DE2111349A1

DE2111349A1 - Kernreaktorbrennelement

Info

Publication number: DE2111349A1
Application number: DE19712111349
Authority: DE
Inventors: Diethelm Dipl-Ing Knoedler; Hans Kroepfl; Peter Rau; Theodor Wittmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-03-10
Filing date: 1971-03-10
Publication date: 1972-09-28
Also published as: FR2128747A1; CH536015A; US3940314A; FR2128747B1; GB1373732A; NL7202561A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktorbrennelement, das aus einer Vielzahl von, durch in mehreren Ebenen angeordnete Abstandshalter in ihrer gegenseitigen Lage justierten und an wenigstens einer Tragplatte befestigten Brennstäben besteht, die innerhalb der Hüllrohre den Kernbrennstoff - beispielsweise in Tablettenform - enthalten. Diese Abstandshalter innerhalb der Brennelemente stellen neben den Brennstäben selbst die wesentlichsten Baiielemente dar, da mit ihrer Hilfe die erforderlichen Abstände gleichmäßig zwischen den Brennstäben eingestellt und aufrechterhalten werden. Dies ist notwendig, damit - über die gesamte Lebensdauer des Kernreaktors gesehen eine'· möglichst gleichmäßige Kühlung der Brennstäbe und Brennelemente durch das Reaktorkühlmittel, wie z.B. ein Gas oder Flüssigkeiten, gewährleistet bleibt. Da die Abstandshalter zwangsläufig in eine mechanische V/echselwirkung mit den Brennstäben und bei diesen wiederum mit den Hüllrohren treten, so müssen Materialart und die Wandstärken der einander berührenden Teile unter Berücksichtigung der möglicherweise auftretenden mechanischen Kräfte aufeinander abgestimmt werden. Die Wanddicken sollen also so groß sein, daß mechanische Schäden an den Hüllrohren nicht auftreten können. Andererseits soll die gesamte Menge des Strukturmaterials innerhalb der aktiven Zonen des Reaktorkerns aus Gründen der Neutronenökonomie möglichst gering gehalten werden, wobei auch noch die Probleme der Wärmeabfuhr und des Kriechens bei Reaktorbetriebstemperatur eine Rolle spielen.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Brennelementkonstruktion zu finden, die diesen Anforderungen in möglicheb optimaler Form genügt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Hüllrohrwanddicke der Brennstäbe unabhängig von der mechani-

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schen Belastung durch, die Abstandshalter bemessen und in Höhe der Abstandshalter dieser entsprechend vergrößert ist. Durch diesen Kunstgriff ist es möglich, eine optimale Auslegung der Hüllrohrwanddicke nur aufgrund der Reaktorbetriebsbedingungen, wie Druck, Temperatur, Betriebszyklen und Brennstoffausdehnung in Abhängigkeit vorn Einfüllspiel, Spaltgasdruek, Brennstoffschwellen, Kriechverhalten des Werkstoffes usw. vorzunehmen. Eine Berücksichtigung der mechanischen Belastungen durch die Abstandshalter wird dabei nur an den Anliegestellen bzw. der Höhe der Abstandshalter vorgenommen; an diesen Stellen ist die Hüllrohrwanddicke entsprechend größer. Auf diese Weise wird erreicht, daß gegenüber herkömmlichen Brennelementen wesentlich weniger Hüllrohrwerkstoff, wie z.B. Zircaloy, innerhalb des Kernreaktors eingebaut werden muß und damit die durch diesen Werkstoff bedingten Verluste durch Neutronenabsorption entsprechend gering gehalten v/erden können. Diese Gesichtspunkte gelten praktisch für alle Kernreaktortypen. Zur weiteren Verdeutlichung wird in den Figuren ein Brennelement für einen schwerwassergekühlten Kernreaktor näher dargestellt, das einen kreisförmigen Querschnitt hat und innerhalb von sogen. Trennrohren im Reaktorkern eingesetzt ist. Der hier dargestellte Erfindungsgedanke kann selbstverständlich auch bei Brennelementen mit anderen Querschnitten und Geometrien Verwendung finden. An dieser Stelle sei noch eingeflochten, daß auch bereits schon der Vorschlag gemacht worden ist, in Höhe der Abstandshaltergitter auf den Hüllrohren der Brennstäbe sogen. Pührungsstollen anzubringen. Die Befestigung derselben ist entweder durch Löten oder durch Schweißen stets mit Yfärme™ behandlungen verbunden, die im Hüllrohrwerkstoff unter Umständen die Gefahr vorzeitiger Defekte durch metallurgische Veränderungen mit sich bringen können. Durch diese Erfindung wird die Anbringung solcher Führungsstollen und damit auch eine Beeinflussung des Gefüges der Hüllrohre in der erwähnten Weise vermieden. Die Abstandshalter können vielmehr direkt an den Brennstäben, d.h. an den verstärkten Stellen derselben zur Anlage gebracht werden, was außerdem eine verhältnismäßig einfache Konstruktion ermöglicht. Ebenso tritt eine mechanische

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Beanspruchung der Hüllrohre "beim Einziehen oder Schienen der Brennstäbe in die Abstandshalter praktisch nicht mehr auf.

