DE2023587B2

DE2023587B2 - Kernreaktorbrennelement

Info

Publication number: DE2023587B2
Application number: DE2023587A
Authority: DE
Inventors: Elmer A. Bassler Jun.; Edward J. Choby; Pa. Irwin; John F. Murrysville Patterson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-05-19
Filing date: 1970-05-14
Publication date: 1978-08-03
Also published as: NL171106B; AU1390370A; ES379312A1; AT310312B; GB1238143A; DE2023587C3; BE750552A; FR2049108B1; CH515585A; FR2049108A1; NL171106C; SE343708B; DE2023587A1; NL7007054A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Herkömmliche Brennelemente dieser Art sind aus rostfreiem Stahl hergestellt, wobei die einzelnen Brennelementteile mittels metallurgischer Verfahren, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, miteinander verbunden sind. Die Brennstäbe dieser bekannten Brennelemente werden durch federnde Glieder in den Gitteröffnungen der Abstandshaltegitter zentriert.

Es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, für die Brennelementkopf und Brennelementfuß miteinander verbindenden und die Abstandshaltegitter haltenden Regelstabführungsrohre anstelle von Stahl Zirkoniumbasislegierungen (Zircaloy) zu verwenden, die einen wesentlich geringeren Neutronenabsorptionsquerschnitt als Stahl besitzen. Dabei tritt aber die Schwierigkeit auf, daß sich diese Zirkoniumbasislegierungen nicht metallurgisch mit dem Werkstoff der übrigen Teile des Brennelementgerüstes, nämlich mit rostfreiem Stahl, verbinden lassen, da sich sonst im Verbindungsbereich zwischen diesen unterschiedlichen Werkstoffen spröde Zwischenlegierungen ausbilden. Außerdem neigen Zirkoniumbasislegierungen infolge der Bestrahlung im Reaktorkern und infolge der möglichen Wasserstoffaufnahme selbst zur Versprödung, so daß nicht nur die Vermeidung metallurgischer Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen, sondern auch eine Verkürzung der Verbindungen zwischen werkstoffverschiedenen Brennelementteilen wünschenswert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung zwischen aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden, das Brennelementgerüst bildenden Brennelementteilen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Konstruktion gelöst.

Bevorzugte Einzelheiten der erfindungsgemäßen Konstruktion sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung können also zur gegenseitigen Befestigung der werkstoffverschiedenen Brennelementteile Verbindungselemente Anwendung finden, die durch ihre spezielle Formgebung mechanisch aneinander gehaltert sind, die aber ihrerseits mit dem jeweiligen Brennelementteil, dem sie zugeordnet und mit welchem sie werkstoffgleich sind, metallurgisch verbunden seih können.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Ansicht eines Brennelements nach der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene II-II in Fig. 1,

Fig.3 die Befestigung eines Regelstabführungsrohres am Brennelementfuß,

Fig.4 die Befestigung eines Regelstabführungsrohres an einem mittleren Abstandhaltegitter, F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in F i g. 4,

Fig. 6 die in Fig. 4 gezeigte Anordnung in perspektivischer Darstellung,

F i g. 7 eine andere Verbindungsmöglichkeit zwischen einem Regelstabführungsrohr und einem Abstandshaltegitter,

F i g. 8 eine vergrößerte Darstellung der in F i g. 7 gezeigten Verbindungsanordnung,

F i g. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX in F i g. 8,

F i g. 10 die Verbindung eines Regelstabführungsrohres mit dem Brennelementkopf,

F i g. 11 eine perspektivische Ansicht einer bei der Verbindung nach F i g. 10 verwendeten Hülse,

Fig. 12 eine andere Verbindungsmöglichkeit zwischen einem Regelstabführungsrohr und dem Brennelementkopf und

