DE2023587A1

DE2023587A1 - Kernreaktorbrennelement

Info

Publication number: DE2023587A1
Application number: DE19702023587
Authority: DE
Inventors: John F. Murrysville; Bassler jun. Elmer A.; Choby Edward J.; Irwin; Pa. Patterson (V.St.A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-05-19
Filing date: 1970-05-14
Publication date: 1970-11-26
Also published as: FR2049108A1; AT310312B; ES379312A1; DE2023587C3; FR2049108B1; NL171106B; AU1390370A; NL171106C; DE2023587B2; GB1238143A; SE343708B; BE750552A; CH515585A; NL7007054A

Description

13. mi «η

WESTINGHOUSE Electric Corporation Erlangen» ^α/υ Pittsburgh, Pennsylvania, USA , Werner-von-Siemens-Str, 50

Hein Zeichens VPA 70/8315 Mü/Hü

Kernreaktorbrennelement

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktorbrennelement, das aus einem Brennelementkopf, einem BrenneleinentfuS sowie damit verbundenen Regelstabführungsrohren ale Grundgerüst und darin angeordneten Brennstäben, die durch mit den Regelstabführungsrohren verbundene Abstandshaltergitter in ihrer vertikalen Sollage gehalten sind, besteht. Es handelt sich hierbei also um ein sogen, kastenloses Brennelement. Bas Grundgerüst bestand bisher aus rostfreiem Stahl, seine einzelnen Elemente wurden durch metallurgische Verfahren, also durch Löten oder Schweißen miteinander verbunden. Die Brennstäbe wurden dabei durch federnde Glieder in den Maschen der Abstandehaltergitter zentriert.

Nunmehr hat sich herausgestellt, daß für die Regelstabführungsrohre, die gleichzeitig Verbindungselemente zwischen dem Brennelement und dem Brennelementfuß darstellen, auch Zirkoniumbasislegierungen, wie z.B. Zircaloy, Verwendung finden können. Diese haben gegenüber Stahl den großen Vorteil, daß sie einen wesentlich geringeren Neutronenabsorptionsquerachnitt besitzen. Nachteilig ist jedoch, daß dieses Material nicht metallurgisch mit dem übrigen Strukturmaterial des Brennelementes, nämlich rostfreiem Stahl, verbunden werden kann, da sich im Bereich zwischen den unterschiedlichen Metallen spröde Zwischenlegierungen ausbilden. Hinzukommt noch, daß Zircaloy selbst infolge der Bestrahlung im Reaktorkern und der möglichen Wasserstoffaufnahme während des Betriebes ebenfalls zur Versprödung neigt, so daß es wünschenswert ist, die kritischen Verbindungspunkte zwischen den Führungsrohren und den anderen Aufbauelementen des Kernreaktors mit einem duktLLaren Material, wie z.B. rostfreiem Stahl, zu verstärken. Selbstverständlich'muß dann eine derartige Verstärkung auch ohu-j aine metallurgische Verbindung,

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-2-wie Schweißen oder Löten, hergestellt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Kernreaktorbrennelementkonstruktion vorgeschlagen, bei der Brennelementkopf, -fuß und Abstandshalter einerseits und Regelstabführungsrohre andererseits aus verschiedenen Materialien, beispielsweise rostfreiem Stahl sowie einer Zirkonlegierung bestehen und die gegenseitigen Verbindungen unter Vermeidung metallurgischer Verfahren rein mechanischer Natur sind. Solche Verbindungen können beispielsweise mit Hilfselementen, die gegenseitig durch ihre spezielle Formgebung mechanisch verbunden sind, erreicht werden, wobei die Hilfselemente selbst wieder mit den zu verbindenden Bauelementen des Brennstabgerüstes metallurgisch verbunden sein können, da sie der gleichen Werkstoffart angehören. Diese Verbindungen sind weiterhin so gehalten, daß die Strömungsverhältnisse im Brennelement für das Kühlmittel nicht behindert werden und daß für das Auffangen von Stoßkräften während der Be- und Entladevorgang© sowie bei abnormalen Reaktorbetriebsbedingungen eine angemessene Duktilität derselben erzielt wird.

Eine weitere Kennzeichnung und Erläuterung der vorliegenden Erfindung ist aus einem Konatruktionsbeispiel zu entnehmen, das anhand der Figuren 1 bis 13 näher beschrieben werden soll.

