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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen
Leichtwasser-Kernreaktor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1. Ein solches Brennelement wird in der WO97/49092
beschrieben.
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Stand der Technik
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In
einem durch leichtes Wasser moderierten Kernreaktor liegt der Brennstoff
in der Form von Brennstäben
vor. Jeder Brennstab enthält
einen Stapel von Tabletten (Pellets) aus Kernbrennstoffmaterial,
welcher in einem Hüllrohr
angeordnet ist, eine Säule
mit extrudierten Brennstoffzylindern oder eine ununterbrochene Säule aus
vibrations-kompaktierten Brennstoffpulver. Das Hüllrohr besteht normalerweise
aus einer Zirkoniumlegierung. Ein Brennstoffbündel enthält eine Vielzahl von Brennstäben, die
parallel zueinander in einem bestimmten definierten normalerweise
symmetrischen Muster, einem sogenannten Gitter, angeordnet sind.
Die Brennstäbe werden
oben von einer oberen Verbundplatte und unten von einer unteren
Verbundplatte zusammengehalten. Um die Brennstäbe auf Abstand voneinander zu
halten und um zu verhindern, daß sie
sich biegen oder schwingen, wenn der Reaktor in Betrieb ist, ist eine
Anzahl von Abstandshaltern in Längsrichtung des
Brennstoffbündels
verteilt angeordnet. Ein Brennelement enthält ein oder mehrere Brennstoffbündel, von
denen sich jedes über
den Hauptteil der Länge
des Brennelements erstreckt.
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Das
Brennelement ist zusammen mit einer Vielzahl weiterer Brennelemente
in einem Kern angeordnet. Der Kern ist in Wasser getaucht, welches
sowohl als Kühlmittel
als auch als Neutronenmoderator dient.
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Während des
Betriebes strömt
Wasser von unten nach oben durch das Brennelement, wobei in einem
Siedewasser-Leichtwasserreaktor ein Teil des Wassers in Dampf übergeht.
Der Prozentsatz des Dampfes nimmt in Richtung zum oberen Ende des Brennelements
zu. Folglich besteht das Kühlmittel
im unteren Teil des Brennelements aus Wasser, während das Kühlmittel im oberen Teil des
Brennelements aus Wasser und Dampf besteht.
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Während der
Kernspaltung des Kernbrennstoffmaterials werden Spaltgase gebildet.
Außerdem dehnt
sich die Säule
aus Brennstoffmaterial, bedingt durch die im Brennstoffmaterial
erzeugte Hitze, aus. Um diesen Spaltgasen und der Wärmeausdehnung der
Säule aus
Brennstofftabletten Rechnung zu tragen, ist bei bekannten Brennstäben voller
Länge,
das heißt
bei Brennstäben
in der Größenordnung
von vier Metern Länge,
normalerweise ein relativ großer Raum,
achsialer Spalt, über
der obersten Brennstofftablette in dem Hüllrohr vorhanden. Der achsiale Spalt
hat eine Größenordnung
von 200-300 mm Länge.
Die Spaltgase können
so in diesen achsialen Spalt diffundieren, und die Säule aus
Brennstofftabletten kann sich in diesen hinein ausdehnen.
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Die
US 3.671.393 beschreibt
ein Brennelement, welches Brennstäbe enthält, von denen jeder ein Hüllrohr enthält, welches
eine Säule
aus Brennstoffmaterial enthält.
In der Säule
aus Brennstoffmaterial ist ein von dem Brennstoffmaterial getrenntes Abstandsstück angeordnet,
um die Säule
aus Brennstoffmaterial in langgestreckte Segmente zu unterteilen.
Mindestens ein Ende des Abstandsstückes ist so ausgebildet, daß es eine
geringe Bruchfestigkeit hat, wodurch es den langgestreckten Segmenten
ermöglicht
wird, sich in Längsrichtung
des Hüllrohres
durch Verformung des Abstandsstückes
auszudehnen.
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Der
oben beschriebene Unterschied zwischen dem oberen und dem unteren
Teil eines Brennelementes hinsichtlich des Kühlmittels in Gestalt von Wasser
im unteren Teil des Brennelements und in Gestalt von Dampf und Wasser
im oberen Teil des Brennelements führt zu unterschiedlichen Bedingungen,
die beim Bau des Brennelements berücksichtigt werden müssen.
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Der
Unterschied zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Brennelements
kann beispielsweise durch ein flexibles Brennelement berücksichtigt
werden, dem in einfacher Weise eine Ausführung verliehen wird, bei der
der obere Teil des Brennelements sich vom unteren Teil in der Weise
unterscheidet, daß man
optimale Bedingungen erhalten kann. Ein Brennelement für einen
Siedewasserreaktor mit diesen Eigenschaften wird in der PCT/SE95/01478 (Int.
Publ. Mr. WO 96/20483) beschrieben. Dieses Brennelement enthält eine
Vielzahl von Brennstoffeinheiten, die aufeinander gestapelt sind,
wobei jedes eine Vielzahl von Brennstäben enthält, die sich zwischen einer
oberen Verbundplatte und einer unteren Verbundplatte erstrecken.
Jede Brennstoffeinheit ist in der Größenordnung von 300-1500 mm
lang. Auch in diesem Fall muß ein
achsialer Spalt in dem Brennstoffmaterial vorgesehen werden, um
den Spaltgasen und der Wärmeausdehnung
des Brennstoffmaterials Rechnung zu tragen. Die Brennstoffeinheiten sind
von einem gemeinsamen Brennstoffkasten umgeben, der einen im wesentlichen
quadratischen Querschnitt hat. Einem Brennelement dieser Art können in
einfacher Weise im oberen und unteren Teil verschiedene Ausbildungen
verliehen werden.
