DE2130351A1

DE2130351A1 - Stabfoermiges Brennelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2130351A1
Application number: DE19712130351
Authority: DE
Inventors: Andre Cayol; Georges Clottes; Jean-Louis Ratier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-06-19
Filing date: 1971-06-18
Publication date: 1972-02-17
Also published as: FR2104669A1; FR2104669B1; SE368108B; US3816248A; BE768705A; GB1300502A

Description

Commissariat et 1'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Stabförmiges Brennelement für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft ein stab- oder nadeiförmiges Brennelement für Kernreaktoren, das in einer dichten Hülle, die von Stopfen verschlossen ist, eine Säule von Pellets (Tabletten) aus Spaltstoff und mindestens eine Säule von Pellets aus Brutstoff enthält.

Derartige stabförmige Brennelemente werden in Kernreaktoren mit schnellen Neutronen verwendet, die durch einen Kreislauf von flüssigem Alkalimetall gekühlt werden: die Säulen aus Spaltstoff (z.B. Dioxid von Uran und/oder Plutonium) bilden durch ihre Anordnung nebeneinander den Reaktorkern, während die Säulen aus dem Brutstoff die axiale Abdeckung darstellen. Die stabförmigen Brennelemente sich zu Bündeln in voneinander unabhängigen Gruppen zusammengefaßt, in denen sie einerseits durch ein Traggitter und andererseits durch von den Brennelementen getragene Distanzstücke (im allgemeinen schraubenlinienförmig gewickelten Draht) gehaltert werden.

-(B3695.^)HdOt(8)

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Der Erfindung liegen in jüngster Zeit gemachte Beobachtungen zugrunde, daß in einem schnellen Kernreaktor großer Leistung (250 - 1000 MWe) rostfreier Stahl durch den Neutronenfluß in der Zone mit dem größten Neutronenfluß, d.h. im Reaktorkern, volumenmäßig zunimmt, also sich ausdehnt. Außerdem scheinen dieselben Beobachtungen zu bestätigen, daß die Hüllen der stabförmigen Brennelemente sich stärker als ein die Gruppe ummantelndes hexagonales Rohr ausdehnt, zumindest in manchen Fällen. Wie bereits gesagt wurde, findet diese Ausdehnung in Höhe des Spaltstoffes und nicht der Brutstoffbedeckung und/oder der Abdichtung bzw. Umhüllung statt, wo der Neutronenfluß schwächer ist. Diese Ausdehnung bringt die Gefahr von Deformationen mit sich, die beträchtlichen Schaden anrichten können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das eben geschilderte Problem zu lösen.

Ein stabförmiges Brennelement für mit schnellen Neutronen betriebene Kernreaktoren, mit einer durch Stopfen abgeschlossenen Hülle, die eine Säule von Pellets oder Tabletten aus Spaltstoff enthält, und mit einem Distanzhalter, der in Form einer Schraubenlinie um die Hülle gewickelt und mit seinen Enden an den Stopfen befestigt 1st, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllenabschnitt, der den Spaltstoff enthält, im wesentlichen auf seiner ganzen Länge einen konstanten Durchmesser hat, der etwas kleiner als der der Endteile ist, die die Stopfen aufweisen, und daß die Endteile des Brennelements jeweils eine Länge haben, die mindestens gleich der halben Ganghöhe des schraubenlinienförmigen Distanzhalters ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält das stabförmige Brennelement nicht nur eine Säule aus Spaltstoff, sondern auch eine Säule von Pellets aus Brutstoff. In diesem

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Fall gibt man dem Abschnitt der Hülle, der den Brutstoff enthält, einen größeren Durchmesser als dem Abschnitt der Hülle, der den Spaltstoff enthält, wobei dieser Abschnitt mit seinem .Endstopfen einen der Endteile der Hülle bildet. Der entsprechende Stopfen kann daher bedeutend kürzer als der andere Stopfen sein, dessen Länge ausreichen muß, um ein Anliegen auf einer halben Ganghöhe oder Steigung zu gewährleisten.

Fine derartige Anordnung gestattet, daß der den Spaltstoff enthaltende Abschnitt der Hülle sich leicht in Abhängigkeit von der Neutronenbestrahlung ausdehnt, da der Abstand zwischen den ' benachbarten stabförmigen Brennelementen durch den Durchmesser der Fndteile festgelegt ist. Das Maximum dieser Ausdehnung ist durch das Spiel zwischen den stabförmigen Brennelementen in Höhe des Spaltstoffs bestimmt, wobei dieses Spiel direkt von der Differenz /,wischen dem Durchmesser dieses Abschnitts und dem der Endstücke abhängt (einige 0,1 mm für einen Durchmesser von 6,5 mm beträgt).

