DE2115406A1

DE2115406A1 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2115406A1
Application number: DE19712115406
Authority: DE
Inventors: Frank Donald Ikemoto Robert Noboru Lass James Lloyd San Jose Calif Qurnell (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-03-30
Filing date: 1971-03-30
Publication date: 1971-12-02
Also published as: FR2131857A1; SE346046B; FR2131857B1; ES389522A1; US3741868A; GB1350628A

Description

Anmelderin: General Electric Company, Schenectady,- New York, N.Y.USA

Kernbrennstoffelement

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement für Kernreaktoren, welches entfernbare Brennstoffstäbe aufweist.

Bei einem bekannten Brennstoffelement mit entfernbaren Brennstoffstäben (US-PS 3 349 oo4) sind eine Anzahl von Brennstoffstäben austauschbar, ohne daß das Brennstoffelement aus dem Reaktorkern entfernt oder auseinandergebaut werden muß. Dadurch ist die Möglich keit gegeben, abbrennbare Giftmaterialien zuzusetzen oder zu entfernen, die durchschnittliche Anreicherung des Brennstoffs des Brennstoffelements zu ändern, die Neutronenflußverteilung zu ändern oder eine Einrichtung zur Bestrahlung von Proben aus speziellen Materialien vorzusehen.

Bei einem anderen bekannten Brennstoffelement dieser Art (US-PS 3 Io5 o26) findet ein Gewinde-Fitting Verwendung, während bei dem zuerst erwähnten bekannten Brennstoffelement ein geschlitztes Fitting Verwendung findet, wobei der entfernbare Brennstoffs tab durch einen Stift gehaltert wird. Bei derartigen Einrichtungen wird jedoch als nachteilig angesehen, daß parasitisches Absorbermaterial für Neutronen dem Brennstoffelement zugesetzt werden muß, und daß eine Begrenzung der Anzahl und/oder Lagen der

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entfernbaren Brennstoffstäbe gegeben ist. Ferner müssen verhältnismäßig große Materialstücke an der oberen Halterungsplatte angeordnet werden, wodurch eine Behinderung der Kühlmittelströmung erfolgt. Ferner besteht bei den bekannten Halterungen entfernbarer Brennstoffstäbe die Gefahr, daß diese sich während des Reaktorbetriebs aufgrund von Korrosionserscheinungen oder Anlagerungen festfressen, wodurch die Entfernung des Brennstoffstabs schwierig wird.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Kernbrennstoffelement mit entfernbaren Brennstoffstäben derart auszubilden, daß eine definierte Lage der entfernbaren Brennstoffstäbe gewährleistet ist, daß möglichst wenig zusätzliches Strukturmaterial erforderlich ist, und daß selbst nach einem längeren Reaktorbetrieb₀die betreffenden Brennstoffstäbe leicht entfernbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Kernbrennstoffelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein entferribarer Brennstoffstab mit einer unter Federspannung . stehenden Hülse vorgesehen ist, von der sich ein mit einem Kopf versehener Halterstift erstreckt, der mit einem Sitz in der oberen Halteplatte des Brennstoffelements in Eingriff gebracht werden kann. Diese Hülse wird mit einer die Lage bestimmenden Oberfläche versehen, die mit einer komplementären Oberfläche in Eingriff gelangen kann, welche an der oberen Halteplatte angrenzend ™ an den Sitz für den Stift ausgebildet ist. Der Stift und dessen Sitz sind konisch ausgebildet, damit eine Kraft vorhanden ist, um die zur Ausrichtung dienenden Oberflächen in Berührung zu drücken. Zweckmäßigerweise ist der Winkel der Verjüngung dieses Sitzes kleiner als der entsprechende Winkel des Stifts. Dadurch ist ein Linienkontakt zwischen dem Stift und dem Sitz gewährleistet, der leicht aufgehoben werden kann, wenn der Brennstoffstab entfernt werden soll, selbst wenn Korrosionen oder Verkrustungen aufgetreten sein sollten.

