DE2345954A1

DE2345954A1 - Brennstoffanordnung fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE2345954A1
Application number: DE19732345954
Authority: DE
Inventors: Stanley Kmonk; David J Sperhac
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-09-25
Filing date: 1973-09-12
Publication date: 1974-04-18
Also published as: CA1009387A; ATA765873A; NL7312679A; AT334474B; FR2200586B1; ES418369A1; FR2200586A1; BE805131A; JPS4970090A; GB1409611A; CH569343A5; US3920516A; DE2345954C2; AU5891873A; SE393211B; JPS5312671B2; IT993374B

Description

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15 222, V.St.A.

Brennstoffanordnung für Kernreaktoren

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoff anordnungen für Kernreaktoren.

Ein Kernreaktor wird zu dem Zweck konstruiert und betrieben, um zur Erzeugung von Wärme eine Kettenreaktion von Kernspaltungen in einem spaltbaren Material einzuleiten und aufrechtzuerhalten. In einem Kernreaktor, auf den die vorliegende Erfindung anwendbar ist, beispielsweise einem Druckwasserreaktor, ist das spalt-

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bare Material in Brennstoffstäben eingeschlossen. Die Brennstoffstäbe bestehen im allgemeinen aus einem Metallrohr, in dem eine Anzahl von Brennstoffpellets mit kleinem Durchmesser axial angeordnet ist. Eine entsprechende Brennstoffanordnung besteht aus einer Gruppierung von Brennstoffstäben, die durch eine Gerüstkonstruktion festgehalten und baulich gestützt werden.

In einer offenen Brennstoffanordnung, wie sie beispielsweise in einem Druckwasserreaktor verwendet werden kann, besteht die Grundgerüstkonstruktion für den Brennstoff aus einer Anzahl von Rohren aus einer Zirkonlegierung, bekannt als Zircaloy, die durch obere und untere Stützplatten sowie mehrere dazwischen angeordnete Gitter in ihrer Lage gehalten sind. Früher wurden diese Zircaloy-Rohre aus rostfreiem Stahl gefertigt, während die Gitter aus einer unter dem Markennamen Inconel bekannten Hochtemperatur-Nickellegierung bestanden. Daher konnten die Rohre durch einfaches Schweißen mit den Gittern verbunden werden, da beide Metalle ähnliche Eigenschaften besaßen. Der dem rostfreien Stahl anhaftende Nachteil des Neutronenverlustes machte es jedoch erforderlich, für die Rohre ein anderes Material, nämlich eine Zirkonlegierung, bekannt als Zircaloy, zu verwenden, da diese einen geringen Neutroneneinfangquerschnitt aufweist. Dieser Wechsel brachte leider Nachteile mit sich. Die einfache Verbindung der Rohre mit den Gittern war wegen der nun unähnlichen Me'talle nicht mehr möglich. Die schließlich gefundene Lösung bestand darin, daß man kurze Muffen aus rostfreiem Stahl auf Inconel-Gitter auflötete und die

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Muffen mechanisch mit den Zircaloy-Rohren verband. Die mechanische Verbindung wurde dadurch hergestellt, daß man die Rohre in die Muffen einführte und dann beide Elemente an vier Punkten ihres Umfangs in mehreren Axialstellungen jeder Muffe aus rostfreiem Stahl nach außen buchtete.

Diese bekannte Lösung der mechanischen Verbindung von Zircaloyrohren mit Muffen aus rostfreiem Stahl, die wiederum an Inconelgitter angelötet waren, bringt eine Anzahl von Problemen hinsichtlich Fabrikation, Konstruktion und Flüssigkeitsdurchgang mit sich. Da die Muffen zur Gitterebene senkrecht und zueinander parallel gehalten werden müssen, sind umfangreiche Kontroll-, Justier- und Inspeict ionsarbei ten erforderlich. Fehler in der radialen Ausrichtung der Winkelform infolge des Ausbuchtens der Zircaloyrohre können zu einer unerwünschten Blockierung des Kühlmittelflusses führen. Außerdem führt die mechanische Verformung der Zircaloyrohre gelegentlieh zu Materialrissen an den Ausbuchtungen. Weiters bewirkt die mechanische Verbindung zwischen den Zircaloyrohren und den Muffen aus rostfreiem Stahl ein Verbiegen der Zircaloyrohre zwischen den Gittern, wodurch ein zusätzlicher Reckvorgang für die Zircaloyrohre erforderlich wird.

