DE2349391A1

DE2349391A1 - Behaelter fuer kernbrennstab

Info

Publication number: DE2349391A1
Application number: DE19732349391
Authority: DE
Inventors: Richard Paul Dubrule; Donald Farquhar Macmillan; Jose Calif San; Bart Allan Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1974-05-02
Also published as: CH560447A5; JPS562679B2; FR2202338B1; GB1439207A; FR2202338A1; BE805730A; SE385417B; NL7313564A; IT995570B; JPS4971395A; ES419382A1; DE2349391C2

Description

In einem bekannten Typ eines Leistungskernreaktors ist der Kernbrennstoff in einer Vielzahl von länglichen Brennelementen oder Brennstäben enthalten, welche in Gruppen zusammengefaßt und in rohrförmigen Strömungskanälen mit offenen Enden enthalten sind zur Bildung von getrennt herausnehmbaren Brennstoff anordnungen oder Brennstoffbündeln. Eine ausreichende Zahl von Brennstoffanordnungen oder Brennstoffbündeln werden -n einer Matrix angeordnet, um einen Reaktorkern zu bilden, der zu einer sich selbst unterhaltenden Spaltreaktion fähig

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ist. Der Kern wird in ein fließfähiges Mittel eingetaucht, beispielsweise in leichtes Wasser, und dieses dient als Kühlmittel und auch als Neutronen-Moderator.

Typischerweise werden die Brennstäbe aus einem verschlossenen Rohr gebildet, welches den Kernbrennstoff beispielsweise in der Form einer Vielzahl von zylindrischen Brennstofftabletten oder -pillen enthält, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 365 371 dargestellt sind. Das Rohr ist mit Endstopfen verschlossen und dient daher als eine Umkleidung zur Isolierung des Kernbrennstoffes von dem als Moderator und Kühlmittel dienenden Stoff und um das Austreten von Spaltprodukten zu verhindern.

Einige der Spaltprodukte sind Gase. Um diese Spaltproduktgase zurückzuhalten, ist es gemäß der Darstellung in der obengenannten US-Patentschrift 3 365 371 bekannt, einen Raum oder Sammelraum in dem Brennelement vorzusehen, welcher nicht durch Kernbrennstoff eingenommen ist. Wenn ein solcher Raum oder Sammelraum vorgesehen wird, entsteht dabei das Problem, die Brennstoffsäule in ihrer gewünschten Lage zu halten, da es für das richtige nukleare Verhalten wichtig ist, daß sich der Brennstoff in einer bestimmten aktiven Brennzone des Reaktorkerns befindet. Wenn die Brennst off säule nicht in der richtigen Stellung festgehalten wird, kann sich ein Teil des Brennstoffes in den oben erwähnten Sammelraum hinein verschieben, besonders während der Handhabung und Verschiffung, da sich dann der Brennstab in einer nicht vertikalen Stellung befinden kann. Es wurde weiterhin gefunden, daß der verschobene Brennstoff sich gegen das umkleidende Rohr verkeilen kann, so daß er nicht in seine richtige Stellung in der aktiven Brennstoffzone zurückkehrt, wenn der Brennstoffstab in den Reaktorkern eingesetzt wird. Im Stand der Technik werden verschiedenartige Einrichtungen beschrieben, um die Säule des Brennstoffes in der erwünschten Stellung zu halten.

In der US-Patentschrift 3 230 152 sind schüsseiförmig gestaltete Scheiben oder Unterlagsscheiben gezeigt, welche die Brennstoffsäule in ihrer Stellung halten sollen. Die Scheiben sind dabei

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so gestaltet, daß sie sieh gegen die Innenseite des Umkleidungsrohrs verkeilen. Solche Brennstoffbehälter enthalten keine Vorkehrung für die axiale Ausdehnung der Brennstoffsäule, sie können nur mit Schwierigkeit richtig eingesetzt werden und sie können unerwünscht hohe Örtliche, umfangsmäßige Spannungen in dem Umkleidungsrohr erzeugen.

In der US-Patentschrift 3 627 635 wird ein federndes, tassenförmig gestaltetes Teil gezeigt. Dieses wird oben auf die Brennstoffsäule aufgesetzt und durch Reibungseingriff mit der Umkleidung in seiner Lage gehalten.

Ein weiteres Festlegungsmittel für die Brennstoffsäule beruht auf dem Reibungseingriff mit dem Umkleidungsrohr und umfaßt eine Spiral- oder Wendelfeder mit Endwindungen, welche gemäß der Darstellung in der US-Patentschrift 3 310 HjH in Eingriff mit dem Umkleidungsrohr sind.

