DE2739580A1

DE2739580A1 - Brennstab fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE2739580A1
Application number: DE19772739580
Authority: DE
Inventors: Leonard T Gesinski
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-09-21
Filing date: 1977-09-02
Publication date: 1978-03-23
Also published as: JPS5537719B2; JPS5338891A; IT1086149B; DE2739580C2; ES462373A1; FR2365181A1; FR2365181B3; US4080253A

Description

dig.B. HOLZEH

niumii-nuu· nuui μ β·ΟΟ ΑΓΟ8ΒΠΒΟ

nuroi ·ι·4»·

SSSSOa

-3- 273958Ü

W. 879

Augsburg« den 30· August 1977

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building» Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Brennstab für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft einen Brennstab für Kernreaktoren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs·

Bei den gegenwärtig in Betrieb befindlichen Kernreaktoren liegt der Kernbrennstoff in verschiedenartiger geometrischer Porm vor, wobei Brennstäbe die häufigste Form darstellen.

Bei Brennstäben befindet sich der Kernbrennstoff in langgestreckten Brennstabhüllen mit kreisrundem Querschnitt, die an ihren Enden gasdicht abgeschlossen sind.

809812/0670

übliche Werkstoffe für Brennstabhüllen sind Zirkonium und seine Legierungen, rostfreier Stahl, Aluminium und seine Legierungen und Niob. Der Kernbrennstoff befindet sich typischerweise in Form fester gesinterter Tabletten etwa zylindrischer Form in den Brenne tab hü Ilen· Als Brennstoff finden verschiedene Materialien Anwendung, beispielsweise Uranverbindungen wie Urandioxid, Plutoniumverbindungen wie Plutoniumdioxid, Thoriumverbindungen und Gemische der genannten Stoffe. Die Brennstofftabletten sind axial aufeinander in den Brennstabhüllen gestapelt, wobei ein Brennstab typischerweise etwa 272 Brennstofftabletten enthalten kann.

Es hat sich auch als wünschenswert erwiesen, innerhalb der Brennstäbe einen Leerraum vorzusehen, um der Entstehung von gasförmigen Spaltprodukten und anderen, während des Reaktorbetriebs aus den Brennstofftabletten freigesetzten Gasen Rechnung zu tragen· üblicherweise liegt dieser Leerraum im oberen Teil der Brennstäbe über den Brennstofftabletten. Um die Möglichkeit einer Beschädigung der Brennstofftabletten während des Transports und des Einbaus der Brennstäbe in einen Reaktorkern herabzusetzen, ist gewöhnlich in dem oberen Leerraum eine Niederhaltevorrichtung wie beispielsweise eine Schrauben-

809812/0670

feder untergebracht. Derartige Niederhaltevorrichtungen können auch zur Beschränkung der axialen Beweglichkeit des Brennstofftablettenstapels während des Reaktorbetriebs Anwendung finden.

Die im Betrieb mit derartigen Brennstäben gewonnene Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die Anwendung lediglich dieser Niederhaltevorrichtungen nicht ausreicht, um die Brennstofftabletten des gesamten Tablettenstapels in ihrer Axiallage zu fixieren. Es sind Schäden an Brennstäben aufgetreten, in denen sich zwischen einzelnen Brennstofftabletten im Tablettenstapel Zwischenräume gebildet haben· Diese Erscheinung wird als Brennstoffverdichtung bezeichnet, da sich herausgestellt hat, daß die Brennetofftabletten dazu neigen, sich unter Verringerung ihrer ursprünglichen Abmessungen zu verdichten, wodurch Verlagerungen innerhalb der Brennstabhülle möglich werden. Eine gegebene Brennstofftablette kann beispielsweise verkanten und an einer gegebenen Stelle in der Brennstabhülle steckenbleiben, während sich darunter befindliche Tabletten insgesamt absenken. Die Bildung eines Spaltes zwischen benachbarten Brennstofftabletten durch die Brennstoffverlagerung bringt nicht nur Probleme hinsichtlich der Leistungsverteilung und der Leistungssteuerung mit sich, sondern kann auch

809812/0670

zu örtlichem Eindrücken der BrennstabhüHe aufgrund des auf sie einwirkenden hohen äußeren Druckes führen.