Ss ist demnach Hauptzweck der Erfindung, eine Brennst off ano r.dnung zu schaffen, bei der Brennstoffstäbe aus Zircaloy in einfacher Weise, aber dennoch fest und sicher durch Stützgitter aus Inconel abgestützt werden.

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Angesichts dieser Aufgabe besteht die Erfindung in einer Brennstoff anordnung fur einen Kernreaktor, die aus einer Gruppierung von im allgemeinen parallelen Brennstoffstäben, einer Vielzahl von rohrförmigen Bauelementen aus einem Metall mit geringem Neutroneneinfangquerschnitt, einer Vielzahl von über die Länge der rohrförmigen Bauelemente verteilt angeordneten Gitterkonstruktionen, wobei sich die rohrförmigen Bauelemente durch Öffnungen in den Gitterkonstruktionen erstrecken, und in den öffnungen angeordneten und mit den rohrförmigen Bauelementen in Eingriff stehenden Haltevorrichtungen, wobei die rohrförmigen Bauelemente sich durch die Haltevorrichtungen erstrecken und dadurch dieselben im Eingriff mit dem Gitter halten, wobei die Haltevorrichtungen mit den rohrförmigen Bauelementen metallurgisch verbunden sind.

Vorzugsweise wird eine kurze Hülse aus einem Material, das mit den Zircaloyrohren verschweißt werden kann, in eine Gitterzelle eingesetzt. Die Hülse ist so beschaffen, daß die oberen und unteren Kanten von in die Hülse im Winkel von 90° zueinander eingeschnittenen Penstern die Außenkanten des Gitters berühren, wodurch die Hülse in ihrer Stellung bezüglich der Gitterzelle axial festgehalten wird. Axialschlitze sind über die Länge der Hülse angeordnet, so daß ein Ende derselben elastisch verbogen oder zusammengepreßt und so in eine Gitterzelle eingeführt werden kann. Wenn die Hülse voll eingeschoben ist, wird die durch die elastische Verbiegung in der Hülse gespeicherte Energie frei, wodurch die

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Hülse über die Kanten des Gitters ausschnappt. Durch Einführen eines Zircaloyrohres durch die Hülse wird ein Durchbiegen verhindert und so die Hülse mit den Gitterzellen in Eingriff gehalten.

Das Zircaloyrohr wird dann, beispielsweise durch Punktschweißen, metallurgisch mit der Hülse verbunden, wodurch die Verbindung vervollständigt wird.

Da bei der Erfindung ein Anlöten der Hülse am Gitter nicht mehr erforderlich ist, fallen auch die nach dem bekannten Stand der Technik auftretenden Probleme hinsichtlich Senkrecht- und Parallelhaltung weg. Gemäß der Erfindung können diese Eigenschaften leicht durch normgerechte Bearbeitungsmethoden sowie gute Bearbeitungspraktiken erzielt werden. Da hier weiters ein mechanisches Ausbuchten der Zircaloyrohre ausgeschaltet ist, wird auch die Möglichkeit einer Blockierung des Durchlaufes sowie von Rissen im Material vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer offenen Brennstoffanordnung, auf die die Erfindung angewendet werden kann, Fig. 2 stellt eine isometrische Ansicht eines Abschnittes eines Gitter dar und zeigt eine in eine Gitterzelle eingesetzte und darin arretierte elastisch biegbare Hülse, Fig. 3 zeigt eine genauere Ansicht einer Hülse gemäß der

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vorliegenden Erfindung, Pig. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie IV-IV in Pig. ~5, Pig. 5 ist ein Querschnitt längs der Linie V-V in Pig. ~5, Fig. 6 ist eine Detailansicht im Schnitt

einer Gitter-Hülsen-Verbindung und zeigt wesentliche Merkmale der Erfindung, Pig. 7 ist eine Detailansicht einer anderen Hülse gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 8 ist ein Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7 und Fig. 9 ist ein Schnitt längs der Linie IX-IX von Fig. 7.

