DE2543191A1

DE2543191A1 - Kernbrennstoffbuendel

Info

Publication number: DE2543191A1
Application number: DE19752543191
Authority: DE
Inventors: James Lloyd Lass; Bart Alan Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1975-09-27
Publication date: 1976-04-15
Also published as: JPS5160891A; SE406831B; IT1042892B; JPS5829480B2; ES440475A1; FR2286475A1; SE7510897L

Description

In einer bekannten Bauform eines Kernreaktors ist der Reaktorkern heterogen. D.h. der Kern umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffbündeln, die vertikal mit Abstand untereinander angeordnet sind und den Kernreaktorkern bilden, der zur sich selbst unterhaltenden Kernspaltungsreaktxon fähig ist. Der Kern ist in einem Druckgefäß enthalten und dort in eine Arbeitsflüssigkeit eingetaucht, beispielsweise leichtes Wasser, das sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient. Eine Vielzahl von Steuerstäben enthalten neutronenabsorbierendes Material und können selektiv zwischen die Brennstoffbündel eingeschoben^, werden, um die Reaktivität des Kerns zu steuern. Ein solches

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Reaktorsystem ist mit weiteren Einzelheiten beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 3 382 153 dargestellt.

Jedes Brennstoffbündel umfaßt einen rohrförmigen Strömungskanal, der eine Anordnung von länglichen verkleideten Brennelementen oder Brennstoffstäben enthält, die zwischen oberen und unteren Ankerplatten gehaltert sind. Die Brennstoffbündel werden in dem Druckgefäß zwischen einer oberen Gitterplatte und einer unteren Gitterplatte gehalten. An der unteren Ankerplatte jedes Brennstoffbündels ist ein Nasenstück gebildet, das in eine öffnung in der Gitterplatte des Kerns paßt. Das Nasenstück ist mit öffnungen gebildet, durch welche das unter Druck stehende Kühlmittel nach oben durch die Strömungskanäle des Brennstoffbündeis strömt, um Wärme von den Brennelementen abzuführen. Ein typisches Brennstoffbündel dieser Art zeigt beispielsweise die US-Patentschrift Nr. 3 ¹Ol 170.

Wegen der Wasserzwischenräume zwischen den Brennstoffbündeln, der Verteilung uid der Lage der Steuerstäbe und anderer Paktoren ist der Neutronenfluß und damit die Leistungsdichte im Kern eines heterogenen Reaktors nicht gleichförmig - noch nicht einmal im Inneren eines einzelnen Brennstoffbündels. In praktischer Hinsicht ist die Ausgangsleistung eines Kernreaktors begrenzt durch die Temperaturgrenzen für den Brennstab bei dem Spitzenwert der Leistung in dem Kern. Um die Ausgangsleistung des Kerns' (und jedes Brennstoffbündels) auf ein Maximum zu bringen, ist es erwünscht, das Verhältnis der Spitzenleistung zum Durchschnittswert der Leistung auf ein Minimum zu bringen, d.h. es ist erwünscht, die Schwankungen der Leistungsdichte "abzuflachen" (zu begradigen). (Dieses Problem wird mit weiteren Einzelheiten beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 3 1^7 erörtert,)

Es wurden verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen, um eine solche Begradigung der Leistung in einem Brennstoffbündel zu

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bewerkstelligen. Ein sehr bekanntes Verfahren besteht darin, in geeigneter Weise den Anreicherungsgrad des Ausgangsbrennstoffes im Brennstoffbündel zu variieren. In der Praxis wird dies dadurch erreicht, daß jeder Brennstab mit Brennstoffpillen eines solchen Anreicherungsgrades beschickt wird, welcher für die Lage des Brennstabes im Brennstoffbündel angemessen ist.

Der Betrieb von bekannten Leistungskernreaktoren beruht auf dem Konzept eines Betriebszyklus . D.h. der Reaktorbetrieb wird periodisch zur Neubeladung mit Brennstoff unterbrochen, um die notwendige Reaktivität wieder herzustellen. Vom Gesichtspunkt der Brennstoffbeschickung oder Neubesc—hickung des Reaktorkerns mit Brennstoff ist das herausnehmbare Brennstoffbündel die grundlegende austauschbare Teileinheit des Brennstoffkerns. Gemäß bekannten Methoden wird bei jeder Neubeschickung mit Brennstoff nur ein Bruchteil, beispielsweise 20 bis 30 %, der Brennstoffbündel ausgetauscht. Daher enthält der Brennstoff kern zu jedem gegebenen Zeitpunkt Brennstoffbündel mit verschiedener Zeitdauer der Brennstoffabreicherung. Der Grad der Brennstoffabreicherung für jedes Brennstoffbündel ist abhängig von seiner Verweilzeit. Daher hängt der erforderliche Anreicherungsgrad des für die Neubeschickung verwendeten Brennstoffs nicht nur von der erwarteten Lage des Brennstoffbündels im Kern, sondern auch von dem Gesamtanreicherungsgrad ab, welcher dem Kern zugefügt werden muß, um die erwünschte Größe der überschußreaktivität zu erhalten.