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Auch
bei einem Leichtwasserreaktor des Druckwassertyps kann es zweckmäßig sein,
die Brennelemente so auszubilden, daß jedes Brennelement eine Vielzahl
von Brennstoffeinheiten enthält, die übereinander
gestapelt sind. Wie oben beschrieben, enthält dann jede Brennstoffeinheit
eine Vielzahl von Brennstäben,
die sich zwischen einer oberen Verbundplatte und einer unteren Verbundplatte
erstrecken. Ein Brennelement eines Druckwasserreaktors enthält jedoch
keinen Brennelementkasten.
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Ein
Faktor, der jedoch berücksichtigt
werden muß,
wenn man achsiale Spalte in Brennstäben voller Länge wie
auch in verkürzten
Brennstäben
vorsieht, besteht darin, daß die
Temperatur des Hüllrohres
in dem Bereich um den achsialen Spalt herum niedriger ist als in
dem Rest des Hüllrohres,
da kein spaltbares Material im achsialen Spalt vorhanden ist. Ein
Problem, welches sich daraus ergeben kann, besteht darin, daß sich Wasserstoff
bildet, unter anderem bei Korrosion des Hüllrohres, welches normalerweise
aus einer Zirkoniumlegierung besteht, von welcher der Wasserstoff
aufgenommen wird, welcher Wasserstoff in diesen kälteren Bereich
ausweicht. Falls die Konzentration des Wasserstoffes in diesem Bereich
zu hoch wird, bildet er in dem Hüllrohrmaterial
Hydride und verursacht eine Versprödung des Hüllrohrmaterials. In einem ernsthaften
Fall können sich
Löcher
in dem Hüllrohr
bilden, und spaltbares Material kann in das Kühlwasser eindringen. Die gleiche
Art von Problemen kann auch in den Bereichen zwischen längsgerichteten
Segmenten des Brennstoffmaterials auftreten, welches in der
US 3.671.393 Abstandsstücke enthält, sowie
in dem Bereich zwischen übereinander
gestapelten Brennstoffeinheiten, wie in PCT/SE95/01478. Die Gefahr
einer Versprödung
infolge einer zu hohen Konzentration an Wasserstoff steigt innerhalb
gewisser Grenzen mit der Größe des achsialen
Spalts.
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Freigesetztes
Spaltgas trägt
dazu bei, daß die
Temperatur in dem achsialen Spalt weiter fällt. Dies liegt daran, daß das Spaltgas
die thermische Leitfähigkeit
des Gases, welches sich in dem achsialen Spalt befindet, verschlechtert.
Dasselbe gilt für das
Gas, welches sich in dem Spalt zwischen dem Brennstoffmaterial und
dem Hüllrohr
befindet, wobei sich die Temperaturdifferenz zwischen der äußeren Oberfläche des
Brennstoffmaterials und der inneren Oberfläche des Hüllrohres vergrößert.
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Es
sind verschiedene Wege bekannt, um den Austritt von Spaltgasen zu
reduzieren. Einer dieser Wege besteht darin, eine der Brennstofftabletten in
einer Säule
aus Brennstoffmaterial, die in Brennstofftabletten unterteilt ist,
mit durchgehenden Löchern
in Längsrichtung
der Brennstofftabletten zu versehen. Auf diese Weise wird die Temperatur
in jeder Brennstofftablette reduziert, wodurch die Freisetzung von
Spaltgas reduziert wird und der achsiale Spalt in der Tablettensäule reduziert
werden kann. Auf diese Weise kann der achsiale Spalt auf die Größenordnung
von wenigen Millimetern in einem Stab mit einer Länge in der
Größenordnung
von 300 mm begrenzt werden, und zwar bis auf etwas 20 oder 30 mm
bei längeren
Stäben,
um die thermische Ausdehnung der Säule aus Brennstofftabletten
zu ermöglichen.
Ein Nachteil von Tabletten mit durchgehenden Löchern besteht darin, daß sie schwierig
herzustellen sind. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, achsiale Spalte
in dem spaltbaren Material anzubringen.
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Ein
anderer Faktor, der beim Entwurf achsialer Spalte in einem Brennstab
berücksichtigt
werden muß,
besteht darin, daß dort
lokale Leistungsspitzen auftreten können. Die lokalen Spitzen entstehen
dadurch, daß die
Moderation in diesem Bereich, in welchem kein spaltbares und Neutronen
absorbierendes Material vorhanden ist, sehr gut ist. Dies führt dazu, daß die Leistung
in. dem Brennstoffmaterial, welches an den achsialen Spalt angrenzt,
sehr hoch wird, das heißt,
daß dort
eine Leistungsspitze auftritt. Die Leistungsspitze steigt mit der
Größe des achsialen
Spaltes.
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Die
WO97/49092 beschreibt ein Brennelement für einen Leichtwasserreaktor.
