DE69009114T2 - Schutzvorrichtung für das untere Endteil einer Kernbrennstabhülle. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kernbrennelemente und betrifft mehr im einzelnen eine Vorrichtung in Form einer Hülse zum Schutz eines unteren Endteils einer Kernbrennstabhülle gegen durch Teilchen verursachte Scheuerschäden.
• Während der Herstellung und des nachfolgenden Einbaus sowie bei der Reparatur von Komponenten eines Kernreaktor-Kühlmittelzirkulationssystems werden großen Anstrengungen gemacht, um die Entfernung aller Teilchen aus dem Reaktorbehälter und der zugehörigen Systeme sicherzustellen, die Kühlmittel unter verschiedenen Betriebsbedingungen hindurchzirkulieren. Obwohl ausgefeilte Verfahren ausgeführt werden, um die Teilchenbeseitigung sicherzustellen, zeigt die Erfahrung, daß trotz der angewendeten Sicherheitsmaßnahmen zur Bewirkung einer solchen Entfernung einige Späne und Metallpartikel noch in den Systemen verborgen bleiben. Die meisten dieser Teilchen bestehen aus Metalldrehspänen, die wahrscheinlich nach einer Reparatur oder einem Austausch eines Dampferzeugers im Primärsystem zurückbleiben.
• Im einzelnen ist in mehreren Reaktoren in vergangenen Jahren eine Brennelementbeschädigung aufgrund von im untersten Gitter verfangenen Teilchen beobachtet worden. Die Teilchen treten aus den Kühlmittelströmungsöffnungen in der unteren Kerntragplatte in die Strömungsbohrungen des Brennelementenfußstücks ein, wenn die Anlage angefahren wird. Die Teilchen neigen dazu, sich im untersten Stützgitter des Brennelements innerhalb der Zwischenräume zwischen den eierkistenartig geformten Zellenwänden des Gitters und den unteren Endteilen der Brennstabrohre zu verfangen. Das strömende Kühlmittel bewirkt ein Wirbeln der Teilchen, die dann dazu neigen, sich durch die Brennstabhülle hindurchzuschleifen. Der Schaden besteht also in Perforationen der Brennstabhülle, die durch Scheuern von Teilchen in Berührung mit dem Äußeren des Brennstabs verursacht werden.
• Ein grundsätzlicher Ansatz zur Lösung dieses Problems von teilcheninduzierten Schäden an Brennstäben bestand in der Schaffung eines Teilchenfilters bzw. einer Teilchenfalle im Bereich des Fußstücks des Brennelements. Obwohl gewisse Konstruktionen von Teilchenfiltern einen beträchtlichen Prozentsatz der Teilchen daran hindern, den Bereich des untersten Gitters zu erreichen, gelangen immer noch einige Teilchen hindurch und können Scheuerschäden verursachen.
• Folglich besteht immer noch ein Bedarf für einen neuen Versuch zur Vermeidung von teilcheninduzierten Schäden von Kernbrennstäben. Der neue Ansatz muß mit der vorhandenen Konstruktion und Arbeitsweise der Komponenten des Reaktors kompatibel sein, muß während des gesamten Betriebszyklus des Reaktors wirksam sein, und muß mindestens einen Gesamtvorteil bringen, der die dadurch beim Reaktor verursachten Zusatzkosten aufwiegt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung für Kernbrennstabhüllen zu schaffen, die im Hinblick auf eine Befriedigung der oben erwähnten Bedürfnisse ausgelegt ist. Der Ansatz nach der vorliegenden Erfindung erfordert kein Ausfiltern oder Einfangen von Teilchen, sondern umfaßt vielmehr den Schutz der Oberflächen der Brennstabhüllen in den kritischen Bereichen, wo Scheuerschäden ein Problem durch Berührung mit den Teilchen darstellen. Insbesondere schützt die Schutzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung den unteren Endteil der Brennstabhülle gegen beschädigende Berührung mit Teilchen, die in dem aufwärts strömenden Kühlmittelstrom durch die Gitterzelle mitgeführt werden.
• Die Schutzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird in einem Kernbrennelement eines Kernreaktors mit einem entlang einer aufwärts gerichteten Kühlmittelströmung durch das Brennelement verlaufenden Brennstab und einem quer zu der aufwärts gerichteten Kühlmittelströmung verlaufenden Gitter eingesetzt. Das Gitter weist eine Zelle auf, die einen Teil der aufwärts gerichteten Kühlmitteldurchströmung vom unteren Ende zum oberen Ende der Zelle aufnimmt. Der Brennstab weist eine rohrförmige Hülle mit einem unteren Endteil auf, der durch die Gitterzelle von ihrem oberen Ende nach unten hindurch an ihrem unteren Ende vorbei zu einem mit Abstand unterhalb des unteren Zellenendes liegenden unteren Ende der Hülle verläuft.
• Die Schutzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat die Form einer hohlen Ummantelung bzw. Hülse, die um den unteren Endteil der Brennstabhülle herum verläuft und gleiche Ausdehnung hat, um diese vor einer Berührung mit in dem aufwärts gerichteten Kühlmittelstrom mitgeführten Teilchen zu schützen und dadurch ein Durchscheuern des unteren Endteils zu vermeiden. Mehr im einzelnen weist die Hülse einen oberen Teil auf, der durch die Gitterzelle zwischen deren unterem und oberen Ende hindurch verläuft, und einen unteren Teil, der nach unterhalb der Gitterzelle von derem unterem Ende zum unteren Ende der Brennstabhülle verläuft. Der obere Teil der Hülse weist darin gebildete, umfangsmäßig beabstandete und axial verlaufende Schlitze auf, die ein Vorspringen von brennstabergreifenden Elementen an den Zellenwänden durch die Schlitze hindurch und in Anlage mit dem unteren Endteil der durch die Zelle hindurchverlaufenden Brennstabhülle ermöglichen.
