DE2204168A1

DE2204168A1 - Kernreaktorbrennelement

Info

Publication number: DE2204168A1
Application number: DE2204168A
Authority: DE
Inventors: Diethelm Dipl Ing Knoedler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-01-29
Filing date: 1972-01-29
Publication date: 1973-08-02
Also published as: GB1403491A; IT978511B; RO62466A; AR219890A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelement, insbe-r sondere für schwerwassermoderierte Kernreaktoren, zum Einsatz in - den Reaktorkern durchsetzenden - Trennrohren oder Kühlkanälen, bestehend aus einer Vielzahl von an den Stabhalteplatten befestigter und durch Abstandshalter in der gewünschten gegenseitigen Zuordnung gehaltener, den Kernbrennstoff innerhalb von Hüllrohren enthaltender Kernbrennstäbe. Mit größer werdenden Reaktorleistungen werden auch die Dimensionen des !Reaktorkernes selbst größer und damit die in den Kühlkanälen enthaltenen Brennelemente langer. Dies bringt für die Konstruktion und das Betriebsverhalten der Brennelemente spezielle Probleme mit sich. Brennelemente, die die gesamte Länge des Reaktorkerns durchsetzen, sind verhältnismäßig schwierig zu handhaben, auch bei der Herstellung derselben sind aus der großen Länge sich ergebende Schwierigkeiten nur mit erheblichem technischen Aufwand zu meistern. Aus diesem Grunde ist es schon vorgeschlagen worden und wurde auch bereits in der Praxis durchgeführt, mehrere Brennelemente hintereinander in einen Kühlkanal anzuordnen. Damit diese Brennelemente fernbedient in die Kühlkanäle eingesetzt bzw. aus diesen wieder entnommen werden konnten, mußten sie durch massive Kupplungen miteinander verbunden werden. Dies bedingte verhältnismäßig viel Strukturmaterial zwischen den einzelnen Brennelementen, was aus Gründen der Neutronenökonomie und der Neutronenflußverteilung ungünstig war. Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Lösung dieses Problems der übereinander angeordneten Teilbrennelemente zu finden, bei dem diese Erscheinungen nur in wesentlich abgeschwächtem Maße auftreten können.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Brennelement aus mehreren von einer zentralen Trageinrichtung zusammengehaltenen, auf ihr umsetzbaren und übereinander angeordneten Teilbrennelementen besteht und diese Trageinrichtung mit an sich bekannten Kupplungsteilen für eine Brennelementgreifeinrichtung an einer Kernreaktorlademaschine versehen ist. Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik können hier die ober und unterhalb der Brennelemente befindlichen Stabhalteplatten sehr dünn gehalten werden, da sie keinerlei Kupplungs- oder Tragfunktionen zu erfüllen haben. Auch werden die einzelnen Brennstäbe nicht auf Zug beansprucht, da die gesamte Säule der übereinander angeordneten Teilbrennelemente von einer Tragvorrichtung gehalten wird. Diese besteht aus einem im Inneren der Brennelemente befindlichen zentralen Stab oder Rohr mit einer Tragplatte an unteren Ende, auf der die Teilbrennelemente aufsitzen.

Zum Auswechseln der Brennelemente aus einem Kernreaktor wird lediglich die Trageinricntung mit einem entsprechenden Werkzeug gefaßt und nach oben aus dem Kühlkanal herausgezogen. Die auf den Tragstab aufgeschobenen Teilbrennelemente werden dadurch mit herausgenommen, ihr gegenseitiger Verband kann sich jedoch nicht lösen. Zum Umsetzen dieser Teilbrennelemente außerhalb des Kernreaktors werden diese einzeln von dem Tragstab nach oben abgezogen und in der gewünschten Reihenfolge wieder aufgesetzt bzw. ausgetauscht. Die Konstruktion der Teilbrennelemente ist dabei sehr einfach, ihre Länge ist verhältnismäßig gering. Die Stabhalteplatten sind in an sich bekannter Weise mit Bohrungen für den Durchtritt des Kühlmittels versehen, die Brennstabenden können in ihnen durch an sich bekannte Mittel, wie Verschraubung, Verlöten oder Verschweißung befestigt sein. Je nach Länge dieser Teilbrennelemente können außerdem noch Abstandshaltegitter an sich bekannter Konstruktion vorgesehen sein. Auch können Abstandshaltergitter die Endplatten ersetzen.

Eine zusätzliche Variante dieses Brennelementaufbaues kann so ausgebildet sein, daß die einzelnen Teilbrennelemente nicht mit ihrem vollen Gewicht aufeinander ruhen, sondern

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einzeln an Yorsprüngen des Tragstabes sozusagen aufgehängt sind. Durch Paßstifte, die "benachbarte Teilbrennelemente an einer gegenseitigen Verdrehung sowie einer Verdrehung gegenüber der Tragplatte hindern, ist dafür gesorgt, daß dieser Aufhängemechanismus während des Reaktorbetriebes nicht gelöst werden kann.