Das Brennelement enthält
eine Vielzahl von Brennstäben,
die sich zwischen einer oberen Verbundplatte und einer unteren Verbundplatte
erstrecken. Jeder Brennstab enthält
ein Hüllrohr
mit einem ersten und einem zweiten Ende. Das Hüllrohr umgibt somit eine Säule aus spaltbarem
Material, die in eine Vielzahl von Brennstofftabletten unterteilt
ist. Zwischen zwei benachbarten Brennstofftabletten ist ein achsialer
Spalt vorhanden. Der achsiale Spalt wird mittels verformbarer und getrennter
Abstandselemente aufrecht erhalten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement
zu entwickeln mit einer Vielzahl von Brennstäben voller Länge und
eventuell verkürzten
Brennstäben
beziehungsweise ein Brennelement zu entwickeln mit einer Vielzahl
von Brennstäben
voller Länge,
welches eine Vielzahl von kurzen Brennstoffeinheiten aufweist, von
denen jede Brennstäbe
enthält,
von denen ein oder mehrere Brennstäbe mit achsialen Spalten in
dem spaltbaren Brennstoffmaterial versehen sind, mit dem Zweck einer
Minimierung von Leistungsspitzen.
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Zusammenfassung der Erfindung,
Vorteile
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch das Brennelement der eingangs definierten Art, welches die
Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 enthält.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement mit einer
Vielzahl von Brennstäben.
Jeder Brennstab enthält
eine Säule
aus spaltbarem Brennstoffmaterial, welche von einem Hüllrohr umgeben
ist. Eine Mehrzahl von achsial verteilten Spalten ist in der Säule aus
Brennstoffmaterial angeordnet zur Aufnahme von Spaltgasen, die sich
während
des Be triebes bilden, und zur Ermöglichung einer Wärmedehnung
des Brennstoffmaterials in Längsrichtung
des Hüllrohres.
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Bei
dieser Ausführung
der Erfindung ist das Kernbrennstoffmaterial in eine Vielzahl von
im wesentlichen kreiszylindrischen Tabletten unterteilt, die in
dem Hüllrohr übereinander
gestapelt sind. Das Hüllrohr
ist an jedem Ende durch einen Stopfen abgedichtet, genauer durch
einen oberen Stopfen und einen unteren Stopfen.
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Die
Mehrzahl der Tabletten in der Säule
aus Brennstoffmaterial ist an jedem Ende mit mindestens zwei Vorsprüngen aus
Brennstoffmaterial, Graphit, Metall oder einem sich von dem Brennstoffmaterial unterscheidenden
Oxyd versehen. Die Vorsprünge erstrecken
sich vom Ende der Tablette in Längsrichtung
der Tablette. Die Vorsprünge
sind vorzugsweise peripher am Tablettenende angeordnet, das heißt an einem
radial äußeren Teil
des Tablettenendes. Die Vorsprünge
sind auffallend spitz ausgebildet mit einem Querschnitt, der mit
seiner Entfernung vom Tablettenende kleiner wird. Die auffallend
zugespitzte Gestalt der Vorsprünge
zielt darauf ab zu verhindern, daß sich die Vorsprünge gegenseitig
beeinflussen. In dem Falle, daß zwei
Vorsprünge
eines ersten Tablettenendes gegen ein zweites Tablettenende gerichtet sind,
welches seinerseits mit zwei Vorsprüngen versehen ist, die gegen
das erste Tablettenende gerichtet sind, entstehen vier getrennte
Kontaktpunkte zwischen den beiden Tabletten. Die Länge der
Vorsprünge
in Längsrichtung
bestimmt den Abstand zwischen den beiden Tablettenenden, das heißt den achsialen Spalt
zwischen zwei Tabletten. Ein in dieser Weise aufgebauter achsialer
Spalt ist zumindest teilweise verformbar. Bei thermischer Ausdehnung
des Brennstoffmaterials in Längsrichtung
der Tabletten, wird das Material der Vorsprünge und/oder das der entsprechenden
Tablettenenden zusammengedrückt, wobei
der achsiale Spalt verformt und zwar ver kleinert wird. Dadurch,
daß eine
totale Verformung der Vorsprünge
nicht zugelassen wird, verbleibt ein Teil des achsialen Spaltes
für die
Aufnahme von Spaltgasen.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der
Erfindung sind die beschriebenen Vorsprünge an jedem Ende aller Tabletten
der Tablettensäule
vorhanden. Auf diese Weise wird erreicht, daß jeder achsiale Spalt bedeutend
kleiner gemacht werden kann, als wenn nur eine kleine Anzahl von
Spalten in dem Brennstab angeordnet sind, wodurch Leistungsspitzen
infolge achsialer Spalte in dem Kernbrennstoffmaterial minimiert
werden.
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Um
die Leistungsspitzen am oberen beziehungsweise unteren Ende der
Brennstäbe,
das heißt zwischen
zwei aufeinander gestapelten Brennstoffeinheiten, weiter zu reduzieren,
können
die Brennstofftabletten in diesen Bereichen einen kleineren Durchmesser
als die anderen Brennstofftabletten haben. Um ringförmige Spalte
zwischen der Brennstofftablette und dem Hüllrohr zu vermeiden, wird der
Teil des Brennstabes, welcher die Brennstofftablette und das Hüllrohr umgibt,
und das Hüllrohr
mit einem entsprechenden kleineren Durchmesser ausgebildet, der
in achsialer Richtung die gleiche Länge wie die Brennstofftablette
hat. Alternativ können
die Brennstofftabletten in diesem Bereich mit einer geringeren Anreicherung
versehen werden.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel der
Erfindung enthält
der Brennstab zwischen dem Hauptteil der Brennstofftabletten in
der Säule
aus Brennstoffmaterial ein von den Tabletten separates Abstandsglied.