• Des weiteren ist die Hülse vom unteren Endteil der Brennstabhülle getrennt und an der Gitterzelle befestigt, beispielsweise durch Hartlöten oder Schweißen. Der Brennstab weist einen am unteren Ende der Hülle befestigten unteren Endstopfen auf, und die Hülse weist eine Unterkante auf, die sich in Höhe des unteren Endes der Hülle befindet, so daß der untere Endstopfen des Brennstabs sich unterhalb der Unterkante der Hülse erstreckt. Außerdem befindet sich der obere Rand der Hülse in Höhe des oberen Endes der Gitterzelle.
• Vorzugsweise hat die Hülse eine Wanddicke, die größer als die Wanddicke der Brennstabhülle ist. Zusätzlich hat die Hülse eine größere Materialhärte als die Materialhärte der Brennstabhülle.
• Die Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform deutlicher hervor, die lediglich beispielshalber in den anliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in welchen zeigt:
• Fig. 1 eine Seitenansicht mit teilweise geschnittenen und der Klarheit halber abgebrochenen Teilen eines Kernbrennelements mit Scheuerschutzvorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 2 eine vergrößerte Teildraufsicht eines der Brennelementstützgitter des Brennelements nach Fig. 1, beispielsweise des untersten der Gitter,
• Fig. 3 einen Teilaxialschnitt des Gitters längs der Linie 3-3 in Fig. 2,
• Fig. 4 einen weiteren Teilaxialschnitt des Gitters längs der Linie 4-4 in Fig. 2,
• Fig. 5 eine Teildraufsicht ähnlich derjenigen nach Fig. 2, wobei aber die Schutzvorrichtung und der Brennstab in einer Gitterzelle eingebaut sind,
• Fig. 6 einen Teilaxialschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 5,
• Fig. 7 eine vergrößerte Seitenansicht der Schutzvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung an sich,
• Fig. 8 einen Querschnitt der Schutzvorrichtung längs der Linie 8-8 in Fig. 7,
• Fig. 9 eine Seitenansicht des unteren Endteils des Brennelements nach Fig. 1, wobei bis auf einige wenige Komponenten alles weggelassen ist.
Grundsätzliches:
• Es wird nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen, wo eine Ansicht eines Kernreaktorbrennelements in vertikal verkürzter Form dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet ist. Das Brennelement 10 weist grundsätzlich ein unteres Endstück bzw. Fußstück 12 zum Abstützen des Brennelements auf der unteren Kerntragplatte (nicht dargestellt) im Kernbereich eines Reaktors (nicht dargestellt) und eine Anzahl längs verlaufender Führungsrohre 14 auf, die vom Fußstück 12 nach oben verlaufen. Das Brennelement 10 weist weiter eine Mehrzahl von Quergittern 16 mit axialen Abständen entlang der Führungsrohre 14 und eine organisierte Anordnung länglicher Brennstäbe 18 auf, die Querabstände haben und von den Gittern 16 abgestützt sind. Außerdem weist das Brennelement 10 ein in seiner Mitte angeordnetes Instrumentierungsrohr 20 und ein oberes Endstück bzw. Kopfstück 22 auf, das abnehmbar an den oberen Enden der Führungsrohre 14 befestigt ist. Bei dieser Anordnung der Bauteile bildet das Brennelement 10 eine integrale Einheit, die in herkömmlicher Weise ohne Beschädigung der elementen Bauteile gehandhabt werden kann.
• Wie oben erwähnt, werden die Brennstäbe 18 in ihrer Anordnung dem Brennelement 10 mit gegenseitigen Abständen durch die Gitter 16 gehalten, die entlang der Brennelementenlänge mit Abständen angeordnet sind. Jeder Brennstab 18 weist eine äüßere rohrförmige Hülle 23 auf, die eine Vielzahl von Kernbrennstofftabletten 24 enthält und an ihren beiden Enden durch einen oberen und einen unteren Endstopfen 26, 28 zum gasdichten Abschließen des Brennstabs verschlossen ist. Üblicherweise ist eine Endkammerfeder 30 zwischen dem oberen Endstopfen 26 und den Tabletten 24 eingesetzt, um die Tabletten in festgepackter Anordnung innerhalb des Brennstabs 10 zu halten. Die aus spaltbarem Material bestehenden Brennstofftabletten 24 sind für die Erzeugung der reaktiven Leistung im Kernreaktor verantwortlich. Ein flüssiges Kühlmittel wie beispielsweise Wasser oder borhaltiges Wasser wird nach oben durch die Brennelemente des Reaktorkerns hindurchgepumpt, um darin erzeugte Wärme zur Erzeugung von Nutzarbeit abzuführen. Zur Steuerung des Spaltvorgangs ist eine Anzahl von Steuerstäben 32 hin und her verschiebbar in den Führungsrohren 14 an vorgegebenen Positionen in dem Brennstab 10 angeordnet. Im einzelnen enthält das Kopfstück 22 einen Stabbündelsteuermechanismus 34 mit einem mit Innengewinde versehenen zylindrischen Bauteil 36 mit einer Mehrzahl von radial abstehenden Speichen oder Armen 38. Jeder Arm 38 ist mit einem Steuerstab 32 derart verbunden, daß der Steuermechanismus 34 im Sinne einer vertikalen Bewegung der Steuerstäbe 32 in den Führungsrohren 14 betätigbar ist, um dadurch den Spaltvorgang in dem Brennelement 10 zu steuern, was alles in bekannter Weise erfolgt.