Die Pig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ©in derartiges Brennelement und Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie XI-II von Fig. 1. Die -Fig* 3 und 4 geben vergrößert© !©ilansichten von in Fig. 1 dargestellten Strukturteilen wieder_o Figo 5 zeigt den Querschnitt der Anordnung gemäß Fig. 4 entlang d©r Linie V-V; Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung di© Masche ©ines Abstandshaltergitters mit einem darin befdstigtem Eegelstabführungsrohr. Fig. 7 zeigt für dieselbe Verbindung ein© andere konstruktive Möglichkeit» FIg₀ 8 stellt die vergrößerte Ansicht des wesentlichen Verbimimgselesaesifeas der Konstruktion von Fig. 7 dar, während zur s®ifceren Erläuterung Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie IX-IX von Pig, 8 zeigt. Die Fig. 10 zeigt die Verbindung sings Pührimgsrohres mit der oberen End~

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platte eines Brennelementes. Fig. 11 zeigt in perspektivischer Ansicht eine entsprechend Fig. 10 verwendete Verbindungshülse. Eine andere konstruktive Lösung dieser Verbindung zwischen Führungsrohr und oberer Endplatte zeigt Fig. 12. Eine weitere Modifikation dieser Verbindung ist in Fig. 13 dargestellt.

Das in'den Fig. 1 und 2 dargestellte Kernbrennstoffelement 10 besteht aus dem Brennelementkopf 12, einem Brennelementfuß 14, einer im allgemeinen quadratischen Anordnung von parallel zueinander angeordneten Brennstäben 16 - der Übersichtlichkeit halber sind nur wenige davon dargestellt -, einer Anzahl von langgestreckten hohlen Führungsrohren 18, die an Brennetabpositionen angeordnet sind und in ihrem Inneren die in vertikaler Richtung bewegbaren Regelelemente 20 enthalten sowie ein oberes Abstandshaltergitter 22, ein unteres Abetandshaltsrgitter 24 und eine Anzahl von dazwischenliegenden Abetandshaltergittern 26, die in Längsrichtung des Brennelementes übereinander angeordnet sind. In der Mittelachse des Kernbrennstoffelementes 10 ist eine Röhre 27 für die Instrumentierung angebracht. Dieses Brennelement 10 ist tob kastenlosen Typ, wie er bereits in der US-Anmeldung Serial Nr. 552 976 vom 25. Mai 1966 - diese hat in Frankreich zum Patent Nr. 1 536 geführt - beschrieben wurde.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, hat der Brennelementkopf 12 einen im allgemeinen quadratischen Querschnitt. Er bestellt aus einer Endplatte 13· e.inem mit dieser verbundenen Rahmen 15 und einem Flansch 17, der am äußeren Ende dieses Rahmens 15 befestigt ist. Blattfedern 19 sind mit Hilfe einer Deckplatt· 21 durch Bolzen mit einem Flansch 17 verbunden und arbeiten zur Ermöglichung der Wärmedehnung der Brennetäbe mit einer nicht dargestellten Brennstabhalteplatte zusammen, verhindern jedoch dabei gleichzeitig eine Aufwärtsbewegung desselben durch hydraulische Kräfte. Zur seitlichen Halterung des Brennelementes im Verband des Reaktor- * kerne greifen nicht dargestellte Haltestifte in diagonal angeordnete Öffnungen 25 im Flansch 17 ein. Die Endplatte 13 besitzt eine Vielzahl von Öffnungen 28 für den möglichst ungehinderten Durchtritt des Reaktorkühlmittels durch den Brenn-

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elementkopf. In ähnlicher Weise hat der Brennelementfuß 14 einen im allgemeinen quadratischen Querschnitt und eine Vielzahl von öffnungen für das Reaktorkühlmittel. Wie bereits erwähnt, besteht das Brennelementgerüst aus dem Brennelementkopf, dem Brennelementfuß sowie den verbindenden Führungsröhren 18 für die Regelstäbe. Letztere sind in öffnungen der oberen Endplatte 13 eingelassen, wie nachstehend näher beschrieben wird.

Wie ausschnittsweise in Fig. 6 dargestellt, besteht jedes Abstands· haltergitter aus einer Vielzahl von ineinandergreifenden Bändern 30, die damit ein Maschenwerk mit einer Vielzahl von quadratischen Öffnungen oder Zellen 32 bilden, in denen die Brennstäbe 16 zentriert und die Führungsrohre 18 befestigt sind. Aus den Fig. 3 und 4 ist zu ersehen, daß diese Bänder 30 mit elastischen Fingern 34 versehen sind, die die Brennstäbe 16 in der beschriebenen Weise haltern.