Fig. 13 eine noch weitere Abwandlung der Verbindung der Regelstabführungsrohre mit dem Brennelementkopf.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Brennelement 10 w besteht aus einem Brennelementkopf 12, einem Brennelementfuß 14, einer etwa quadratischen Anordnung von zueinander parallelen Brennstäben 16 (nur einige wenige dargestellt), einer Anzahl von langgestreckten Regelstabführungsrohren 18 mit darin verschiebbaren Regelstäben 20, einem oberen Abstandshaltegitter 22, einem unteren Abstandshaltegitter 24 und einer Anzahl dazwischenliegender Abstandshaitegitter 26. In der Mitte des Brennelements verläuft ein Rohr 27 zur Aufnahme der Instrumentierung.

Der etwa quadratische Brennelementkopf 12 besteht aus einer Endplatte 13, einem damit verbundenen Rahmen 15 und einem an dessen oberen Rand befestigten Flansch 17, an welchem mittels einer Deckplatte 21 und Schrauben 23 Blattfedern 19 montiert sind. Die mit einer nicht gezeigten Brennstabhalteplatte zusammenwirkenden Blattfedern 19 ermöglichen eine Wärmedehnung der Brennstäbe unter gleichzeitiger Niederhaltung derselben. In dem Flansch 17 außerdem gebildete öffnungen 25 dienen zur Aufnahme diagonal versetzt angeordneter Haltestifte zur seitlichen Fixierung des Brennelements im Reaktorkern. Die Endplatte 13 weist eine Vielzahl von Durchbrüchen 28 für den Durchtritt des Reaktorkühlmittels auf. Der Brennelementfuß 14 ist ebenfalls quadratisch und mit Durchbrüchen für den Durchtritt des Kühlmittels versehen. Der Brennelementkopf, der Brennelementfuß und die diese beiden Teile miteinander verbindenden Regelstabiührungsrohre 18 bilden das Grundgerüst des Brennelements.

Die Abstandshaltegitter bestehen jeweils aus einer Vielzahl von ineinandergesteckten Gitterstreifen 30, die zusammen eine Vielzahl von quadratischen Zellen 32 bilden, in denen die Brennstäbe 16 zentriert bzw. die Führungsrohre 18 befestigt sind. Diese Gitterstreifen sind, wie beispielsweise aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich ist, mit elastischen Fingern 34 versehen, die zur seitlichen Abstützung der Brennstäbe 16 dienen.

Die Führungsrohre 18 bestehen aus einer Zirkoniumbasislegierung (Zircaloy), die einen gegenüber rostfreiem Stahl, aus welchem die Abstandshaltegitter, der Brennelementfuß und der Brennelementkopf bestehen, einen verhältnismäßig geringen Neutronenabsoprtionsquerschnitt besitzt.

Die Verbindung des Brennelementfußes 14 mit dem unteren Abstandshaltegitter 20 und einem Führungsrohr 18 ist in F i g. 3 dargestellt. Dazu findet eine Hülse 36 mit einem gelochten Boden 42 Anwendung, die aus rostfreiem Stahl besteht und mit den unteren Abstandshaltegitter verlötet ist. Das Führungsrohr 18 ist unten mit einem damit metallurgisch verbundenen Stopfen 40 aus gleichartigem Werkstoff versehen und in die Hülse 36 eingesetzt. Durch den Brennelementfuß 14 und den gelochten Hülsenboden 42 hindurch ist eine Schraube 38 in den Stopfen 40 eingeschraubt.

Die Fig.4, 5 und 6 zeigen die Befestigung eines Führungsrohres 18 an einem der mittleren Abstandshaltegitter 26. Zu diesem Zweck sind zwei aus rostfreiem Stahl bestehende Hülsen 44a und 44£> vorgesehen, die den durch die betreffende Gitterzelle 32 hindurchragenden Führungsrohrabschnitt umschließen und mit den Gitterstreifen 30 verlötet sind. Oberhalb und unterhalb dieser Hülsen sind am Führungsrohr Noppen 46 gebildet, die das Führungsrohr axial im Abstandshaltegitter fixieren. Gemäß F i g. 5 weisen die Hülsen 44a und 446 einen dem Gitterstreifenabstand entsprechenden Innendurchmesser auf. Damit sie in die Gitterzelle einsetzbar sind, sind sie jeweils mit vier mit 90° -Winkelabständen angeordneten Schlitzen versehen. Diese Konstruktion ermöglicht große Führungsrohrdurchmesser ohne Beeinträchtigung der Kühlmittelströmung in den benachbarten Gitterzellen.