In der US-Patentschrift 3 378 458 wird ein anderer Typ einer Festlegungseinrichtung oder eines Behälters für eine Brennstoffsäule gezeigt und umfaßt eine Wendelfeder, welche einen etwas geringeren Durchmesser als das Umkleidungsrohr besitzt und zwischen dem Oberteil der Brennstoffsäule und dem oberen Endstopfen des Brennstabes zusammengepreßt ist. Dieser Typ eines Festlegungsmittels für eine Brennstoffsäule wird in weitem Umfange angewendet. Er besitzt die Vorteile einer zuverlässigen und voraussagbaren Arbeitsweise und er vermeidet eine umfangsmäßige Spannungsbelastung des UmkleicLungsrcars, Ein Problem bei dsr Verwendung einer solchen Halterungsfeder wird in der üS^Paten-S-schrift 3 378 458 beschrieben, Wenn der Inastopfen in öas Ende des Umkleidungsrohrs eingeschweißt wird₃ besteht eine Ssfalir_s aaß die Schweißstelle mit dem I-üäterial der Peäsr viri» D*2· 'rund liier-?ür liegt QSrIn₂ äaS öss Fsfi spi 3l3W; is - Incor-.el*-ZI, Stahl riss? ähnli'sh&B 1-IaASZ

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der Basismaterial!en. Die Bildung dieser eutektischen Legierung im Schweiß- oder Schmelzbereich ist nicht zulässig wegen der nicht voraussagbaren Beständigkeit gegen Korrosion, Festigkeit, Duktilität und anderer nicht voraussagbarer Materialeigenschaften der dabei entstehenden Legierungen, wenn diese den Umgebungsbedingungen des Reaktors oder der Spaltprodukte ausgesetzt werden.

Eine Lösung für dieses Problem wurde in der US-Patentschrift 3 378 458 vorgeschlagen und enthält das Biegen einer Endschleife an der Haltefeder unter einem Winkel von 90°, so daß diese Schleife nur mit dem Mittenteil des Endstopfens in Kontakt ist (dieser ist während des Schweißens am kältesten). Diese Schleife wird auch noch mit einem Trennmaterial plattiert oder überzogen (beispielsweise ein Material wie Chrom), um die eutektische Temperatur zu erhöhen. Diese Lösung hat sich bei ihrer richtigen praktischen Ausführung als wirksam erwiesen und sie ist in weitem Maße angewendet worden.

Bei der Ausführung der vorstehend angegebenen Lösung für die Brennstoffproduktion in großem Maßstab sind jedoch verschiedene Probleme aufgetreten. Diese umfassen beispielsweise Schwierigkeiten bei der Erzielung einer Plattierung mit hoher Integrität, Beschädigungen an dem plattierten Pederende bei der Handhabung und Schwierigkeiten bei der Feststellung von Unvo^lkommenheiten und Beschädigungen, so daß die mit dem erwünschten Maß von Sicherheit ausgeführte Qualitätskontrolle nur schwer erreichbar und kostspielig ist.

Eine Aufgäbe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung mit Sammelraum und Feder zu schaffen, welche zuverlässige und voraussagbare Ergebnisse liefert und die Herstellungsprobleme vermeidet.

Diese und weitere Aufgaben werden erreicht, indem ein Trenn- oder Schur-steil zwischen dem Ende der- Haltefeder und dem Endstopfen des B^snns-Ssfistabes eingefügt wird, Dieses Trennteil

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Ist dabei aus einem Material gebildet, welches mit dem Material des Endstopfens kompatibel ist und/oder eine Schmelztemperatur besitzt, die höher ist als die Schmelztemperatur für das Material des Endstopfens, und weiterhin nicht eine eutektische Legierung mit unvorhersagbaren Eigenschaften mit dem Material des Endstopfens bildet. Vorzugsweise wird dieses Trennteil in geeigneter Weise im Ende der Haltefeder so befestigt, daß es während des Zusammenbaus oder der Handhabung des Brennstoffelementes oder -bündeis nicht leicht in seiner Stellung verändert wird.

Die Erfindung wird ausführlich erläutert durch Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt eines Brennstoffelementes oder -Stabes, welcher eine erfindungsgemäße Haltefederanordnung umfaßt.

Figur 2 ist ein vergrößerter Längsschnitt des oberen Teils des Brennstoffstabes zur Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.

Figuren 3 - 5

sind vergrößerte Längsschnittansxchten zur" Veranschaulichung anderer Ausführungsformen der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen typischen Brennstab 11 mit einem länglichen Umkleidungsrohr 12. Das Rohr 12 ist aus einem Material hergestellt, welches für die Verwendung in einem Kernreaktor geeignet ist, beispielsweise rostfreier Stahl, Zirkon oder ähnliches. Dabei wird Zirkon als Material bevorzugt wegen seines geringen Neutroneneinfangquerschnittes. Die Enden des Umkleidungsrohrs 12 sind durch obere und untere Endstopfen 13 und 14 verschlossen, welche durch Schweißen oder eine andere Methode des Verschmelzens mit dem Rohr 12 verbunden sind, um das Eintreten von Kühlmittel-Moderator und das Austreten von Spaltprodukten zu verhindern.