Die Führungsrohre 18 zur Aufnahme der zylindrischen Regelstäbe 20 bestehen aus einer Zirkon-Basis-Legierung, bekannt unter dem Namen Zircaloy, die im Verhältnis zu rostfreiem Stahl - dem Werkstoff der Abstandshalter und des Brennelementfußee sowie -kopfes - einen relativ niedrigen Beutronenabsorptionsquerschnitt aufweist. Die früher verwandte Lot- und Schweißtechnik ist, wie bereits eingangs geschildert, für die Verbindung dieser Materialien nicht mehr geeignet. Für den Aufbau des Brenneleeentgerüstes wurden daher entsprechend dem Grundgedanken dieser Erfindung rein mechanische Verbindungskonstruktionen gewählt.

Die Verbindung des Brennelementfußes 14 mit dem unteren Abstandshaltergitter 14 und den Führungsrohren 18 ist aus den Fig. 1 und 3 zu ersehen. Dafür wird ■ein» Hülse 36 aus rostfreiem Stahl verwendet, die einen gelochten Boden aufweist. Sie ist mit den Gittermaschen, die ebenfalls aus Inconel oder rostfreiem Stahl bestehen, verlötet. Das Führungsrohr 18 aus einer Zirkonlegierung ist mit einem Metallstopfen 40 gleichen Materials abgeschlossen und mit diesem metallurgisch, z.B. durch Löten oder Schweißen,

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verbunden. Eine Schraube 38 sorgt in der in Pig. 3 dargestellten Weise für die Verbindung des Brennelementfußes 14 mit dem Führungsrohr 18 und hält dabei gleichzeitig über die Hülse 36 das Abstandshaltergitter 24. Eine geeignete Dimensionierung dieser Verbindung und Wahl der Schraubenspannung gewährleistet, die erforderliche Festigkeit dieser Verbindung über den in Frage kommenden Temperaturbereich»

Diese Verbindung kann hohen Stoßbelastungen ausgesetzt werden, die während der Handhabungsvorgänge der Brennelemente nicht ausgeschlossen werden können. Die Verwendung von rostfreiem Stahl, der unter den Reaktorbetriebsbedingungen wesentlich g weniger zur Versprödung neigt als Zirkonlegierung, stellt für die Beladevorgänge einen wichtigen Sicherheitsfaktor dar.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die Befestigung der Abstandshaltergitter 26 an den Führungsrohren 18. Zu diesem Zweck sind je zwei Hülsen 44a und 44b aus rostfreiem Stahl vorgesehen, die das Führungsrohr 18 in einer Masche 32 des Abstandshaltergitters umgeben. Die Hülsen 44a und 44b sind dabei mit den Gitterbändern 30 verlötet. Am Führungsrohr 18 sind Vorsprünge 46 oberhalb und unterhalb dieser Hülsen ausgeprägt und sorgen damit für eine in Längsrichtung starre Verbindung zwischen dem Abstandshaltergitter und den Führungsrohren 18. Wie in der Fig. 5 dargestellt, haben diese Hülsen einen inneren Durch- ^ messer, der etwa gleich ist dem Abstand zwischen den Gitterbändern, aus denen das Gitter aufgebaut ist. Für ihren Einsatz in die Gittermasche selbst sind sie mit vier um 90° versetzten Schlitzen versehen. Diese Konstruktion ermöglicht die Verwendung von Maximaldurchmessern für die Führungsrohre, ohne damit die Kühlmittelströmung in den benachbarten Gittermaschen zu beeinflussen. Die Lage der Vorsprünge 46 über den vier Ecken der Gitterzellen behindern den Kühlmittelfluß an diesen Stellen, was eine vorteilhafte Wirkung auf die Kühlmittelflußverteilung innerhalb des Brennelementes hat.

Eine-anders Möglichkeit für die Befestigung der Abstandshalter-

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gitter an den Führungerohren 18 ist in Fig« 7, 8 und 9 dargestellt. Zwei parallele Gitterbänder 30 besitzen einen tatzenförmigen Vorsprung 48, der mit Hilfe einer durch Punktachweißung mit den Zircaloy-Rohr 18 verbundenen Zircaloy-Lasche 50 gehalten wird. Die Verbindung wird durch eine Prägung 52 herbeigeführt, die in eine Bohrung 54 des tatzenförmigen Vorsprungs 48 eingreift. Diese Verbindung kann gemäß Fig. 9 noch dadurch wesentlich verbessert werden, daß die Lasche 50 mit ihrer Einprägung 52, die in die Bohrung 54 des Glttervorsprungs 48 eingreift, mit dem Material des Führungsrohre 18 punktgeschweißt ist. Auf diese Weise ist eine Sicherung der Lage des Abstanäshaltergitters gegeben, auch wenn eine der beiden Sohweißungen abscheren sollte. Eine metallurgische Verbindung ist also auch hier nur zwischen Teilen gleicher Werkstoffart vorgesehen»