Im Idealfalle würde der für die Neubeschickung verwendete Brennstoff auf der Basis von Betriebsdaten für den Kern bis zum Zeitpunkt der Abschaltung für die Neube3chickung des Reaktors mit Brennstoff ausgelegt werden. Auf praktische Weise ist dies jedoch nicht möglich wegen der Vorlaufzeit, welche für die Herstellung des BrennstoffbundeIs benötigt wird und wegen der Tatsache, daß die Abschaltung für die Neubeschickung mit Brennstoff nur für eine möglichst kurze Z- axt erfolgen soll.

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Es ist daher in höchstem Maße erwünscht, die Vorlaufzeit für die Herstellung zu verringern und eine Flexibilität bei der Auswahl des Anreicherungsgrades eines ßrennstabes zu schaffen zur besseren Anpassung der Kerneigenschaften des für die Neubeschickung verwendeten Brennstoffes an die Erfordernisse des Kerns.

Um eine Sicherheit gegen die Einsetzung von Brennstäben mit hohem Anreicherungsgrad im Brennstoffbündel an einem falschen Platz zu schaffen, sind Einrichtungen vorgesehen, um das Einsetzen von Brennstäben mit hohem Anreicherungsgrad an Plätze für Brennstäbe mit niedrigem Anreicherungsgrad im Brennstoffbündel zu verhindern. In einem bekannten Verfahren werden die Schäfte der Endstopfen von Brennstäben mit hoher Anreicherung mit einem größeren Durchmesser ausgeführt als die zugehörigen Aufnahmeöffnungen in der Ankerplatte des Brennstoffbündels. Hierdurch wird eine Einfügung von Brennstäben hoher Anreicherung in die Aufnahmeöffnung der Plätze für Brennstäbe mit niedriger Anreicherung verhindert, da diese einen kleineren Durchmesser besitzen.

Das festgelegte Verteilungsmuster der Bohrungen der Aufnahmelöcher in der Ankerplatte des Brennstoffbündels bildet ein ernsthaftes Hindernis bei der gewünschten Verminderung der Vorlaufzeit bei der Herstellung von Brennstoffbündeln und zur gewünschten Flexibilität in der Auswahl bestimmter Anreicherungsgrade der Brennstäbe zum letztmöglichen Zeitpunkt, der noch konsistent ist mit der Verfügbarkeit der zusammengebauten Brennstoffbündel zum Zeitpunkt der Abschaltung des Reaktors für die Neubeschickung mit Brennstoff.

Die Verbesserung nach der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, daß alle Aufnahmeöffnungen für Brennstäbe in der Ankerplatte auf einen einzigen vorbestimmten Durchmesser gebohrt werden. Beim Zusammenbau des Brennstoffbündels werden diese Aufnahmeöffnungen mit vorgebohrten Hülsen ausgestattet, welche ausgewählte Innendurchmesser besitzen, und zwar in einem Verteilungsmuster, das angemessen ist der gewünschten Verteilung des Anreicherungsgrades.

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Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 ist eine schematische Draufsicht einer Zelle eines Kernreaktorkerns mit vier Brennstoffbündeln.

Figur 2 ist eine Ansicht teilweise im Längsschnitt von einem Kernbrennstoffbündel.

Figur 3 ist eine Teilschnittansicht der oberen Ankerplatte des Brennstoffbündels nach Figur 2.

Figur 4 A ist eine Schnittansicht durch die obere Ankerplatte entlang der Schnittlinie 4-4 der Figur 3·

Figur 4 B ist eine Tabelle und zeigt die Brennstoffanreicherungsverteilung in einem repräsentativen Brennstoffbündel und beispielhafte Durchmesser für die Schäfte als Index für den Anreicherungsgrad des Brennstabes und für die zugehörigen Ankerplattenhülsen.

Figuren 5 A, B und C sind perspektivische Ansichten von alternativen Ausführungsformen der Hohlräume in den Ankerplatten und der eingesetzten Hülsen oder Buchsen.