Eine andere Möglichkeit der Befestigung der Abstandshaltegitter 26 an den Führungsrohren 18 ist in den F i g. 7,8 und 9 gezeigt. Zwei parallele Gitterstreifen 30 sind jeweils mit einem Vorsprung in Form einer Lasche 48 versehen, die gelocht ist und über welche eine am Führungsrohr 18 punktgeschweißte, aus dem gleichen Werkstoff wie das Führungsrohr bestehende Lasche 50 übergreift. In dieser Lasche 50 ist durch Eindrücken ein in die Bohrung 54 der Lasche 48 eingreifender Noppen 52 hergestellt, der zusätzlich mit dem Führungsrohr punktverschweißt ist.

Fig. 10 zeigt die Verbindung des Brennelementkopfes mit einem Führungsrohr 18 und dem oberen Abstandshaltegitter 22. In eine Bohrung 56 der Endplatte 13 des Brennelementkopfes ist eine Hülse 58 eingesetzt, die bei 66 mit der Endplatte 13 und außerhalb mit dem oberen Abstandshaltegitter 22 verlötet ist. Der Innendurchmesser dieser Hülse ist nahezu gleich dem Abstand zwischen den Gitterstreifen 30. Damit sie in die betreffende Gitterzelle einsetzbar ist, ist die Hülse 58 gemäß Fig. 11 mit vier mit 90°-Winkelabständen angeordneten Schlitzen 60 versehen. Die mechanische Verbindung des Führungsrohres 18 mit der Hülse 58 erfolgt mit Hilfe von Noppen 64 und 62, die in die

ineinandergefügten und ausgerichteten Teile eingedrückt worden sind.

Eine weitere Möglichkeit der Verbindung der Führungsrohre 18 mit dem Brennelementkopf ist in F i g. 12 dargestellt. In der betreffenden Öffnung 56 der Endplatte 13 ist eine mit dieser werkstoffgleiche Hülse 72 mit einem Innenbund 74 metallurgisch befestigt. Das Führungsrohr 18 ist von einer mit dem werkstoffgleichen Hülse 68 umschlossen und metallurgisch verbunden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten, die einen sich an einer Seite des Innenbundes 74 der Hülse 72 abstützenden Außenbund 70 aufweist und auf welche eine mit ihr metallurgisch verbundene und sich an der anderen Seite des Innenbundes 74 abstützende Manschette 76 aufgeschoben ist.

Eine noch weitere Verbindungsmöglichkeit zwischen dem Brennelementkopf, den Führungsrohren 18 und dem oberen Abstandshaltegitter 22 zeigt F i g. 13. Hier ist der Brennelementkopf durch einen äußeren Rahmen 78 mit dem oberen Abstandshaltegitter 22 verbunden, wobei der Rahmen 78 gleichzeitig den Außenrahmen dieses Haltegitters bilden kann. Die Führungsrohre 18 sind bei dieser Konstruktion nur lose in die Bohrungen