In der nachfolgenden- Beschreibung sind gleiche Bauteile in den verschiedenen Figuren der Zeichnung mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1. zeigt eine offene Brennstoff anordnung. Ein aus einem Auslaßstutzen 10 bzw. einem'Einlaßstutzen 11 bestehendes oberes bzw. unteres Konstruktionsteil wird durch eine Vielzahl langgestreckter rohrförmiger Bauelemente 12 getrennt. Vervollständigtwird das Grundgerüst der Brennstoffanordnung durch mehrere zusätzliche Gitterkonstruktionen I3, die in Längsrichtung der rohrförmigen Bauelemente 12 im Abstand angeordnet sind. Eine Vielzahl von Brennstoffelementen bzw.-stäben 14, die Kernbrennstoff enthalten, sind in den Gittern 13 in im allgemeinen quadratischer Anordnung vorgesehen. Der größeren Deutlichkeit halber sind die Brennstoffelemente bzw. -stäbe nicht in voller Länge gezeigt. Die Brennstoffelemente 14 werden im Grundgerüst der Brennstoffanordnung durch die Gitter 15 in ihrer Lage gehalten. Jedes Gitter' 1j5 besteht aus mehreren Bändern 16, die, wie Fig. 2 zeigt, rechtwinklig zu-

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einander angeordnet sind und so eine unterteilte Struktur mit vielen öffnungen bzw. Zellen bilden. Die das Gitter 13 bildenden Bänder 16 sind mit einstückigen Blattfedern 26 versehen, die mit den im Gitter angeordneten Brennstoffelementen 14 in Eingriff stehen und diese so gegen seitliche und axiale Verschiebung sichern.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsart einer Brennstoffanordnung bilden die langgestreckten rohrförmigen Bauelemente 12 nicht nur einen Teil des Grundgerüstes der Brennst off anordnung, sondern dienen auch als Führungsrohre für zylindrische Regelelemente 27» die darin geführt sind.

Um die Menge an Material mit hohem Neutroneneinfangquerschnitt, das Gift für die Kernreaktion ist, in der Brennst off anordnung zu reduzieren, werden die Rohre 12 aus Zircaloy, einer Zirconlegierung, gefertigt. Der durch Verwendung eines Materials mit verhältnismäßig geringem Neutroneneinfangquerschnitt, wie etwa Zircaloy, erzielte Vorteil wird durch die Schwierigkeiten der mechanischen Befestigung bzw. Verbindung der rohrförmigen Bauelemente bzw. Führungsrohre 12 aus Zircaloy mit den Inconel-Gitterbändern 16 etwas geschmälert. Da die Gitterbänder 16 und die rohrförmigen Bauelemente bzw. Führungsrohre 12 aus diesen verschiedenartigen Metallen bestehen, führen normale metallurgische Verbindungsmethoden, wie Schweißen oder Löten, zu spröden Verbindungsstellen, was natürlich nicht zweckentsprechend ist. Durch die Er-

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findung werden die durch die Unterschiedlichkeit der Metalle . bewirkten Nachteile in einfacher und v/irksamer Weise behoben bzw. verringert. Eine Zircaloyhülse 15 gemäß Fig. 3 wird in die entsprechende Zelle des Gitters 13 eingeschoben, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Die Hülse 15 ist etwas langer als die Höhe der Gitterbänder 16 des Gitters 1J>, so daß ein Teil der