In einer bekannten Brennstoffanordnung für den Kern eines Kernreaktors (mit weiteren Einzelheiten beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 3 382 153 beschrieben) ist der Kern in Gruppen oder Zellen von vier beabstandeten austauschbaren Brennstoffbündeln aufgebaut, die jeweils einen kreuzförmigen Steuerstab umgeben, wobei eine Anzahl solcher Zellen in einem etwa rechtwinkeligen Zylinder zur Bildung des Brennstoffkerns angeordnet sind.

Eine repräsentative Zelle eines solchen Kerns gemäß der Darstellung in Figur 1 umfaßt vier Brennstoffbündel 20, die einen Steuerstab 11 umgeben, wobei die Ecken 12 der Brennstoffbündel benachbart sind zu dem Steuerstab 11.

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Kin typisches Brennstoffbündel 20 ist in der Ansicht nach Figur 2 dargestellt j Das Brennstoffbündel 20 umfaßt eine Vielzahl von Brennelementen oder Brennstäben 21, die zwischen einer durchbrochenen oberen Ankerplatte 22 und einer durchbrochenen unteren Ankerplatte 23 gehalten werden. Die Brennstäbe 21 durchsetzen eine Vielzahl von Abstandshaltern 2k für die Brennstäbe, die eine Zwischenhalterung ergeben, um die länglichen Brennstäbe in ihrer Abstandslage zu halten und sie an einer seitlichen Vibration zu hindern.

Jeder der Brennstäbe 21 ist aus einem länglichen Rohr gebildet, das spaltbares Material und andere Materialien enthält, beispielsweise brütbares Material, aufbrennbares Gift, inertes Material oder ähnliches, wobei das Material in dem Rohr durch obere und untere Endstopfen 26 und 27 eingeschlossen ist. Die unteren Endstopfen 27 sind mit Verlängerungen oder Schäften zur Festlegung der Lage und Halterung der Brennstäbe in Aufnahmehohlräumen 29 ausgestattet, welche in der unteren Ankerplatte 23 gebildet sind. In ähnlicher Weise sind die oberen Endstopfen 26 mit Verlängerungen oder Schäften 30 zur Festlegung der Lage und Halterung der Brennstäbe in Aufnahmehohlräume 31 in der oberen Ankerplatte ausgestattet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jeder der Aufnahmehohlräume 31 in der oberen Ankerplatte 22 (mit Ausnahme des weiter unten erwähnten Wasserrohrs) mit Übergröße auf einen vorgegebenen Standarddurchmesser gebohrt und jeder Hohlraum 31 wird mit einer Hülse 32 ausgestattet, wobei jede der Hülsen 32 einen Innendurchmesser besitzt, der an den Innendurchmesser des Schaftes 30 eines Brennstabes angepaßt ist, der einen Anreicherungsgrad besitz-t, welcher angemessen ist für die Lage dieses Brennstabes, wie dies noch im einzelnen nachstehend ausführlich erläutert wird.

Um eine zusätzliche Moderation im mittleren Teil des Brennstoffbündels zu erhalten, enthält das dargestellte Brennstoffbündel «21 einen Wasserstab oder ein Wasserrohr Ul, das einen der Brennstäbe

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in einem zentralen Brennstabplatz ersetzt. Der Wasserstab 41 ist mit Endstopfen ausgestattet und in dem Bündel in ähnlicher Weise wie ein Brennstab 21 befestigt mit der Ausnahme, daß er keinen Brennstoff enthält und öffnungen besitzt, um den Durchfluß des Kühlmittels und Moderators Wasser durch den Stab zu gestatten. Weiterhin ist der Wasserstab mit Ansätzen 45 oder anderen Mitteln zur Festlegung der Abstandshalter gebildet, um die Abstandshalter an einer axialen Verschiebung zu hindern. Diese Wasserstabanordnung wird mit weiteren Einzelheiten in der US-Patentschrift Nr. 3 802 995 beschrieben.

Mehrere der Aufnahmehohlräume 29 in der unteren Ankerplatte 2 3 (beispielsweise zwei solcher Hohlräume entlang jeder Seite) sind mit Gewinde gebildet, um Verankerungsbrennstäbe aufzunehmen, welche mit Gewinde ausgestattete untere Schäfte 28¹ besitzen. Die oberen Schäfte 30' dieser gleichen Brennstäbe sind so verlängert, daß sie durch ihre Aufnahmehohlräume in der oberen Ankerplatte 22 hindurchragen und sind mit Gewindegängen ausgestattet zur Aufnahme von Haltemuttern 33. Eine Spiralfeder 34 wird auf den Schaft 30 jedes der Brennstäbe zwischen dem oberen Ende des Brennstabes und der unteren Oberfläche der oberen Ankerplatte 22 eingefügt. In dieser Weise bilden die oberen und unteren Ankerplatten und die Stäbe eine einheitliche Struktur.