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In Innern des Umkleidungsrohrs 12 ist eine Säule von Kernbrennstoff l6 enthalten, beispielsweise Uran oder Plutoniumdioxyd, welches in der Form von Tabletten vorliegen kann, die mit den Enden aufeinander in das Rohr eingesetzt sind. Das Umkleidungsrohr 12 ist nicht vollständig mit Brennstoff angefüllt. Zwischen dem Brennstoff l6 und dem oberen Endstopfen 13 ist ein Raum oder Sammelraum 17 vorgesehen, der frei von Kernbrennstoff ist und zum Sammeln der Spaltproduktgase dient, die während des Reaktorbetriebes erzeugt werden, und weiterhin eine thermische Ausdehnung der Brennstoffsäule gestattet. Das Volumen des Sammelraums wird groß genug gehalten, um die während der Lebenszeit des Brennstoffes im Reaktorkern erwartungsgemäß freigesetzten Spaltproduktgase w - einem vernünftigen Druck aufzunehmen.

Um die Brennstoffsäule 16 in ihrer richtigen Lage, besonders während der Handhabung und des Transports, festzulegen, ist in dem Sammelraum 17 eine Haltefeder 18 vorgesehen, welche zwischen dem oberen Ende der Brennstoffsäule l6 und dem oberen Endstopfen 13 zusammengepreßt ist. Die Haltefeder l8 ist aus einem geeigneten Federmaterial gebildet (beispielsweise Inconel-X, Stahl oder ähnliches) und besitzt einen äußeren Durchmesser, der etwas geringer ist als der Innendurchmesser des Umklexdungsrohrs 12, so daß die Haltefeder l8 keinen umfangsmäßigen Druck auf das ümkleidungsrohr ausübt.

Um eine Verunreinigung der Schweißstelle zwischen dem Endstopfen 13 und dem Ümkleidungsrohr 12 durch das Material der Haltefeder gemäß der vorstehenden Erörterung zu verhindern, wird erfindungsgemäß ein Trennteil 19 vorgesehen und am oberen Ende der Feder l8 so befestigt, daß er sich zum Kontakt mit dem Endstopfen 13 erstreckt und dadurch den Kontakt zwischen der Haltefeder 18 und dem Endstopfen 13 verhindert. Vorzugsweise werden mehrere Windungen 21 am Ende der Feder 18 eng gewickelt, um die Befestigung des Trennteils 19 zu begünstigen. Das Trennteil I9 ist aus einem Material hergestellt, welches mit dem Material des Endstopfens 13 und des Umklei-dungsrohrs 12 kompatibel ist. Das heißt, es wird ein Material verwendet, welches entweder eine höhere Schmelztem-

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peratur als das Material des Endstopfens und des Umkleidungsrohrs besitzt oder mit diesen Materialien keine eutektische Legierung bildet und/oder ein Material, welches im Falle eines Aufsehmelzens und Vermischens mit der Schweißstelle des Endstopfens und des Umkleidungsrohrs keine Verunreinigung, oder schädliche Wirkung dort bewirkt. Materialien wie Nichrom, Zirkon, Titan und Wolfram sind geeignet. Das Material Zirkon wird dabei bevorzugt, wenn der Endstopfen und das UmkIeidungsrohr ebenfalls aus Zirkon hergestellt sind.

Das Trennteil 19 kann verschiedenartige bestimmte Formen einnehmen und einige Ausgestaltungen sind in den Figuren 3-5 abgebildet. Eine Ausführungsform eines Trennteils 19(1) gemäß der Darstellung in Figur 2 besitzt die Form einer Wendelspule, welche zusammenpassend mit den enggewickelten Endwindungen 21 der Haltefeder 18 ausgestaltet und dadurch an diesen befestigt ist. Die Wendelspule oder Spiralspule des Teils 19(1) kann über ihre ganze Länge eng gewickelt sein oder gemäß der Darstellung kann der zusammenpassende Teil 22 eng gewickelt sein und der herausragende Teil 23 kann mit größerem Windungs ab stand gestaltet sein. Um zu gewährleisten, daß das Teil 19(1) in dem Ende der Feder 18 fest angebracht ist, ist der Außendurchmesser des Teils 19(1) vorzugsweise geringfügig größer als der Innendurchmesser der eng gewundenen Endwindungen 21 der Feder 18.

