DE2348947C3

DE2348947C3 - Brennelement für gasgekühlte Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2348947C3
Application number: DE2348947A
Authority: DE
Inventors: Manfred 8520 Erlangen Huenner; Martin Dipl.-Phys. Dr. 8521 Bubenreuth Peehs
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1973-09-28
Filing date: 1973-09-28
Publication date: 1979-10-31
Also published as: DE2348947B2; JPS5060696A; US4077839A; GB1475174A; FR2246025B1; DE2348947A1; JPS5649315B2; FR2246025A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelement für gasgekühlte Kernreaktoren, insbesondere schnelle Brüter, bestehend aus einer Mehrzahl von an einer mit Durchtrittsbohrungen für das Kühlmittel versehenen Stabhalteplatte befestigten Brennstäben, die über jeweils eine durchbohrte Endkappe über in der Stabhalteplatte eingebaute Kanäle an ein Spaltgasabführungssystem angeschlossen sind. Solche Brennelemente werden in der Literatur auch als ventilierte Brennelemente bezeichnet. Bei ihnen verbleiben die Spaltgase also nicht im Inneren des jeweiligen Brennstabes, sondern werden zu einem Spaltgassammeisystem abgeleitet, so daß im Innenraum der Brennstäbe kein unzulässiger oder unerwünschter Überdruck entstehen kann und eine evtl. vergiftende Wirkung der Spaltgase in Grenzen bleibt.

Entsprechend dem Stand der Technik werden die einzelnen Brennstäbes eines Brennelementes durch Verschraubung bzw. durch Löten oder Schweißen mit der oberen Brennstabhalteplatte des Brennelementes verbunden und die Ventilationskanäle in den Endkappen mit einem besonderen Gasführungsgitter verlötet, siehe z.B. die französische Patentschrift 15 69 218, insbesondere Fig. 5. Zur Durchführung dieser Verlötungsarbeiten muß das Brennelement wenigstens zum Teil in einen Lötofen gebracht werden, damit alle Lötungen gleichzeitig entstehen.

Dieses Herstellungsverfahren ist nicht nur technisch sehr aufwendig, sondern erschwert auch die Auswechslung einzelner Brennstäbe, wenn z. B. eine Lötverbindung undicht sein sollte.

Es stellte sich daher die Aufgabe, diese Befestigungsund Verbindungstechnik möglichst so zu vereinfachen, daß in jedem Fall eine leichte Auswechselbarkeit einzelner Brennstäbe gewährleistet bleibt. Insbesondere sollte diese Auswechselbarkeit die Verbindungen der übrigen Brennstäbe des Brennelementes nicht nachteilig beeinflussen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die durchbohrten Endkappen mit einem Außengewinde versehen und in die Stabhalteplatte eingeschraubt sind und daß für die Abdichtung zwischen Stabhalteplatte und Brennstabendkappe mit einer Restrauhigkeit von 4— 16μπι versehene, mit Hilfe der Verschraubung aufeinander gepreßte Flächen an diesen Teilen angearbeitet sind. Dies bedeutet, daß in einem einzigen Arbeitsgang die Befestigung des Brennstabes in der Stabhalteplatte und gleichzeitig der Anschluß an das Spaltgasabführungssystem hergestellt wird. Da dies mit einer reinen Schraubverbindung bewerkstelligt wird, werden benachbarte Verbindungen dadurch nicht beeinflußt, jeder Brennstab kann leicht und einfach ausgewechselt werden. Die Größe der Dichtungsflächen richtet sich nach An und Größe des konstruktiv möglichen Gewindes. Eine konische Gestaltung der

Dichtungsflächen ist dabei nicht notwendig, es hat sich herausgestellt, daß Dichtungsflächen senkrecht zur Brennstabachse eine hervorragende Dichtheit der Verbindung gewährleisten, einfach herstellbar sind und praktisch keine Justierungsprobleme mit sich bringen.

