DE2019271C3 - Brennelement für schwerwassermoderierte Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für schwerwassermoderierte Kernreaktoren, bestehend aus einem Bündel von in Kreisgeometrie parallel zueinander angeordneten und auf Sollabstand gehaltenen Brennstäben mit auf den Hüllrchren derselben angebrachten Führungsstollen, wobei das Brennelement getrennt vom Moderator in Trennrohren auswechselbar und von einem Kühlmittel umströmt eingesetzt ist. Es handelt sich also beispielsweise um Brennelemente für einen Kernreaktortyp, wie er als Mehrzweckforschungsreaktor Karlsruhe bekanntgeworden ist. Durch den Moderatortank eines derartigen K emreaktors laufen die Trennrohre, in denen die Brennelemente untergebracht sind. D.ese enthalten als Brennstoff vorzugsweise Natururan in Gestalt von Urandioxidtabletten. Bisher war es üblich, in einem Trennrohr-mehrere Brennelemente übereinander anc zuordnen Dabei entstehen aber in der Brennelement-' säule Zonen ohne Spaltstoff, so daß sich an diesen Stellen Neutronenflußspitzen und damit Überlastungen der benachbarten Brennstabpartien ergeben, was infolge der aus Sicherheitsgründen dann bedingten Unterbelan stung der übrigen Brennstabbezirke mit einer Verringerung der Leistungsgröße des Reaktors verbunden ist. Mit größer werdenden Leistungseinheiten solcher Kernreaktoren, die auch mit einem starken Anwachsen des Reaktorvolumens verbunden sind, ergeben sich

.< neue Möglichkeiten zur Vergleichmäßigung der Stabbelastung und damit auch des Abbrands über die gesamte Höhe der aktiven Zone des Reaktors, wenn auf solche zudem auch neutronenabsorbierende Stoßstellen zwischen zwei Brennelementen verzichtet wird.

,ο Zur Behebung der genannten Schwierigkeiten und Verwirklichung dieser Möglichkeiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Brennelement bereitzustellen, das die ganze Länge des Reaktorkerns ungeteilt durchsetzt und auf diese Weise mit einem minimalen

ζ, Aufwand .ils Strukturmaterial auskommt. Dabei muß dafür gesorgt werden, daß durch die Kühlmittelströmung verursachte Schwingungen in dem mehrere Meter langen Brennelement vermieden werden und auch eine mögliche unterschiedliche Längenänderung der

einzelnen Brennstäbe durch die Abstandshalter nicht behindert wird. Diese bestehen aus einem Gitter hochkant angeordneter Blechstege, ähnlich jenen aus der schweizerischen Patentschrift 4 50 562 bekannten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

löst, daß die in an sich bekannter Weise in Querschnittebenen übereinander angeordneten Abstandshalter aus einem starren Gitter hochkant angeordneter Stege bestehen, das am peripheren Umfangssteg mit drei starren Gleitschuhen zur Führung an der Innenwand des Trennrohrs versehen ist, daß das Gitter an einigen peripheren Brennstäben befestigt ist, daß in einer peripheren Brennstabposition ein vorzugsweise leeres Tragrohr angeordnet ist, das jeweils oberhalb eines Abstandshaltergitters mit einem federnden Gleitschuh versehen ist, und daß das Tragrohr sowie die Brennstäbe an einer Stabhalteplatte hängend und lösbar mit dieser verbunden sind.

Zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung sei auf die Zeichnungen verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel näher dargestellt ist.

F i g. 1 zeigt das erfindungsgemäße Brennelement einschließlich Füllkörper und Trennrohr- bzw. Kühlkanalverschluß, wie es als Einheit in einen Kernreaktor eingesetzt wird;

F i g. 2 zeigt die Ausbildung der Stabhalteplatte in der Draufsicht und
F i g. 3 im Schnitt;

F i g. 4 zeigt eine Einzelheit an der Stelle IV von F i g. 3;

F i g. 5 zeigt ein Abstandshaltegitter in der Draufsicht und

F i g. 6 in einer Seitenansicht; schließlich zeigt
F i g. 7 als Seitenansicht den Ausschnitt eines Tragrohrs mit darauf angebrachten Gleitschuhen und

F i g. 8 einen Schnitt quer durch diese Anordnung.