Die meisten Versuche zur Beherrschung dieser Probleme setzen beim Herstellungsverfahren der Brennstofftabletten an. Dabei sind verschiedene Schritte unternommen worden, um die Brennstofftabletten mit einer Dichte herzustellen, die mehr als bisher der theoretischen Dichte entspricht. Es ist jedoch wünschenswert, wie es in der Reaktorindustrie allgemein gehandhabt wird, redundante Mittel zur Herabsetzung der Möglichkeit des Auftretens schädlicher Einflüsse zu schaffen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lagesicherung der Brennstofftabletten in der BrennstabhOlle auch bei Verdichtung der Brennstofftabletten sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Vorzugsweise sind die dehnbaren Elemente etwa C-förmige Federn, die von Haltegliedern anfänglich zusammengedrückt gehalten werden, um während der Brenn-

809812/0670

-7- 2739B80

Stabherstellung ein einfaches Einsetzen in die Brennstabhüllen zu ermöglichen. Bei einem Temperaturansteig auf einen vorgegebenen Wert läßt die Spannwirkung der Halteglieder auf die Federn nach, so daß sich die Federn in Anlage an die Innenwandfläche der Brennstabhülle aus* spreizen können und aufgrund der sich einstellenden Reibkräfte in ihrer Lage fixiert werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert· Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung

eines Kernbrennelements,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines

Brennstabs des in Fig. 1 gezeigten Brennelements,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine bevorzugte

Ausführungsform eines Lagesicherungselements nach der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV

in Fig. 3.

809812/0670

Pig. 5 eine Draufsicht einer weiteren Aus

führungsform eines Lagesieherungselements,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI

in Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht einer noch weiteren

Ausführungsform eines Lagesicherungselements, und

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Fig. 1 zeigt ein typisches Kernbrennelement 10. Eine Vielzahl derartiger Brennelemente bildet den Reaktorkern eines Kernreaktors. Durch den Reaktorkern wird ein Kühlmittel zirkuliert, um die nachher zum Antrieb eines Turbogeneratorsystems verwendete Wärmeenergie abzuführen. Jedes Brennelement 10 weist eine Vielzahl von Brennstäben 12 auf, die zwischen einem oberen Mundstück 14 und einem unteren Mundstück 16 sowie längs ihrer Länge durch Haltegitter 18 gehaltert sind. Die Haltegitter 18 dienen zur Beibehaltung der richtigen seitlichen Lage der Brennstäbe 12, wobei sie axiale Dehnungen zulassen, und

809812/0670

stellen auch die Berührungepunkte zwischen benachbarten Brennelementen her. Außerdem weist das Brennelement 10 eine einschiebbare Steuerstabanordnung 20 auf.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Form einen typischen Brennstab 12. Dieser Brennstab besitzt eine Brennstabhülle 22 mit Endkappen 26, weiter in der Brennstabhülle angeordnete Brennstofftabletten 24 und eine in einem oberen Leerraum 28 innerhalb der Brennst ab hü He angeordnete Niederhaltevorrichtung 30. Außerdem ist in dem Brennstab ein Lageeicherungselement 32 dargestellt, das später noch im einzelnen beschrieben wird. Gemäß der Darstellung ist eine Vielzahl von Brennstofftabletten 2M mit typischerweise zylindrischer Form in der im Querschnitt kreisrunden Brennstabhülle 22 gestapelt, die mittels der Endkappen 26 gasdicht abgeschlossen ist· Zwischen den Brennstofftabletten und der Brennstabhülle 22 ist ein Ringspalt vorgesehen, un das Einführen der Brennstofftabletten und den Durchtritt von Gasen zu ermöglichen und ein unerwünschtes Verklemmen zwischen Brennstofftabletten und Brennstabhülle zu vermeiden· Der obere Leerraum 28 dient zur Aufnahme von freigesetzten gasförmigen Spaltprodukten und anderen Gasen, die sonst einen unerwünschten Druckaufbau innerhalb des Brennstabs hervorrufen könnten. Die Niederhaltevorrichtung 30 ist

809812/0670

eine Schraubenfeder, welche zur Beibehaltung der Axiallage der Brennstofftabletten 2k beiträgt. Die im Betrieb gewonnene Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die Brennstofftabletten 24 bei hohen Temperaturen und unter der Bestrahlung trotzdem zu Verlagerungen innerhalb der Brennstabhülle neigen, was zu möglichen schädlichen Einflüssen einschließlich schlechter örtlicher Leistungsverteilung und zum örtlichen Eindrücken der Brennstabhülle führen kann.

