DE1489842A1

DE1489842A1 - Rohrfoermiger Brennstoffstab fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1489842A1
Application number: DE19651489842
Authority: DE
Inventors: Lucien Alfille; Jean-Claude Charrault; Francois Lafontaine
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1964-08-14
Filing date: 1965-07-06
Publication date: 1969-06-26
Also published as: ES316247A1; BE651866A; LU49312A1; GB1085384A; NL6510553A; US3308033A; IL24059A

Description

Rohrförmiger Brennstoffstab für Kernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen rohrförmigen Brennstoffstab für Kernreaktoren, insbesondere für mittels eines unter Druck stehenden Strömungsmittels gekühlte Leistungsreaktoren, mit je einer im wesentlichen zylindrischen Aussen- und Innenhülle, die zwischen sich ein Rohr oder aufeinandergestapelte Ringe aus spaltbarem Material einschliessen, mit zwei ringförmigen Stopfen für den Anschluss und Verschluss der Enden der Hüllen und mit an der auf den zylindrischen Brennstoffkörper sich abstützenden Innenhülle vorgesehenen, gleichen Abstand voneinander aufweisenden, nach innen gerichteten Längsfalten zur radialen Verformbarkeit der Hülle.

Bekanntlich nimmt man im allgemeinen bei Brennstoffen mit spezifischer Leistung häufig Brennstoff in Ringform zu Hilfe, der das Kühlen sowohl der Aussenflachen als auch der Innenflächen des Brennstoffstabes ermöglicht, damit man bei einem gegebenen Brennstoff querschnitt über stark vergrösserte Wärmeaustauschflächen mit dem Wärmeträger verfügt.

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Auch ist bekannt, dass die Verwendung dieser Art von Brennstoffstäben ausser bei plastischen Hüllen, die durch Einwirkung des unter Druck stehenden Wärmeträgers mit dem Brennstoff, der ein metallischer Brennstoff, wie beispielsweise Uran oder Legierungen auf Uranbasis ist, verbunden sind, im allgemeinen infolge der auftretenden Schwierigkeiten zur Gewährleistung einer wirksamen thermomechanisehen Stabilität der Innenhülle einer ernsthaften Beschränkung unterliegt.

In dem allgemein vorkommenden Fall, wo die Hüllen einen Den— nungskoeffizienten grosser als der Dehnungskoeffizient des Brennstoffs aufweisen, hat die Innenhülle das Bestreben sich auszudehnen, wobei sie, indem sie sich gegen die Innenfläche des rohrförmigen Brennstoffs abstützt oder anlegt, einer Verdichtung ausgesetzt wird, so dass die Innenhülle unter bestimmten Temperaturbedingungen durch örtliches Einknicken unstabil wird und zur Bildung von Falten führt, die nach kurzer Zeit zu einer Unterbrechung in der Abdichtung bzw. Undichtheiten führen.

Diese Erscheinung einer thermomechanisehen Instabilität der In— nenhülle, die sowohl bei starren mit dem Brennstoff nicht verbundenen Hüllen als auch bei beispielsweise durch eine Diffusionsschranke mit dem Brennstoff verbundenen Hüllen auftritt, bei denen sich zunächst das Ablösen der Verbindung zeigt und dann die Bildung von Falten folgt, tritt auch bei Brennstoff stäben mit starrer nicht verbundener, eine geringe Dehnung als die des Brennstoffs aufweisender Hülle auf. In diesem Fall führt das Ablösen des Brennstoffs von der Hülle infolge seiner Dehnung zu einer

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Temperatursteigerung der Innenseite des rohrförmigen Brenn est of fs, die ein späteres Ablösen herbeiführt und die thermisohen und meohanfeohen Beanspruchungen sowohl des Umhüllungsmaterial β als auoh des Brennstoffe versohärft.

Andererseits ist bei zylindrischen Brennstoffstäben auch die Verwendung einer mit Hilfe radial und axial verformbarer Falten biegsam, d.h. nachgiebig, gemaohten sehr dünnen Hülle mit einer Wandstärke von einem Zehntelmillimeter oder weniger be kannt, die den Brennstoff in Form eines Stabes oder eines Tabletten—stapele unter Zwischenschaltung eines bei den Arbeitstemperaturen des Reaktors plaebisohen Materials umgibt.

