DE2007833A1

DE2007833A1 - Kernreaktorbrennstab

Info

Publication number: DE2007833A1
Application number: DE19702007833
Authority: DE
Inventors: Michael B. L. North Versailles; Ferrari Harry M. Pittsburgh; Pa. Hepps (V.ST.A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-02-26
Filing date: 1970-02-20
Publication date: 1970-09-17
Also published as: JPS4832557B1; AT308248B; BE746189A; FR2032419A1; US3647623A; CH504076A; FR2032419B1

Description

ι 9. m. κ

WESTINGHOUSE Electric Corporation Erlangen,

Pittsburgh, Pennsylvania, USA Werner-von-Siemens-Str.

Kernreaktorbrennstab

Mein Zeichen

VPA 70/8312 Mü/Hü

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktorbrennstab, der aus einem beidseitig mit Endstopfen druckdicht abgeschlossenen, mit vorzugsweise tablettenförmigem Kernbrennstoff gefüllten Hüllrohr besteht und betriebsmäßig unter einem dem Außendruck angepaßten Innendruck steht.

I¹Ur die Konstruktion von Kernreaktorbrennstäben sind drei Gesichtspunkte von ausschlaggebender Bedeutung, nämlich

1) das neutronenphysikalische Verhalten der verwendeten Werkstoffe,

2) die mechanische Festigkeit derselben und

3) ihre Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem im Inneren befindlichen Kernbrennstoff sowie dem an ihrer Außenseite entlangströmenden Reaktorkühlmittel.

Es ist praktisch nicht möglich, diese Bedingungen gleichzeitig in einem Höchstmaß zu erfüllen. So ist es z.B. notwendig, die Hüllrohrwandstärke genügend groß zu halten, damit der hohe Außendruck von etwa HO bis 160 atü aufgenommen werden kann. Dies bedingt aber wiederum eine größere Menge von Hüllrohrmaterial und damit eine verstärkte Neutronenabsorption, was für den Kernreaktor sehr ungünstig ist. '

Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, die Dicke des Hüllrohres zu verringern und den auf ihm lastenden Außendruck durch einen entsprechenden Innendruck zu kompensieren. Nun kann aber der Innendruck in einem derartigen Brennstab nicht konstant gehalten werden, da sich während des Abbrandes des Kernbrennstoffes Spaltgase bilden, so daß der Innendruck mit wachsender Betriebsdauer ebenfalls ansteigt. Es sind daher bereits Vorschläge gemacht worden, diesen Anstieg der Spaltgase aufzufangen,

-2-009838/U78

VPA 70/8312

-2-

z.B. durch Öffnung von unter niedrigerem Druck stehenden Leerräumen innerhalb des Brennstabes, siehe die noch nicht bekanntgemachte Patentanmeldung P 19 30 033.5-33 (VPA 69/8211).

Nach diesem und anderen Vorschlägen zeigt die Kurve des Innendruckes über der Zeit eine sägezahnförmige Ausbildung mit stufenweise abnehmenden Druckgradienten. Somit ergibt sich ein zyklischer Verlauf des Differenzdruckes über dem Hüllrohr, was einer Druckwechselbeanspruchung desselben gleich kommt. Wenn nun das Hüllrohrmaterial eine verhältnismäßig geringe Elastizität besitzt, wie z.B. Zircaloy, das wegen des verhältnismäßig niedrigen Neutroneneinfangsquerschnittes in Bezug auf thermische Neutronen als Hüllrohrmaterial sehr geeignet ist, können dadurch Schäden an der Hüllrohrwandung entstehen.

Eine andere Lösung dieses Problems ist in dem US-Patent 3 291 angegeben. Hier wird vorgeschlagen, einen Teil des Brennelementhüllrohres in ausdehnbare Abschnitte zu unterteilen. Diese können faltenbalgähnlich gestaltet sein und den Ausgleich zwischen dem Innen- und dem Außendruck während des Abbrandes herstellen. Dieser Vorschlag wurde für einen gasgekühlten Kernreaktor mit verhältnismäßig niedrigem Außendruck gemacht, der es ermöglichte, das Hüllrohr verhältnismäßig dünn zu machen, damit es in dem genannten Sinne wirken konnte. Bei Verwendung eines Materials mit ziemlich niedrigem Neutronenabsorptionsquerschnitt und geringerer Elastizität käme es im Bereich der ausdehnbaren Abschnitte zu plastischen Verformungen, so daß in einer Hochdruckumgebung nur wenige Druckwechsel möglich wären. Ein derartiges Brennelement würde weiterhin eine sehr geringe seitliche Stabilität aufweisen, so daß eine Halterung innerhalb der Brennelement mit großen Schwierigkeiten verbunden wäre.