Zur Aufnahme des entfernbaren Brennstoffstabs wird die obere Halteplatte des Brennstoffelements abgewandelt, indem das normale, . äen Brennstoffstab zurückhaltende Fitting in der gewünschten Lage

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des Brennstoffstabs weggelassen wird, um einen Kanal für den entfernbaren Brennstoffstab zu schaffen. Der Sitz und die zum Ausrichten dienende Fläche wird in einer Schulter auf einem angrenzenden Fitting vorgesehen, oder in einer Stange, die an dem Randteil der Halteplatte angeordnet wird. Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Kernbrennstoffelements

JA

gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Brennstoffe3anent in Fig.l;

Fig. 3 und 4 vergrößerte Teilschnitte durch Einrichtungen gemäß der Erfindung, welche in der Schulter eines Fittings für ^ einen Brennstoffstab neben dem Kanal für den entfernbaren Brennstoff stab ausgebildet sind; und

Fig. 5 und 6 Seitenansichten einer Einrichtung gemäß der Erfindung, welche an einer Stange im Umfangsbereich der Halteplatte des Brennstoffelements vorgesehen ist.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Brennstoffelement Io enthält eine Anzahl von Brennstoffstäben, die zwischen einer unteren Halteplatte 12 und einer oberen Halteplatte 13 angeordnet sind. Abstandshalter 14 gewährleisten eine seitliche Abstützung. Die Halteplatten sind gitterartig ausgebildet, um einen Kühlmitteldurchtritt zu ermöglichen. Beispielsweise die obere Halteplatte 13 M besteht aus einer Anordnung von Fittings 16 zur Halterung von Brennstoffstäben, welche Fittings durch Querstege 17 miteinander verbunden sind.

Die Brennstoff stäbe 11 bestehen ausjeinem Hüllrohr, welches den Kernbrennstoff in der Form von Tabletten, Granulat, Pulver oder dergleichen enthält, Das obere und untere Ende der Hüllrohre ist durch Stopfen 18 und 19 abgedichtet. Die unteren Stopfen 19 sind konisch ausgebildet, um eine ausrichtende Halterung in den Fittings 21, die steckdosenartig ausgebildet sein können, in der unteren Halteplatte 12 zu ermöglichen. Die oberen Stopfen 18 sind

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mit Ansätzen 22 versehen, welche den Fittings 16 in der oberen Halteplatte 13 angepaßt sind.

Mehrere der Fittings 21 in der unteren Halteplatte 12 sind mit einem Gewinde versehen, um Stäbe einschrauben zu können,- die untere, mit einem Gewinde versehene Stopfen aufweisen. Die Ansätze 22 der oberen Stopfen derselben Stäbe sind länglich ausgebildet, um diese durch das Fitting in der oberen Halteplatte 13 durchführen zu können. Sie sind mit einem Außengewinde versehen, um eine Haltemutter 23 aufschrauben zu können. In dieser Weise sind die obere und untere Halteplatte und die Brennstoffstäbe als einheitliche Struktur ausgebildet.

Das Brennstoffbunde1.Io unterscheidet sich von einem üblichen Brennstoffelement, damit mindestens ein entfernbarer Brennstoffstab 11 (1) in einer mittleren Lage und mindestens ein ent.fernbarer Brennstoffstab 11 (2) in einer peripheren Lage vorgesehen ist.

Wenn in einer inneren Lage ein entfernbarer Brennstoffstab 11 (1) vorgesehen werden soll, wird das übliche Fitting 16 der oberen Halteplatte 13 weggelassen, um einen Kanal 2o für den Brennstoffstab 11(1) vorzusehen. Eine Schulter 24 mit einer Ausrichtfläche 26 und ein Sitz 27 sind an dem benachbarten Fitting ausgebildet. Die Einzelheiten dieser Einrichtung sind am besten aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich.