Bei einem solchen, in der belgischen Patentschrift 619 189 mit dem Titel "Crayon de combustible ft gaine minoe souple pour reaoteurs nuoleaires" beschriebenen Brennstoffelement lässt sich die Hülle, der infolge ihrer äusserst geringen Wandstärke eine Eigenstarrheit fehlt, mit erhebliohen Durohmessern her stellen, wobei ihre Stabilität mit Hilfe von Verformungsfal ten mit nach auseen gekehrter Wölbung erzielt wird, die in dem zwischen den Endzonen für die Anbringung der Verschlüsse liegenden Abschnitt vorgesehen und, wie der zwischen Hülle und Brennstoff vorgesehene Spielraum, mit in warmen Zustand platischem Material ausgefüllt sind, das vorzugsweise aus Magnesium besteht. Dabei sind diese Falten in Längsfalten zur radialen Verformbarkeit der Hülle und in an mindestens einem Ende dieses Abschnitts liegende ringförmige oder schraubenlinienförmig? Umfangsfalten zur axialen Verformbarkeit der Hülle in Verlängerung der Längsfalten unterteilt.

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Bei dieser Anordnung hält die Hülle sehr starke Aussendrücke aus, ohne erhebliche Beanspruchungen zu erfahren, indem sie sioh gegen das hydrostatisch beaufschlagte plastische Polster anlegt. Dabei hält die Hülle den Kräften infolge der Dehnung des Brennstoffs und des plastischen Polsters sowie infolge der Massveränderungen unter der Strahlung des Brennstoffs stand, die, da sie duroh hydrostatische Verformung auf die Falten übertragen werden, keine für das Umhüllungsmaterial unzulässigen Beanspruchungen herbeiführen.

Auch ist bekannt, dass die zylindrischen Brennstoffstäbe mit sehr dünner Hülle, da sie besonders bei einem Brennstofftablettenstapel eine sehr geringe Quersteifheit aufweisen, von einer Versteifung umgeben werden oder in einem für sie eine eng begrenzte Geometrie bedingenden Kanal eingesetzt verwendet werden und mit durch einen Steifungsdraht verstärkten Zentrierlängsfalten versehen sein müssen, um zu erreichen, dass die Brennstoff stäbe in dem durch das Halterungsteil oder den den Brennstoffstab umgebenden Kanal gebildeten KUhlmitteldurchlass eine bestirnte axiale Lage einhalten können.

Solche Brennstoffstäbe sind Gegenstand der belgischen Patentschrift Nr. 651 738 mit de» Titel ⁿPerfectionnements aux crayons combustibles a gaine mince pour reacteurs nucleaires".

Gegenstand der ErfiiJung ist ein rohrf örmiger Brennstoff stab, der infolge der Art seines Aufbaus und einer Ausbildung verbesserte •thermische und mechanische Betriebskenndaten aufweist, durch die die Erscheinungen einer thermomechanisehen Instabilität, die die

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Innenhülle der bisher bekannten Ausführungsformen aufweist, verhindert werden.

Das Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffstabes der vorerwähnten Bauart, der zwei dünne nachgiebige Hüllen, die von dem Brennstoff durch ein in warmen Zustand plastisches Material getrennt sind, so dass die unterschiedlichen Dehnungen von Brennstoff und Innenhülle ausgeglichen und die Gefahren eines örtlichen Einknickens oder einer thermischen Instabilität behoben werden, und ein ihm eine Quersteifheit gebendes zentrales Stei— fungselement besitzt.

Der Brennstoffstab nach der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass beide Hüllen aus rostfreiem Stahl mit einer Wandstärke von l/lO mm oder darunter gebildet sind, dass sowohl die äussere wie die innere Hülle zwischen den Endzonen für die Anbringung der Verschlussstopfen mit an sich bekannten, in gleichem Abstand voneinander angeordneten Längsfalten zur radialen Verformbarkeit der Hüllen und an mindestens einer der Endzonen mit an sich bekannten ringförmigen oder schraubenförmigen, eine geringere Höhe als die Längsfalten aufweisenden Palten in Umfangsrichtung zur axialen Verformbarkeit der Hüllen versehen sind, wobei zwischen den Hüllen und dem Brennstoff stab ein bei Betriebstemperatur des Brennstoffstabes plastischer, an sich bekannter Werkstoff angeordnet ist, dass die Längsfalten durch einen Steifungsdraht innen verstärkt sind und dass im Innenhohlraum des Brennstoffstabes ein starrer, zylindrischer Körper,

mit
dessen Ende/den Enden des Brennstoffstabes fest verbunden sind,

angeordnet ist, gegen dessen Aussenfläche sich die Längsfalten

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der Innenhillle abstützen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in Fig. 1 und 2 dargestellten bevorzugten AusfUhrungsbeispiels und einer in Fig. 3 dargestellten Variante näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen rohrförmigen Brennstoffstab nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 1 und

teil
Fig. 3 einen axialen Längsschnitt durch eine Variante des Brennstoffstabes nach Fig. i und 2.

