DE2010927A1

DE2010927A1 - Brennelement

Info

Publication number: DE2010927A1
Application number: DE19702010927
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr.-Ing. 7501 Blan kenloch; Eggers Berend 7500 Karlsruhe. M Class
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1970-03-07
Filing date: 1970-03-07
Publication date: 1971-09-23
Also published as: GB1340577A; FR2081770A1; DE2010927C3; US3846234A; FR2081770B1; DE2010927B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für Reaktoren mit hohem und schnellem Neutronenfluß, wie z. B. Schnelle Brutreaktoren, bestehend aus einem prismatischen, in Abschnitte unterteilten Brennelementkasten und in diesem angeordneten, bündeiförmig zusammengefassten Brennstoff stäben.

In E.eaktoren mit hohem und schnellem Neutronenfluß tritt bei hohen Bestrahlungsdosen ein temperaturabhängiges Schwellen des Strukturmate rials auf, wodurch wegen der über den Reaktorquer schnitt ungleichförmigen Verteilung der Neutronenbestrahlungsdosis und der Temperatur bleibende Verbiegungen der Brennelemente eintreten. Dieses sogenannte "differentielle Schwellen" bereitet bei der Reaktorkonzeption erhebliche Schwierigkeiten,

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da die aus ihm resultierenden freien Verbiegungen am Brennelemantkopf im Bereich von 5 bis 10 cm liegen können, wenn man heute übliche Temperaturen von 500 C und Bestrahlungsdosen von 10 nvt (Neutronenenergien = 0, 1 MeV) zugrunde legt. Da diese Ausbiegungen zu Belastungen in den Verspannungsebenen des Reaktorcores von einigen 100 bis etwa 1000 Kp und mehr führen, sind bei Reaktoren mit herkömmlichen Brennelementkästen sehr starke Coreverspannungen notwendig. Diese hohen Einspannkräfte führen neben großem konstruktiven Aufwand zu einer erheblichen mechanischen Beanspruchung der Kastenwände, die vor allem bei zunehmender Versprödung des Strukturmaterials durch das Schwellen zu einer zunehmenden Bruchgefahr führt. Außerdem tritt durch das Verbiegen bei bekannten Brennelementkästen eine aus nuklearen Gründen unerwünschte Brennstoff Verlagerung im Core und beim Brennelementwechsel auf.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, die oben angeführten Nachteile zu vermeiden und ein Brennelement zu schaffen, dessen mechanische Beanspruchung selbst bei großem differentiellen Schwellen des Struktur mate rials auf ein Minimum beschränkt bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beweglich hintereinanderliegende Abschnitte des Brennelementkastens durch an den Endabschnitten befestigte Zugglieder entlang ihrer Längsachse zusammengehalten werden. Dabei sind die einzelnen Abschnitte des Brennelementkastens so zusammengesteckt, daß jeder Abschnitt den nächstfolgenden teilweise mit Spiel überlappt. Die den Kasten zusammenhaltenden Zugglieder bestehen aus Stäben, die in der Brennelementachse und um die Brennelementachse herum innerhalb des Brennstoffbündels angeordnet sind. Diese Stäbe sind im Fußstück des Brennelements unterhalb der Brennstabbündelbefestigung mit dem Brennelementkasten an Rippen verschweißt und im Kopfstück oberhalb des Brennstabbündels an sternförmig mit dem Brennelementkasten verschweißten Rippen über eine Druckfeder und ein Pendellager beweglich zur Brennelementachse angelenkt.

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Eine w-e-ite^e ^ösung der Aufgg.be besteht darin, daß die beweglich axial hintereinanderliegehden Abschnitte des Brennelementkastens durch jeweils an den einzelnen Abschnitten angebfachte Befestigungsteile zusammengehalten .werden,, wobei nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung die Befestigungsteile sich überlappender Brennelementkastenabschnitte aus jeweils in den einzelnen, äußeren Brennelementkastenabschnitten verschweißten Bolzen bestehen, die mit Spiel in entsprechende Bohrungen des inneren, nächstfolgenden Brennelementkastenabschnitts eingreifen»

Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren 1 bis 4 ;

näher erläutert. - -

Es zeigen:

Figur 1 ein erfindungsgemäßes Brennelement mit Zugstäben als Halte elemente

Figur 2 eine Einzelheit an der Überlappung der Kästen

Figur 3 eine Draufsicht auf die obere Halterung der Zugstäbe

Figur 4 eine Einzelheit an der Überlappung der Brennelementkastenabschnitte bei einem Brennelement ohne Zug stäbe als Halteelemente.

