DE2017903B2 - Brennstoffelementanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffclementanordnung, die aus mehreren parallel zueinander angeordneten, an ihren Enden durch Endplatten miteinander verbundenen BrennstofTstäben gebildet wies', von denen jeder aus einer Hülle und dem darin untergebrachten Kernbrennstoff besteht, wobei die Hüllen der Einzelstücke längs ihrer Länge derart mit Distanzwarzen versehen und derart angeordnet sind, daß die Brennsloffsläbe durch Zwischenräume für den Durchfluß des Kühlmittels voneinander getrennt sind und nur die Distanzwarzen benachbarter BrennstofTstähe einander berühren.

Eine Brenustoffelemenianordnung dieser Art ist bereits bekannt (schweizerische Patentschrift 442 544

ίο und französische Patentschrift 1559 162). bei der Distanzwarzen benachbarter BrennstofTstäbe sich als Paare gegenüberliegen und gegeneinander abstützen. Die Distanzwarzen sind an ihren zugeordneten Hüllen angelötet oder angeschweißt. Bei Einsetzen. Umsetzen oder Herausnehmen einer BrennstofTelemeniancrdnun» sowie während des Reakiorbetriebs können zwischen den einzelnen Brennstoffstäben Relativbewegungen auftreten. Dabei wird eine direkte Reibberührung zwischen den Hüllen durch die aneinander anliegenden und sich relativ gegeneinander bewegenden Paare von Distanzwarzen verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffelementanordnung der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, daß zur Erhöhung ihrer Festigkeit Relativbewegungen zwischen den Hüllen an den Stellen der Distanzwarzen ohne die Gefahr einer Überbeanspruchung der Verbindung zwischen einer Distanzwarze und ihrer zugeordneten Hülle auf einfache Weise vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die sich berührenden Disianzwarzen jeweils an ihrer Berührungsstelle stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei jede Verbindung eine geringere Bruchfestigkeit besitzt als diejenige der Hüllen, mit denen diese beiden Distanzwarzen verbunden sind.

Zwar ist bereits eine Brcnnstoffelemcntanordnung bekannt (britische Patentschrift I 057 958), bei der an den Berührungsstcllen ihrer Distanzstücke eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen ist. Jedoch besteht bei dieser bekannten Brcnnstoffclcmcnlanordnung die Gefahr, daß an Stelle der stoffschlüssigcn Verbindung ein solches Distanzstück bei einer Überbeanspruchung von seiner zugeordneten Hülle abgetrennt wird und dabei die Hülle beschädigt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß bei einer Überbeanspruchung einer Verbindung zwischen einem Paar von Distanzwarzen lediglich diese Verbindung aufgetrennt wird, ohne daß die Verbindung einer der Distanzwarzen mit ihrer Hülle in Mitleidenschaft gezogen wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß bei der Herstellung der Verbindung zwischen den Distanzwarzen keine Gefahr für eine Bc-Schädigung der Hüllen besteht. Denn die Distanzwarzen selber können an die Hüllen vor deren Füllung mit Kernbrennstoff angeschweißt oder hart angelötet werden, wobei ein Kühlmittel durch die Hüllen hindurchgeführt wird. Die Verbindung zwi-

sehen einem Paar von Distanzwarzen selber erfordert dagegen eine wesentlich geringere Wärmeeinwirkung, da sie mit einer geringeren Bruchfestigkeit vorgesehen wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die

«5 Bruchfestigkeit jeder Verbindung innerhalb des Bereiches von 5 bis 50ⁿ,'n der Bruchfestigkeit der Verbindungen, welche die Distanzwarzen mit den Hüllen verbinden.

Vnrieilliafterweise besitzt jede Disian/warze eine 1Ι;αΊκ· Oberfläche und vcrlaiiieii die !lachen Oberflächen tiL-r zusammenwirkenden Distanzwarzen her.uhbarier Brennstäbe parallel.

hei einer anderen bevorzugten Ausführungsform K-siizt jede Distanzwar/e eine konvexe Oberfläche inul erstreckt sieh die Verbindung zwischen jedem l'iiiir zusammenwirkender Disum/.warzen zwischen jiifL-n konvexen Oberflächen.