• Wie oben erwähnt, ist in den vergangenen Jahren in mehreren Reaktoren eine Brennstabbeschädigung aufgrund von im untersten Gitter 16A der Gitter 16 eingefangenen Teilchen festgestellt worden. Die Teilchen werden durch die Aufwärtsströmung des Kühlmittels durch das Brennelement 10 vibriert. Durch das Auftreten der Schwingung können die Teilchen ein Loch durch die Hülle 23 eines Brennstabs 18 scheuern und dessen Ausfall verursachen. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist der Schutz der Brennstabhüllen 23 an der Stelle des untersten Gitters 16A vor einem Kontakt mit den Teilchen durch Verwendung von gittermontierten Schutzvorrichtungen 40, die über die unteren Endteile 23A der Brennstabhüllen 23 verlaufen. Bevor jedoch die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, wird die Konstruktion des untersten Gitters 16A (das identisch mit den anderen Gittern ist) kurz beschrieben.
• Aus den Fig. 2 bis 4 ist ersichtlich, daß das Gitter 16A eine Vielzahl von ineinandergreifenden inneren Streifen 42 mit eierkistenartiger Konfiguration zur Bildung von mit 44 bezeichneten Zellen aufweist, von denen eine Mehrzahl jeweils einen Brennstab 18 aufnimmt und eine kleinere Anzahl jeweils ein Steuerstabführungsrohr 14 aufnimmt. Die Aufwärtsströmung des Kühlmittels durch das Brennelement 10 verläuft durch die Zellen 44 des Gitters 16A hindurch, wobei sie in ihre unteren Enden 44A eintritt und an ihren oberen Enden 44B austritt. Die Zellen 44 des Gitters 16A, welche die Brennstäbe 18 an einer um ein kurzes Stück oberhalb ihres unteren Endstopfens 28 beabstandeten axialen Stelle aufnehmen und abstützen, verwenden typischerweise relativ nachgibige Federn 46 und relativ starre Vorsprünge bzw. Noppen 48, die in dem Metall der ineinandergreifenden inneren Streifen 42 eingeformt sind, um die zum Halten der Brennstäbe erforderlichen Federkräfte zu erzeugen. Außerdem sind die inneren Streifen 42 grundsätzlich flexibel, so daß sie sich etwas ausbiegen, wenn die Brennstäbe 18 durch die Gitterzellen 44 eingesetzt werden.
• Bei der dargestellten Ausführungsform des Gitters 16A sind zwei Federn 46 an zwei benachbarten Wänden 50 jeder einen Brennstab 18 enthaltenden Zelle 44 und zwei Noppen 48 an jeder der beiden benachbarten, jeder Feder 46 gegenüberliegenden Wände 50 der Zelle gebildet. Die Federn 46 und die Noppen 48 jeder Gitterzelle 44 ergreifen bzw. berühren den betreffenden, durch die Zelle hindurchverlaufenden Brennstab 18 reibschlüssig.
• Nun wird auf die Fig. 5 bis 9 Bezug genommen, wonach jede der Scheuerschutzvorrichtungen 40 nach der vorliegenden Erfindung die Form einer hohlen rohrförmigen Ummantelung bzw. Hülse hat. Die hohle Hülse 40 ist um den unteren Endteil 23A der Brennstabhülle 23 herum angeordnet und erstreckt sich über dessen Länge, um ihn vor Berührung mit in dem aufwärts verlaufenden Kühlmittelstrom mitgeführten Teilchen zu schützen und dadurch ein Durchscheuern des unteren Endteils 23A zu vermeiden.
• Mehr im einzelnen weist die Hülse 40 einem oberen Teil 52 auf, der sich durch eine der Gitterzellen 44 zwischen deren unterem Ende 44A und oberem Ende 44B hindurch erstreckt, und einen unteren Teil 54, der vom unteren Ende 44 A der Gitterzelle 44 nach unten zum unteren Ende 23B der Brennstabhülle 23 verläuft. Der obere Teil 52 der Hülse 40 weist darin gebildete, umfangsmäßig beabstandete und axial verlaufende Schlitze 56 auf, vorzugsweise 4 an der Zahl mit gegenseitigem Versatz um 90º. Die Schlitze 56 ermöglichen ein Vorspringen der Brennstab ergreifenden Federn 46 und Noppen 48 von den Wänden 50 der Zelle 44 durch die Schlitze 56 und in Anlage mit dem unteren Endteil 23A der durch die Zelle 44 verlaufenden Brennstabhülle 23. Die Schlitze 56 im oberen Hülsenteil 52 sind am oberen Rand 40A der Hülse 40 offen. Die Hülse 40 ist vom unteren Endteil 23A der Brennstabhülle 23 getrennt. Die Hülse 40 ist im Gitter 16A montiert, in dem sie an den Gitterzellenwänden 50 befestigt ist, beispielsweise durch Hartlöten oder Schweißen.
• Wie vorstehend schon erwähnt, ist der untere Endstopfen 28 des Brennstabs 18 starr mit dem untere Ende 23B der Hülle 23 verbunden. Die Hülse 40, die sich gleichweit wie der untere Endteil 23A der Hülle 23 erstreckt, weist eine Unterkante 40B auf, die sich in Höhe des unteren Endes 23B der Hülle 23 befindet, so daß der untere Endstopfen 28 des Brennstabs 18 sich unterhalb der Unterkante 40B der Hülse 40 erstreckt, wie in den Fig. 6 und 9 sichtbar ist. In dieser Position der unteren Hülsenkante 40B mit Abstand oberhalb des Fußstücks 12 des Brennelements 10 behindert die Hülse 40 die Verteilung des aufwärts gerichteten Kühlmittelstroms aus dem Fußstück 12 nach oben entlang und zwischen den Brennstäben 18 nicht. Außerdem befindet sich der obere Rand 40A der Hülse 40 in Höhe des obere Endes 44B der Gitterzelle 44.
• Vorzugsweise hat die Hülse 40 eine Wanddicke, die größer als die Wanddicke der Brennstabhülle 23 ist, beispielsweise zweimal so groß. Zusätzlich kann die Hülse 40 aus einem Material wie beispielsweise Inconel mit einer größeren Härte als das Material der Brennstabhülle, beispielsweise Zircaloy, hergestellt sein.