Das erfindungsgemäße Brennelement (Figur 1) besteht aus den Brennstoffstäben 1, die auf Schienen 2 mittels Stiften 3 befestigt sind, sowie aus den einzelnen Brennelementkastenabschnitten 4, welche das Brennstoffstabbündel umgeben. Im Bereich der Teilfugen zwischen den Brennelementkastenabschnitten 4 überlappen sieh je zwei angrenzende Kastenabschnitte in der Weise, daß eine gewisse Kippbarkeit dieser Kastenabschnitte gegeneinander gewährleistet ist. Dazu ist an der Überlappung zwischen den Kastenabschnitten 4 eine Trennfuge 5 mitbestimmtem Abstand vorgesehen, welche durch

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einen Nocken 6 (Figur 2) überbrückt wird, der auf dem jeweils inneren Teil der Überlappung angebracht ist. Der Auslauf 7 des inneren Brennelementkastenabschnitts ist an der Überlappung abgerundet, so daß sich jeweils zwei Abschnitte 4 kippend über Nocken 6 und Rundung 7 gegeneinander bewegen können. Axial werden die Brennelementkastenabschnitte 4 durch Zugstäbe 8 zusammengehalten, die in der Mitte des Brennelements innerhalb der Brennstoffstäbe um und in der Längsachse angeordnet sind. Diese Zugstäbe 8 sind im Fußstück 9 des Brennelements unterhalb der Brennstabzone an Rippen 10 mit diesem verschweißt, sowie im Kopfstück 11 des Brennelements gelenkig verankert. Diese gelenkige Anordnung hat den Sinn, daß die durch Material- ^ schwellen unterschiedliche Längenänderung der Zugstäbe ausgeglichen wird, damit beim Herausziehen der Brennelemente aus dem Core die Spannungsverteilung über die Zugstäbe gleichmäßig ist. Die Anlenkung erfolgt dabei in der Weise, daß die Enden der Zugstäbe 8 in eine pendelnde Lagerplatte

der

12 eingeschraubt sind, wobei die Platte 12 an ihrer/Verschraubung 13 abgewendeten Seite eine Wölbung 14 besitzt,'die in ein entsprechendes Ausgleichselement 15 eingreift und daher ein Kippen der Platte 12 gegen das Ausgleichselement 15 ermöglicht. Die Lagerplatte 12 ist sternförmig ausgebildet (Figur 3) um den freien Kühlmittelquerschnitt im Brennelement so wenig wie möglich zu verringern. Im Kopfstück 11 des Brennelementes sind weiterhin sternförmig Rippen 16 eingeschweißt, in deren Mitte in einer Bohrung 17 das ^ die Lagerplatte 12 tragende Ausgleichselement 15 verschieblich und mit den Rippen 16 durch eine Feder 18 verbunden ist. Eine Bandage 19 unterhalb der Rippen 16 um die Zugstäbe 8 herum verhindert das Auseinanderrücken der Zugstäbe bei Zug durch die Aufhängevorrichtung.

Bei einer weiteren konstruktiven Lösung der Erfindung (Figur 4) befinden sich keine Zugstäbe im inneren des Brennelementes, die Längskraftübertragung erfolgt vielmehr durch die einzelnen BrennelementkaBtenabschnitte

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selbst. Dabei sind in der Kastenwand des inneren Brennelementkastenabschnittes 20 Bohrungen 21 vorgesehen, in welche am Umfang des Brenn-, elementkastens angeordnete Bolzen 22 eingreifen, die mit der Wandung des überlappenden Teiles des jeweils nächsten ICastenabschnittes 23 verschweißt oder verschraubt sind» Die Trennfuge ist ähnlich der Lösung in Figur 1 ausgebildet, um eine leichte Kippbarkeit der Abschnitte gegenseitig zu ermögliehen.