Ein Ansatz 22(1) des oberen Stopfens 18(1) des entfernbaren Brennstoffstabs 11(1) ist mit einer verschiebbaren Hülse 28 versehen, welche eine Ausrichtfläche 29 aufweist, welche an die Ausrichtfläche an der Schulter 24 anstößt. In der Hülse 28 ist ein mit einem Kopf versehener Haltestift 3o befestigt, der in den Sitz 27 eingeschoben werden kann. Die Hülse 28 ist durch eine Schraubenfeder 31 vorgespannt, die zwischen die Hülse 26 und den oberen Stopfen 18(1) eingespannt ist. Am äußersten Ende ist der Ansatz 22 (1) mit einem Anschlag 32 versehen, um die Hülse auf dem Ansatz zurückzuhalten, wenn der Haltestift 3ο aus dem Sitz 27 entfernt wird. Der obere Teil der Hülse 26 ist mit einem Teil 33 für den Angriff eines Werkzeugs zum Einsetzen oder Entfernen ver-

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sehen, an welchem ein Orientierungsschlitz 34 vorgesehen ist, der eine vorherbestimmte Winkellage zu dem Haltestift 3o ermöglicht, so daß der Brennstoffstab 11(1) durch eine Fernbedienung eingesetzt und entfernt werden kann. Der Haltestift 3o und der Sitz 27 weisen konische Oberflächen 36 bzw. 37 auf, um. eine Komponente der Kraft der Feder 31 in einer Richtung zu bewirken, in der die Ausrichtflächen 26 und 29 zusammengedrückt werden. Vorzugsweise ist der Winkel der konischen Fläche 37 des Sitzes 27 etwas kleiner als der Winkel der konischen Fläche 36 des Haltestifts 3o, um einen Linienkontakt zwischen dem Haltestift und dem Sitz zu ermöglichen. Dies tragt zur Vereinfachung der Entfernung des Haltestifts von dem Sitz bei, was insbesondere bei längerem Reaktorbetrieb von Bedeutung ist, wenn Korrosionseffekte aufgetreten sind.

Der entfernbare Brennstoffstab 11(1) hat ferner einen Hohlteil 38, der Kernbrennstoff, Neutronenabsorber oder Neutronengifte, inertes oder verdünntes Material, sowie Mischungen davon enthalten kann.

Der entfernbare Brennstoffstab 11(1) kann in das Brennstoffelement Io in folgender Weise eingesetzt werden. Der Brennstoffstab 11(1) wird durch den Kanal 2o eingeführt und der untere Stopfen 19(1) (Fig. 1) wird in das entsprechende Fitting 21 der unteren Halteplatte 12 eingesetzt. Die Feder 31 wird durch Bewegung der Hülse 2& zu dem Hohlteil 38 zusammengedrückt, bis der Haltestift 3o unter der Schulter 24 liegt. Der Brennstoffstab 11(1) wird dann zu der Schulter 24 bewegt, um die Ausrichtflächen 26 und 29 in Berührung mit dem Haltestift 3o unter dem offenen Ende des Sitzes zu bringen. Die Hülse 2B kann sich dann nach oben durch die Kraft der Feder 31 bewegen, wenn der Haltestift 3o in den Sitz 27 gelangt.

Die in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 beschriebene Einrichtung kann Verwendung finden, um einen entfernbaren Brennstoffstab in irgend einer Lage in dem Brennstoffelement anzuordnen. Wenn jedoch eine verhältnismäßig große Anzahl entfernbarer Brennstoffs täbe in einer peripheren Lage gewünscht wird, finden zweckmäßigerweise periphere Stangen 4o Verwendung, um Ausrichtflächen

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und Sitze für die entfernbaren peripheren Brennstoffstäbe 11 (2) vorzusehen. Um einen Kanal für die entfernbaren Brennstoffstäbe 11(2) vorzusehen, werden die Fittings 16 entsprechend der von dem entfernbaren Brennstoffelement einzunehmenden Lage weggelassen und die peripheren Stangen 4o werden an der Ecke und/oder an irgend einem peripheren Fitting 16 befestigt.