Claims (8)

1. Scheuerschutzvorrichtung zum Einsatz in einem Kernbrennelement (10) eines Kernreaktors, der von einer aufwärts gerichteten Kühlmittelströmung durchströmt wird, wobei das Brennelement längliche, entlang der aufwärts gerichteten Kühlmittelströmung verlaufende Brennstäbe (18) und mindestens ein quer dazu verlaufendes Stützgitter (16) aufweist, das eine Vielzahl von Zellen (44) umfaßt, die einen Teil der aufwärts gerichteten Kühlmitteldurchströmung vom unteren Ende (44A) zum oberen Ende (44B) dieser Zellen (44) aufnehmen, und wobei jeder Brennstab (18) eine rohrförmige Hülle (23) mit einem unteren Endteil (23A) aufweist, der vom oberen Ende (44B) abwärts an dem unteren Ende (44A) vorbei zum unteren Ende (23B) des Hüllrohrs (23) verläuft, das mit Abstand unterhalb des unteren Endes (44A) der Zelle (44) gelegen ist, wobei die Scheuerschutzvorrichtung (40) gekennzeichnet ist durch:

a) eine hohle Hülse (40), die um den unteren Endteil (23A) jedes Brennstabhüllrohrs (23) verläuft und gleiche Ausdehnung wie dieser hat, um diesen gegen Berührung mit in dem nach oben gerichteten Kühlmittelstrom mitgeführten Teilchen abzuschirmen und dadurch ein Abscheuern der unteren Endteile (23) der Brennstabhüllrohre zu vermeiden,