Mit Hilfe der Fig. 1—4 sei nun an einem Ausführungsbeispiel das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Die F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines gasgekühlten Kernreaktors. Der eigentliche Reaktorkern 1 besteht aus einer Vielzahl

JO von Brennelementen 10, die an der Tragplatte 2 hängen. Diese Tragplatte 2 ist beispielsweise in einem Reaktorgefäß 3 aus vorgespanntem Stahlbeton gelagert. Das Kühlmittel strömt mit Hilfe eines Gebläses 4 von oben nach unten durch den Reaktorkern 1, tritt in der unteren Hälfte des Reaktorbehälters 3 wieder aus und gelangt über einen Wärmetauscher 5 zurück zum Gebläse 4. Die Sekundärseite des Wärmetauschers 5 ist in an sich bekannter Weise an einen nicht dargestellten Sekundärkreislauf angeschlossen. Unterhalb des Reaktorkernes 1 befinden sich schematisch dargestellt die Brennelementlademaschine 6, oberhalb des Reaktorkernes die Regelstabantriebe 7. Das Spaltgasabführungssystem ist durch eine gestrichelte Linie 24 angedeutet, die zu einer außerhalb des Reaktorbehälters 3 angeordneten Gasabsauge- und Spaltgastrenneinrichtung 25 führt. Das gereinigte Abgas wird über eine weitere Leitung 24a zur Saugseite des Gebläses 4 zurückgeführt.

Die F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch den oberen Teil eines Brennelementes und seine Halterung an der Tragplatte 2. Das hier dargestellte Brennelement hat einen sechseckigen Querschnitt, der nach oben in einen runden Querschnitt für den Einsatz in der Tragplatte 2 übergeht. Dadurch wird eine sehr dichte Packung der Brennelemente im Reaktorkern erreicht, wie sie z. B. für einen gasgekühlten schnellen Brutreaktor notwendig ist. Die Befestigung des Brennelementes 10 in der Tragplatte 2 wird in diesem Beispiel durch einen drehbaren Ring 23 erreicht, der mit Vorsprüngen 25 in entsprechende bajonettartig gestaltete Ausnehmungen des oberen Brennelementrandes 18 eingreift. Selbstverständlich kann auch eine beliebig andere Befestigungsart gewählt werden. Das Brennelement selbst besteht aus einem Mantel 11, der gleichzeitig mit Hilfe der Stabhalteplatte 13 als Traggerüst für die Brennstäbe 12 fungiert.

1.1¹ dient außerdem zur Führung des Reaktorkühlmittels, das das beiderseits offene Brennelement von oben

nach unten durchströmt. Die Befestigung der Brennstäbe 12 in der Stabhalteplatte 13 ist in den F i g. 3 und 4 näher dargestellt Diese Stabhalteplatte 13 ist in nicht dargestellter Weise mit zusätzlichen Bohrungen für den Durchtritt des Kühlmitteis versehea Die Brennstäbe 12 selbst sind in diese Platte eingeschraubt und damit gleichzeitig über ihren inneren Gasabführungskanal mit den in der Stabhalteplatte eingebauten Kanälen 131 für die Spaltgasabführung verbunden. Diese Kanäle stehen ihrerseits mit einem Filter 15 oberhalb des Brennstabpaketes in Verbindung, das wiederum über die Leitung 16 mit den Gasabführungskanälen 24 innerhalb der Brennelementtragplatte 2 in Verbindung steht Das Filter besteht z. B. aus einer mit Aktivkohle gefüllten Kammer und hat die Aufgabe, den Austritt der Spaltgase zu verzögern — die Verzögerung kann etwa eine Woche betragen — und damit das Abklingen der Radioaktivität eines Teiles dieser Spaltgase zu erreichen. Neben der bereits erwähnten Befestigung der Brennelemente 10 in der Tragplatte 2 ist i.. diesem Beispiel eine Abdichtung derselben durch Kolbenringe 17 vorgesehen. Die erwähnte Gasabführungsleitung 16 mündet zwischen den beiden Dichtungsringen 17 an der Oberfläche des Brennelementkopfes und trifft dort auf einen Ringnut 21, die ihrerseits in Verbindung mit den bereits erwähnten Gasabführungskanälen 24 steht Diese Verbindung der Gasabführungsleitung wird also beim Einsetzen der Brennelemente mit Hilfe der Lademaschine automatisch hergestellt, es bedarf dazu keines besonderen Arbeitsganges.

