DE2600316A1

DE2600316A1 - Reaktor-brennstoffanordnung und verfahren zu ihrer benutzung

Info

Publication number: DE2600316A1
Application number: DE19762600316
Authority: DE
Inventors: Kenichi Itoh; Katsutoshi Shinbo; Minoru Watahiki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-01-08
Filing date: 1976-01-07
Publication date: 1976-09-16
Also published as: JPS5179894A; US4119489A; JPS5527320B2; DE2600316B2; DE2600316C3

Description

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SCHIFF v. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS

MÜNCHEN QO, MAFdAHlLHPLATZ 2 & 3 POSTADRESSE: D-8 MÜNCHEN 95, POSTrACH 95 O1 6O

Hitachi, Ltd. 7. Januar 1976

DA-'11964

Reaktor-Brennstoffanordmmg und Verfahren zn ihrer Benutzung

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Kernbrermctofiancrdnungen und. betrifft insbesondere ein Verfahren zur Verwendung einer ein Bündel von Brennelementen umschließenden Hülse sowie einen verbesserten Hülsenaufbau zur Verwendung bei dienern Verfahren*

In einem Kernreaktor sind die den Kernbrennstoff enthaltenden Brennelemente mit rohrförmigen Umhüllungen versehen und in festen Abständen voneinander in einer Kühlmittel-Strönungshülse als Brenn-* stoffanordnungen gruppenweise zusammengefaßt, Eine ausreichende Anzahl von BrennstoffanOrdnungen wird in einem Reaktorgefäß eingeschlossen und bildet den Reaktorkern. Die von dem Kernbrennstoff erzeugte Wärine wird dadurch entzogen, daß innerhalb der Hülse von der Unterseite der Brennelemente zu deren Oberseite hin ein Kühlmittel geleitet wird. Die Hülse besteht aus einer dünnen Platte und hat gewöhnlich eine Rohrform mit quadratischem Querschnitt, Beispiele finden sich in den US-Patentschriften 3 350 275 und. 3 338 791, die den genauen Aufbau herkömmlicher Brennstoffanordnung en zeigen.

Die Reaktion dauert an, solange in den Brennelementen genügend Spaltstoff vorliegt; die Lebensdauer der Hülse beträgt jedoch höchstens 50.000 bis 60.000 Stunden. Gewöhnlich wird die Hülse

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nach Ablauf ihrer Lebenszeit aus der Brennstoffanordnung heraus genommen, und an ihrer Stelle wird um das Bündel von Brennelementen eine neue Plülle eingesetzt. Die gebrauchten und entfernten Hülsen werden als radioaktiver Abfall beseitigt. Die verkürzte Lebensdauer der Hülse beruht auf der Tatsache, daß nach einer vier- bis sechsjährigen Benutzung der Hülse erhebliche Schwierigkeiten insofern auftreten, als die Hülse sich infolge der. Druckunterscbiedes zwischen dem Innern der Hülse und ihre Außenseite deformiert« Bei gewöhnlichem Betrieb strömt innerhalb der Hülse ein Hochdruck-Kühlmittel zur Kühlung der Brennelemente, und die Hülse ist stets einem nach außen gerichteten Druck unterworfen, der infolge des Druckunterschiedes zwischen der Innen- und der Außenseite die Hülse verformt. Die Deformation wird darüber hinaus durch die Wärme und Strahlung gefördert* Das Ausmaß öler Deformation ist dabei im unteren Bereich der Hülse größer, an der Spitze und am Boden der Hülse dagegen kleiner.

]j.LnGS der schwierigsten, mit der Verformung der Hülse verbundenen Probleme besteht darin* daß der zwischen benachbarten Hülsen bestehende Zwischenraum, in dem sich die Steuerstäbe bewegen, enger wird, so daß es schließlich unmöglich wird, die Arbeitsweise des Reaktors mit Hilfe der Steuerstäbe zu steuern.

Ein weiteres mit der Deformation verbundenes Problem besteht darin, daß durch die Verformung an der Verbindungsstelle zwischen der Hülse und der unteren Ankerplatte Öffnungen hervorgerufen werden, durch die das in der.Hülse strömende Kühlmittel ausströmen kann, so daß keine wirksame Kühlung der Brennelemente mehr erreicht wird.

