DE2010927C3

DE2010927C3 - Brennelement fur einen Kernreaktor mit hohem und schnellem Neutronenfluß x

Info

Publication number: DE2010927C3
Application number: DE2010927A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dr.-Ing. 7501 Blankenloch Class; Berend 7500 Karlsruhe Eggers
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1970-03-07
Filing date: 1970-03-07
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2010927B2; FR2081770A1; GB1340577A; US3846234A; FR2081770B1; DE2010927A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Kernreaktor mit hohem und schnellen Neutronenfluß, vorzugsweise einem schnellen Brutreaktor, bestehend aus einem Brennelementkasten zur Ummantelung der bündeiförmig zusammengefaßten Brennstoffstäbe.

In Reaktoren mit hohem und schnellem Neutronenfluß tritt bei hohen Bestrahlungsdosen ein temperaturabhängiges Schwellen des Strukturmaterials auf, wodurch wegen der über den Reaktorquerschnitt ungleichförmigen Verteilung der Neutronenbestrahlungsdosis und der Temperatur bleibende Verbiegungen der Brennelemente eintreten. Dieses sog. »differentielle Schwellen« bereitet bei der Reaktorkonzeption erhebliche Schwierigkeiten, da die aus ihm resultierenden freien Verbiegungen am Brennelementkopf im Bereich von 5 bis 10 cm liegen können, wenn man heute übliche Temperaturen von 500⁰C und Bestrahlungsdosen von 10²³ nvt (Neutronenenergien = 0,1 MeV) zugrundelegt. Da diese Ausbiegungen zu Belastungen in den

ίο Verspannungsebenen des Reaktorcores von einigen 100 bis etwa 1000 Kp und mehr führen, sind bsi 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 Versprödur.g des Strukturmaterials durch das Schwellen zu einer zunehmenden Bruchgefahr führt. Außerdem tritt durch das Verbiegen bei bekannten Brennelementkästen eine aus nuklearen Gründen unerwünschte Brennstoffverlagerung im Core und beim Brennelementwechsel auf.

Au j der FR-PS 12 46 699 ist ein Brennelement für einen Kernreaktor mit niedrigem Neutronenfluß bekannt, bei welchem die Brennelemente in Abschnitte unterteilt sind. Die Abschnitte sind jedoch starr miteirander verkuppelt und nicht beweglich gegeneinander hintereinanderliegend. Eine Strukturverformung durch die Höhe des Neutronenflusses tritt hier jedoch

M nicht auf, d. h. eine Brennelementstrukturverformung spielt keine Rolle.

Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, die eingangs angeführten Nachteile zu vermeiden und ein Brennelement zu schaffen, dessen mechanische Beanspruchung aufgrund von Verbiegung durch differentielles Schwellen des Strukturmaterials infolge eines großen Neutronenflußgradienten auf ein Minimum beschränkt bleibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Brennelement der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Brennelementkasleri zur Verhinderung einer Verbiegung desselben durch ungleichmäßiges, strahleninduziertes Materialschwelien in gegeneinander bewegbare, axial hintereinanderliegende Abschnitte unterteilt ist, die bezogen auf ihre Längsachse unter Aufrechterhaltung einer gewissen Bewegbarkeit zusammengehalten sind. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß die Abschnitte des Brennelementkastens durch jeweils an den einzelnen Abschnitten angebrachte Befestigungsteile zusammengehalten sind, wobei die einzelnen Abschnitte des Brennelementkastens in besonders vorteilhafter Weise so zusammengesteckt sind, daß jeder Abschnitt den nächstfolgenden teilweise mit Spiel überlappt. Dabei ist es günstig, daß die Befestigungsteile der sich überlappenden Brennelementkastenabschnitte aus jeweils einem in dem äußeren Brennelementkastenabschnitt verschweißten Bolzen bestehen, der mit Spiel in eine entsprechende Bohrung des inneren, nächstfolgenden Brennelementkastenabschnittes eingreift.

Eine weitere vorteilhafte Lösung der Aufgabenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die bewegbar axial hintereinanderliegende Abschnitte des Brennelementkastens durch an den Endabschnitten befestigte Zugglieder entlang ihrer

b'j Längsachse zusammengehalten sind, wobei die Zugglieder aus Stäben bestehen, die in der Brennelementachse und um die Brennelementachse herum innerhalb des Brennstabbündels angeordnet sind. Dabei ist es von

besonderem Vorteil, daß die Stäbe im Fußstück des Brennelementes unterhalb der Brennelenentstabbündelbefestigung mit dem Brennelementkasten an Rippen verschweißt und im Kopfstück oberhalb des Brennstabbündels an sternförmig mit dem Brciinelementkasten verschweißten Rippen über eine Druckfeder und ein Pendellager bewegbar relativ zur Brennelementachse angelenkt sind.