F i g. 1 zeigt, daß das Brennelement 3 mit einem Gestänge 5 und einem Füllkörper 2 mit dem Trennrohrbzw. Kühlkanalverschluß 1 unter Zuhilfenahme von

iwei Kupplungen 4 verbunden ist und als Teil dieses Körpers mit diesem zusammen in das Trennrohr des Kernreaktors eingesetzt oder aus diesem wieder entfernt wird.

Der Verschluß 1 kann dabei durch e.n von außen angesetztes Werkzeug unter Druck geöffnet werden, wie es vom Stande der Technik her, s. MZFR-Reaktor in Karlsruhe, bekannt ist. Der Füllkörper 2 dient der Abschirmung und der Einsparung von schwerem Wasser, wenn dieses auch als Kühlmittel, ähnlich wie beim MZFR, verwendet wird. Das Gestängeteil 5 bildet sozusagen die Verlängerung des Brennelements im oberen Teil des Moderatorbehälters und ermöglicht oberhalb desselben den ungehinderten seitlichen Austritt des Kühlmittels durch die in dieser Höhe angebrachten Aus'rittsöffnungen der Trennrohre.

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 Fertigungstoleranzen im Trennrohr des Kernreaktors schwingungsfrei zu halten. 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 Brennstäben der äußeren Reihe verbunden. Tragrohr, wie auch Brennstäbe sind dabei in der Brennstabtragplatte 32 aufgehängt.

In F i g. 2 ist diese Tragplatte 32 in der Draufsicht dargestellt. Die Bohrungen zur Aufnahme der Brennstäbe sind mit 36, die KühlmitteldurchtriUsbohrungen dagegen mit 37 bezeichnet. Beim Zusammenbau des Brennelements werden die Gewindezapfen der oberen Endkappen der Brennstäbe in die Bohrungen 36 eingeführt und mit einer nicht näher dargestellten Mutter befestigt. Diese Muttern haben einen Bördelrarid, der nach dem Befestigungsvorgang zur Sicherung gegen eine unbeabsichtigte Lösung der Mutter an eine Abflachung des Gewindezapfens angedrückt wird.

Im Gegensatz zu bekannten Abstandshalterkonstruktionen, bei denen die Abstandshalterstege direkt oder über elastische Teile mit dem Hüllrohr des Brennstabs in Berührung stehen, sind die Brennstäbe dieses Brennelements in den Höhen der Abstandshaltergitter mit Führungsstollen 33a versehen, die jeweils um 120° versetzt sind. Diese Führungsstollen liegen im Abstandshaltergitter 30 bzw. in den Maschen desselben an, s. 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 F i g. 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 mir der Tragplatte 32 mit einer Stirnverzahnung versehen sind, die mit einer entsprechenden Verzahnung der An lageflächen auf der Unterseite der Tragplatte 32, s. 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 Gewindezapfen wieder weggedrückt wird und somit einem Ausbau einzelner Brennstäbe ohne

ίο 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.