Das Abstandsglied besteht beispielsweise aus Graphit, Metall oder
aus poröser
Keramik. Das Abstandsglied ist entweder so ausgebildet, daß es zentral
zwischen zwei Tabletten oder peripher zwischen zwei Tabletten angeordnet
werden kann, das heißt
zwischen den radial äußeren Bereichen
des entsprechenden Tablettenendes. Vorzugsweise wird das Abstandsglied
zwischen allen Tabletten der Tablettensäule angeordnet. Vorzugsweise
wird zwischen der oberen Tablette der Tablettensäule und dem oberen Stopfen
beziehungsweise zwischen der unteren Tablette der Tablettensäule und
dem unteren Stopfen kein Abstandsglied angeordnet.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß achsiale Spalte im oberen
beziehungsweise unteren Teil der Brennstäbe vermieden werden. In dem
Fall, bei welchem die Brennstäbe
in Gestalt einer Vielzahl kurzer übereinander gestapelter Brennstoffeinheiten angeordnet
sind, wird der Bereich ohne spaltbares Material, der zwischen zwei übereinander
gestapelten Brennstoffeinheiten gebildet wird, und damit auch die
lokale Leistungsspitze, die in diesem Bereich infolge der zu guten
Moderation auftreten kann, reduziert.
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Ein
anderer Vorteil besteht darin, daß der notwendige achsiale Spalt
in der Weise längs
der Tablettensäule
verteilt werden kann, daß man
eine große
Anzahl von achsialen Spalten erhält,
beispielsweise einen achsialen Spalt zwischen allen Tabletten, wodurch
die Leistungsspitzen in den achsialen Spalten verkleinert werden.
Gleichzeitig wird die Gefahr einer zu hohen Konzentration an Wasserstoff
in den achsialen Spalten reduziert.
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Ein
Vorteil der Anordnung der Abstandsglieder peripher zwischen den
Tabletten besteht darin, daß die
Abstandsglieder zumindest in einem gewissen Umfange dazu beitragen,
daß die
Temperatur in dem den achsialen Spalt umgebenden Material etwas
größer wird
verglichen mit der Temperatur des achsialen Spaltes ohne ein Abstandsglied.
Die erhöhte
Temperatur ist darauf zurückzuführen, daß das Abstandsglied
einen Teil der Wärme,
die in den an den achsialen Spalt grenzenden Ta bletten erzeugt wird,
zu dem Hüllrohr
leitet. Infolge dieser erhöhten Temperatur
wird die Gefahr einer zu hohen Wasserstoffkonzentration in den achsialen
Spalten weiter reduziert.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß das Abstandsglied beziehungsweise
die Vorsprünge selbst
bei der Herstellung des Brennstabes eine gewisse Längentoleranz
der Tablettensäule
bewirkt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Tablettensäule mit
Hilfe der verformbaren Abstandsglieder beziehungsweise der verformbaren
Vorsprünge
in einem gewissen Ausmaße
zusammengepreßt
wird, wenn der oberen Stopfen in das Hüllrohr eingeführt wird. Dies
hat zur Folge, daß die
Ansprüche
an die Längentoleranz
der einzelnen Brennstofftabletten verkleinert wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
in einem vertikalen Schnitt ein Brennelement des Siedewassertyps
mit kurzen Brennstoffeinheiten.
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2 zeigt
einen Schnitt A-A des Brennelements der 1.
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2a und 2b zeigen
alternative Ausführungsbeispiele
eines Brennelementes des gleichen Typs wie in 1 in
einem Schnitt entsprechend der Linie A-A des Brennelementes in 1.
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3 zeigt
im vertikalen Schnitt ein Brennelement des Druckwassertyps mit kurzen
Brennstoffeinheiten.
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4 zeigt
einen Brennstab für
eine Brennstoffeinheit gemäß der 1 oder 2 mit
einer Vielzahl von achsialen Spalten, die in Längsrichtung des Brennstabes
verteilt sind.
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5a zeigt
eine Brennstofftablette in einem Schnitt längs der Linie B-B in 5b,
welche Vorsprünge
enthält. 5b zeigt
die gleiche Brennstofftablette in einer Ansicht von oben.
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6a zeigt
einen Brennstab in einem Schnitt längs der Linie C-C in 6b mit
einer Vielzahl von achsialen Spalten, in welchen Abstandsglieder
peripher zwischen den Brennstofftabletten angeordnet sind.
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7 zeigt
einen Brennstab mit einer Vielzahl achsialer Spalte, in denen Abstandsglieder
zentral zwischen den Brennstofftabletten angeordnet sind.
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8 zeigt
in einem vertikalen Schnitt ein Brennelement vom Siedewassertyp
mit Brennstäben voller
Länge und
mit kurzen Brennstäben.