Die Fig.3 zeigt nun eine teilweise geschnittene Längsansicht eines in der Stabhalteplatte 13 befestigten Brennstabes 12. Dieser besteht aus dem Hüllrohr 121, das an beiden Seiten mit den Endkappen 14 und 124 abgeschlossen ist und im Inneren den Kernbrennstoff — vorzugsweise in Tablettenform — 123 enthält. Zwischen diesem Kernbrennstoff und der oberen Endkappe 14 ist oftmals auch eine Patrone 122 aus Spaltgasadsorptionsmaterial vorgesehen, das wie das Filter 15 im Brennelement den Austritt der Spaltgase verzögert.

Die obere Endkappe 14 ist zur Abführung der Spaltgase mit einer Zentralbohrung 143 versehen, die an der stirnseitigen Dichtfläche 142 austritt. Zur Befestigung des Brennstabes ist die Endkappe außerdem mit einem im Außengewinde 141 — z. B. einem metrischen Feingewinde — sowie mit einer sechseckigen Schlüsselfassung 145 versehen. Zwischen beiden ist ein dünner Kragen 144 angeordnet, der zur Drehsicherung des Brennstabes mit einer entsprechenden Ausnehmung der Stabhalteplatte in Eingriff gebracht werden kann.

Diese Stabhalteplatte ist ausschnittsweise in Fig.4 dargestellt Für den Eingriff des Kragens J44 ist eine Nut 135 vorgesehen, die diagonal zur Gewindebohrung 132 verläuft in diese wird die Brennstabendkappe mit ihrem Gewinde 141 eingeschraubt Die Gegendichtfläche ist mit 133 bezeichnet, eine zentrale Bohrung 134 führt zum Gasabführungskanal 131. Wichtig ist, daß die Dichtflächen 142 sowie 133 eine gewisse Restrauhigkeit von 4— 16μηι besitzen. Die dadurch verbleibenden geringen Erhebungen werden beim Anziehen der Schraubverbindung plastisch verformt und sorgen für eine hervorragende Abdichtung. Auch nach mehrmaligem Lösen der Verschraubung bleibt die Dichtigkeit dieser Verbindung gewähneistet, da stets neue Rauhigkeitserhebungen verformt werden und für eine einwandfreie Abdichtung sorgen. Sollte jedoch einmal eine geringfügige Undichtigkeit an dieser Stelle auftreten, so spielt diese praktisch keine Rolle, da auch an der Kolbenringabdichtung zwischen Brennelement und Kentragplatte Undichtigkeiten vorkommen können und die Absaugeeinrichtung 25 stets dafür sorgt, daß das Kühlgas in die Gasabsaugeleitungen zu einem geringen MaUe eindringen kann und dann wieder gereinigt in den Kühlkreislauf zurückgeführt wird. Ein Austreten von evtl. radioaktiven Spaltgasen in das Kühlmittel wird damit praktisch mit Sicherheit verhindert.

Durch diese Ausführungen wurde gezeigt daß es mit Hilfe dieser relativ einfachen Befestigungsart möglich ist, die einzelnen Brennstäbe eines Brennelementes leicht zu montieren oder auch zu demontieren und dabei eine Beschädigung bereits bestehender Verbindungen zu vermeiden. Gleichzeitig wird dabei auch ein sehr zuverlässiger Anschluß an das Spaltgasabführungssystem bewerkstelligt, der nach dem bisher bekannten Stand der Technik stets gesonderte Arbeitsgänge erforderte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennelement für gasgekühlte Kernreaktoren, insbesondere schnelle Brüter, bestehend aus einer Mehrzahl von an einer mit Durchtrittsbohrungen für das Kühlmittel versehenen Stabhalteplatte befestigten Brennstäben, die über jeweils eine durchbohrte Endkappe über in der Stabhalteplatte eingebaute Kanäle an ein Spaltgasabführungssystem angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbohrten Endkappen (14) mit einem Außengewinde (141) versehen und in die Stabhalteplatte (13) eingeschraubt sind und daß für die Abdichtung zwischen Stabhalteplatte (13) und Brennstabendkappe (14) mit einer Restrauhigkeit von 4—16 um versehene, mit Hilfe der Verschraubung aufeinander gepreßte Flächen (142) an diesen Teilen angearbeitet sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen (142) senkrecht zur Brennstabachse angeordnet sind.

3. Brennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbohrten Endkappen (14) hinter dem Außengewinde (141) mit einem dünnen Kragen (144) versehen sind, der als Drehsicherung mit der Stabhalteplatte (13) in Eingriff gebracht werden kann.