörper-Ende (5) durch Plasmasprühen aufgebracht ist.

9. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (4, 5) hohl ist und an seinem thermisch isolie­ renden Ende einen Durchbruch (9) aufweist.

10. Brennelement mit Brennstäben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Brennstäbe auf gleiche Art mit einer isolierenden Schicht (8, 10) versehen sind.

11. Brennelement mit Brennstäben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe entsprechend unterschiedlichen Randbedingungen aufgrund ihrer Anordnung im Brennelement mit unterschiedlich isolierenden Schichten (8, 10) versehen sind.