Die Nachteile der bekannten Lösungen dieses Problems werden durch die vorliegende Erfindung vermieden, bei der am Ende der Kernbrennstoffsäule ein mit dem Endstopfen dicht verbundener, nach der Kernbrennstoffseite hin abgeschlossener metallischer Faltenbalg vorgesehen ist und der Endstopfen derartig durch-

-3-

009838/ U78

• VPA 70/8312

-3-

bohrt ist, daß der Innenraum des Faltenbalges in Druckausgleich mit der Umgebung des Brennstabes steht. Der Brennstab hat somit eine äußere Gestalt, die: praktisch identisch ist mit jenen der z.Zt. verwendeten Brennstäbe und durch Abstandshaltergitter im Verband eines Brennelementea gehalten werden, siehe das US-Patent 3 379 617.

Das den Druckausgleich bewirkende elastische Teil des Brennstabes befindet sich im Inneren desselben und hat daher für die äußere Stabilität und Festigkeit desselben keinerlei Bedeutung. Wenn sich mit zunehmendem Abbrand während des Betriebes des Kernreaktorbrennstabes Spaltgase bilden, drückt sich der Faltenbalg zusammen, so daß der Innendruck stets gleich dem Außendruck bleibt. Damit der Brennstab bereits zu Beginn seines Einsatzes einen genügend hohen Innendruck aufweist und damit der Faltenbalg seine Funktion zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes zwischen Innen^ und Außendruck ausüben kann, kann der Brennstab z.B. unter Druck zugeschweißt werden oder auch ein Material enthalten, das bei der Erwärmung eine entsprechend begrenzte Menge Gas abgibt.

Durch diese Konstruktion ist es möglich, die Faltenbälge aus einem Material mit hoher Elastizität auszubilden, z.B. aus Nickel, rostfreiem Stahl oder einer Nickelbasislegierung. Diese Materialien würden jedoch für das Hüllrohr selbst nicht günstig .sein, da sie im allgemeinen einen verhältnismäßig hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt im thermischen Bereich besitzen. Sie würden damit den Wirkungsgrad des Reaktors und die Ausnutzbarkeit des spaltbaren Materials herabsetzen. Langzeituntersuchungen hinsichtlich der Spannungsermüdung zeigen, daß die Materialien hoher Elastizität, aus denen solche faltenbalgähnliche Teile hergestellt werden können, verhältnismäßig, hohen zyklischen Beanspruchungen standhalten können. Sie sind daher nicht nur geeignet, den normalerweise ganz langsamen Druckausgleich zwischen dem Innen- und dem Außenraum der Brennstäbe aufzunehmen, sondern auch den Beanspruchungen beim Sin- und Abschalten des Reaktors bzw. bei Lastwechseln, zu genügen. .

QQS8 38/14 78 -4-

VPA 70/8312

-A-

Zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung wird auf die Figur Bezug genommen, die eine mögliche Brennstabkonstruktion entsprechend dieser Erfindung zeigt. Im Inneren des Kernbrennstabes 10 befinden sich die Tabletten 12 eines geeigneten Kernbrennstoffes, wie z.B. Urandioxyd. Das Hüllrohr 14 besteht beispielsweise aus Zircaloy. Die Enden dieses Hüllrohres 14 sind z.B. durch eingeschweißte Endstopfen 16 und 18 abgeschlossen. Im Inneren desselben befindet sich am Ende der Kernbrennstoffsäule ein Faltenbalg 20, der aus Nickel, rostfreiem Stahl oder einer Nickel-Basislegierung bestehen kann und durch Schweißung oder in anderer geeigneter Weise mit dem benachbarten Endstopfen dicht verbunden ist. Der Faltenbalg 20 hat eine Vielzahl von horizontalen Erweiterungen 21, so daß er eine große axiale Ausdehnungsmöglichkeit besitzt. Gegenüber dem Innenraum des Brennstabes ist er abgeschlossen. Der Endstopfen 16 ist jedoch mit einer Bohrung 22 versehen, die den Druckausgleich zwischen dem Inneren des Faltenbalges 20 und der Umgebung des Kernreaktorbrennstabes ermöglicht. Im Innenraum des Brennstabes 10 kann um den Faltenbalg 12 herum ein Spalt 24 frei bleiben, der mit Druckgas gefüllt ist, wie z.B. Helium. In ihm kann sich jedoch auch eine Substanz befinden, die bei der Erwärmung des Brennstabes auf Arbeitstemperatur ein den Innendruck herstellendes Gas freigibt. Diese Maßnahme ist, wie bereits erwähnt, eine zusätzliche Sicherheit gegen eine mechanische Überbeanspruchung des Faltenbalges 20 und auch des Hüllrohres 14 zu Beginn des Einsatzes eines derartigen Kernbrennstabes im Reaktorkern.