Die Verbindung des Brennelementkopfes 12 mit den Führungsrohren 18 ist in Fig. 10 dargestellt. Die oberen Enden jedes Führungsrohre 18 ragen in eine öffnung 56 der Endplatte 13 des Brennelementkopfes hineiHo Eine Hülse 58 aus rostfreiem Stahl umgibt diese Führungarohre 18 und ist mit der Endplatte 13 sowie dem Abstandshaltergitter 22 verlötet. Der Innendurchmesser dieser Hülse ist dabei nahezu gleich dem Abstand zwischen den das Abstandshaltergitter bildenden Bändern 30. Entsprechend Fig. 11 hat diese Hülse vier Schlitze 6O₅₁ die jeweils um 90° gegeneinander versetzt sind« Diese Schlitze sind notwendig, um eine Hülse diesen Durchmessers in die Gitterzellen einzusetzen. Für diesen Vorgang ist es allerdings notwendig, di© Hülse zunächst leicht zu. verformenund nach dem Einsetzen in di© Abstaa&shaltermasche wieder auszurichten. Der Lötvorgang wird OTsekmäßlgerweiae gleichzeitig mit dem Löten des gasten A"fo@taaclshaltergitters durchgeführt. Für die mechanische Verbindung der Führungsrohre 18 mit den Hülsen 56 Iosbw. äem Abstandehaltergitter 22 und der Endplatte 13 erfolgt über dia Noppen-64 und 62, die mit einem Spezialwerlc2®ug aaefe. ä®m Ausrichten der ineinander- " gefügten Teile erzeugt ^@rd©n« Au®]& hier ist also eine metallurgische' Verbindung nur zwise&sn Teilen gleichen Werkstoffes ©in» mal in der Abstandshalterung) eh© und einmal an der Endplatte bei

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66 vorgesehen. An dieser Stelle soll auch nicht unerwähnt bleiben} daß diese mechanische Verbindung Wärmedehnungsspannungen der Pührungsrohre 18 durch eine leichte Verformung der Voreprünge oder Noppen aufzunehmen gestattet. Solche Spannungen können daher nicht zu einer Verbiegung dee Brennelementes in sich führen.

Eine andere Möglichkeit einer derartigen Verbindung am Brennelementkopf 12 ist in Fig. 12 dargestellt. Eine Anpaseungshülse 68 umgibt jedes Rohr 18 in der öffnung 56 der Endplatte 15· Das untere Ende dieser Hülsen 68 ist mit einem Auflenflansch versehen. Eine Haltehülse 72 umgibt diese Anpaseungshülse, sie besitzt einen Innenflansch 74, der mit dem Außenflansch 70 der Anpassungshülse 68 im Eingriff steht. Die Anpassungshülse 68 besteht dabei aus dem Material der Führungsrohre 18, also einer Zirkonlegierung, die Haltehülse dagegen aus dem Material der Endplatte 13, mit dem sie auch durch Schweißung oder Lötung verbunden ist. Eine Verschlußhülse 76 füllt den Ringraum zwischen Anpassungshülse 68 und Haltehülse 72 und ist mit der Anpassungshülee 68 durch Schwelßung oder Lötung verbunden, die ihrerseits wieder metallurgisch am führungsrohr 18 befestigt ist.

Eine weitere Verbindungsmöglichkeit für diese Bauelemente ist in Fig. 15 dargestellt. Hier ist der Brennelementkopf durch einen Rahmen 78 mit dem oberen Abstandshaltergitter 22 verbunden und «war in herkömmlicher leise. Dieser Rahmen kann gleichseitig auch die äußeren Abstandehaltβretege bilden. Die Führungerohre 18 sind nach dieser Kon struktion in den Bohrungen 56 der Endplatte 15 nicht befestigt, sie sind lediglich durch Ausprägungen 84 mit den Vorsprüngen 82 dee Abstandehaltergitters oberhalb und unterhalb desselben in Eingriff. Auf diese Weise werden axiale Belastungen, die auf das Brennelement einwirken, auf die gesamte Gerüstkonstruktion übertragen. ■

Die bereits erwähnten Werkzeuge für die Ausbildung der Voreprünge und der Hoppen werden zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß sie die Verformungen in einer Befestigungsebene nach allen Richtun-

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gen gleichzeitig vornehmen, so daß damit die Geradlinigkeit der zu verbindenden Bauelemente nicht beeinträchtigt wird» Sie anhand dieses Brennelementes gezeigten verschiedenartigen Verbindungsmöglichkeiten zeigen, daß je nach Dimensionierung der einzelnen Bauteile und ihrer unterschiedlichen Beanspruchungen eine Vielzahl von rein mechanischen Verbindungen möglich sind, die alle dem Grundprinzip der vorliegenden Erfindung entsprechen und den Zusammebau eines Brennelementes ermöglichen, dessen Verbindungsstellen trotz der Verwendung von Zirkonlegierungeführungerohren die benötigte Duktilität und Festigkeit, wie sie aus Gründen der Betriebssicherheit notwendig sind, haben. Die Erfindung ist daher nicht auf die in den Figuren dargestellten Beispiele beschränkt.