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9 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Brennstabes, der eine Vielzahl von Abschnitten mit unterschiedlichen äußeren Durchmessern
enthält.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung. Genauer gesagt, zeigt 1 ein Siedewasserbrennelement
mit einem oberen Griff 1, einem unteren Endabschnitt 2 und
einer Vielzahl von übereinander
gestaplten Brennstoffeinheiten 3. Jede Brennstoffeinheit 3 enthält eine
Vielzahl von Brennstäben 4,
die in einem gegebenen Gitter parallel zueinander und in bestimmten
Abständen voneinander
angeordnet sind. Jede Brennstoffeinheit 3 enthält ferner
eine obere Verbundplatte 5 und eine untere Verbundplatte 6 zur
Befestigung der Brennstäbe 4 in
ihren entsprechenden Positionen in dem Gitter. Die Brennstoffeinheiten 3 sind
in Längsrichtung
des Brennelementes übereinander
gestapelt, und sie sind in solcher Weise gestapelt, daß die obere
Verbundplatte 5 einer Brennstoffeinheit 3 der
unteren Verbundplatte 6 der nächsten Brennstoffeinheit 3 in
dem Stapel gegenüber
liegt, und ferner so, daß die Brennstäbe 4 in
sämtlichen
Brennstoffeinheiten 3 parallel zueinander verlaufen. Ein
Brennstab 4 enthält Brennstoff
in Form eines Stapels von Brennstofftabletten 7b aus Uran,
angeordnet in einem Hüllrohr 7a. Das
Hüllrohr 7a besteht
vorzugsweise aus einer Zirkoniumlegierung. Ein Kühlmittel vermag von unten nach
oben durch das Brennelement zu fließen.
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2a zeigt,
daß das
Brennelement in einem Brennstoffkasten 8 mit im wesentlichen
quadratischem Querschnitt eingeschlossen ist. Der Brennelementkasten 8 ist
mit einem hohlen Stützglied 9 mit kreuzförmigem Querschnitt
versehen, welches an den vier Wänden
des Brennelementkastens 8 befestigt ist. In dem von dem
Stützglied 9 gebildeten
zentralen Kanal 14 fließt Moderatorwasser. Der Brennstoffkanal
mit dem Stützglied
umgibt vier vertikale kanalförmige
Teile 10, sogenannte Teilkanäle, mit einem zumindest im
wesentlichen quadratischen Querschnitt. Jeder der vier Teilkanäle enthält einen
Stapel von Brennstoffeinheiten 3. Jede Brennstoffeinheit 3 enthält 24 Brennstäbe 4,
die in einem symmetrischen 5 × 5-Gitter
angeordnet sind.
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Das
Brennelement in 2 enthält 10 × 10 Brennstabpositionen. Unter
einer Brennstabposition wird eine Position in dem Gitter verstanden.
Es ist nicht erforderlich, daß alle
Brennstabpositionen in dem Gitter mit Brennstäben 4 besetzt sind.
In bestimmten Brennelementen wird eine Anzahl von Brennstäben 4 durch
ein oder mehrere Wasserkanäle
ersetzt. Die Einführung
eines Wasserkanals ändert die
Anzahl der Brennstäbe 4,
nicht aber die Anzahl der Brennstabpositionen.
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2a zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Brennelements gemäß der Erfindung. 2a zeigt
einen horizon talen Schnitt durch ein Brennelement, welches mit einem
innen angeordneten vertikalen Kanal 14a versehen ist, durch
welchen Wasser in vertikaler Richtung von unten nach oben durch
das Brennelement geleitet wird. Der Kanal 14a ist von einem
Rohr 9a mit einem im wesentlichen quadratischen Querschnitt
umgeben. Die Brennstoffeinheiten 3 werden in ihrer Position
gehalten, indem sie an dem Rohr befestigt sind, welches den vertikalen
Kanal umgibt.
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2b zeigt
eine weitere Ausführungsform eines
Brennelementes gemäß der Erfindung.
Die Figur zeigt einen horizontalen Schnitt durch das Brennelement,
welches mit zwei zentral angeordneten vertikalen Wasserrohren 14b versehen
ist, durch welche Wasser von unten nach oben durch das Brennelement
geleitet wird. Die Waserrohre 14 haben einen Durchmesser,
der etwas größer ist
als der Durchmesser der Brennstäbe 4,
und sie haben einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Die Brennstoffeinheiten 3 werden
in Position gehalten, indem sie an den Wasserrohren 14b befestigt
sind.
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3 zeigt
ein Brennelement vom Druckwassertyp, welches einen quadratischen
Querschnitt hat. In der gleichen Weise wie das Brennelement in 1 enthält es eine
Vielzahl von übereinander
gestapelten Brennstoffeinheiten 3. Jede Brennstoffeinheit 3 enthält eine
Vielzahl von Brennstäben 4,
die in einem vorgegebenen Gitter parallel zueinander und in definierten
Abständen
voneinander angeordnet sind. Jede Brennstoffeinheit 3 enthält ferner
eine obere Verbundplatte 5 und eine untere Verbundplatte 6 zur
Befestigung der Brennstäbe 4 in
ihren entsprechenden Postitionen in dem Gitter. Die Brennstoffeinheiten 3 sind
in Längsrichtung
des Brennelements übereinander
gestapelt, und sie sind so gestapelt, daß die obere Verbundplatte 5 einer
Brennstoffeinheit 3 der unteren Verbundplatte 6 der
nächsten Brennstoffeinheit 3 in
dem Stapel gegenüber
liegt, und zwar so, daß die
Brennstäbe 4 aller
Brennstoffeinheiten 3 parallel zueinander verlaufen. Ein
Brennstab 4 enthält
spaltbares Material in Gestalt eines Stapels von Brennstofftablette 7b aus
Uran, die in einem Hüllrohr 7a angeordnet
sind. Ein Kühlmittel
ist imstande, von unten nach oben durch das Brennelement zu strömen. Eine
Anzahl von sogenannten Steuerstab-Führungsrohren 4b ist
so angeordnet, daß sie
sich durch das gesamte Brennelement erstrecken. Die Steuerstab-Führungsrohre 4b sind
zur Aufnahme von fingerförmigen
Steuerstäben
(nicht dargestellt) bestimmt, die zum Zwecke der Steuerung der Leistung
des Kernreaktors in die Führungsrohre 4a eingeschoben
beziehungsweise aus ihnen herausgezogen werden. Die Führungsrohre
erstrecken sich zwischen einem Kopfteil 15 und einem Fußteil 16.