In den einzelnen Figuren sind die Innenhülle und die Aussenhülle des Brennstoffstabes mit 1 bzw. 2 bezeichnet. Mit 3 sind die zwischen den Hüllen aufeinandergestapelten Brennstoffringe aus metallischem Uran oder einer Legierung auf Uranbasis oder aus Keramiken, wie beispielsweise Urancarbid oder Uranoxid bezeichnet. Die mit überhöhten Rändern 5 und 6 und mit ringförmigen Vorsprüngen 7 für das Abstützen mehrerer Brennstoff stäbe eines Stapels versehenen ringförmigen Stopfen für das Anschliessen und Versohliessen der Hüllen sind mit h und zwei zwischen dem Brennstoff und den Verschlussstopfen zum Wärme isolieren der Verschlussstopfen gegen die Endflächen des Brennstofss eingelegte feuerfeste Keramikringe sind mit 8 bezeichnet.

Erfindungsgemäss bestehen die Hüllen i und 2 mit sehr geringer

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Wandstärke, von einem Zehntelmillimeter oder weniger, beispielsweise von 0,05 bis 0,06 m, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl. Die Hüllen weisen in dem zwischen den Endzonen für die Anbringung der Verschlussstopfen liegenden Abschnitt Längsfalten 9 und in den äussersten Zonen dieses Abschnitts als Verlängerung der Längsfalten 9 ringförmige ader schraubenlinienförmige Umfang sf al ten IO auf, die von dem Brennstoff durch eine zähflüssige Schicht 11 getrennt sind. Die zähflüssige Schicht besteht aus einem Material, wie beispielsweise Magnesium, das bei den Betriebs- oder Gebrauchstemperaturen des Brennstoffstabes in dem Reaktor plastisoh 1st.

Die zwischen der Hülle 1 und der Innenfläche der Brennstoffringe 3 sowie zwischen der Aussenflache der Brennstoffringe 3 und der HUlIe 2 liegenden ringförmigen Räume sind mit dem in warmem Zustand plastischen Material vollständig ausgefüllt, so dass, wenn der röhrtörmige Brennstoffstab einem hydrostatischen Druck beispielsweise dem Druck des Kühlmittels, ausgesetzt wird, das Rister 11 über die biegsamen nachgiebigen Hüllen einer hydrostatischen Verdichtung unterliegt.

Die Falten werden somit innen durch das in allen drei Koordinatenrichtungen beanspruchte plastische Metall gestützt, so dass bei den geometrischen Veränderungen der den verschiedenen Betriebswärmezuständen in dem Reaktor ausgesetzten Elemente des Brennstoffstabes keine nennenswerte Ermüdung eintritt.

Unter diesen Bedingungen wird die dem Druck des Kühlmittels aus-

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gesetzte Innenhiille 1 über das plastische Polster gegen die Innenfläche des Brennstoffs 3 angelegt, wobei die Erscheinungen einer thermomechanisehen Instabilität aufgrund der Falten 9 und 10 beseitigt werden, die einen Ausgleich der unterschiedlichen Dehnungen von Brennstoff und Hülle durch eine Bewegung der Falten und somit die Behebung der Gefahren einer örtlichen Knickung oder einer thermischen Instabilität herbeiführen.

Um dem Brennstoffstab eine Quersteifheit zu geben, wird in seinem Inneren zu ihm koaxial der von den Ringen 7 der Verschlussstopfen gehaltene starre zylindrische Körper 12 angebracht, und in die Längsfalten 9 werden die Steifungsdrähte 13 eingesetzt.

Der zylindrische Körper 12, vorzugsweise aus Graphit für kerntechnische Zwecke, wird mit den Hüllen, beispielsweise mit Hilfe der Federstahldrähte Ik₁ fest verbunden, die kreuzweise angeordnet und in den Ringen 7 vorgesehenen Öffnungen 15 befestigt sind.

Einer der übereinander angeordneten Drähte 14 ist in eine diametrale Nut l6 des zylindrischen Körpers 12 eingelassen.

Die sich gegen den Brennstoff 3 abstützenden, in dem Hohlraum der Falten 9 angeordneten Steifungsdrähte 13 dienen dazu, den Falten 9 der Innenhiille eine Zentrierfunktion für den Brenn-. stoffstab gegenüber dem zylindrischen Körper 12 zu geben, während sie den entsprechenden Falten der Aussenhülle eine Zen-

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trierfunktion an der Fläche des Kühlkanals 17 geben, in welchem der Brennstoffstab verwendet wird. Dabei kann der Brennstoffstab entweder ein "einzelnes" Druckrohr gemäss der belgischen Patentschrift 638 170 mit dem Titel »Assemblage d¹elements combustibles pour reacteurs nucleaires" oder das ausbaubare Bauteil eines den Gegenstand der belgischen Patentschrift 614 761 mit dem Titel " Perfectionnements aux elements combustibles nucleaires" bildenden Brennstoffstäbebündels sein.