Durch Fixierung des starren Kopfstückes 11 und des Fußstückes 9 in Fixierungs ebenen werden die resultierenden Ausbiegungen des gegliederten Kastenteils bei den eingangs erwähnten differentiellen Materialschwellwerten auf etwa 10 % der freien Ausbiegung eines starren Brennelementkastens beschränkt. Im gleichen Maß wird die Biege rückwirkung des Brennelementkastens auf das in ihm befindliche Brennstabbündel und auf den Coreverband reduziert und die aus den Verbiegungen hervorgehenden Dehnungen verringert, was im Hinblick auf die geringere Duktilität bestrahlten Strukturmate rials günstig, ist. Die am Brennelement angebrachten Zugvorrichtungen zum Zusammenhalten der Brennelementkastenabschnitte gestatten dabei eine Handhabung des Brennelementes wie beim herkömmlichen, ungeteilten Kasten. Bei der Lösung nach der Figur 4 bleibt diese Handhabungsmöglichkeit auch im Falle eines zentralen Schmelzens im Brennelement infolge einer möglichen Leistungsexkursion erhalten. ·

Durch erfindungsgemäß ausgebildete Brennelemente werden in vorteilhafter Weise Brennstoffverschiebungen im Core unter Kontrolle gehalten, sowie die mechanische Beanspruchung des Brennelementkastens beachtlich verringert. Man erreicht weiterhin, daß die Kräfte der Coreverspannung herabgesetzt und dadurch die Brennelementwechselvorgänge erheblich erleichtert werden können, wodurch der Erfindung auch eine gewisse ökonomische Bedeutung zukommt.

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Die konstruktive Ausbildung des Brennelementkastens ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, vielmehr sind auch noch andere Ubertragungsmöglichkeiten der Kräfte über die Brennelementkastenabschnitte, wie z. B. Zugfedern, Hülsen, Magnete o. a. möglich.

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Claims

Pate ntan sp rüche:

1./Brennelement für Reaktoren mit hohem und schnellem Neutronenfluß, wie z.B. schnelle Brutreaktoren, bestehend aus einem prismatischen, in Abschnitte unterteilten Brennelementkasten und in diesem angeordneten, bündeiförmig zusammengefaßten Brennstoffstäben, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglich axial hintereinanderliegenden Abschnitte (4) des Brennelementkastens durch an den Endabschnitten (9, H) befestigte Zugglieder entlang ihrer Längsachse zusammengehalten sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Abschnitte (4) des Brennelementkastens so zusammengesteckt sind, daß jeder Abschnitt den nächstfolgenden teilweise mit Spiel überlappt.

3. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugglieder aus Stäben (8) bestehen, die in der Brennelementachse und um die Brennelementachse he rum inne rhalb des Brennstabbündels (1) angeordnet sind.

4. Brennelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (8) im Fvißstück (9) des Brennelements unterhalb der Brennstabbündelbefestigung mit dem Brennelementkasten (4) an Rippen (10) verschweißt und im Kopfstück (11) oberhalb des Brennstabbündels an sternförmig mit dem Brennelementkasten verschweißten Rippen (16) über eine Druckfeder (18) und ein Pendellager (12, 15) beweglich zur Brenneleire ntachse angelenkt sind.

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5. Brennelement für Reaktoren mit hohem und schnellem Neutronenfluß, wie z.B. schnelle Brutreaktoren, bestehend aus einem prismatischen, in Abschnitte unterteilten Brennelementkasten und in diesem angeordneten, bündeiförmig zusammengefaßten Brennstoffstäben, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglich axial hintereinanderliegenden Abschnitte (4) des Brennelementkastens durch jeweils an den einzelnen Abschnitten (4) angebrachte Befestigungsteile zusammengehalten werden.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung steile sich überlappender Brennelementkastenabschnitte aus jeweils in dem einen äußeren Brennelementkastenabschnitt (23) verschweißten Bolzen (22) bestehen, die mit Spiel in entsprechende Bohrungen (21) des inneren , nächstfolgenden Brennelementkastenabschnitts (23) eingreifen.

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