DE2600316B2

DE2600316B2 - Kernbrennstoffanordnung und verfahren zu ihrer verwendung

Info

Publication number: DE2600316B2
Application number: DE19762600316
Authority: DE
Inventors: Kenichi Hitachi Shmbo Katsutoshi Katsuta Watahiki Mmoru Hitachi Ibaraki Itoh (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-01-08
Filing date: 1976-01-07
Publication date: 1977-09-08
Also published as: DE2600316C3; JPS5527320B2; JPS5179894A; DE2600316A1; US4119489A

Description

Eine Kernbrennstoffanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus den DT-OS 20 40 415 und 22 47 685 bekannt. Bei diesen bekannten Anordnungen haben die die einzelnen Brennelement-Bündel umgebenden Hülsen eine Lebensdauer von höchstens 50 01)0 bis 60 000 Stunden. Nach Ablauf ihrer jeweiligen Lebenszeit werden die Hülsen entfernt und durch neue ersetzt. Die gebrauchten Hülsen werden als radioaktiver Abfall beseitigt.

Die begrenzte Lebensdauer der einzelnen Hülse beruht auf der Tatsache, daß sie sich im Laufe ihrer Benutzung infolge des Druckunterschiedes zwischen dem Innern der Hülse und ihrer Außenseite deformiert. Innerhalb der Hülse strömt nämlich ein Hochdruck-Kühlmittel zur Kühlung der Brennelemente, so daß die Hülse; stets einem nach außen gerichteten Druck unterworfen ist. Die daraus resultierende Deformation wird durch die Wärme und Strahlung gefördert, wobei das Ausmaß der Deformation im unteren Bereich der Hülse: größer ist, an der Spitze und am Boden der Hülse dagegen kleiner.

Eines der schwierigsten, auf der Deformation der Hülse: beruhenden Probleme besteht darin, daß der zwischen benachbarten Hülsen vorhandene Zwischenraum, in dem sich die Steuerstäbe bewegen, enger wird, bis es schließlich unmöglich wird, die Arbeitsweise des Kernreaktors mit Hilfe der Steuerstäbe zu steuern. Ein weiteres mit der Deformation verbundenes Problem besteht darin, daß durch die Deformation an der Verbindungsstelle zwischen der Hülse und der unteren Ankerplatte Öffnungen hervorgerufen werden, durch die das in der Hülse strömende Kühlmittel austreten kann, so daß keine wirksame Kühlung der Brennelemente mehr erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Benützungsdauer der die einzelnen Brennelement-Bündel umgebenden Hülsen zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Danach läßt sich die Hülse nach einer vorgegebenen Verweilzeit im Kern derart umdrehen, daß die Deformationen über die gesamte Länge der Hülse vergleichmäßigt werden. Daher wird der Zeitpunkt, zu dem die Deformationen am einer bestimmten Stelle schließlich unzulässig werden, hinausgezögert; mit anderen Worten wird die Benützungsdauer der einzelnen Hülse verlängert.

Ein wichtiger Vorteil, der sich aus der verlängerten Lebensdauer der Hülsen ergibt, besteht darin, daß die Menge an radioaktivem Abfall pro Zeiteinheit verringert wird.

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

Fig. I eine schcinatische, teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffanordnung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Brennstoffanordnung nach F i g. I,

Fig.) einen vergrößerten Längsschnitt durch das

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obere Ende der Brennstoffanordnung gemäß der I inie HI-III nach Fig.2,

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

Fig.5 ein Diagramm, in dem die Deformation der Hülse über dem Abstand vom unterer Ende der Hülse aufgetragen ist.

Die in Fig. I gezeigte typische Brennst ;ffanordnung besteh« aus einer an den Enden völlig oftenen rohrförmigen Hülse IC, Brennelementen 11, einer unteren Ankerplatte 12, einer oberen Ankerplatte 13 und Brennelemcnt-Abstandshaltern 14. Die Hülse 10 hat im wesentlichen quadratischen Querschnitt. Innerhalb der Hülse 10 ist eine Vielzahl von Brennelemente !1 gebündelt, die durch mehrere Abstandshalter 14 in relativem Abstand voneinander gehalten werden. Das untere Ende der Brennelemente U 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. Dis untere Ende der Hülse 10 isl 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 Gewindeansalze 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 SO tragen, nachdem sie über das Bündel von Brennelementen eingeführt worden isl. Das Federelement 19 und der Stopper 18 sind mittels eines Bolzens an dem Gewindeansatz 17 befestigt.

Die Hülse 10 is; 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-Abstandshaiter 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.

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 F i g. 1 gezeigten Zustand befindet, während die unteren Löcher 23 benutzt werden, wenn die Hülse 10 in umgekehrter Richtung auf das Bündel der Brennelemente ti aufgesteckt ist.

Die Ausdehnung der Hülse 10 in Längsrichtung wird von einem unteren Abstand aufgenommen, der zwischen dem unteren Ende der Hülse 2(i und einem Flanschteil 31 der unteren Ankerplatte 12 besteht, sowie vor einem oberen Abstand, der zwischen dem oberer. Ende des Gewindeansatzes i7 und dem oberen Ende der Hülse JO vorhanden ist.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Draufsicht sind die Brennelemente ί 5 in Aussparungen 28 der gitterartigen oberen Ankerplatte Π eingeschraubt und jeweils mit einer Mutter 24 gebaliert. Die oberen 1 lülscn-Ansiantts- '¹^ halter H sind >>emiiß Fig. 2 an der Linieren und an der linken Seite des oberen Teils der Hülv '.0 ,ingenieti.'l, wahrend die nuteten Hülsen-AlistandskHiei· 24 an der oberen und der fechten Seite des unteren Teils der Hülse 10 angenietet sind. Das Ftderelement 19 ist an der unteren linken Ecke der Hülse 10 mit Hilfe des Bolzens 20 an dem Gewindeansatz 17 angeschraubt.