Mit Hilfe der Fig. 1 bis 3 wird diese Erfindung näher erläutert, hieraus sind auch noch weitere Einzelheiten für Aufbau und Betrieb zu entnehmen.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein derartiges Brennelement,

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt von zwei übereinander ange-,: ordneten Teilbrennelementen,

Pig. 5 zeigt in einem Querschnitt durch eine Stabhalteplatte und einen Tragstab eine mögliche konstruktive Ausbildung für die Aufhängung der einzelnen Teilbrennelemente am zentralen Tragstab.

In Fig. 1 besteht das Brennelement aus fünf übereinander angeordneten Teilbrennelementen 3a - 3e. Sie sind über einen Tragstab 1 aufgeschoben und sitzen auf einer am unteren Ende desselben befestigten Tragplatte 2 auf. In dieser Form befindet sich das Brennelement an seinem Einsatzort in einem Kühlkanal 12 eines Kernreaktors. In federn Teilbrennelement sind mit 10 an sich bekannte Abstandshaltergitter angedeutet. Der Zusammenhalt jedes einzelnen Teilbrennelementes 3 wird weiterhin durch eine obere Stabhalteplatte 4a und eine untere Stabhalteplatte 4b gewährleistet. Außerhalb des Kernreaktors können diese Teilbrennelemente von der Trageinrichtung abgezogen werden. An den Abstandshaltergittern 10 bzw. auch an den Stabhaltplatte 4 können in an sich bekannter Weise federnde Gleitschuhe 11 angebracht sein, die der besseren Einführung der Brennelemente in die Kühlkanäle sowie ihrer Lagerung und der Schwingungsdämpfung dienen. Da durch diesen Aufbau die Stabhalteplatten 4 sehr dünn gehalten werden können - sie dienen lediglich der Befestigung der Brennstäbe 9 - so sind die Stoßstellen zwischen den Teilbrennelementen

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nur kurz und enthalten nur wenig neutronenabsorbierendes Material.

Die Abbildung 2 zeigt·eine derartige Stoßstelle zwischen zwei Teilbrennelementen 3. In der Mitte befindet sich das Tragrohr 1 und durchsetzt die Zentralbohrungen 8 der Stabhalteplatten 4b und 4a. In nicht näher dargestellter Weise sind die Brennstäbe 9 in diesen Stabhalteplatten befestigt. An der Stabhalteplatte 4b ist ein federnder Gleitschuh 11 befestigt, der während des Betriebes an der Wandung des Kühlkanals 12 anliegt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, auf solche Gleitschuhe zu verzichten und die einzelnen Teilbrennelemente selbst elastisch gegeneinander zu verschieben und so zur schwingungsdämpfenden Anlage im Kühlkanal 12 zu bringen. Eine konstruktive Möglichkeit zur Erreichung des Zieles ist in der rechten Figurenhälfte dargestellt. Hier ist die Stabhalteplatte 4a mit einem Paßstift 5 versehen, der in eine entsprechende Bohrung der Stabhalteplatte 4b eingreift. Durch eine darin angeordnete Feder 7 wird dieser Bolzen nach der einen Seite gedruckt, so daß sich ein elastischer Versatz der übereinander angeordneten Teilbrennelemente 3 ergibt. Selbstverständlich sind auch andere technische Möglichkeiten zur Erreichung dieses Zieles möglich. Es ist dabei zweckmäßig, die Aufnahmebohrungen 6 für die Paßstifte 5 gleichmäßig auf der unteren Stabhalteplatte 4b zu verteilen, so daß damit der seitliche Versatz der übereinander angeordneten Brennelemente über die gesamte Länge des Brennelementes radialsymmetrisch vorgenommen werden kann. Die Paßstifte·stellen außerdem sicher, daß die Kühlmittelströmung durch die Stabhalteplatten 4a und 4b nicht wesentlich behindert wird - die nicht dargestellten Bohrungen für den Kühlmitteldurchtritt flüchten stets miteinander.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Stabhalteplatte 4 und den Tragstab 1 für den Fall, daß die einzelnen Teilbrennelemente 3 nicht mit ihrem Gewicht aufeinander ruhen, sondern einzeln am Tragstab T aufgehängt sind. Der Tragstab 1 ist zu diesem Zweck mit seitlichen Nasen 1a und 1b

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versehen, die obere Stabhalteplatte 4a mit ensprechenden Ausnehmungen in ihrer zentralen Bohrung 8. In der dargestellten Weise kann nun das Seilbrennelement wie b isher über den Tragstab geschoben werden. Zum Absetzen auf den Vorsprüngen 1a und 1b wird es kurz vor Erreichen dieser Stellen um etwa 90° verdreht und hängt dann auf diesen VorSprüngen. Der Paßstift 5■greift dabei, wie in Fig. 2 dargestellt, wieder in die untere Stabhalteplatte des darüber aufzusetzenden Teilbrennelementes ein. In diesem speziellen Fall ist es allerdings auch nötig, daß die untere Tragplatte 2 ebenfalls mit einem derartigen Paßstift 5 versehen ist, damit das unterste Teilbrennelement 3e sich gegenüber den Tragvorsprüngen 1a und 1b nicht verdrehen kann und somit auch die gesamte Brennelementsäule gesichert ist. Für das Abnehmen der einzelnen Teilbrennelemente müssen diese lediglich angehoben, dadurch aus dem Eingriff mit dem darunter angeordneten Paßstift 5 gebracht und dann um etwa 90 gedreht werden, damit sie an den Vorsprüngen 1a und 1b vorbei nach oben abgezogenwerden können.