Die Pig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennelementes aus einer Vielzahl von Brennstäben 3_S die an wenigstens einem Ende in einer Stabhalteplatte 1 gefaßt sind und durch Abstandshalter 2 in verschiedenen Ebenen auf ihrem gewünschten Sollabstand gehalten werden. Die Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Brennstab 3 in Höhe eines Abstan&shalters 2. Der Brennstab besteht dabei in wesentliehen aus einem Hüllrohr und dem Kernbrennstoff 33 in seinem Inneren. Letzterer liegt meistens in Form von Tabletten vor. In dieser Barstellung ist zu sehen, daß die Wandstärke 31 des Hüllrohres außerhalb des Bereiches des Abstandshaltrrgitters 2 wesentlich geringer ist als innerhalb derselben, wo sie mit 32 bezeichnet ist. An dieser Stelle liegt auch der Vorsprung 22 des ATbstandshalters 2 am Hüllrohr an, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung derselben besteht. Die Wandverdickung 32 bleibt dabei in einer Größenordnung, welche die Wärmeabführung noch nicht merklich beeinflußt, gibt jedoch die Möglichkeit, die an der Anliegestelle höLert λ"'".lastung der Hüllrohre infolge der Krafteinteilung durch die Abstandshalter und bis zu einem gewissen Grade auch einen durch diese hervorgerufenen Materialabrieb zu kompensieren. Dieser tritt dabei oftmals nur solange auf, bis eine satte Anlage der Vorsprünge erfolgt ist.

Für die Herstellung dieser Yfandverdickungen 32 bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. So kann diese 2.B. durch eine plastische Verformung über einen Kalibrierdorn erfolgen. Es kann jedoch auch so vorgegangen werden, daß die Hüllrohre im Anlieferungszustand eine V/andstärke haben, die jener in den Abstandshalterebenen entspricht und die zwischen den Abstandshalterebenen liegenden Längen durch spanende bzw. spanlose Verformung in ihrer Wandstärke herabgesetzt werden, wobei eine dadurch evtl. hervorgerufene Längenänderung von vornherein Berücksichtigung finden kann. Weiterhin können diese Wanddickenunterechiede auch durch entsprechende Ausbildung der

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Walzen von Rohrwalzwerken erzeugt und eingestellt werden. Solche Arbeitsverfahren sind Stand der Technik und brauchen daher nicht näher beschrieben zu werden.

Die Pig. 3,4, 5 und 6 zeigen Abstandshalterkonstruktionen, die in Verbindung mit diesen Formen der Brennstäbe besonders vorteilhaft sind. Die bei diesen Abstandshalterkonstruktionen gewählte Maschenform ist kreisförmig, so daß ein Führungskanal praktisch gleicher Dicke für das Kühlmittel um jeden Brennstab herum entsteht und somit eine Vergleichmäßigung der Kühlwirkung auf den ganzen Umfang derselben erzielt wird. Die Fig. 3 und zeigen dabei praktisch gleiche Abstandshaltermaschen, die jedoch unterschiedlich miteinander zu dem gesamten Abstandshaltergebilde verbunden sind. In Fig. 3 ist dabei eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Abstandshaltermaschen angedeutet: Anstelle der einen Teil des Abstandshaltergitters bildenden Vorsprünge 22 können einsetzbare, entsprechend geformte Hinge 22a treten, die mechanisch oder metallurgisch mit dem Gitter verbunden sein können. Diese Ausführungsform ermöglicht eine freiere Werkstoffwahl, eine federnde Ausbildung sowie evtl. Fertigungserleichterungen. Die Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Abstandshalter entlang der Linie V-V von Fig. 4.

