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Brennelement für schwerwassermoderierte Kernreaktoren Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für schwerwassermoderierte Kernreaktoren,
bestehend aus einem 3bündel in Kreisgeometrie parallel zueinander angeordneter und
auf Sollabstand gehaltener Brennstäbe mit auf den Hülirohren angebrachten Pffhrungsstollen,
das getrennt vom Moderator in Trennrohren auswechselbar und von einem Kuhlmittel
umströmt eingesetzt ist.
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Es handelt sich also beispielsweise um Brennelemente für einen Eernreaktortyp,
wie er als Mehrzweckforschungsreaktor Karlsruhe bekanntgeworden ist. Durch den Moderatortank
eines derartigen Kernreaktors laufen die Trennrohre, in denen die Brennelemente
untergebracht sind. Diese enthalten als Brennstoff vorzugsweise Natururan in Gestalt
von Urandioxydtabletten. Bisher war es üblich, in einem Trennrohr mehrere Brennelemente
übereinander anzuordnen. Dabei entstehen aber in der Brennelementsäule Zonen ohne
Spaltstoff, so daß sich an diesen Stellen Neutronenflußspitzen und damit Überlastungen
der benachbarten 3rennstabpartien ergeben, was infolge der aus Sicherheitsgründen
dann bedingten Unterbelastung der übrigen Brennstabbezirke mit einer Verringerun
der LeistUngsgröße des Reaktors verbunden ist.
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Mit größer werdenden Leistungseinheiten solcher Kernreaktoren, die
auch mit einem starken Anwachsen des Reaktorvolumens verbunden sind, ergeben sich
neue Möglichkeiten zur Vergleichmäßigung deF Stabbelastung und damit auch des Abbrandes
über die gesamte Höhe der aktiven Zone des Reaktors, wenn auf solche zudem auch
teutronenabsorbierende Stoßstellen zwischen zwei Brennelemen$en verzichtet wird.
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Zur Behebung der genannten Schwierigkeiten und Verwirklichung
dieser
Möglichkeiten wird nunmehr ein Brennelement vorgeschlagen, das die ganze Länge des
Reaktorkerns ungeteilt durchsetzt und auf diese Weise mit einem minimalen Aufwand
als Strukturmaterial auskommt. Erfindungsgemäß bestehen die in an sich bekannter
Weise in Querschnittsebenen übereinander angeordneten Abstandshalter, die an einigen
äußeren Brennstäben befestigt sind, aus einem starren Gitter hochkant angeordneter
Stege mit drei starren Gleitschuhen am Umfassungssteg desselben zur Führung an der
Innenwand des Trennrohres und ist in einer äußeren Brennstabposition ein vorzugsweise
leeres Tragrohr angeordnet, das jeweils oberhalb eines Abstandshaltergitters mit
einem federnden Gleitschuh versehen ist und sind das Tragrohr sOwie die Brennstäbe
an einer Stabhalteplatte hängend lösbar mit dieser verbunden.
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Zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung sei auf die Zeichnungen
verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel näher dargestellt ist.
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Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Brennelement einschließlich Füllkörper
und Trennrohr- bzw. gühlkanalverschluß, wie es als Einheit in einen Kernreaktor
eingesetzt wird.
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Fig. 2 zeigt die Ausbildung der Stabhalteplatte in der Draufsicht
und Fig. 3 im Schnitt.
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Fig. 4 zeigt eine Einzelheit an der Stelle IV von Fig. 3.
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Fig. 5 zeigt ein Abstandshaltergitter in der Draufsicht und Fig. 6
in einer Seitenansicht; schließlich zeigt Fig. 7 als Seitenansicht den Ausschnitt
eines Tragrohres mit darauf angebrachten Gleitschuhen und Fig. 8 einen Schnitt quer
durch diese Anordnung.