Bevorzugt ist jede Distanzwarze in der Längsrichlung des BrennstolTstabes verlängert und besitzt ab-I .rundete Abschnitte an jedem Ende bei der Ansicht luii der Seile des Brennstabes. Dadurch werden vorteil hafterweise die Turbulenzen in dem vorbeiströii:endcn Kühlmittel herabgesetzt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt 5 ch jede Distanzwarze eines zusammenwirkenden Haares längs überkreuzenden, relativ zu der Längsachse des Brennstabes geneigten Richtungen, wobei jedes zusammenwirkende Paar von Distanzwarzen an seiner Kreuzungsstelle miteinander verbunden ist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß bei einem Aufbrechen einer Verbindung zwischen einem Paar u)n Distanzwarzen im Betrieb eine Verhakung dieser 1/islanzwarzen während der Bewegungen relativ zueinander sehr unwahrscheinlich ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben: in dieser zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht einer BrennstofTelement- ;:nnrdnung.

Fig. 2 eine Stirnansicht der Brennstoffelement-.:iiordnung nach F i a. I.

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht einer verchweißten Verbindungsstelle zwischen den Distanz- -.··. arzen zweier benachbarter Brcnnstoffstäbe.

Fig. 4 eine Ansicht längs Linie IV-IV in Fig. 3. F' i g. 5 eine Ansicht längs Linie V-V in F i g. 3.
F i g. f, eine Seitenansicht ähnlich F i g. 3. in der die Distanzwarzen anders ausgebildet sind,

Fig. 7 eine Ansicht längs Linie VII-VII in Fig. ft. Fig. 8 eine Ansicht längs Linie VIIl-VIII in Ι·' ι μ. ft und

Ii g. 9 eine Seitenansicht einer alternativen Brenn-'■!"H'elemenlanordnung.

Nach den Fig. 1 und 2 weist eine BrcnnstolT-■-iementanordnung 1 eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden BrcnnstofTstäbcn 2 auf. die Seite an Seite derart mit Abstand angeordnet sind. daß Zwischenräume 3 als Strömungswege für ein Kühlmittel zwischen diesen verbleiben. Jeder Brenn-'.tolfstab umfaßt einen Kernbrennstoff und eine den Kernbrennstoff umgebende Hülle. In den Zwischenräumen sind Paare von Distanzwaren 4 und 5 in ausreichender Anzahl vorgesehen, die die Brennstoflstäbe 2 längs ihrer Länge voneinander auf Abstand halten. Jedes Paar von Distanzwarzen 4 und 5 in einem Zwischenraum erstreckt sich über diesen zwischen zwei benachbarten Hüllen aufeinander zu, an denen die Distanzwarzen 4 und 5 mittels Hartlötung oder Verschweißung fest angebracht sind. Zwei aus Bändern 8 bis 12 aufgebaute Endplatten 6 und 7. die Durchbrechungen 14 bis 18 aufweisen, verbinden alle Brcnnstoffstäbe 2 an ihren beiden finden.

Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt die BrennstofTelcmentanordnung 1 19 BrcnnstofTstäbe 2. die in Form eines zentralen Stabes 2a. eines inneren konzentrischen Ringes aus sechs Stäben 2 b und eines äußeren konzentrischen Ringes aus zwölf Stäben 2c angeordnet sind. Die Hüllender Stäbe 2 bestehen aus einer Legierung, welche 1,2 his 1,7 Gewichtsprozent Zinn, 0,IS bis 0.24 Gewichtsprozent Eisen, 0.117 bis 0,13 Gewichtsprozent Chrom, wobei die Gesamlmenge Eisen. Chrom und Nickel zwischen (I.H8 und 0,37 beträgt und der Sauerstoffgehalt zwischen 1000 und 1400 ppm liegt, und im übrigen Zirkonium mit Ausnahme von Verunreinigungen umfaßt, und weisen eine Dicke von etwa 0,4 mm auf. Die Stäbe 2 sind

ίο gleichmäßig voneinander entfernt, und die Anordnung weist einen Gesamtdurchmesser von etwa SO cm auf.~

In Fi.p, 2 sind die Distanzwarzen 4 und 5 gezeigt, die alle in der gleichen mittleren Stellung auf der Länge der Brennstotlelementanordnung 1 angeordnet sind. Der Stab 2 a ist mit jedem der Stäbe 2/' mittels einfis Paares von Distanzwarzen 4 und 5 durch Hartlötung oder Schweißung, wie es nachfolgend erläutert wird, verbunden, während je.-ler Stab 2ö in gleiLhartiger Weise mittels je eines, Paares von Distanzwarzen 4 und 5 mit zwei Stäben Ic verbunden ist. Es ist jeweils ein Paar von Distanzwarzen 4 und 5 in einer ausreichenden Anzahl von Zwischenräumen 3 angeordnet, so daß alle Stäbe 2 an einer mittleren Stelle längs ihrer Länge voneinander getrennt werden.