In diesen Ausführungsbeispielen sind die Maschen mit 21, die darin angebrachten Vorsprünge zur Anlage an den verdickten Stellen der Brennstäbe 32 mit 22 und die Verbindungselemente zwischen den Maschen 21 mit 23 bezeichnet. Nach Fig. 3 ist dieses Abstandshaltergitterwerk von einem Steg 24 umgeben, der an seiner Außenseite mit Gleitschuhen 25 zur Anlage in den Trennrohren des Kernreaktors versehen ist. Diese Abstandshalter 2 werden an einem in der zentralen Zone anstelle eines Brennstabes angeordneten Tragstab 27 befestigt. Dies kann gemäß Fig. 5 durch Schweißnähte 28 geschehen. Dieser Tragstab kann selbstverständlich auch Kernbrennstoff enthalten.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Abstandshalters 2, bei dem auf einen umfassenden Steg 24 verzichtet wurde. Hier

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wird durch eine entsprechende Anordnung der Verbindungsstege 23 die notwendige Festigkeit und Stabilität gegeben. Die an der Außenzone liegenden Maschen 21 haben dafür nach außen gerichtete Gleitschuhe 25» die in ihrer Funktion jenen (25) in Fig. 3 entsprechen.

Die Befestigung der Abstandshalter in ihrer Höhenlage kann abweichend von der in Fig. 5 dargestellten Weise auch durch zusätzliche Blechstege ober- und unterhalb derselben am zentralen Tragstab erfolgen, wie es in Fig. 6 eingezeichnet ist. Das hier dargestellte Abstandshaltergitter ist bezüglich der Fassung der einzelnen Brennstäbe 3 ebenso aufgebaut wie die in Fig. 3 und 4 gezeigten Konstruktionen, lediglich die Verbindung der einzelnen Abstandshaltermaschen 21 wird hier durch konzentrische Ringstege 23a hergestellt.

Abschließend sei erwähnt, daß derartige Abstandshalter zweckmäßigerweise aus dem Vollen herausgearbeitet werden können, da sich auf diese Weise eine größtmögliche Maßhaltigkeit erzielen läßt. Auch die Herstellungskosten dürften dabei wesentlich geringer werden als bei d'er Herstellung solcher Abstandshaltergitter aus einzelnen Bestandteilen, die in entsprechender Weise zusammengeschweißt oder gelötet werden müßten. Da letztere Verbindungsverfahren hinsichtlich Festigkeit und Korrosionsanfälligkeit, ganz abgesehen von der Kompliziertheit ihrer Durchführung, nicht ganz unproblematisch sind, dürfte in der Praxis dem erstgenannten Verfahren der Vorzug zu geben* sein. Zu diesem gehören neben dem Funkenerosionsverfahren auch die chemische Abtragung.

Selbstverständlich könnten auch für die Halterung der verstärkten Brennstäbe an sich bekannte Abstandshaltergitter mit federnden Anlagestellen Verwendung finden. In vielen Fällen kann jedoch auf derartige federnde Anlagestellen gerade infolge der erhöhten Stabilität des Hüllrohres an diesen Stellen verzichtet werden, was nicht zuletzt aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft ist.

I Palen^nsprüche 2 0 9 8 4 0/0169

Claims

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Patentansprüche

.J Kernreaktorbrennelement, bestehend aus einer Vielzahl von, durch in mehreren Ebenen angeordnete Abstandshalter in ihrer gegenseitigen Lage justierten und wenigstens an einer Tragplatte befestigten Brennstäben,die innerhalb eines Hüllrohres den Kernbrennstoff - beispielsweise in Tablettenform enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohrwanddicke unabhängig von der mechanischen Belastung durch die Abstandshalter bemessen und in Höhe der Abstandshalter dieser entsprechend vergrößert ist.
2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Hüllrohrwanddicke durch plastische Verformung z.B. über einen kalibrierten Dorn erzielt ist.
3. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohre im Anlieferungszustand eine Wanddicke haben, die jener in den Abstandshalterebenen entspricht und durch spanende bzw. spanlose Verformung in den Zwischenbereichen in ihrer Wandstärke herabgesetzt sind, unter Berücksichtigung der dabei unter Umständen erfolgten Längenänderung.
4. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der unterschiedlichen Wanddicken der Hüllrohre die Walzen von Rohrwalzwerken entsprechend bemessen sind.
5. Kernreaktorbrennelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus einem Maschenwerk hochkant angeordneter Stege bestehen, wobei die Maschen die Brennstäbe kreisförmig und konzentrisch umgeben und über entsprechend verteilte Vorsprünge an diesen anliegen.

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6. Kernreaktorbrennelement nach. Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Masehenwerk beispielsweise durch Funkenerosion aus dem Vollen herausgearbeitet ist und starre Vorsprünge zur Zentrierung der umfaßten Brennstäbe enthält.
7. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter in ihrer Sollage mit einem Tragstab verbunden sind, der anstelle eines Brennstabes, vorzugsweise im Zentrum eines Brennelementes, angeordnet und an der Tragplatte befestigt ist.
8. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Befestigung der Abstandshalter ober- und unterhalb derselben diagonal verlaufende Blechstege hochkant angeordnet und mit dem Tragstab verbunden sind.

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