!5 Schließlich sei noch auf die Ausbildungsform der federnden Gleitschuhe auf dem Tragrohr 34 eingegangen, wie sie in F i g. 7 und 8 dargestellt ist. Die Gleitschuhe sind auf dem Tragrohr jeweils direkt oberhalb eines Abstandshaltergitters 30 angeordnet, unter ihnen befindet sich dann ein starrer Gleitschuh 31 dieses Gitters, der lediglich die Aufgabe eines Ersatzgleitschuhs für den Fall eines Bruches des Federgleitschuhs 35 hat. Letzterer ist aus federelastischem Material, wie z. B. Inconel oder rostfreiem Stahl, hergestellt und umfaßt an seinen beiden Enden das Tragrohr 34. Diese Enden 35a schmiegen sich dem Umfang dieses Tragrohrs 34 an, wobei jedoch nur das eine Ende mit Hilfe einer mechanischen Verbindung 350, wie z. B. einem Abreißniet, an demselben befestigt ist. Das andere Ende kann je nach Belastung des Gleitschuhs auf dem Rohr 34 hin- und hergleiten. Nicht unerwähnt soll bleiben, daß die Form sämtlicher Gleitschuhe — der federnden und der starren — so gewählt ist, daß sie beim Einführen des Brennelements in das Trennrohr nicht zu einer Beschädigung der Dichtflächen am Sitz des Verschlusses 1 führen können.

Bis auf die Federgleitschuhe 35 wird für die Brennelementteile, also Hüllrohre, Endkappen, Abstandshalter und Halteplatte, ein nur wenig neutronenabsorbierendes Material, wie z. B. 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.

Zum besseren Verständnis der hier geschilderten Zusammenhänge seien kurz noch mögliche geometrische Daten dieses Brennelements genannt. Durchmesser des Brennelements etwa 10 cm, Durchmesser der Brennstäbe sowie des Tragrohrs etwa 12 mm und Länge der Brennstäbe 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 Brennelements sind etwa 14 Abstandshaltergitter gleichmäßig verteilt. Die unteren Enden der Brennstabe sind dabei nicht gefaßt, sondern stehen frei im Kühlmittelstrom. Das Kühlmittel kann z. B., wie bereits erwähnt, schweres Wasser sein, jedoch ist auch leichtes Wasser oder ein Gas denkbar.

Hierzu 2 Rlaü Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennelement für schwerwassermoderierte Kernreaktoren, bestehend aus einem Bündel von in Kreisgeometrie parallel zueinander angeordneten und auf Sollabstand gehaltenen Brennstäben mit auf den Hüllrohren derselben angebrachten Führungsstollen, wobei das Brennelement getrennt vom Moderator in Trennrohren auswechselbar und vcn einem Kühlmittel umströmt eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die in an sich bekannter Weise in Querschnittsebenen übereinander angeordneten Abstandshalter (30) aus einem starren Gitter hochkant angeorJneter Stege bestehen, das am peripheren Umfangssteg mit drei starren Gleitschuhen (31) zur Führung an der Innenwand des Trennrohrs versehen ist, daß das Gitter an einigen peripheren Brennstäben befestigt ist, daß in einer peripheren Brennstabposition ein vorzugsweise leeres Tragrohr (34) angeordnet ist, das jeweils oberhalb eines Abstandshaltergitters (30) mit einem federnden Gleitschuh (35) versehen ist und daß das Tragrohr (34) sowie die Brennstäbe (33) an einer Stabhalteplatte (32) hängend und lösbar mit dieser verbunden sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (30) in an sich bekannter Weise aus einem Gitterwerk kreisförmiger konzentrischer Stege, die auch aus einzelnen geradlinigen Abschnitten zusammengesetzt sein können, sowie diese verbindenden, im wesentlichen radialen, geraden Verbindungsstegen aufgebaut sind.

3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jede einzelne Gittermasche begrenzenden Stegabschnitte für die Anlage der Führungsstollen (33a) auf den Brennstäben (33) durch örtliche Verstärkungen (38) und flache Ausnehmungen (39) angepaßt sind.

4. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Endkappen der Brennstäbe (33) mit einem Gewindezapfen sowie einer Stirnverzahnung vorgesehen sind, die in entsprechend verzahnte Anlageflächen von Bohrungen (36) der Stabhalteplatte (32), die außerdem noch mit öffnungen (37) für den Durchtritt des Kühlmittels versehen sind, passen und über Bördelrandmuttern mit diesen verbunden sind, deren Bördelrand nach dem Befestigungsvorgang zur Sicherung an eine Abflachung des Gewindezapfens angedrückt ist.