Zur Lösung dieses Problems dienen Lagesicherungselemente 32, die an gewählten Stellen innerhalb des Brennstabs angeordnet werden, um die Brennstofftabletten 24 in ihrer Lage zu sichern.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Lagesicherungselements 32 ist in den Pig. 3 und 4 gezeigt. Das Lagesicherungselement besieht aus zwei Komponenten, nämlich einer Feder 36 und einem Halteglied 38. Die Feder 36 hat eine im ausgespreizten Zustand der Innenwand der Brennstabhülle 22 entsprechende Form und ist so bemessen, daß sie in zusammengedrücktem Zustand in die Brennstabhülle eingesetzt werden kann. Das Halteglied 38 hält die Feder während der Brennstabherstellung zusammengedrückt und spricht auf eine bestimmte Temperatur derart an, daß es

809812/0670

seine Haltewirkung verliert und die Feder 36 sich in Anlage an die Brennstabhülle 22 ausspreizen kann, wonach sie aufgrund der sich einstellenden Reibkräfte in ihrer Lage fixiert ist. Die Feder 36 hat eine etwa C-förmige Gestalt und an jedem Ende ihrer C-Form einen nach innen ragenden Flansch ¹IO. Sie besteht aus einem mit der Brennstabhülle 22 und der BrennstabUmgebung verträglichen Material, das eine minimale Neutronenabsorption aufweist und seine Federeigenschaft auch noch bei Temperatüren im Bereich von 550 C oder darüber aufrechterhält. Außerdem sollte die in Fig. 4 mit A bezeichnete Höhe der Feder ausreichend groß sein, um den erforderlichen Reibwiderstand zu erhalten, ohne daß die Brennstabhülle 22 örtlich verformt wird, jedoch sollte diese Abmessung trotzdem so klein sein, daß die zwischen den Brennstofftabletten angeordnete Feder die Leistungsverteilung nicht wesentlich verändert. Das Lagesicherungselement 32 kann auch unmittelbar über dem oberen Ende des Tablettenstapels im Leerraum 28 angeordnet sein, wo eine größere Höhe einen geringeren Einfluß auf die Leistungsverteilung hat. Die sich an die Innenwandfläche der Brennstabhülle anlegende Außenfläche der Feder kann glatt oder zwecks Vergrößerung der Reibung aufgerauht sein.

Das Halteglied 38 ist an den beiden Flanschen 40 809812/0670

^JSÜBS.

befestigt, so daß es die Feder anfänglich in zusammengedrücktem Zustand hält. Das Halteglied ist derart angebracht, daß sich seine Haltekraft bei einer bestimmten Temperatur, vorzugsweise bei etwa 260 C verringert. Dieses Nachlassen der Haltekraft kann durch Herstellen des Halteglieds 38 aus temperaturempfindlichem Werkstoff erzielt werden, dessen Festigkeit sich bei erhöhter Temperatur verringert, oder das einen entsprechenden Wärmedehnungskoeffizienten besitzt. Alternativ dazu kann die Befestigung temperaturempfindlich ausgebildet werden, beispielsweise als Schweißnaht 42, die bei erhöhten Temperaturen ihren Zusammenhalt verliert. Die erstere Möglichkeit ist jedoch zu bevorzugen, da eine Herabsetzung der Festigkeit der Schweißnaht oder der sonstigen Befestigung eine Vorzeitige unerwünschte Trennung der beiden Teile zur Folge haben könnte. Als typische Werkstoffe können für die Feder 36 eine Nickelbasislegierung wie beispielsweise Inconel und für das Halteglied 38 Kohlenstoffstahl oder temperaturempfindlicher rostfreier Stahl Anwendung finden. Der Außendurchmesser der C-förmigen Feder 36 ist so bemessen, daß diese sich innerhalb der Brennstabhülle ausspreizen und an deren Wandung anlegen kann, wobei ihre Größe typischerweise im Bereich von 10 mm liegt. Die Höhe eines zwischen Brennstofftabletten eingesetzten Lagesicherungselements sollte nicht kleiner