Eine andere" "Aus führungs form eines Trennteils 19(2) gemäß der Darstellung in Figur 3 besitzt die Form eines geformten Stopfens mit einem Kontaktende 31 mit eng begrenztem Kontaktbereich, benachbart zum Stopfen 13· Weiterhin ist noch ein schirmförmiges Teil 32 mit ausreichendem Durchmesser vorgesehen, um das Ende der Haltefeder 18 zu überlappen, und ein Schaftteil 33, das in die Endwindungen 21 der Haltefeder 18 einführbar Ist. Das Schaftteil 33 kann mit einer Spiralnut oder Wendelnut ausgebildet werden, welche mit den Sndwindungen 21 zusammenpaßt_s so daß dieses Teil dorteingeschraubt werden kann, Der Schaft 33 besitzt vorteilhafterweiae einen geringfügig größeren Durchmesser als de? Ijrm@ncUir-on~ messer dar Endwir. limgen 21. Dadurch "jjird ÜS2? Schaft fesi- -_si'-%'.^z±^"

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fen und das Teil 19(2) wird während der Handhabung der Anordnung fest an der Feder 18 gehalten.

Eine weitere Ausführungsform eines Trennteils ist in Figur 4 als Trennteil 19(3) gezeigt. Das Teil 19(3) umfaßt ein Stück dünnwandiges Rohr. Dieses ist mit einem unteren Teil 41 ausgestaltet, welcher einen solchen Durchmesser besitzt, daß er bei der Einführung in einem festen Eingriff mit den Endwindungen 21 der Haltefeder 18 ist, und weist weiterhin einen nach außen ragenden oder vorgewölbten Teil 42 zum Sitz auf der Feder 18 auf zur Begrenzung der Einführungstiefe und einen oberen Teil 43 zum Kontakt mit dem Endstopfen 13. Der untere Teil 41 kann durch ein Drückverfahren mit einer Wendelnut ausgestaltet werden, welche an die Endwindungen 21 angepaßt ist.

Eine weitere Ausführungsform eines Trennteils ist in Figur 5 abgebildet und ist ein Trennteil 19(4) mit einer Form entsprechend einer umgekehrten Tasse. Das Teil 19(¹I) ist mit einer Vielzahl von am Umkreis angebrachten federnden Fingern 51 ausgestaltet, welche zum Eingriff mit den Endwindungen 21 der Haltefeder 18 eingeführt werden. Weiterhin besitzt es einen Ansatz 52 für die Herstellung des Sitzes oben auf der Feder 18 und einen mittleren vorstehenden Teil 53, welcher einen Kontakt an einer begrenzten Fläche mit dem Endstopfen 13 ergibt. Vorstehend wurde ein Trennteil beschrieben, das an dem Ende einer Sammelraumfeder eines Brennstabes befestigt ist zur Verhinderung eines Kontaktes zwischen der Sammelraumfeder und dem Endstopfen des Brennstabes.

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Claims

Patentansprüche

Kernreaktor-Brennelement mit einem Rohr, Endstopfen zum Verschließen der Enden des Rohrs und einer in einem Teil des Rohrs angeordneten Säule von Kernbrennstoff zur Bildung eines Sammelraums benachbart zu einem der Endstopfen, welcher frei von Kernbrennstoff ist, wobei dieser Endstopfen eine Oberfläche im Innern des Rohrs besitzt, gekennzeichnet durch eine Haltefeder (18), welche sich durch den Sammelraum (17) so erstreckt, daß ein Ende benachbart zur Brennstoffsäule (16) ist und das andere Ende vor der Oberfläche des Endstopfens (13) endet, sowie ein Trennteil (19)* das aus einer Wendelspule gebildet ist mit einer Vielzahl von Windungen, die einpassend in eine Vielzahl von Windungen (21) des anderen Endes der Haltefeder (18) gestaltet sind, und sich bis zu der Oberfläche des einen Endstopfens (13) erstreckt, wobei das Trennteil (19) aus einem anderen Material als die Haltefeder gebildet ist.
2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Trennteil (19) aus einem Material ähnlich dem Material des einen Endstopfens (13) hergestellt ist.
3'. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Trennteil (19)» der eine Endstopfen (13) und das Rohr (12) aus ähnlichen Materialien hergestellt sind.
4. Brennelement nach An_spruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ineinanderpassenden Windungen des Trennteils (19) und der Haltefeder (18) eng gewickelt sind.

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5. Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Wendelfeder des Trennteils (19) zwischen dem anderen Ende der Haltefeder (18) und der Oberfläche des Endstopfens (13) mit Abstand gewickelt sind.
6. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelspule oder Spiralspule aus einem Draht gebildet ist, der als Hauptbestandteil Zirkon enthält.

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