Am anderen Ende des Brennstabes befindet sich zwischen der Tablettensäule 12 und dem Endstopfen 18 eine Feder 25, die eine Bewegung der Tablettensäule verhindert. Diese Feder sorgt außerdem auch dafür, daß der innere Verband der Tablettensäule auch bei einem Zusammendrücken des Faltenbalges 20 bei sich aufbauendem Spaltgasvolumen nicht verloren geht. Die Feder 25 wird dabei nur so stark gewählt, daß sie diese Aufgabe erfüllen kann und nicht die Druckausgleichsfunktion des Faltenbalges 20 erschwert.

Aus dieser Beschreibung ist ersichtlich, daß die Brennstab-

009838/U78 _₅_

VPA 70/8312 -5-

hüllrohre H praktisch keiner Druckdifferenz und damit auch keiner Druckwechselbeanspruchung ausgesetzt sind. Sie können wesentlich dünner als bisher gehalten werden. Wenn nach der bisherigen Technik eine Wandstärke der Hüllrohre von 0,4 mm notwendig war, so kann diese bei Brennstäben entsprechend diesem neuen Prinzip auf die Hälfte und weniger herabgesetzt werden. Auch lange Spaltgassammelräume, wie sie früher üblich waren und sich ungünstig auf die Bauhöhe des Reaktorkerns auswirkten, können hierdurch vermieden werden. Zyklische Temperaturänderungen innerhalb des Reaktorkernes, wie sie bei Lastwechseln möglich sind, wirken sich lediglich auf die Faltenbälge 20 aus, ein Differenzdruck über dem Hüllrohr H wird in jedem Pall mit Sicherheit vermieden.

Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte spezielle Ausfuhrungsform des Faltenbalges beschränkt. Vielmehr sind auch noch andere Konstruktionsmöglichkeiten denkbar, die alle dem Grundprinzip der vorliegenden Erfindung hinsichtlich des Ausgleiches zwischen Innen- und-Außendruck entsprechen. Abschließend sei lediglich noch darauf hingewiesen, daß es zweckmäßig ist, die Druckausgleichsbohrung im Endstopfen so zu führen, daß eine Verstopfung und damit Behinderung des Druckausgleichs nicht möglich ist. So können z.B. aus Sicherheitsgründen auch mehrere Bohrungen angebracht werden. Diese müssen dabei nicht unbedingt einen lichten Durchmesser haben, sondern können z.B. mit einem porösen Material gefüllt sein.

1 Figur

3 Patentansprüche

009838/1478

Claims

VPA 70/8312 -6-

Patentansprüche

Kernreaktorbrennstab, bestehend aus einem beidseitig mit Endstopfen druckdicht abgeschlossenen, mit vorzugsweise tablettenförmigem Kernbrennstoff gefüllten Hüllrohr, das betriebsmäßig unter einem dem Außendruck angepaßten Innendruck steht, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Kernbrennstoff säule ein mit dem Endstopfen dicht verbundener, nach der Kernbrennstoffseite hin abgeschlossener metallischer Faltenbalg vorgesehen ist und der Endstopfen derart durchbohrt ist, daß der Innenraum des Faltenbalges in Druckausgleich mit der Umgebung des Brennstabes steht.

Kernreaktorbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr in an sich bekannter Weise aus einem Material möglichst geringen Neutronenabsorptionsquerschnittes besteht, der Faltenbalg dagegen aus einem Material mit möglichst hoher Elastizität.

3. Kernreaktorbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Ende der Kernbrennstoffsäule eine Druckfeder im Inneren des Hüllrohres angeordnet ist.

009838/U78