13 Figuren 8 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

M J Kernreaktorbrennelement, bestehend aus einem Brennelementkopf, einem Brennelementfuß sowie damit verbundenen Regelstabführungsrohren als Grundgerüst und darin angeordneten Brennstäben, die durch mit den Regelstabführungsrohren verbundene Abstandshalter^ tter in ihrer vertikalen Sollage gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß Brennelementkopf (12), -fuß (H) und Abstandshalter (22, 24, 26) einerseits und Regelstabführungsrohre (18) andererseits aus verschiedenen Materialien, beispielsweise rostfreiem Stahl und einer Zirkonlegierung bestehen und die gegenseitigen Verbindungen unter Vermeidung metallurgischer Verfahren rein mechanischer Natur sind.
2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die gegenseitige Verbindung wenigstens eine das Führungsrohr umgebende Hülse, z.B. aus rostfreiem Stahl, vorgeaehn ist, die mit dem werkstoffgleichen Bauteil metallurgisch, also z.B. durch Schweißen oder Löten, mit dem anderen, jedoch nur über daraus ausgeprägte Noppen bzw. an diesen metallurgisch befestigten Laschen, Hülsen o.dgl. rein mechanisch verbunden ist.
3. Kernreaktorbrennelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Führungsrohre (18) mit der Brennelementfußplatte (14) eine mit dem untersten Abstandshaltergitter (24) metallurgisch verbundene, mit einem gelochten Boden versehene Hülse (36) einerseits und ein mit dem Führungsrohr verschweißter, mit einer axialen Gewindebohrung versehener Stopfen (42) andererseits ineinandergeschoben und mit einer Schraube (38) von der Unterseite der Fußplatte her befestigt sind.
4. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung des Führungerohres (18)

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mit der oberen Brennelementendplatte (13) sowie dem oberen Abetandshaltergitter (22) eine in einer entsprechenden Boh- » rung (56) der Endplatte metallurgisch zu befestigende Hülse (58) vorgesehen ist, die für den Einsatz im oberen Abstandehaltergitter (22) vier um 90° \ersetzte Schlitze besitzt und mit dem zu halternden Führungsrohr durch in der Sollage durchgeprägte Noppen (64) verbunden ist.
5. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Führungsrohre (18) mit der oberen Brennelementendplatte (13) eine in einer entsprechenden Bohrung (56) derselben metallurgisch zu befestigende Hülse (72) mit einem nach innen vorstehenden Flansch vorgesehen ist, der von zwei übereinander auf das Führungsrohr aufgeschobenen und mit diesem metallurgisch verbundenen Hülsen (70, 76), von denen die untere einen Außenflansch (70) besitzt, rein mechanisch gefaßt ist.
6. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Führungsrohre (18) mit der oberen Brennelementplatte (13) über ein· äußere Verbindung (78) des obersten Abstandshaltergitters (22) mit dieser Endplatte ausgeführt ist, wobei die Führungsrohre (18) über ausgeprägte Noppen (84) im Abetandshaltergitter mechanisch gehaltert sind.
7* Kernreaktorbrennelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Abstandshaltergitter mit den Führungerohren Laschen (50) gleichen Materials auf letzterem metallurgisch befestigt sind, die über gelochte Stegteile (48) des Abstandshaltergitters greifen und durch diese Lochung nochmals mit dem Führungsrohr (18) metallurgisch verbunden sind. \
8. Kernreaktorbrennelement naoh Anspruch 1 und 2» ämämsek gekennzeichnet, daß für die Verbindung der Puhrtsiigajronre (18) _ mit dem Abstandshaltergitter zwei über das Führungsrohr

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geechobene Hüleen aue Abetandehalteraaterial (44a, 44b) von beiden Seiten in eine Masche (32) des Abetandehaltergittere eingeschoben, auf diese* metallurgisch befestigt und gegenüber den Pührungerohr (18) durch von dieses auegeprägte Noppen (46) gehaltert sind.

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