Durch solchermaßen erfindungsgemäß ausgebildete Brennelemente werden in vorteilhafter Weise die mechanische Beanspruchung der Kastenwände verringert. Darüber hinaus werden Brennstoffverschiebungen im Core unter Kontrolle gehalten, sowie die Kräfte der Kernverspannung herabgesetzt

Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erfindungsgemäßes Brennelement mit Zugstäben als Halteelemente,

Fig.2 eine Einzelheit an der Überlappung der Kästen,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die obere Halterung der Zugstäbe,

Fig.4 eine Einzelheit an der Überlappung der Brennelementkastenabschnitte bei einem Brennelement ohne Zugstäbe als Halteelemenle. 2">

Das erfindungsgemäße Brennelement (Fig. 1) besteht aus den Brennstoffstäben 1, die auf Schienen 2 mittels Stiften 3 befestigt sind, sowie aus den einzelnen Brennelementkastenabschnitten 4, welche das Bre;:nstoffstabbündel umgeben. Im Bereich der Teilfugen in zwischen den Brennelementkastenabschnitten 4 überlappen sich je zwei angrenzende Kastenabschnitte in der Weise, daß eine gewisse Kippbarkeit dieser Kastenabschnitte gegeneinander gewährleistet ist. Dazu ist an der Überlappung zwischen den Kastenab- J5 schnitten 4 eine Trennfuge 5 mit bestimmtem. Abstand vorgesehen, welche durch einen Nocken 6 (Fig. 2) überbrückt wird, der auf dem jeweils inneren Teil der Überlappung angebracht ist. Der Auslauf 7 des inneren Brennelementkastenabschnitts ist an der Überlappung ί'.ι abgerundet, so daß sich jeweils zwei Abschnitte 4 kippend über Nocken 6 und Rundung 7 gegeneinander bewegen können. Axial werden die Brennelemeritkastenabschnitte 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 Fußstuck 9 des Brennelements unterhalb der Brennstabzone an Rippen 10 mit diesem verschweißt, sowie im Kopfstück 11 des Brennelements gelenkig verankert. Diese gelenkige so Anordnung hat den Sinn, daß die durch Materialschwellen 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 12 eingeschraubt sind, wobei die Platte 12 an ihrer der 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 (F i g. 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 S herum verhindert das Auseinanderrücken der Zugstäbe bei Zug durch die Aufhängevorrichtung.

Bei einer weiteren konstruktiven Lösung der Erfindung (Fig.4) befinden sich keine Zugstäbe im inneren des Brennelementes, die Längskraftübertragung erfolgt vielmehr durch die einzelnen Brennelementkastenabschnitte 4 selbst. Dabei sind in der Kastenwand des inneren Brennelementkastenabschnittes 20 Bohrungen 21 vorgesehen, in welche am Umfang des Brennplementkastens angeordnete Bolzen 22 eingreifen, die mit der Wandung des überlappenden Teiles des jeweils nächsten Kastenabschnittes 23 verschweißt oder verschraubt sind. Die Trennfuge ist ähnlich der Lösung in F i g. 1 ausgebildet, um eine leichte Kippbarkeit der Abschnitte gegenseitig zu ermöglichen.

Durch Fixierung des starren Kopfstückes 11 und des Fußstückes 9 in Fixierungsebenen 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 Biegerückwirkung des Brennelementkastens auf das in ihm befindliche Brennstabbündel und auf den Coreverband reduziert und die aus den Verbiegungen hervorgehende Dehnungen verringert, was im Hinblick auf die geringe Duktilität. bestrahlten Strukturmateriais günstig ist. Die am Brennelement angebrachteii Zugvorrichtungen zum Zusammenhalien der Brennelementkastenabschnitte gestatten dabei eine Handhabung des Brennelementes wie beim herkömmlichen, ungeteilten Kasten. Bei der Lösung nach der F i g. 4 bleibt diese Handhabungsmöglichkeit auch im Falle eines zentralen Schmelzens im Brennelement infolge einer möglichen Leistungsexkursion erhalten.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennelement für einen Kernreaktor mit hohem und schnellem NeutronenfluB, vorzugsweise einem Schnellen Brutreaktor, bestehend aus einem Brennelementkasten zur Ummantelung der bündeiförmig zusammengefaßten Brennstoffstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennelementkasten zur Verhinderung einer Verbiegung desselben durch ungleichmäßiges, strahleninduziertes Materialschwellen in gegeneinander bewegbare, axial hintereinanderliegende Abschnitte (4) unterteilt ist, die bezogen auf ihre Längsachse unter Aufrechterhaltung einer gewissen Bewegbarkeit zusammengehalten sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (4) des Brennelementkastens durch jeweils an den einzelnen Abschnitten (4) angebrachte Befestigungsteile zusammengehalten sind.

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

4. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsteile der sich überlappenden Brennelementkastenabschnitte aus jeweils einem in dem äußeren Brennelementkastenabschnitt (23) verschweißten Bolzen (22) bestehen, der mit Spiel in eine entsprechende Bohrung (21) des inneren, nächstfolgenden Brennelementkastenabschnittes (23) eingreift.

5. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbar axial hintereinanderliegenden Abschnitte (4) des Brennelementkastens durch an den Endabschnitten (9,11) befestigte Zugglieder entlang ihrer Längsachse if.usammengehalten sind.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugglieder aus Stäben (8) bestehen, die in der Brennelementachse und um die Brennelementachse herum innerhalb des Brennstabbündels (1) angeordnet sind.

7. Brennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (8) im Fußstück (9) des Brennelementes unterhalb der Brennstabbündelbefestigung mit dem Brennelementkasten (4) an Rippen (10) verschweißt und im Kopfstück (U) oberhalb des Brennstabbündels an sternförmig mit dem Brennelementkasten verschweißten Rippen (16) über eine Druckfeder (18) und ein Pendellager (12, 15) bewegbar relativ zur Brennelementachse ahgelenkt sind.