Hülse 15 oben und unten aus der Zelle des Gitters 13* in welche die Hülse 15 eingeschoben ist, herausragt. In die Hülse I5 sind, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, im rechten Winkel zueinander Fenster I7 eingeschnitten, deren Länge der Höhe des Gitterbandes 16 entspricht. Diese Fenster 17 in der Hülse 15 dienen zweierlei Aufgaben. Erstens gelangen beim Einschieben der Hülse in die entsprechende Zelle des Gitters 13 die oberen und unteren Ränder 18 bzw. 19 der Fenster I7 in Eingriff mit den oberen und unteren Kanten der Gitterbänder 16. Auf diese Weise wird die Hülse 15 durch das Gitter 13 axial festgeklemmt und eine Axialverschiebung derselben verhindert. Zweitens gestatten diese Fenster 17 die Verwendung eines rohrförmigen Bauelementes bzw. Führungsrohres 12 maximaler Dimensionierung, d.h. eines Führungsrohres 12 mit einem Außendurchmesser, der der Innendiagonalabmessung einer durch einander kreuzende Gitterbänder ^J\6 gebildeten Gitterzelle entspricht. Die Fenster 17 ermöglichen auch die Verwendung einer Hülse 15* deren Außendurchmesser größer ist als die Innendiagonalabmessung der Zelle in Gitter I3. Durch dieses einmalige Merkmal der vorliegenden Erfindung wird nicht nur die Verwendung eines maximal dimensionierten Führungsrohres 12 ermöglicht,

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wie dies oben beschrieben wurde, sondern-auch ein Verdrehen der Hülse in der Gitterzelle 13 verhindert. Wenn demnach die Abmessungen der Fenster 17 sorgfältig gewählt und die Hülse 15 exakt bearbeitet wird, erübrigt sich eine metallurgische Verbindung zwischen der Hülse 15 und dem Gitter 1j5.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, ist mindestens eines, vorzugsweise jedoch zwei der vier Fenster 17 bis zum oberen Rand der Hülse 15 durchgeschnitten und bilden so Schlitze 20. Durch die Schlitze 20 kann die Hülse 15 durch Zusammenpressen elastisch verformt werden und so bei der Montage der größere Außendurchmesser der Hülse 15 durch die kleinere Diagonalabmessung der Zelle des Gitters 13 geführt werden. Wenn die Hülse voll eingeschoben ist, kommt die Kante 19 der Hülse 15 in Berührung mit dem unteren Rand der Gitterbänder 16. Zu diesem Zeitpunkt wird der Quetschdruck aufgehoben und die oberen Kanten 18 der Hülse 15 schnappen über den oberen Rändern des Gitterbandes 1β ein. Die Hülse 15 ist nun in der Zelle des Gitters 13 fest verankert.

Die fertige Gitter-Hülsen-Verbindung ist in Fig. 6 gezeigt. Ein Führungsrohr oder rohrförmiges Bauelement 12 ist in eine Hülse eingeschoben, die gemäß obiger Beschreibung im Gitter 13 fest verankert wurde. Der Spielraum zwischen Außendurchmesser des-Führungsrohres 12 und Innendurchmesser der Hülse 15 ist so klein bemessen, daß die Hülse 15 nicht wesentlich elastisch verbogen werden kann. Die Hülse 15 ist demnach im Gitter 13 fest verankert. Die

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Gitter-Hülsen-Verbindung wird durch eine metallurgische Ver- bindung, beispielsweise durch Punktschweißen 21, der herausragenden Teile der Hülse 15 mit dem Führungsrohr bzw. rohrförmigen Bauelement 12 vervollständigt. Eine Schweißverbindung ist nun möglich, da beide Bauteile aus derselben Zirconlegierung, nämlich Zircaloy, bestehen.