809812/0670

als etwa 3 mm und nicht größer als etwa 9 mm sein. Ein im Leerraum 28 oder unterhalb des Tablettenstapels angeordnetes Lagesicherungselement 32 kann dagegen eine größere Höhe besitzen. Die Höhenabmessung des Halteglieds ist kleiner oder gleich der Höhe der Feder 36. Die Dicke der Feder 36 kann im Bereich von 0,5 mm liegen. Vorzugsweise werden die Lagesicherungselemente an solchen Stellen innerhalb des Brennstabs angeordnet, an denen eine Schwächung des Neutronenflusses und der Leistung herrscht, beispielsweise an den Stellen der Haltegitter. Bei einer derartigen Anordnung können etwa sieben Lagesicherungselemente 32 längs der Länge eines typischen Brennstabs untergebracht werden, der eine Länge im Bereich von etwa 4 m besitzt. Um die Lage der Brennstofftabletten in derartigen Brennstäben zu sichern, sollten die Lagesicherungselemente jeweils eine etwa symmetrisch verteilte Kraft zwischen 20 kp und 40 kp auf die Brenn st ab hü He ausüben. Es ist hier zu bemerken, daß das Lagesicherungselement 32 vorzugsweise nur einmal seinen zusammengedrückten Zustand einnehmen soll, nämlich vor dem ersten Temperaturanstieg auf den genannten bestimmten Wert. Danach soll das Lagesicherungselement ausgedehnt bleiben. Deshalb kann des Halteglied 38 sich ausdehnen und dann seine Wirksamkeit verlieren, wodurch seine Haltekraft auf die Feder vers chwindet·

809812/0670

- m- 2739S80

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß zahlreiche abgewandelte Ausfuhrungsmöglichkeiten eines Lagesicherungselements 32 Anwendung finden können. Zwei mit 32a und 32b bezeichnete Abwandlungsmöglichkeiten sind in den Fig. 5 bis 8 gezeigt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Lagesicherungselement 32a mit einer Feder 36a ähnlich wie diejenige nach Fig. 3» die ebenfalls Flansche ¹IOa besitzt. Das Halteglied 38a umgreift hier jedoch nicht die Flansche wie bei der Anordnung nach Fig. 3, sondern durchdringt die Flansche ¹IOa in der dargestellten Weise und ist an diesen befestigt. Beispielsweise kann das Halteglied nietkopfähnliche Köpfe ¹I¹I aufweisen oder eingeschweißt sein.

Die Fig. 7 und 8 zeigen ein Lagesicherungselement 32b mit einer wiederum C-förmigen Feder 36b, die jedoch keine Flansche aufweist. Die Federenden sind beispielsweise durch Schweißungen 46 am Halteglied 38b befestigt. Das Halteglied 38b ist hier mit Kerben 48 versehen, welche die Ausdehnung des Halteglieds bei der vorgegebenen Temperatur unterstützen. Anstatt an den Federendkanten wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Halteglied 38b auch an der Federinnenseite befestigt sein, wie in Fig. 7 gestrichelt angedeutet ist.

809812/0670

Claims

Patentansprüche

Λ
£ybrennstab für Kernreaktoren, mit einer langge-

streckten, gasdicht verschlossenen Brennstabhülle und einer Vielzahl darin gestapelter Brennstofftabletten, gekennzeichnet durch eine Anzahl von innerhalb der Brennsfcabhülle (22) zwischen den Brennstofftabletten (24) angeordneten ausspreizbaren Elementen (32), die zunächst in einem zusammengedrückten Zustand gehalten werden und sich bei einem Temperaturanstieg auf einen vorgegebenen Wert so ausspreizen, daß sie sich an die Innenwandfläche der Brennstabhülle (22) anlegen und aufgrund der sich einstellenden Reibung in ihrer Lage fixiert werden.
2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausspreizbaren Elemente (32) Federn mit etwa C-förmiger Gestalt sind, deren Enden durch Halteglieder (38) miteinander verbunden sind, welch letztere die Federn (32) zunächst in zusammengedrücktem Zustand halten und sich bei einem Tem>eraturanstieg so ausdehnen, daß sich die Federn ausspreizen und an die Innenwandfläche der Brennstabhülle anlegen können.
3. Brennstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Federenden nach innen ragende Flanschen (40)

809812/0670

ORIGINAL IMSPECtED

-2- 2 7 3 B b 8 Ü

gebildet sind, an denen die Halteglieder (40) befestigt sind.
4. Brennstab nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteglieder (38) so ausgebildet sind, daß sie bein Erreichen des genannten vorgegebenen Temperaturwert s unwirksam werden, so daß die Federn sich in Anlage an die Brennstabhülle (22) ausspreizen können.

809812/0670