b) wobei die Hülse (40) einen oberen Teil (52) aufweist, der durch eine Gitterzelle (44) zwischen deren unteren und oberen Enden (44A, 44B) hindurchverläuft,

c) und wobei die Hülse (40) außerdem einen unteren Teil (54) aufweist, der unterhalb der Gitterzelle (44) von deren unterem Ende (44A) bis zum unteren Ende (23B) des Brennstabhüllrohrs (23) verläuft.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (40) von dem unteren Endteil (23A) jedes Brennstabhüllrohrs (23) getrennt und an einer Zelle (44) des Gitters (16) befestigt ist.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterkante (40B) der Hülse (40) in Höhe des unteren Endes (23B) des Hullrohrs (23) verläuft, derart, daß ein an dem unteren Ende (23B) des Hüllrohrs (23) des Brennstabs (18) befestigter unterer Endstopfen (28) nach unten über die Unterkante (40B) der Hülse (40) hinaus verläuft.

4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberkante (40A) der Hülse (40) in Höhe des oberen Endes (44B) der Gitterzelle (44) gelegen ist.

5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil (52) der Hülse (40) umfangsmäßig beabstandete und axial verlaufende Schlitze (56) aufweist, durch welche an miteinander verbundenen Wänden (50) der Gitterzelle (44) angeordnete Brennstababstützelemente (46, 48) in Anlage mit dem unteren Endteil (23A) des Hüllrohrs (23) des betreffenden, durch die Zelle (44) hindurchverlaufenden Brennstabs (18) vorspringen können.

6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (56) in dem oberen Hülsenteil (52) an der Oberkante (40A) der Hülse (40) offen sind.

7. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (40) eine größere Wanddicke als die Wanddicke des Brennstabhüllrohrs (23) hat.

8. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (40) eine größere Materialhärte als die Materialhärte des Brennstabhüllrohrs (23) aufweist.