Ks versteht sich, daß die erfindungsgemäße Lehre auch angewendet werden kann, wenn die Hülle zwei Säulen aus Brutstoff enthält, die die Säule aus Brennstoff einrahmen, ebenso wie in dem Fall, da.3 die Hülle allein Spaltstoff oder eine einzige Säule J aus Brutstoff enthält. Die stabförmigen Brennelemente aus Brennstoffoxyd, die für hohe Bestrahlungen vorgesehen sind, müssen mit einem Sammelraum für Spaltgase versehen sein, falls sie nicht eine Abzugsöffnung haben. Bei einem Reaktor mit aufwärtsgerichteten Kühlmittelkreislauf befindet sich dieser Sammelraum am unteren Ende des stabförmigen Brennelements. Man gibt daher vorzugsweise dem Teil, der den Sammelraum begrenzt, einen Durchmesser gleich dem des Abschnitts, der die Säule 'n) aus Spaltstoff enthält.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen stabförmigen Brennelements abgebildet ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein derartiges Brennelement; und Fig. 2 einen Schnitt II - II in Fig. 1, woraus die relative Anordnung des Brennelements von Fig. 1 und von zwei benachbarten stabförmigen Brennelementen ersichtlich ist.

Das in Fig. 1 abgebildete stabförmige Brennelement, das für einen Reaktor mit schnellen Neutronen und mit einem aufwärtsgerichteten Kühlmittelkreis von flüssigem Natrium vorgesehen ist, hat eine dichte Hülle 10, die durch zwei rohrförmige Abschnitte 12 und 14 gebildet ist, die durch einen Zwischenstopfen 16 verbunden sowie durch einen oberen Stopfen 18 und einen unteren Stopfen 20 abgeschlossen sind. Auf die Hülle ist in Form einer Schraubenlinie mit großer Ganghöhe ein Distanzdraht 21 gewickelt, dessen Enden an den Stopfen 18 und 20 befestigt sind. Der Distanzdraht 21, der einen konstanten Durchmesser hat, liegt an der Hülle auf deren ganzer Länge an.

Vom unteren Stopfen 20 geht ein Sammelraum 22 für Spaltgase aus, der durch den Stopfen 20 und durch ein Abstandsstück 24 begrenzt ist, das vom Abschnitt 15 umfaßt und von einem Kanal 25 zur Abfuhr der Spaltgase durchzogen ist. Eine Säule 26 aus Pellets (Tabletten) von Brutstoff (z.B. Dioxid von natürlichem oder verarmten Uran) ruht auf dem Abstandsstück 24 mittels eines Stoß- oder Zwischenglieds 28, das dasselbe wie nach einem älteren Vorschlag der Anmelderin (vgl. deutsche Patentanmeldung P 21 25 010,2 "Brennelement für Kernreaktor" mit dem Prioritätstag vom 22.5.1970, Anwaltsakte: 410-17.O57P) sein kann. Ein Sicherungsorgan 50 hält die Säule 26 am Stoßglied 28 fest und

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trennt sie von einem Ausdehnungsraura des Brutstoffs, der durch den Zwischenstopfen 16 begrenzt ist, der von einem Kanal 3I für Spaltgase durchzogen ist.

Auf dem Stopfen 16 ruht mittels eines Stoßglieds 32, das gleich dem Stoßglied 28 sein kann, eine Säule 34 aus Pellets (Tabletten) von Brennstoff (z.B. gesinterte Pellets aus Urandioxid und/oder Plutoniumdioxid). Die Säule 34 wird ebenfalls durch ein Sicherungsorgan 36 festgehalten.

Der untere Abschnitt 14 des stabförmigen Brennelements gemäß der Erfindung, der die Säule 26 aus Brutstoff enthält und den Sammelraum 22 für Spaltgase begrenzt, hat einen Außendurchmesser, der gleich dem der Stopfen 20 und 18 ist. Im Gegensatz dazu hat der Abschnitt 12, der die Säule 34 der Spaltstoffpellets enthält, einen etwas kleineren Außendurchmesser. Der Distanzdraht 21 ist auf die Hülle so gewickelt, daß er auf der ganzen Länge des stabförmigen Brennelements anliegt.