Außenliegende Distanzhalter 19 und 20 an den

Enden der Stäbe 2 c schützen diese vor Beschädigung, wenn d;e Brennstoffelementanordnung in einen oder aus einem Brennstoffkanal eines nicht dargestellten Reaktors bewegt wird, und halten die BrennstorT-clementanordnung 1 zentrisch in einem Brennstoffkanal.

In den F i g. 3 bis 5 ist eines der Paare von Distanzwarzen 4 und 5 vergrößert wiedergegeben. Da alle Paare von Distanzwarz.cn 4 und 5 gleichartig sind, wird im folgenden nur ein Paar beschrieben. Die Distanzwarzcn 4 und 5 können mit den Hüllen der Stäbe 2 elektrisch widerstandsverschweißt oder hartverlötet werden. Falls sie hartverlötet werden, kann das Hartlot 5 Gewichtsprozent Beryllium und im übrigen Zirkonium mit Ausrahme von Verunreinigungen enthalten. Die Distanzwarzen 4 und 5 sind miteinander über eine Verschweißung 21. welche einen Zwischenraum zwischen ihnen überbrückt.

punktverschweißt. Die Verschweißung 21 kann erhalten werden, indem eine kernförmige Erhebung auf tier Distanzwarze 4 und eine zylindrische Erhebung auf der Distanzwarze 5 vorgesehen werden und diese Erhebungen aufeinander gepreßt werden, während sie miteinander elektrisch widerstandsverschwcißt werden. Die Qucrschnittsfläche der Verschweißung 21 ist so gewählt, daß die Schweißverbindung 21 eine geringere Bruchfestigkeit besitzt i-.ls diejenige der Hüllen 2 der Stäbe. Vorzugsweise besitzt die Verschweißung 21 eine Bruchfestigkeit innerhalb eines Bereiches \')ii 5 bis 50'Vd der Hartverlötupgcn oder Versch'-.mißlingen, welche die Distanzwarzen 4 und 5 mit den Hüllen der Stäbe 2 verbinden. Dadurch besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, daß im Betrieb ein Bruch der Hartverlötungcn oder Verschweißungen der Distanzwarzen auf den Hüllen unter Abtrennung einer Distanzwarzc 4 oder 5 von ihrer Hülle auftritt. Sollte eine der Distanzwarzen 4 oder 5 auf diese Weise von ihrer zugehörigen Hülle abgetrennt werden, könnte die Hülle unmittelbar, indem ein Teil durch die Distanzwarzc herausgerissen würde, oder auch nachfolgend, indem sie durch die Dislanzwarze 4 oder 5 durchgerieben würde, durchbrochen

werden. Durch einen Bruch an der Verschweißung 21 kann lediglich ein Reiben zwischen den Distanzwarzen 4 und 5 hervorgerufen werden, so daß die Hüllen seihst geschützt sind.

Die Distanzwarzen 4 und 5 sind in Längsrichtung der Stäbe verlängert und besitzen abgerundete linden bei Ansicht von der Seite der Stäbe, um die Turbulenz In dem über sie strömenden Kühlmittel herabzusetzen.

Hei der in den F-"ig. Λ bis 8 dargestellten Ausfiihrungsform weisen Distanzwarzen 4 a und 5 a die gleiche Funktion auf und sind an den gleichen Stellen vorgesehen wie die Distanzwarzen 4 und 5 in den F-'i g. I bis 5. Jede der Distanzwarzen 4« und 5« besitzt eine konvexe Oberfläche 22 bzw. 23. und die Verbindung zwischen ihnen ist in diesem Fall durch eine Hartlötung 24 vorgesehen. Die Distanzwarzen 4a und Sa erstrecken sich längs sich kreuzenden Richtungen, die beide relativ zu der Längsachse der Stäbe 2. mit deren Hüllen die Distanzwarzen elektrisch verschweißt sind, geneigt sind. Die Distanzwarzen 4a und 5 a sind miteinander an der Stelle hartverlötet, an der sie sich kreuzen.