Diese Art von Brennelementen eignet sich insondere für Kernreaktoren vom Schwerwassertyp wie z.B. vom Typ des MZFH. Sie eignet sich auch für die Anbringung von Strömungsdrosseln zur Einstellung des KühlmitteldurchHusses, damit auch in Bereichen kleinerer Leistungsdichte die gewünschte Kühlmittelaus t ritt st emperatur erreicht wird. Die Anbringung derartiger Strömungsdrosseln kann an der mit Kühlmitteldurchlässen versehenen Tragplatte 2 vorgenommen werden, ihre Einstellung kann durch den hohlen Tragstab 1 hindurch erfolgen. In allen jenen Fällen, wor das Kühlmittel die Brennelemente von unten nach oben durchströmt, kann es dabei vorteilhaft sein, eine Federbelastung 13 der Säule der Teilbrennelemente - wie in Fig. 1 angedeutet - vorzusehen.

Aus diesen Darstellungen ergibt sich, daß das Herstellungsverfahren infolge der geringeren Länge der Brennstäbe 9 wesentlich einfacher und problemloser ist als bei Brennstäben, die ungeteilt die ganze Länge des Reaktorkernes

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durchsetzen. Weiter entfallen materialaufwendige und raumbeanspruchende Kupplungseinrichtungen, damit wird die Neutronen-Ökonomie und die Neutronenflußverteilung günstig "beeinflußt. Außerdem vereinfacht sich die Handhabung in dieser Weise zusammengesetzter Brennelemente, ganz abgesehen von der Möglichkeit der Anbringung von verstellbaren Strömungsdrosseln. Auch können Meßsonden für z.B. Temperatur, Neutronenfluß und dergleichen innerhalb dieser Tragrohre 1 angebracht werden.

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Claims

Patentansprüche

Brennelement, ins"bes. für schwerwassermoderierte Kernreaktoren, zum Einsatz in - den Reaktorkern durchsetzenden - Trennrohren oder Kühlkanälen, bestehend aus einer Vielzahl von an Stabhalteplatten befestigten unö durch Abstandshalter in der gewünschten gegenseitigen Zuord-. nung gehaltenen, den Kernbrennstoff innerhalb von Hüllrohren enthaltenden, Brennstäben, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement aus mehreren, von einer zentralen Trageinrichtung (1, 2) zusammengehaltenen, auf ihr umsetzbaren und übereinander angeordneten Teilbrennelementen (3) besteht und diese Trageinrichtung mit an sich bekannten Kupplungsteilen für eine Brennelementgreifeinrichtung an einer Kernreaktorlademaschine versehen ist.
2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung aus einem zentralen Tragstab (1) oder Rohr mit einer am unteren Ende befestigten Tragplatte (2) besteht und die Teilbrennelemente (3)_füber diesen Tragstab geschoben, auf der Tragplatte (2) aufsitzen.
3. Brennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbrennelemente (3) mit jeweils einer oberen (4a) und unteren (4b) Stabhalteplatte sowie mit an sich bekannten Abstandshaltern (10) und daran befestigten Gleitschuhen (11) versehen sind.
4. Brennelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbrennelemente (3) an jeweils der obren bzw. der unteren Stabhalteplatte mit in das benachbarte Teilbrennelement eingreifenden Paßstiften (5) versehen sind.
5. Brennelement nach den Ansprüche Ibis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabhalteplatten (4) so bemessen sind, daß sich beim Übereinandersetzen der Teil-

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brennelemente (3) auf der Trageir.rich.tung ein leichter gegenseitiger Versatz derselben zur Erreichung einer elastischen Verspannung im Kühlkanal (12) ergibt.
6. Brennelement nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmebohrungen (6) für die Paßstifte (5) in den anliegenden anderen Stabhalteplatten eine, einen seitlichen gegenseitigen elastischen Versatz bewirkende Feder 7 enthalten.
7. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Trageinrichtung mit seitlichen Vorsprüngen (1a) zur Halterung der einzelnen Teilbrennelemente (3) mit Hilfe einer bajonettartigen Drehverriegelung bis zum Singriff eines Paßstiftes vom jeweils anderen Teilbrennelement her versehen ist.
8. Brennelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zentralen Bohrungen (8) der Stabhalteplatten (4) mit seitlichen Ausnehmungen für den Durchlaß der Vorsprünge (1a) auf der zentralen Trageinrichtung (1) versehen sind.

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