Ein weiteres mit der Deformation verbundenes Problem bildet die Vermehrung von radioaktiven Abfällen infolge der kurzer anhaltenden Qualität der Hülsen, was zu einem ersten Problem im Hinblick auf die Umv/eltverschmutzung wird.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Benutzung einer Hülse für Brennstoffanord-

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nungen zu schaffen, das eine längere Benutzungsdauer der Hülse ergibt. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Hülse mit verbessertem Aufbau zu schaffen, die sich über ein Bündel von Brennelementen im umgedrehten Zustand einbauen läßt«

Erfindungsgemäß wird eine an den Enden vollständig offene rohrförmige Hülse, die ein Bündel von Bi-enneloraenten umschließt, nach einer vorgegebenen Arbeitsdauer von dem Bündel entfernt und danach wieder auf das gleiche oder ein anderes Bündel im umgedrehten Zustand aufgeschoben.

Eine KernbrennstoffanOrdnung umfaßt dabei ein Bündel von länglichen Br enne lernen tor., die vertikal in einem Reaktorgefäß angeordnet sind, ferner eine obere und eine untere Ankerplatte, die das Brenn Clement-Bund el oben und \,inten tragen, sowie eine an den Enden vollständig offene rohrförmige Hülse, die das Bündel von Brennelementen umschließt und eine Strömungsdurchführung für ein Kühlmittel bildet. Die Hülae v;ird von der oberen Ankerplatte abnehmbar getragen. Nach, einer vorgegebenen Arbeitsdauer wird die Hülse aus der Brennetoffanordnung herausgezogen, umgedreht und danach wieder hochkant über die Brennstoffanordnung eingeschoben, wodurch die Lebensdauer der Hülse verlängert wird.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsböispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht

einer erfindungsgemäOen Brennstoffanordnung; Fig. 2 eine Draufsicht auf die Brennstoffanordnung nach

Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch das obere En.de der Brennstoff anordnung gemäß der Linie III-III nach Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Werkzeugs, das zum Befestigen und Entfernen einer Hülse an. bzw. von einer Brennstoffanordnung dient; und

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Fig. 5 ein Diagramm, in dem die Deformation der Hülse

über dem Abstand vom unteren Ende der Hülse aufgetragen ist.

Die in Fig. 1 gezeigte typische Brennstoffanordnung besteht aus einer an den Enden völlig offenen rohrförmigen Hülse 1O₅. Brennelementen 11, einer unteren Ankerplatte 12, einer oberen Ankerplatte 13 und Brennelement-Abstandshaltern 14. Die Hülse 10 hat im wesentlichen quadratischen Querschnitt. Innerhalb der Hülse 10 ist eine Vielzahl von Brennelementen 11 gebündelt, die durch mehrere Abstandshalter 14 in relativem Abstand voneinander gehalten v/erden. Das untere Ende der Brennelemente 11 wird in Aussparungen 27 der unteren Ankerplatte 12 getragen, die ihrerseits sich nach unten verjüngt und von der inneren Struktur des (nicht gezeigten) Reaktors getragen wird. Das untere Ende der Hülse 10 ist auf die untere Ankerplatte 12 aufgepaßt; ebenso ist der obere Teil der Hülse 10 auf die obere Ankerplatte 13 aufgepaßt. Die obere Ankerplatte 13 weist an ihren Ecken Gewindeansätze 17 sowie einen Handgriff 16 auf. ' ■

An einer der oberen Ecken der Hülse sind ein Federelement 19 und ein Stopper 18 montiert, die die Hülse 10 tragen, nachdem sie über das Bündel von Brennelementen eingeführt worden ist. Das Federeleinent 19 und der Stopper 18 sind mittels eines Bolzens an dem Gewindeansatz 17 befestigt.

Die Hülse 10 ist mit oberen Hülsen.-Abstandshaltern 21 und unteren Hülsen-Abstandshaltern 24 versehen, die ähnlich wie das Federelement 19 dazu dienen, einen bestimmten Zwischenraum zwischen benachbarten Hülsen zu halten. Die oberen beiden Hülsen-Abstandshalter 21 sind am oberen Teil zweier benachbarter Seiten der Hülse 10, die unteren beiden Hülsen-Abstandshalter 24 am unteren Teil der anderen beiden benachbarten Seiten der Hülse 10 montiert, so daß, wenn die Hülse mit ihrem unteren Ende nach oben gekehrt und um 180° gedreht wird, die Hülsen-Abstandshalter sich wieder in der gleichen Anordnung befinden wie vorher.