Eine Variante der ZircaloyhUlse gemäß der Erfindung ist in Fig. gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform werden für jede Gitter-Hülsen-Verbindung zwei Hülsen 22 benötigt. Eine Hülse 22 wird von oben in die Gitterzelle 13 eingeführt, während eine zweite Hülse von unten in das Gitter 13 eingeschoben wird. In jedem Fall ist die Einschubtiefe in die Gitterzelle durch die Kanten 23 von in jeder Hülse 22 vorgesehenen Ausschnitten 24 bestimmt. In diesem Ausführungsbeispiel erfüllen die Ausschnitte 24 denselben Zweck wie die Fenster 17 in. der Hülse 15 gemäß den Fig. 3 und 5· Ähnlich haben die Kanten 23 dieselbe ·. Funktion wie die Kanten 18 und 19 der Hülse 15. Fig. 9 zeigt deutlich die Ähnlichkeit in Querschnitt und Funktion zwischen Hülse 15 und Hülse 22. Schlitze in dem Teil der Hülse 22, der oben und unten aus der Gitterzelle des Gitters I3 herausragt, ermöglichen eine radiale Verbiegung der Hülsen 22, um einen Kontakt zwischen Außendurchmesser des Führungsrohres bzw. rohrförmigen Elementes- 12 und Innendurchmesser der Hülsen 22 herzustellen und so eine einwandfreie Schweißverbindung zu ermöglichen.

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Aus der Beschreibung und im Zusammenhang mit der Zeichnung geht hervor, daß durch die Erfindung eine Gitter-Hülsen-Verbindung geschaffen wird, die eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem bekannten Stand der Technik darstellt. Das Grundgerüst des Brennstoffelementes wird zum Teil aus Materialien mit niedrigem Neutroneneinfangquerschnitt gefertigt, während die kritische Verbindung zwischen Gitter und Hülse ohne Verminderung der Festigkeit bzw. Einheitlichkeit des Gesamtgefüges der Brennstoffanordnung erhalten wird. Die Verbindung ist so ausgelegt, daß die Notvrendigkeit einer metallurgischen Verbindung unähnlicher Metalle ausgeschaltet wird. Weiters erübrigt sich die elastische und bleibende Verformung eines Bauelementes im Grundgefüge der Brennstoff anordnung. Die erfindungsgemäße Verbindung erhält man durch Einrastenlassen einer Hülse in einer Gitterzelle und anschließendes Anschweißen eines Führungsrohres an der Hülse.

Da an der beschriebenen Vorrichtung zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden können, sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, ohne daß vom Wesen der Erfindung abgewichen werden muß. Aus diesem Grund ist das in der Beschreibung und der Zeichnung Enthaltene nur als beispielhaft zu werten.

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Claims

Patentansprüche :

1 J ßrennstoffanordnung für einen Kernreaktor, bestehend aus einer Gruppierung im allgemeinen paralleler Brennstoffstäbe, einer Vielzahl von rohrförmigen Bauelementen aus einem Metall mit niedrigem Neutroneneinfangquerschnitt, mehreren über die Länge der rohrförmigen Bauelemente im Abstand angeordneten Gitterkonstruktionen, wobei die rohrförmigen Bauelemente durch öffnungen in den Gittern geführt sind, und in den öffnungen angeordneten und mit den rohrförmigen Bauelementen in Eingriff stehenden Haltevorrichtungen, dadurch ge-, kennzeichnet , daß die rohrförmigen Bauelemente (12) durch jeweils eine Haltevorrichtung (15) geführt und so die Haltevorrichtung (15) im Eingriff mit dem Gitter (13) gehalten ist, wobei die Haltevorrichtungen (I5) mit den rohrförmigen Bauelementen (12) metallurgisch verbunden sind.

2. Brennstoff anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (I5) eine Hülse ist, die aus einem gleichartigen Metall wie die rohrförmigen Bauelemente (12) besteht.

3· Brennstoffanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (I5) mechanisch im Gitter (13-) festgehalten ist, wobei die Verriegelungsflachen jeweils mit dem Gitter (13) bzw. der ,Hülse (15) einstückig ausgebildet sind.

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4. Brennstoffanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (15) mit Axialschlitzen (20) versehen
ist, wodurch getrennte Abschnitte geschaffen werden, die in
radialer Richtung umgebogen und so mit den im Gitterelement (13) einstückig gebildeten Verriegelungsflächen in Eingriff bringbar sind:

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