Das Kopfteil 15 ist über
der obersten Brennstoffeinheit 3 in dem Brennelement angeordnet,
und das Fußteil 16 ist
unter der untersten Brennstoffeinheit 3 im Brennelement
angeordnet. Die Brennstoffeinheiten 3 werden dadurch in
Position gehalten, daß sie
an den Steuerstab-Führungsrohren 4b befestigt
sind.
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4 zeigt
einen Teil eines Brennstabes 4 für ein Brennelement gemäß den 1, 2 oder 3.
Zu dem Brennstab 4 gehört,
wie oben erwähnt,
ein Hüllrohr 7a und
ein darin angeordneter Stapel von Brennstofftabletten 7b.
Das Hüllrohr 7a ist oben
durch einen oberen Stopfen 17 und unten durch einen unteren
Stopfen 18 abgedichtet. Der Brennstab 4 ist mit
einer Vielzahl von inneren Freiräumen, achsialen
Spalten 19, ausgebildet, die dazu dienen, Spaltgase aufzunehmen,
und die auch dazu dienen, eine Wärmedehnung
der Säule
aus Brennstofftabletten 7a zuzulassen.
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Die 5a und 5b zeigen
eine Brennstofftablette, die an beiden Enden mit Vorsprüngen 7c versehen
ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Brennstofftablette an jedem ihrer Enden mit drei Vorsprüngen versehen.
Die Vor sprünge 7c bestehen
vorzugsweise aus dem Material der Brennstofftablette. Die Vorsprünge 7c werden
dann beispielsweise während
der Herstellung der Tablette 7b hergestellt, indem das
Brennstoffmaterial in eine Form gepreßt wird, welche die Vorsprünge 7c besitzt, und
anschließend
gesintert wird. Für
den Fall, daß die
Vorsprünge 7c aus
einem von dem Brennstoffmaterial verschiedenen Material hergestellt
werden, wie zum Beispiel einem Metall, Graphit oder einem Oxyd, welches
sich von dem Brennstoffmaterial unterscheidet, werden die Vorsprünge 7c für die Tabletten 7b angebracht,
nachdem die Tablette 7b gepreßt und gesintert worden ist.
Die Vorsprünge 7c können dann an
der Tablette 7b beispielsweise durch Plasmasprühen, durch
Niederschlagstechnik oder sogenannte Zerstäubungstechnik angebracht werden.
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Die
Vorsprünge 7c sind
an der Peripherie der Brennstofftablette angebracht, und zwar in
solcher Weise, daß der
Abstand zwischen ihnen im wesentlichen gleich ist. Die achsiale
Erstreckung der achsialen Spalte 19 ist zumindest anfänglich definiert
durch die Erstreckung der Vorsprünge 7c in
Längsrichtung des
Brennstabes. Zwei Brennstofftabletten 7b, die benachbart
zueinander angeordnet sind, sind so plaziert, daß die Vorsprünge 7c der
einen Brennstofftablette 7b nicht in Kontakt mit den Vorsprüngen 7c der benachbart
angeordneten Brennstofftablette 7b gelangen. Durch Ausbildung
der Vorsprünge 7c in
charakteristischer Weise, das heißt klein sowohl in Längsrichtung
als auch in Querrichtung der Tablette 7b, erreicht man
eine Gestalt, die automatisch verhindert, daß die Vorsprünge 7c zweier
benachbarter Tabletten 7b miteinander in Kontakt kommen.
In dem Fall, daß die
Spitzen zweier Vorsprünge 7c gegeneinander
angeordnet sein sollten, beeinflussen sie sich gegenseitig derart,
daß die
Tabletten 7b sich im Verhältnis zueinander drehen würden, wobei
die Vorsprünge 7c in
der entsprechenden Tablette 7b derart gegeneinander gleiten,
daß der
Abstand zwischen den Ta bletten im wesentlichen der Erstreckung eines Vorsprunges 7c in
Längsrichtung
entspricht. Ferner ergibt sich aus der charakteristischen Gestalt
der Vorsprünge 7c eine
kleine Kontaktfläche,
wodurch die erforderliche Kraft zur Verformung der Vorsprünge und
zur Reduzierung der Größe des achsialen Spaltes 19 in
Längsrichtung
des Brennstabes nur mäßig zu sein
braucht. Für
den Fall, daß die
Säule aus
Brennstofftabletten 7b sich infolge Wärmeausdehnung ausdehnt, werden
die achsialen Spalte 19 dadurch verkleinert, daß die Vorsprünge 7c und/oder die
Tablettenenden, in denen oder gegen die die Vorsprünge 7c angeordnet
sind, deformiert werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Brennstofftabletten 7b mit becherförmigen oberen und unteren Stirnflächen ausgebildet
(siehe Bezugszeichen 19a). Infolge der Wärmedehnung wachsen
die Tabletten 7b in den zentralen warmen Teilen stärker als
in den äußeren kälteren Teilen.
Die becherförmige
Gestalt 19a erlaubt somit bis zu einem gewissen Grade eine
Wärmedehnung,
bevor der achsiale Spalt für
diesen Zweck verwendet wird. Ferner wird durch die becherförmige Gestalt
ein Raum geschaffen, in welchem sich Spaltgase ansammeln können.