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Die Hülse 10 ist ferner an ihrem oberen und unteren Teil mit Löchern 23 bzw. 22 versehen, die zur Aufnahme des in Fig. 4 gezeigten Werkzeugs dienen. Die oberen Löcher 23 werden dabei zum Entfernen und Einsetzen der Hülse 10 verwendet, wenn sich diese in dem in Fig. 1 gezeigten Zustand befindet, während die unteren Löcher 23 benutzt v/erden, wenn die Hülse 10 in umgekehrter Richtung auf das Bündel der Brennelemente 11 aufgesteckt ist.

Die Ausdehnung der Hülse 10 in Längsrichtung wird von einem unteren Abstand aufgenommen, der zwischen dem unteren Ende der Hülse 10 und einem Flanschteil 31 der unteren Ankerplatte 12 besteht, sowie von einem oberen Abstand, der zwischen dem oberen Ende des Gewindeansatzes 17 und dem oberen Ende der Hülse 10 vorhanden ist.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Draufsicht sind die Brennelemente 11 in Aussparungen 28 der gitterartigen oberen Ankerplatte 13 eingeschraubt und jeweils mit einer Mutter 25 gehaltert. Die oberen Hülsen-Abstandshalter 21 sind gemäß Fig. 2 an der unteren und an der linken Seite des oberen Teils der Hülse 10 angenietet, während die unteren Hülsen-Abstandshalter 24 an der oberen und ..der rechten Seite des unteren Teils der Hülse 10 angenietet sind. Das Federelement 19 ist an der unteren linken Ecke der Hülse 10 mit Hilfe des Bolzens 20 an dem Gewindeansatz 17 angeschraubt.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten des Federelements 19. Die Blattfeder des Federelements 19 v/eist einen nach außen und einen nach innen verlaufenden Abschnitt auf. Wird von der benachbarten Hülse eine Belastung ausgeübt, so wird das Federelement 19 zusammengedrückt. Die Zusammendrückung des Federelements 19 wird durch einen Vorsprung 30 an dem Stopper 18 begrenzt, der zwischen dem Gewindeansatz 27 und dem Federelement 19 montiert ist. Die seitliche Bewegung der Hülse wird durch die obere Ankerplatte und den Stopper 18 begrenzt.

Fig. 4 zeigt ein Werkzeug zum Herausziehen und Einsetzen der Hülse. Der Abstand zwischen den Vcrsprüngen 41 wird durch Ver-

drehen einer an einem Schaft 42 vorgesehenen Schraube 43 verstellt, und die Vorspränge v/erden in die oberen Löcher 23 bzw. die unteren Löcher 22 der Hülse 10 eingeführt. Der Schaft 42 ist mit einem Griff 44 versehen, um das Werkzeug mittels eines (nicht gezeigten) Krans zu heben.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Verwendung der Hülse sind mindestens drei Arbeitr.schritte erforderlich. Als erstes wird nämlich die Hülse 10 von der BrennstoffanOrdnung entfernt; als zweites wird die herausgezogene Hülse umgedreht; und als drittes wird die umgedrehte Hülse wieder über die Brennstoffanordnung geschoben.

Dieser Umkehrvorgang wird im Reaktorbad vorgenommen. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer wird der Bolzen 20 gelöst, und das Federelement 19 und der Stopper 18 werden entfernt, um die Hülse 10 von dem Brennstoffelement-Bündel zu trennen.

Die Vorsprünge 41 des in Fig. 4 gezeigten Werkzeugs sind so justiert, daß sie in die oberen Löcher 23 der Hülse 10 passen, um die Hülse 10 an einem in dem Reaktorbad vorgesehenen (nicht gezeigten) Kran anzuhängen. Die herausgezogene Hülse wird auf einem in dem Reaktorbad vorgesehenen Arbeitsplatz abgelegt. Das Werkzeug wird aus der Hülse 10 herausgenommen und in den 'Löchern 22 am anderen Ende der Hülse 10 wieder befestigt. Die Hülse 10 wird im senkrechten Zustand wieder von dem Kran hochgehoben und über die.Brennstoff anordnung gesteckt. Das Federelement 19 und der Stopper 18 werden mit Hilfe des Bolzens 20 wieder befestigt.

Ist die Hülse 10 mit den Hülsen-Abstandselementen versehen, wie sie etwa bei 21 und 24 gezeigt sind, so ist es bei diesem Umkehrvorgang erforderlich, die Hülse 10 nach dem Umdrehen um zu verdrehen, um den Abstand für die Bewegung des Steuerstabes zu definieren.