Das Brennstoffbündel 20 enthält weiterhin einen dünnwandigen rohrförmigen Strömungskanal 35 mit praktisch rechteckigem Querschnitt, der solche Abmessungen besitzt, daß er gleitend über die oberen und unteren Ankerplatten 22 und 23 und über die Abstandshalter 24 paßt, so daß der Kanal 34 leicht angebracht und entfernt werden kann. Am oberen Ende des Strömungskanals 35 ist ein Ansatz 36 befestigt, mit dem der Kanal zusammen mit einer Feder und Anschlaganordnung 37 an einer Stütze 38 der oberen Ankerplatte 2 durch eine Schraube 39 befestigt ist. Ein Bügel 42 ist an der oberen Ankerplatte 22 befestigt und ist vorgesehen zur Handhabung des Brennst off bunde Is.

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Die untere Ankerplatte 23 ist mit einem Nasenstück 43 ausgebildet, das zur Halterung des Brennstoffbündels 20 in einem Sockel oder in einer Halterung im Kern (nicht gezeigt) in dem Druckgefäß eines Reaktors eingerichtet ist. Das Ende dieses Nasenstücks ist mit Öffnungen 44 versehen, um das unter Druck stehende Kühlmittel einzulassen und es nach oben zwischen die ßrennstäbe 21 zu leiten.

Die Figur 3 zeigt eineTeilschnittansicht der oberen Ankerplatte 22 zur besseren Darstellung der Aufnahmehohlräume oder Öffnungen 31 und der Hülsen 32.

Die Figur 4 A ist eine Schnittansicht der oberen Ankerplatte 22 entlang der Linie 4-4 der Figur 3 und die Figur 4 B ist eine Tabelle und zeigt eine repräsentative Anreicherungsverteilung und die entsprechenden passenden Durchmesser der Schäfte und der Hülsen 32.

Die Ecke der oberen Ankerplatte, welche benachbart zum Steuerstab 11 ist (Figur 1), ist durch die Bezugsziffer 12 bezeichnet. Wie bereits zuvor erwähnt, wird die Neutronenflußverteilung quer zu den Brennstoffbündeln durch den Steuerstab beeinflußt und durch die Dicke der Durchlaßkanäle für den Moderator Wasser zwischen den Brennstoffbündeln und der Anreicherungsgrad wird so ausgewählt, daß der Neutronenfluß begradigt wird und damit Leistungsspitzen in dem Brennstoffbündel auf ein Minimum gebracht werden. In dem. Beispiel nach den Figuren 4 A und 4 B werden vier verschiedene Anreicherungsgrade verwendet, und es ist zu beachten, daß die Durchmesser der Schäfte 30 gestuft sind, wobei Schäfte mit dem größten Durchmesser für den Brennstoff mit dem höchsten Anreicherungsgrad (in den Stellungen A) bis zu Schäften mit dem kleinsten Durchmesser für den niedrigsten Anreicherungsgrad des Brennstoffs vorgesehen sind (in den Stellungen D). Daher verhindert diese Anordnung das Einsetzen von Brennstäben mit höherem Anreicherungsgrad in die Plätze für Brennstäbe mit niedrigerem Anreicherungsgrad und verhindert damit die Möglichkeit einer übermäßigen Ausbildung von Leistungsspitzen, welche durch eine irrtümliche Platzwahl der Brennstoffstäbe auftreten könnten. (Diese

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Anordnung vernindert nicht das Einsetzen von Brennstäben mit niedrigem Anreicherungsgrad in Plätze mit nohem Anreicherungsgrad. Dies bildet jedoch kein ernsthaftes Problem. Ein solches Fehleinsetzen von Stäben mit niedrigem Anreicherungsgrad würde lediglich die Leistungsabgabe des Bündels verringern.)

ils ist zu beachten, daß keine xlülse für die Stellung W für den Wasserstab benötigt wird, da dessen Platz im Brennstoffbündel standardisiert werden kann.

Die Hohlräume 31 können mit Hülsen 32 mit mehreren bestimmten alternativen Formen ausgestattet werden, für welche Beispiele in den Figuren 5 A bis 5 C abgebildet sind. In Figur 5 A ist eine Hülse 321 mit Kreisringform anliegend an einem Ansatz 51, der in einem Hohlraum 311 gebildet ist. Die Hülse 321 kann in dem xlohlraum 311 beispielsweise durch Festsitz, durch Heftschweißverbin-dungj wie bei 52 gezeigt, oder durch Anstauchen der unteren Kante des Hohlraums 311 gegen die vorzugsweise abgeschrägte untere äußere Kante der Hülse 321 gehalten werden, wie dies bei 53 gezeigt ist.