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Wegen
der becherförmigen
Gestalt 19a der Brennstofftabletten 7b ist ein
kleinerer achsialer Spalt 19, das heißt der Abstand zwischen den
peripheren Teilen der Tablettenenden, ausreichend für die thermische
Expansion und für
die Sammlung der freigesetzten Spaltgase. Die becherförmige Gestalt 19a wird
beim Pressen des Brennstoffmaterials zu einer Brennstofftablette
geformt, woraufhin die gepreßte Tablette
gesintert wird.
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Die 6a und 6b zeigen
eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Genauer gesagt, zeigt 6 einen
Stapel von Brennstofftabletten 7b, bei welchem ein Abstandsglied 7d peripher
zwischen allen Brennstofftabletten 7b angeordnet ist. Wie
sich aus 6b ergibt, ist das Abstandsglied 7d als
ein ringförmiges
Glied mit einer beliebigen Querschnittsfläche ausgebildet. Das Abstandsglied 7d besteht
vorzugsweise aus einem Material, welches im Verhältnis zu dem Brennstoffmaterial
der Brennstofftabletten verformbar ist. Vorzugsweise enthält das Material
des Abstandsgliedes im wesentlichen Graphit. Alternativ kann das
Material der Abstandsglieder beispielsweise aus einem Metall oder
poröser
Keramik bestehen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß der Wärmeübergang
zwischen dem peripheren Abstandsglied und dem Hüllrohr 7a im Vergleich
mit den Ausführungsformen,
die die 4 und 7 zeigen,
verbessert wird.
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7 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung. Genauer gesagt, zeigt 7 einen
Stapel von Brennstofftabletten 7b, bei dem ein Abstandsglied 7e zentral
zwischen allen Brennstofftabletten 7b angeordnet ist. Das
Abstandsglied 7e ist im wesentlichen als ein ballförmiges Glied
ausgebildet. Wie bei der anhand von 6 beschriebenen
Ausführungsform besteht
das ballförmige
Glied aus einem Material, welchem im Verhältnis zu dem Brennstoffmaterial
der Brennstofftabletten verformbar ist. Vorzugsweise besteht das
Material in dem Abstandsglied im wesentlichen aus Graphit. Das Material
des Abstandsgliedes kann alternativ beispielsweise aus Metall oder
poröser
Keramik bestehen.
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Durch
die Unterteilung des achsialen Spaltes in einem Brennstab in eine
Vielzahl von achsialen Spalten 19, 19a, die zwischen
dem größten Teil
der Brennstofftabletten 7d angeordnet sind, wird die Gefahr
von Leistungsspitzen und damit verbundenen Hüllrohrschäden minimiert. Außerdem ergibt
sich eine Möglichkeit
für die
Brennstofftabletten 7b, infolge thermischer Dehnung in
achsialer Richtung anzuwachsen. Da die thermische Ausdehnung zwischen dem
größten Teil
der Anzahl von Brennstofftabletten 7b aufgenommen wird,
kann die Tablettensäule
so dimensioniert werden, daß,
wenn der obere Stopfen in das Hüllrohr
eingeführt
wird, die Säule
so zusammengedrückt
wird, daß ein
sehr kleiner achsialer Spalt 19 zwischen dem oberen Stopfen 17 und
dem Ende derjenigen Tablette erreicht wird, welches dem oberen Stopfen 17 gegenüber liegt.
Auf diese Weise wird die Gefahr der Bildung achsialer Spalte 19 zwischen
dem oberen Stopfen 17 und der obersten Brennstofftablette 7b der
Säule minimiert.
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4 zeigt,
daß die
oberste beziehungsweise die unterste Tablette 7d in dem
Brennstab 4 mit einem durchgehenden Loch 23 versehen
ist. Durch diese Ausführungsform
kann die maximale Temperatur in den Brennstofftablette 7b in
dem Bereich reduziert werden, in welchem die Leistungsspitzen auftreten
bedingt durch die vorhandene gute Moderation, das heißt in den
Spalten 19c zwischen den Brennstoffeinheiten 3 (siehe 1 und 3).
Gleichzeitig kann die Menge an freigesetztem Spaltgas reduziert werden
und Raum für
die Ansammlung freigesetzter Spaltgase in den Tabletten 7b geschaffen
werden.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Brennelement, welches mindestens
einen Brennstab gemäß der Erfindung
enthält.
Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung sind die Brennstäbe
der in den 4, 6 oder 7 gezeigten
Art in einem Bündel
für ein
Brennelement angeordnet. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind alle Brennstäbe
vom gleichen Typ, das heißt
entweder von dem in 4, 6 oder 7 gezeigten
Typ, und bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung enthält
das Brennelement Brennstäbe
von mindestens zwei verschiedenen Typen, wobei mindestens zwei der
Typen aus Brennstäben
bestehen wie sie in 4, 6 oder 7 gezeigt
sind.
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Eine
Brennstoffeinheit 3, welche eine Länge in der Größenordnung
von 400 mm hat, enthält Brennstäbe 4,
die mit achsialen Spalten 19 zwischen mindestens dem größten Teil
der Brennstofftabletten versehen sind. In dem Fall daß die Brennstofftablette 7b in
Längsrichtung
eine Länge
in der Größenordnung
von 10 mm haben, hat der verformbare Teil des achsialen Spaltes 19 eine
Erstreckung in Längsrichtung
des Brennstabes von 0,1-0,2 mm. Dies ergibt eine totale achsiale
Länge des
verformbaren Teils des achsialen Spaltes, der 1-2% der totalen Länge des
Brennstabes 4 entspricht.