Einzelheiten einer derartigen peripheren Anordnung eines entfernbaren Brennstoffstabs sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt, wo ein mit einem Kopf versehener Haltestift 41 an einer federbelasteten verschiebbaren Hülse 42 befestigt ist, die an einem Ansatz 43 des oberen Stopfens 18(2) des entfernbaren Brennstoffstabs 11(2) vorgesehen ist. Die Hülse 42 hat eine ebene Ausrichtfläche 44, welche an die ebene Seite der Stange 4o anliegt. Die Stange 4o hat einen Sitz 46 mit einem offenen Ende, um einen Eingriff mit dem Haltestift 41 zu ermöglichen. Andere Einzelheiten entsprechen dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, einschließlich die Verwendung konischer Oberflächen des Haltestifts 41 und des Sitzes 46.

Es wurde deshalb ein Brennstoffelement mit entfernbaren Brennstoffstäben beschrieben, bei denen eine genaue Anordnung der entfernbaren Brennstoffstäbe erfolgt, bei denen zusätzliche Materialmengen auf einem Minimum gehalten sind, um eine parasitische Neutronenabsorption möglichst gering zu halten, und um den Kühlmitteldurchfluß nicht zu behindern. Bei diesem Brennstoffelement ist ferner ein einfaches Einsetzen und eine einfache Entfernung der betreffenden Brennstoffstäbe möglich.

-Patentansprüche-

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Claims

- 7 - 2 ¹ 1 S

Patentansprüche

ί Iy Kernbrennstoffelement für einen Kernreaktor, mit einer Anzahl von Stäben, die Kernbrennstoff, Neutronenabsorber, Kernbrennstoff und Verdünnungsmaterial, Neutronenabsorber und Verdünnungsmaterial, oder Kernbrennstoff, Neutronenabsorber und Verdünnungsmaterial enthalten, welche Stäbe in einer vorherbestimmten geometrischen Anordnung zwischen einer ersten Halteplatte am einen Ende der Stäbe und einer zweiten Halteplatte am anderen Ende der Stäbe angeordnet sind, und wobei mindestens einer der Stäbe aus dem Brennstoffelement entfernbar ist, dadurch gekennze ichn e t , daß der entfernbare Stab mit einer Hülse (28;42) versehen ist, von der sich ein mit einem Kopf versehener Haltestift (3o;41) seitlich erstreckt, daß ein Kanal durch die erste Halteplatte (13) für den entfernbaren Stab vorgesehen ist, daß ein Sitz (27;46) in der ersten Halteplatte angrenzend an den Kanal zur Aufnahme des Haltestifts vorgesehen ist, und daß eine Einrichtung zur Halterung des Haltestifts in Eingriff mit dem Sitz vorgesehen ist.
2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Halterung des Haltestifts eine elastische Einrichtung ist, welche die Hülse in eine Richtung drückt, in welcher der Haltestift in den Sitz gedrückt wird.
3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterstift in Richtung des entfernbaren Stabs verjüngt ist.
4. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch g e k en η zeichnet, daß der Sitz in Richtung des entfernbaren Stabs verjüngt ausgebildet ist.
5. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung des Sitzes geringer als die Verjüngung des Stifts ist.