Die Distanzwarzen 4 a und 5 a bestehen wie die erstere Ausführungsform aus der gleichen Zirkoniumlegierung wie die Hüllen, an denen sie angebracht

sind. Die Hartlötung 24 wird hergestellt, indem eit Hartlot verwendet wird, welches 5 Gewichtsprozen Beryllium und im übrigen Zirkonium mit Ausnahmt von Verunreinigungen enthält.

Bei dieser Ausführiingsform weisen die Verschwel· (Jungen zwischen den Distanzwarzen 4a und 5« unc' den Hüllen und die Hartverlötimg 24 die gleicher Festigkeiten auf wie die entsprechenden Verbindungen bei der ersteren Ausführiingsform. Ls wird dadurch, daß die Distanzwarzen 4a und 5ο sich in sich kreuzenden Richtungen erstrecken, der Vorteil erreicht, daß im Falle einer Trennung dieser Distanzwarzen im Betrieb durch einen Bruch in der Hartlötung 24 eine Verhakung der Distanzwarzen während ihrer Bewegungen relativ zueinander sehr unwahrscheinlich ist.

Nach Fig. 9 weist eine Ausführiingsform an Stelle der Endplatte 7 in Fig. I eine weitere Gruppe von Paaren von Distanzwarzen 25 und 26 auf. Die Distanzwarzen 25 und 26 sind zwischen den Stäben 2 in der gleichen Weise wie die Distanzwarzen 4 und 5 verteilt und miteinander und mit den Hüllen in der gleichen Weise verbunden.

Bei einer weiteren Ausfiihrungsform sind die Distanzwarsen 4. 5 und 25, 26 durch den Distanzwarzen 4fl und 5« gleichartige Distanzwarzen ersetzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

aientansprüche:

1. Brennsiollelcmenumordnuni:. die mis mehreren parallel zueinander angeordneten, an ihren rinden durch Endplatten miteinander verbundenen BrennstolTstähen gebildet wird, \on denen jeder aus einer Hülle und dem darin untergebrachten Kernbrennstoff besteht, wobei die I lullen der Einzelstücke längs ihrer Länge derart mit Disianzwarzen versehen und derart angeordnet sind, daß die Brennstoffstäbe durch Zwischenräume für den Durchfluß des Kühlmittels voneinander getrennt sind und nur die Distanzwarzen benachbarter Brennstoffstäbe einander berühren, dadurch gekennzeichnet, daß die sich berührenden Distanzwarzen (4, 5; 4«. 5 a; 25, 26) jeweils an ihrer Berührungsstelle stoffschlüssig miteinander verbunden sind wobei jede Verbindung (21, 15) eine geringere Bruchfestigkeit besitzt als diejenige der Hüllen (2), mit denen dies·: beiden Distanzwarzen verl unden sind.

2. Brennstoffelementa lordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchfestigkeit jeder Verbindung innerhalb des Bereiches von 5 uis 50^f"n der Bruchfestigkeit der Verbindungen liegt, welche dir Distanzwarzen mit den Hüllen verbinden.

3. Brennstoffelcmentanordnuiv nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß jede Distanzwarze eine Hache Oberfläche besitzt und daß die flachen Oberflächen der zusammenwirkenden Distanzwarzen benachbarter Brenn- ;to(fstäbe parallel verlaufen.

4. BrennstofTelementanordniing nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß jede Distanzwarze eine konvexe Oberfläche besitzt und daß die Verbindung zwischen jedem Paar zusammenwirkender Disianzwarzen sich zwischen ihren konvexen Oberflächen erstreckt.

5. BrennMolfclernentanordnung nach einem der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß jede Distanzwarze in der Längsrichtung des BremistofTslabes verlängert ist und abgerundete Abschnitte an jedem Finde bei der Ansicht von der Seile des Brennstoffstabes besitzt.

ή. Brennstoffclcmcntanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß jede Distanzwarze eines zusammenwirkenden Paares sich längs überkrcu/.enden. relativ zur Längsachse des Brennstoffstabes geneigten Richtungen erstreck!, wobei jedes zusammenwirkende Paar von Distanzwarzen an seiner Kreiizungsstcl'.e miteinander verbunden ist.