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Fig. 1 zeigt, daß das Brennelement 3 mit einem Gestänge 5 und einem
Füllkörper 2 mit dem Trennrohr- bzw. Kühlkanalverschluß 1 unter Zuhilfenahme von
zwei Kupplungen 4 verbunden ist und als Teil dieses Körpers mit diesem zusammen
in das Trennrohr des Kernreaktors eingesetzt oder aus diesem wieder entfernt wird.
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Der Verschluß 1 kann dabei durch ein von außen angesetztes Werkzeug
unter Druck geöffnet werden, wie es vom Stande der Technik her, siehe MZ?R-Reaktor
in Karlsruhe, bekannt ist.
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Der Füllkörper 2 dient der Abschirmung und der Einsparung von schwerem
Wasser, wenn dieses auch als Kühlmittel, ähnlich wie beim MZ?R, verwendet wird.
Das Gestängeteil 5 bildet sozusagen die Verlängerung des Brennelementes im oberen
Teil des Moderatorbehälters und ermöglicht oberhalb desselben den ungehinderten
seitlichen Austritt des Kühlmittels durch die in dieser Höhe angebrachten Austrittsöffnungen
der Trennrohre.
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Das Brennelement selbst besteht aus einer Anzahl einzelner Brennstäbe
33 - in diesem Beispiel sind es 37 -, von denen einer - mit 34 bezeichnet - als
Tragrohr für Gleitschuhe 35 dient. Diese elastischen Gleitschuhe haben die Aufgabe,
das gesamte Brennelement unter Überbrückung von Pertigungstoleranzen im Trennrohr
des Kernreaktors schwingungsfrei zu halten.
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Dazu liegt dasselbe über die starren Gleitschuhe 31, die an den Abstandshaltergittern
30 bzw. auch an der Stabhalteplatte 32 angeschweißt sind, an der Innenwandung des
Trennrohres an. Die Abstandshaltergitter sind durch Lötung, Schweißung oder mechanische
Verbindung mit einigen normalen Brennstäben der äußeren Reihe verbunden. Tragrohr,
wie auch Brennstäbe sind dabei in der Brennstabtragplatte 32 aufgehängt.
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Aus Fig. 2 ist diese Tragplatte 32 in der Draufsicht dargestellt.
Die Bohrungen zur Aufnahme der Brennstäbe sind mit 36, die Kühlmitteldurchtrittsbohrungen
dagegen mit 37 bezeichnet.
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Beim Zusammenbau des Brennelementes werden die Gewindezapfen der oberen
Endkappen der Brennstäbe in die Bohrungen 36 eingeführt und mit einer nicht näher
dargestellten Mutter befestigt.
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Diese }sputtern haben einen Bördelrand,der nach dem Befestigungsvorgang
zur Sicherung gegen eine unbeabsichtigte Lösung der Mutter an eine Abflachung des
Gewindezapfens angedrückt wird.
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Im Gegensatz zu bekannten Abstandshalterkonstruktionen, bei denen
die Abstandshalterstege direkt oder über elastische
Teile mit dem
Hüllrohr des Brennstabes in Berührung stehen, sind die Brennstäbe dieses Brennelementes
in den Höhen der Abstandshaltergitter mit Führungsstollen 33a versehen, die jeweils
um 1200 versetzt sind. Diese Führungsstollen liegen im Abstandshaltergitter 30 bzw.
in den Maschen desselben an, siehe Fig. 5; die die Abstandshaltermaschen begrenzenden
Stege sind zur Anpassung an den zu halternden Brennstab mit entsprechenden Verstärkungen
38 bzw. flachen Ausnehmungen 39 versehen. Aus dieser Fig. 5 geht auch hervor, daß
die Brennstäbe stets in einer bestimmten Winkelorientierung eingesetzt werden müssen,
damit dieses System der Abstandshalterung funktioniert. Diese Lage wird durch. die
Endkappen der Brennstäbe gesichert, die an ihrer Berührungsfläche mit der Tragplatte
32 mit einer Stirnverzahnung versehen sind, die mit einer entsprechenden Verzahnung
der Anlageflächen-auf der Unterseite der Tragplatte 32, siehe Fig. 4, im Eingriff
stehen. Nach dem richtigen Einsetzen der Brennstäbe und ihrer Befestigung ist eine
spätere Verdrehung aus dieser Sollage nicht mehr möglich. Diese spezielle Art der
Befestigung hat den Vorteil, daß sie jederzeit wieder gelöst werden kann, da der
Bördelrand beim Aufdrehen der Muttern aus der Abflachung der Gewinde zapfen. wieder
weggedrückt wird und somit einem Ausbau einzelner Brennstäbe ohne Beschädigung derselben
nichts mehr im Wege steht. Die Notwendigkeit einer solchen Demontage kann sich bei
abgebrannten Brennelementen ergeben, wobei dieser Vorgang auch mit Hilfe von fernbedienten
Werkzeugen ausgeführt werden kann.