ίο 56 der Endplatte 13 eingesetzt und im übrigen durch an ihnen gebildete Noppen 84, die mit Vorsprüngen 82 des oberen Abstandshaltegitters 22 oberhalb und unterhalb desselben zusammenwirken, axial fixiert.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernreaktorbrennelement, bestehend aus einem durch einen Brennelementkopf, einen Brennelementfuß und diese miteinander verbindenden ι Regelstabführungsrohren gebildeten Grundgerüst und aus darin angeordneten Brennstäben, die durch mit den Regelstabführungsrohren verbundene Abstandshaltegitter seitlich abgestutzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennelementkopf to (12,13), der Brennelementfuß (14) und die Abstandshaltegitter (22, 24, 26) einerseits und die Regelstabführungsrohre (18) andererseits aus verschiedenen Werkstoffen bestehen und daß an den Verbindungsstellen zwischen den genannten Brennelementteilen werkstoffverschiedene Verbindungselemente dieser Brennelementteile unter Ausschluß metallurgischer Verbindungen rein mechanisch miteinander verbunden sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungsstellen eine das betreffende Regelstabführungsrohr (18) umschließende, mit einem der beiden miteinander zu verbindenden Brennelementteile werkstoffgleiche Hülse (36; 44a, 44Z>; 68; 72) vorgesehen ist, die mit dem jeweils werkstoffgleichen Brennelementteil metallurgisch verbunden und am jeweils anderen Brennelementteil durch eine formschlüssige mechanische Fixierung gesichert ist.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Regelstabführungsrohre (18) mit dem untersten Abstandshaltegitter (24) und dem Brennelementfuß (14) das mit einem damit metallurgisch verbundenen Stopfen (40) versehene Führungsrohrende in eine mit dem untersten Abstandshaltegitter metallurgisch verbundene Hülse (36) mit einem gelochten Boden (42) eingesetzt und mittels einer durch den gelochten Hülsenboden hindurch in eine Gewindebohrung des Stopfens eingeschraubte Schraube (38) mit dem Brennelementfuß verbunden ist.

4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Regelstabführungsrohre (18) mit dem obersten Abstandshaltegitter (22) und dem Brennelementkopf (13) das obere Führungsstabende in eine Hülse (58), die metallurgisch in einer Bohrung (56) des Brennelementkopfes befestigt und formschlüssig im oberen Abstandshaltegitter fixiert ist, eingesetzt und mit Hilfe von ineinandergreifenden, in das Führungsrohrende und die Hülse eingedrückten Noppen (64) mit der Hülse verbunden ist.

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Regelstabführungsrohre (18) mit dem Brennelementkopf (13) jeweils eine in einer Bohrung (56) des Brennelementkopfes metallurgisch befestigte Hülse (72) mit einem Innenbund und eine mit dem Führungsrohrende metallurgisch verbundene weitere Hülse (68) dienen, die einen sich einerseits an dem Innenbund der erstgenannten Hülse abstützenden Außenbund (70) und eine auf sie aufgeschobene und mit ihr metallurgisch verbundene, sich an der anderen Seite des Innenbundes der erstgenannten Hülse abstützende Manschette (76) aufweist.

6. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennelementkopf (13) und das oberste Abstandshaltegitter (22) durch eine an ihren Außenseiten angeordnete Verbindung (78) miteinander verbunden sind und daß die Regelstabführungsrohre (18) im oberen Abstandshaltegitter durch damit formschlüssig zusammenwirkende, an den Regelstabführungsrohren gebildete Noppen (84) gesichert sind.

7. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Regelstabführungsrohre (18) mit den mittleren Abstandshaltegittern (26) an den Regelstabführungsrohren metallurgisch befestigte, mit diesen werkstoffgleiche Laschen (50) dienen, die über an den Abstandshaltegittern gebildete gelochte Laschen (48) übergreifen und durch deren Lochung hindurch nochmals metallurgisch mit den Regelstabführungsrohren verbunden sind.

8. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Regelstabführungsrohre (18) mit den mittleren Abstandshaltegittern (26) an diesen metallurgisch befestigte und mit ihnen werkstoffgleiche, über die Regelstabführungsrohre geschobene Hülsen (44a, 446,} dienen, mit denen an den Regelstabführungsrohren gebildete Noppen (46) formschlüssig zusammenwirken.