Gemäß Fig. 1 hat der Zwischenstopfen 16, der die Hüllenabschnitte 12 und 14 verbindet, einen mittleren Teil mit einem Durchmesser gleich dem des Hüllenabschnitts 14, der den Brutstoff ent- ^ hält, und zwei Endteile anderen Durchmessers. Der untere Endteil ~ ist schwach reibungsschlüssig in den Hüllenabschnitt 14 eingeschoben, der mit dem Zwischenstopfen 16 durch Verschweißung in der Berührungszone zwischen dem Hüllenabschnitt 14 und dem Mittelteil des Zwischenstopfens 16 verbunden ist. Der andere Endteil des Zwischenstopfens 16, dessen Durchmesser kleiner als der des ersten Teils ist und dem Innendurchmesser des Htillenabschnitts 12 entspricht, ist in dieeen eingeschoben, wobei außerdem eine Verbindung durch Verschweißung in der Berührungszone zwischen dem Hüllenabschnitt 12 und dem Mittelteil des Zwischenstopfens 16 vorgesehen ist.

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Unter diesen Bedingungen ist der Abstand zwischen benachbarten stabförmigen Brennelementen ein und desselben Brennelementbündels festgelegt durch die einzelnen Teile des Distanzdrahts 21, der durch die Stopfen 18, 16 und 20 und durch den Hüllenabschnitt getragen ist. Daher tritt in Höhe der Säulen J>K aus Spaltstoff ein Spiel auf, das während der Ausdehnung des Brennstoffs kompensiert werden kann, wobei dieses Spiel keinen Einfluß auf die Lagesicherung der stabförraigen Brennelemente in dem Brennelementbündel hat.

Ein praktisch erprobtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemaßen stabförmigen Brennelements für einen Reaktor mit schnellen Neutronen und Kühlung durch flüssiges Natrium hatte für den unteren Hüllenabschnitt I²I- und den oberen HUllenabschnitt 12 eine Durchmesserdifferenz von ca. 0,2 mm.

Das in Fig. 1 abgebildete stabförmige Brennelement gemäß der Erfindung hat nur eine einzige Säule aus Brutstoff. Es versteht sich aber, daß die Erfindung auch bei einem stabförmigen Brennelement angewendet werden kann, das zwei Säulen aus Brutstoff hat, die die Säule aus Spaltstoff einrahmen, oder auch dann, wenn das stabförmige Brennelement Brutstoff an einer Seite des SpaltStoffs und einen genügend langen Stopfen an der anderen Seite des SpaltStoffs hat. Für den ersten Fall ist im übrigen ersichtlich, daß der Bereich, in dem Jedes derartige stabförmige Brennelement an dem benachbarten stabförmigen Brennelement anliegt, einen beträchtlichen Teil der Gesamtlänge ausmacht, was vorteilhaft ist.

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Claims

Patentansprüche

( l.JStabförmiges Brennelement für mit schnellen Neutronen betriebene Kernreaktoren, mit einer durch Stopfen abgeschlossenen Hülle, die eine Säule von Pellets oder Tabletten aus Spaltstoff enthält, und mit einem Distanzhalter, der in B'orm einer Schraubenlinie um die Hülle gewickelt und mit seinen Enden an den Stopfen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllenabschnitt (12), der den Spaltstoff (^4) enthält, im wesentlichen auf seiner ganzen Länge einen konstanten Durchmesser hat, der etwas kleiner als der der Endteile ist, die die Stopfen (18, 20) aufweisen, und daß die Endteile des Brennelements jeweils eine Länge haben, die mindestens gleich der halben Ganghöhe des schraubenlinienförmigen Distanzhalters (21) ist.
2. Brennelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Säule (26) von Pellets oder Tabletten aus Brutstoff, wobei der den Brutstoff enthaltende Hüllenabschnitt (14) mit seinem Stopfen (20) einen der Endteile des Brennelements bildet.
3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ende gelegenen Stopfen (16, 20) den gleichen Durchmesser wie die der den Brutstoff (26) enthaltende Hüllenabschnitt (14) haben,
4. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sammelraum (22) für Spaltgase in einem der Hüllenabschnitte (14) größeren Durchmessers.

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5. Brennelement nach einem der Ansprüche 2-4 für einen Kernreaktor mit aufwärtsgerichteten Kühlmittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet , daß der den Brutstoff (22) enthaltende Hüllenabschnitt ^;'l4) unter dem anderen Hüllenabschnitt (12) angeordnet ist und von unten nach oben einen Sammelraum (22) für Spaltgase, ein an der Hülle befestigtes Abstandsstück (24) und.die Säule (26) von Pellets aus Brutstoff . aufweist.
6. Brennelement nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3-5 mit dem Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Zwischenstopfen (16), der von einem Kanal (j5l) für Spaltgase durchzogen und an den Hüllenabschnitten (12, 14) befestigt ist, die den Brutstoff bzw. den Spaltstoff enthalten.

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