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Schließlich sei noch auf die A.usbildungsform der federnden.
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Gleitschuhe auf dem Tragrohr 34 eingegangen, wie sie in Fig. 7 und
8 dargestellt ist. Diese Gleitschuhe sind auf dem Tragrohr jeweils direkt oberhalb
eines Abstandshaltergitters 30 angeordnct, unter illnen befindet sich dann ein starrer
Gleitschuh 31 dieses Gitters, der lediglich die Aufgabe eines Ersatzgleit schuhes
17 den Fall eines Brüches des Federgleitschuhes @@@ h @@@@@@@@@@@@@@@@us f@@@relastischem
Material, @oie z. B. In@@@@ 1 @@@@@@@@@@@@@@@@@Stab@@@@@@@@@@@@tell, und @@@@@@@
au a@@@@@@@@@
Enden das Tragrohr 34. Diese Enden 35a schmiegen sich
dem Umfang dieses Tragrohres 34 an, wobei jedoch nur das eine Ende mit Hilfe einer
mechanischen Verbindung 35b, wie z.B. einem Abreißniet, an demselben befestigt ist.
Das andere Ende kann je nach Belastung des Gleitschuhes auf dem Rohr 34 hin- und
hergleiten.
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Nicht unerwahnt soll bleiben, daß die Form sämtlicher Gleitschuhe
- der federnden und der starren - so gewählt ist, daß sie beim Einfuhren des Brennelementes
in das Trennrohr nicht zu einer Beschädigung der Dichtflächen am Sitz des Verschlusses
1 fuhren können, Bis auf die Federgleitschuhe 35 wird für die Brennelementteile,
also Hüllrohre, Endkappen, Abstandshalter und Halteplatte, ein nur wenig neutronenabsorbierendes
Material, wie z.B.
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Zircaloy, verwendet. Selbstverständlich wäre es auch möglich, das
Tragrohr 34 ebenfalls mit Kernbrennstofftabletten zu füllen, wobei es allerdings
zweckmäßig wäre, die Innenräume in Höhe der federnden Gleitschuhe wegen der dort
schlechteren Wärmeableitung mit einem hitzebeständigen Blindmaterial, wie z.B. Keramik
oder auch angereichertem Spaltstoff, zu füllen.
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Zum besseren Verständnis der hier geschilderten Zusammenhänge seien
kurz noch mögliche geometrische Daten dieses Brennelementes genannt, Durchmesser
des Brennelementes etwa 10 cm, Durchmesser der Brennstäbe sowie des Tragrohres etwa
12 mm und Länge der Brennstabe etwa 5,5 m. Die Länge der gesamten Baueinheit, also
Brennelement einschließlich Gestänge sowie Füllkörper und Verschluß etwa 9,5 m.
Über die Länge des Brennelementes sind etwa 14 Abstandshaltergitter gleichmäßig
verteilt. Die unteren Enden der Brennstäbe sind dabei nicht gefaßt, sondern stehen
frei im Kühlmittelstrom. Das Kühlmittel kann ZB.r wie bereits erwähnt, schweres
Wasser sein, jedoch ist auch leichtes Wasser oder ein Gas denkbar.
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if? f'-Jil 7 P a t e n t a n s p r ü c h e