In Figur 5 B sind eine Hülse 322 und ein Hohlraum 312 mit zueinanderpasssenden Gewindegängen gebildet.

In Figur 5 C ist eine Hülse 323 mit einem Ansatz 5^ in eine Bohrung 313 mit konstantem Durchmesser eingesetzt. Die Hülse kann an ihrem Platz durch Festsitz oder Passung mit Übermaß oder durch eine Heftschweißung gehalten werden. (Es ist zu beachten, daß nach dem Zusammenbau des Brennstoffbündels die Federn J>M (Figur 2) an den Hülsen anliegen und ein Verschieben der Hülsen 32 verhindern.)

as wurde daher vorstehend ein Brennstoffbündel beschrieben, das eine Ankerplatte mit Hülsen zur Festlegung des Anreieherungsgrads besitzt und die Herstellung und Lagerhaltung von vorgebohrten Ankerplatten und die Lagerhaltung einer Vielzahl von relativ billigen Hülsen gestattet, um dadurch die Vorlaufzeit für

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die Herstellung des Brennstoffbündels zu verringern, so daß der Brennstoffanreicherungsgrad auf der Basis einer Information über den Reaktorbetrieb zu einem späteren Zeitpunkt ausgewählt werden kann, um auf diese Weise eine bessere Anpassung an die Erfordernisse des neu mit Brennstoff zu beschickenden Kerns zu gestatten.

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Patentansprüche

1. Brennstoffbündel zur Verwendung mit einer Vielzahl von Brennstoffbündeln in einem Reaktorkern, dadurch gekennzeichnet , daß das Brennstoffbündel umfaßt: eine Vielzahl von länglichen Brennstäben (21), die zwischen beabstandeten oberen und unteren Ankerplatten (22) und (23) gehaltert sind und Brennstoffhalterungseinrichtungen (24) zum Eingriff mit den Brennstäben (21) und zur Festlegung der Brennstäbe in einer beabstandeten Anordnung besitzen, wobei das obere Ende jedes Brennstabes (21) mit einem verlängerten Schaft (30) mit einem Durchmesser gebildet ist, der kleiner ist als der Durchmesser des Brennstabes zum Eingriff mit der Halterungseinrichtung der oberen Ankerplatte (22) und der Durchmesser des Schaftes (30) jedes Brennstabes (21) eindeutig dem Anreicherungsgrad des im Stab enthaltenen Brennstoffes entspricht, wobei die Brennstoffhalterungseinrichtung der oberen Ankerplatte (22) Hohlräume (31) mit gleichartigem Durchmesser umfaßt und jeder dieser Hohlräume mit einer Hülse (32) zur Durchmesserverringerung ausgestattet ist und die jeweiligen Innendurchmesser der Hülsen (32) zur Aufnahme entsprechender Schäfte (30) mit passendem Durchmesser der Brennstäbe gewählt sind, wodurch man eine Festlegung des Anreicherungsgrades in einer gewünschten Anreicherungsverteilung der Brennstäbe in dem Brennstoffbündel erhält.

2. Brennstoffbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schäfte (30) der Brennstäbe (21), welche Brennstoff mit einem gegebenen Anreicherungsgrad enthalten, einen größeren Durchmesser besitzen als die Schäfte von solchen Brennstäben, die Brennstoff mit einem niedrigeren Anreicherungsgrad enthalten.

3. Brennstoffbündel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein Brennstab (21) ein durchgängig hohles Rohr (¹Il) ist, das mit einer Öffnung zum Durchfluß von Kühlmittel durch dasselbe gebildet ist.

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¹I. Brennstoffbündel nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein Abstandsstück (24) zwischen den Ankerplatten (22, 23) angeordnet ist zur seitlichen Halterung der Stäbe und Einrichtungen (45) zur Festlegung der Abstandsstücke an dem Hohlrohr (41) befestigt sind.

5. Brennstoffbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß Hülsen (321) eine Kreisringform besitzen und an Ansätzen (51) in den Hohlräumen (311) anliegen.

6. Brennstoffbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen mit Ansätzen ausgestattet sind, welche an einer unteren Oberfläche der oberen Ankerplatte (22) anliegen.

7. Brennstoffbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülsen (322) und die Hohlräume mit aufeinanderpassenden Gewindei ausgestattet sind.

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