F i g. 3 zeigt Einzelheiten des Federelements 19. Die Blattfeder des Federelements 19 weist einen nach außen und einen nach innen verlaufenden Abschnitt auf. Wird von der benachbarten Hülse eine Belastung ausgeübt, so wird das Federelement IS zusammengedrückt. Die Zusammendrückung des Federelements 19 wird durch einen Vorsprung 30 an dem Stopper 18 begrenzt, der zwischen dem Gewindeansatz 27 und dein Federelement 19 montiert ist. Die seitliche Bewegung der Hülse wird durch die obere Ankerplatte 13 und den Stopper 18 begrenzt.

Fig.4 zeigt ein Werkzeug zum Herausziehen und Einsetzen der Hülse. Der Abstand zwischen den Vorsprüngen 41 wird durch Verdrehen einer an einem Schaft 42 vorgesehenen Schraube 43 verstellt, und die Vorsprünge werden 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 Arbeitsschritte erforderlich. Als erstes wird nämlich die Hülse 10 von der Brennstoffanordnung entfernt; als zweites wird die herausgezogene Hülse umgedreht; und ais drittes wird die umgedrehte Hülse wieder über die Brennstoffanordniing geschoben.

Dieser Umkehrvorgang wird im Reuktorbad 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 JO 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 Brennstoffanordnung gesteckt. Das Federelement 19 und der Stopper 18 werden mit Hilfe des Bolzens 20 wieder befestigt.

1st 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 180° zu verdrehen, um den Abstand für die Bewegung des Steuerstabes zu definieren.

F i g. 5 veranschaulicht das Ausmaß der Deformation der Hülse, wobei Abstandsmessungen zwischen entgegengesetzten Seiten der Hülse 10 an verschiedenen Steilen zwischen dem unteren und dem oberen Hülsenende vorgenommen worden sind. Mit gestrichelten Linien sind Meßergebnisse bei konventioneller Verwendung der Hülse nach 10(K)O, WOOO, 50 000 und bOOOO Stunden geneigt. Die ausgezogene Linie gibt das Meßcrgebnii·. an ei'rjr Hülse nach W)(XK) Stunden erfiniiiiiigsgeinlißer Benutzung wieder, wobei die Hülse JOiWO Stunden lang in einem Zustand und .V) 000 im umgekehrten Zustand verwendet worden ist. Als f'.i i'ebnis '!er Kiiindung ist die Deformation der Hülse vernüjUTi und ihre Lebensdauer verlängert worden.

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Es ist zweckmäßig, die Hülse in bestimmten Intervallen wiederholt unizudrehen. Wie oben erläutert, beträgt die Umkehrperiode 30 000 Stunden; bei einer derartigen Periode nimmt die Lebensdauer der Hülse um 30% zu. Je kurzer das Umkehrintervall gewählt wird, desto !anger 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 befindlic Brennstoffanordnung herausgezogen, umgedreht
über eine im Randbereich des Reaktorkerns befindli Brennstoffanordnung geschoben wird. Bei einer deii gen Umkehr mit zyklischer Vertauschung der Lage Hülse läßt sich deren Lebensdauer weiter verläng Zweckmäßig ist es obendrein, die Umkehrung gleich lig mit der periodischen Inspektion der Brennclemt vorzunehmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffanordnung, bei der jeweils eine Vielzahl von rohrförmigen Brennelementen in festen Abständen voneinander zu einem Brennele- S ment-BUndel gruppenweise zusammengefaßt ist, mit einer am oberen Ende des Brennelement-Bündels angeordneten oberen Ankerplatte zur Halterung dieses oberen Endes, einer am unteren Ende des Brennelement-Bündels vorgesehenen unteren Ankerplatte zur Unterstützung dieses unteren Endes, sowie einer rohrförmigen Hülse mit im wesentlichen quadratischen Querschnitt, die das Bündel von zusammengefaßten Brennelementen umschließt und zur Bildung des nuklearen Reaktorkerns in einem Reaktorgefäß fixiert ist, wobei diese Hülse an ihren Enden vollständig offen ist und an ihren Enden von der oberen und der unteren Ankerplatte gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Hülse (10) derart symmetrisch gestalte, ist, daß sie, nach einer vorgegebenen Verweilzeit im Kern, umgekehrt, d. h. unter Vertauschung von oben mit unten, über das Brennelement-Bündel schiebbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) derart symmetrisch gestaltet ist, daß sie nach Umkehrung und Drehung um 180° um ihre Längsachse wieder die gleiche Position in bezug auf die ihr benachbarten Hülsen (10) einnimmt, wie vor ihrer Umkehrung und Drehung.

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) an dem gegenüberliegenden Paar von aneinanderstoßenden Seiten am unteren Teil der Hülse (10) befestigt sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Ankerplatte (13) mit einer Federeinrichtung (19) versehen ist, die zwischen der Hülse (10) und benachbarten Hülsen (10) einen Abstand bildet und die Hülse (10) gegenüber der Brennstoffanordnung fixiert.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß 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 (10) nach einer vorgegebenen Verweilzeit aus der Brennstoffanordnung 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 (10) beim Umdrehen um 180° um ihre Längsachse verdreht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder /, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer in einem mittleren Teil des Reaktorkerns befindlichen Brennstoffen-Ordnung abgezogene Hülse (10) auf eine in einem äußeren Bereich des Reaktorkerns befindliche Brennstoffanordnung aufgesteckt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) in vorgegebenen Intervallen wiederholt umgedreht wird.