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6. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse mit einer Ausrichtfläche für den Stab versehen ist, und daß der Haltestift sich von dieser Fläche erstreckt.
7. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz mit einer komplementären Ausrichtfläche für den Stab versehen ist, welche an die Ausrichtfläche an der Hülse anstößt.
8. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestift in der Richtung der Ausrichtfläche der Hülse verjüngt ist.
9. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz in Richtung der Ausrichtfläche des Sitzes verjüngt ist.
10. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verjüngungswinkel des Sitzes kleiner als der Verjüngungswinkel des Haltestifts 1st, so daß der elastische Eingriff des Haltestifts mit dem Sitz die komplementären Ausrichtflächen zusammendrückt.
11. Kernbrennstoffelement nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halteplatte eine reguläre Anordnung von Stäben halternden Fittings aufweist, die durch Stege miteinander verbunden sind, daß mindestens eines dieser Fittings weggelassen ist, um einen Kanal für den entfernbaren Stab zu bilden, daß ein Sitz in einem einen Stab halternden Fitting angrenzend an den Kanal vorgesehen ist, um den Haltestift aufzunehmen, und daß eine Einrichtung zur Halterung des Haltestifts in Eingriff mit dem Sitz vorgesehen ist.
12. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Halterung des Haltestifts

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in einem Eingriff mit dem Sitz eine elastische Einrichtung ist, welche die Hülse in einer derartigen Richtung drückt, daß der Haitestift in den Sitz gedrückt wird.
13. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse eine Ausrichtfläche für den Stab . hat, und daß sich der Haltestift von dieser Oberfläche erstreckt.
14. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz eine komplementär ausgebildete Ausrichtfläche für den Stab aufweist, welche an die Ausrichtfläche der Hülse anstößt.
15. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestift in Richtung der Ausrichtfläche der Hülse verjüngt ist.
16. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz in Richtung der Ausrichtfläche an dem Sitz verjüngt ist, so daß der elastische Eingriff des Haltestifts mit dem Sitz die komplementären Ausrichtflächen aneinanderdrückt.
17. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Verjüngung des Sitzes kleiner als der Winkel der Verjüngung des Haltestifts ist.
18. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Seite der ersten Halteplatte mit einer Anordnung von Fittings zur Halterung der Stäbe eine periphere Stange angeordnet ist, daß ein Kanal für den entfernbaren Stab angrenzend an eine der peripheren Stangen angeordnet ist, daß der Sitz in einer der peripheren Stangen angrenzend an den Kanal zur Aufnahme des Haltestifts angeordnet ist, und daß eine Einrichtung zur Halterung des Haltestifts in den Sitz vorgesehen ist.

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19. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 18, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Einrichtung zur Halterung des Haltestifts in dem Sitz eine elastische Einrichtung ist, welche die Hülse in eine Richtung drückt, in der der Haltestift in den Sitz gedrückt wird.
20. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse eine flache Ausrichtfläche aufweist, und daß der Haltestift sich von dieser Fläche erstreckt.
21. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestift und der Sitz eine konische Verjüngung aufweisen, so daß der elastische Eingriff des Haltestifts mit dem Sitz die Ausrichtfläche der Hülse in Berührung mit der einen der peripheren Stangen drückt.
22. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Verjüngung des Sitzes kleiner als der Winkel der Verjüngung des Stifts ist.
23. Kernbrennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß ein Hohlteil eines Stabs das Material enthält, das ein erster Stopfen am einen Ende dieses Teils in einer Ausnehmung in der ersten Halteplatte sitzt, daß ein zweiter Stopfen am anderen Ende des Teils vorgesehen ist und einen Ansatz aufweist, daß die Hülse verschiebbar auf diesem Ansatz sitzt, daß der mit einem Kopf versehene Haltestift an der Hülse in Eingriff mit dem Sitz in der zweiten Halteplatte steht und daß eine elastische Einrichtung vorgesehen ist, um die Hülse entlang dem Ansatz weg von dem Hohlteil zu drücken.
24. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestift in Richtung der Hülse verjüngt ist.
25. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlag an dem Ansatz vorgesehen ist,

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um die Hülse auf dem Ansatz zurückzuhalten.
26. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse ein Teil zum Angriff eines Werkzeugs zum Einsetzen und zum Herausholen aufweist, an welchem ein Orientierungsschlitz vorgesehen ist, um eine vorherbestimmte Winkelbeziehung zu dem Haltestift herzustellen.

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