Fig* f? veranschaulicht das Ausmaß der Deformation der Hülse, wobei Abstandsmessungen zwischen entgegengesetzten Seiten der.Hül-

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se 10 an verschiedenen Stellen zv.^rischen dem unteren und dem oberen Hülsenende vorgenommen worden sind. Mit gestrichelten Linien sind Meßergebnisse bei konventioneller Verwendung der Hülse nach 10.000, 30.000, 50.000 und 60.000 Stunden gezeigt. Die ausgezogene Linie gibt das Meßergebnis an einer Hülse nach 60.000 Stunden erfindungsgemäßer Benutzung wieder, wobei die Hülse 30.000 Stunden lang in ein-em Zustand und 30.000 im umgekehrten Zustand verwendet worden ist. Als Ergebnis der Erfindung ist die Deformation der Hülse verringert und ihre Lebensdauer, verlängert worden.

Es ist zweckmäßig, die Hülse in bestimmten Intervallen wiederholt umzudrehen. Wie oben erläutert, beträgt die Umkehrperiode 30.000 Stunden; bei einer derartigen Periode nimmt die Lebensdauer der Hülse um 30$ zu. Je kürzer das Umkehrintervall gewählt wird, desto länger wird die Lebensdauer der Hülse. Ferner ist es nicht nur zweckmäßig, die Hülse ein und dergleichen Brennstoffanordnung umzukehren, sondern auch die gebrauchte Hülse gegen eine, andere gebrauchte Hülse auszutauschen, wobei die Hülse einer im mittleren Bereich des Reaktorkerns befindlichen BrennstoffanOrdnung herausgezogen, umgedreht und über eine im Randbereich des Reaktorkerns befindliche Brennstoffanordnung geschoben wird. Bei einer derartigen Umkehr mit zyklischer Vertauschung der Lage der Hülse läßt sich deren Lebensdauer weiter verlängern. Zweckmäßig ist es obendrein, die Umkehrung gleichzeitig mit der periodischen Inspektion der Brennelemente vorzunehmen.

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Claims

Patentansprüche

Γ1. ) Kernbrennstoffanordnung, bei der jeweils eine Vielzahl von rohrförmigen Brennelementen in festen Abständen voneinander zu einem Brennelement-Bündel gruppenweise zusammengefaßt ist, gekennzeichnet durch eine am oberen Ende des Brennelement-Bündels vorgesehene obere Ankerplatte (13) zur Unterstützung dieses oberen Endes, eine am unteren Ende des Brennelement-Bündels vorgesehene untere Ankerplatte (12) zur Unterstützung dieses unteren Endes, sowie eine rohrförmige Hülse (10) mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt, die das Bündel von zusammengefaßten Brennelementen (11) umschließt und zur Bildung des nuklearen Reaktorkerns in einem Reaktorgefäß fixiert ist, die an ihren Enden vollständig offen und vertikal symmetrisch ist und deren Enden von der oberen und der unteren Ankerplatte (13, 12) gehalten sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) um 180° gedreht symmetrisch ist. . ■
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) an ihrer Außenseite mit oberen und unteren Abstandshaltern (21, 24) zur Bildung eines Abstandes zwischen sich und benachbarten Hülsen versehen ist, wobei die oberen Abstandshalter (21) an einem Paar von aneinanderstoßenden Seiten am oberen Teil der Hülse (10) und die unteren Abstandshalter (24)

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an dem gegenüberliegenden Paar von aneinanderstoßenden Seiten am unteren Teil der Hülse befestigt sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Ankerplatte (13) mit einer Federeinrichtung (19) verseilen ist, die zwischen der Hülse (10) und benachbarten Hülsen einen Abstand bildet und die Hülse (10) gegenüber der Brennstoffanordnung fixiert.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daiB die Federeinrichtung (19) an einem an der oberen Ankerplatte (13) vorgesehenen Vorsprung (17) montiert ist und die Hülse (10) bewegbar an der oberen Ankerplatte (13) fixiert.
6. Verfahren zur Verwendung einer KernbrennstoffanOrdnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse nach einer vorgegebenen Arbeitsdauer aus der Brennstoffen Ordnung nach oben herausgezogen, umgedreht, wieder auf eine Brennstoffanordnung aufgesteckt und an der betreffenden oberen Ankerplatte fixiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse beim Umdrehen um 180° um ihre Längsachse verdreht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer in einem mittleren Teil"des Reaktorkerns befindlichen Brennstoffanordnung abgezogene Hülse auf eine in einem äußeren Bereich des Reaktorkerns befindliche BrennstoffanOrdnung aufgesteckt wird.

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- ίο - .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse in vorgegebenen Intervallen wiederholt ungedreht wird.

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