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8 zeigt
eine andere alternative Ausführungsform
der Erfindung. Genauer gesagt, zeigt 8 ein Brennelement
vom Siedewassertyp, wobei Teile, die Teilen des in 1 gezeigten
Brennelements entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen
sind. Im Querschnitt ist das Brennelement in 8 beispielsweise
in einer Weise ausgebildet, welche den in 2, 2a beziehungsweise 2b gezeigten
Querschnitten entspricht. Das in 8 gezeigte
Brennelement enthält
Brennstäbe 4a voller Länge. Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist mindestens einer der Brennstäbe voller Länge 4a durch einen
verkürzten
Brennstab 4b ersetzt. Der verkürzte Brennstab 4b ist
in der unteren Verbundplatte 6 angeordnet und erstreckt
sich in Richtung zur oberen Verbundplatte 5 ohne diese
zu erreichen. Die Brennstäbe 4a, 4b werden
durch konventioneller Abstandshalter 13 auf Abstand voneinander
gehalten.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist der verkürzte
Brennstab 4b mit einer Verlängerung versehen, die in der
Figur mit gestrichelten Linien angedeutet ist und mit dem Bezugszeichen 4c versehen
ist. Die Verlängerung 4c erstreckt
sind von dem oberen Ende des verkürzten Brennstabes 4b bis
zur oberen Verbundplatte 5. Die Verlängerung 4c enthält kein
Brennmaterial. In einer Weise, die der anhand der 4 bis 7 beschriebenen
entspricht, enthält
die Säule
aus Brennmaterial bei diesen Ausführungsformen der Erfindung
achsiale Spalte 19, 19a. Die achsialen Spalte 19, 19a sind
zwischen dem größten Teil
der Gesamtzahl von Brennstofftabletten 7b in den Brennstäben voller Länge 4a und/oder
in den verkürzten
Brennstäben 4b angeordnet.
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9 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Brennstabes von vorzugsweise voller Länge 4d zur Verwendung
in einem Brennelement des in 8 gezeigten
Typs. Diejenigen Teile des Brennstabes, die den entsprechenden Teilen
der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der
gewählten
Ausführungsform
enthält
der Brennstab 4d drei Abschnitte, die mit 3a, 3b beziehungsweise 3c bezeichnet
sind. Der untere Abschnitt a in 9 hat einen äußeren Durchmesser
Da, der mittlere Abschnitt b hat einen äußeren Durchmesser Db, und der
obere Abschnitt c hat einen äußeren Durchmessen
Dc. Die äußeren Durchmesser
Da, Db, Dc stehen in dem gegenseitigen Verhältnis von Da>Db>Dc. Jeder Abschnitt a, b, c enthält eine
Säule aus
Brennstoffmaterial, die in Brennstofftabletten 7b unterteilt
ist. In einer Weise, die der unter Bezug auf die 4 bis 7 beschriebenen
entspricht werden achsiale Spalte 19, 19a zwischen
mindestens dem größten Teil
der Gesamtzahl der Brennstofftablette 7b gebildet.
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Die
Abschnitte a und b sind miteinander über einen Abschnittstopfen 24 verbunden.
Die Abschnitte b und c sind miteinander über einen entsprechenden Abschnittstopfen
verbunden mit derselben Bezeichnung 24. Die Erstreckung
der achsialen Spalte zwischen zwei benachbart angeordneten Abschnitten
a, b oder c entspricht im wesentlichen der achsialen Erstreckung
des Abschnittstopfens 24 und ist mit 19b bezeichnet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Tabletten 7b, die einem Abschnittsstopfen 24 benachbart
lie gen, mit durchgehenden Löchern 23 in
gleicher Weise versehen, wie dies anhand der 4 beschrieben
wurde. Die Tabletten 7b, die einem Abschnittsstopfen 24 benachbart
angeordnet sind, sind mit durchgehenden Löchern 23 in der gleichen
Weise versehen, wie dies anhand von 4 beschrieben
wurde. Die Tabletten 7b, die jeweils benachbart zu einem
Abschnittsstopfen 24 oder einem oberen Stopfen 17 oder
einem unteren Stopfen 18 angeordnet sind, sind im wesentlichen
so angeordnet, daß sie
in engem Kontakt mit diesen Stopfen gelangen durch Zusammendrücken der
Tablettensäule bei
der Einführung
der Abschnittstopfen 24, des oberen Stopfens 17 beziehungsweise
des unteren Stopfens 18.
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Der
Vorteil der Ausführungsform
eines Brennstabes 4d wie er in 9 gezeigt
ist, besteht darin, daß der
totale achsiale Spalt 19, 19a der für die thermische
Ausdehnung des Brennstoffmaterials und für Spaltgase in den entsprechenden
Abschnitten a, b, c erforderlich ist, anstelle seiner Anordnung
am oberen Ende des entsprechenden Abschnittes in eine Vielzahl kurzer
achsialer Abschnitte unterteilt ist, wodurch die Gefahr von Leistungsspitzen
an dem jeweiligen Übergang 19d zwischen
den Abschnitten bedeutend reduziert werden kann. In den Fällen, in denen
achsiale Spalte 19, 19a zwischen allen Brennstofftabletten 7b der
Säule aus
Brennstoffmaterial angeordnet sind, wird die Gefahr von Leistungsspitzen
am Übergang
zwischen den jeweiligen Abschnitten a, b, c minimiert.