Die Längsfalten 9 haben eine Höhe, die während sie grosser ist als die Höhe der Falten 10, um gegenüber den äussersten

Zonen des Brennstoffstabes einen ausreichenden Durchlassquerfür
schnitt/das Kühlmittel zu erzielen so gewählt ist, dass sie die erforderlichen Nutzquerschnitte für die zwischen den Flächen der Hüllen 1 und 2 und dem Kanal 17 bzw. dem zylindrischen Körper 12 hergestellten Durchlässe 18 und 19 für den Wärmeträger bestimmt.

Sofern die Falten 9 schraubenlinienförmig ausgebildet sind, gehen diese über einen Faltenabschnitt mit sich allmählich verändernder Höhe in die Falten 10 über.

Zur Vermehrung der Wärmeaustauschfläche der Hüllen 1 und 2 sind in den zwischen den Falten 9 zur radialen Verformbarkeit liegenden Abschnitten ihrer Oberflächen kleine, zu den Falten 9 parallel angeordnete Kühlfalten 20 ausgebildet, deren Länge nicht grosser als die Länge der Falten 9 ist.

Die Stopfen k bestehen vorzugsweise aus Ringen aus rostfreiem

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Stahl oder aus einem mit dem Werkstoff der Hüllen übereinstimmenden Werkstoff und sind mit ihren überhöhten Rändern 5 und 6 entweder mittels Lichtbogenschweissung oder mittels Elektronenbeschusses zugleich mit den Spannringen 21 und 22 auf die Aussenhülle bzw. auf die Innenhülle geschweisst, wobei sie einen Verschluss bilden, der dem in der belgischen Patentschrift 643 749 mit dem Titel "Perfectionnements a la fermeture des extremites de crayons d¹elements combustibles a gaine d¹ epaisseur tres faible" beschriebenen Verschluss eines einfachen Brennstoffstabes entspricht.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird der Brennstoffstab, sofern es sich um Brennstoff stäbe mit grossem Durchmesser handelt, bei denen der zentrale Körper 12 anstelle der den Körper mit den Hüllen fest verbindende Drähte 14 als Halterung für die aneinander angrenzenden Brennstoffstäbe des BrennstoffStäbestapels dienen kann, durch die Halterung 23 gestützt bzw. gehalten, die während sie mit dem zentralen Körper 12 und den Ringen 7 fest verbunden ist und das Strömen des Kühlmittels zulässt, im wesentlichen Arme 24 enthält, die sich gegen die Innenfläche des Kanals 17 abstützen bzw. anlegen zum Zwecke des Zentrierens und des Halts für die äussersten Zonen des Brennstoffstabes, in denen die Umfangsfalten 10 ausgebildet sind.

Die Erfindung wurde vorstehend aihand besonderer Ausführungsformen beschrieben, jedoch ist klar, dass sie auf diese Ausführungsformen in keiner Weise beschränkt ist und dass mögliche Abänderungen vorgenommen werden'können, ohne dass man dadurch den Bereich der Erfindung verlässt.

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So könnten beispielsweise in den Hüllen 1 und 2 Längsfalten zur radialen Verformbarkeit der Hüllen ausgebildet sein, die zwischen den duroh die Steifungsdrähte 13 verstärkten Falten 9 liegen und die gleiche Höhe wie die Falten 9 oder eine geringere Höhe aufweisen.

Ausserdem Hesse sich das Zentrieren der Enden des Brennstoffstabes bei Brennstoffstäben mit grossem Durchmesser statt mit Hilfe der Arme der Halterungen 23 mit Hilfe von in gleichem Abstand voneinander angeordneten Rippen oder Ansätzen des Spannringes 21 erzielen.

Patentansprücheι

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Claims

Patentansprüche

.vRohrförmlger Brennstoffstab für Kernreaktoren, insbesondere für mittels eines unter Druck stehenden Strömungsmittels gekühlte Leistungsreaktoren, mit je einer im wesentlichen zylindrischen Aussen- und InnenhUlle, die zwischen sich ein Rohr oder aufeinandergestapelte Ringe aus spaltbarem Material einsohliessen, mit zwei ringförmigen Stopfen für den Ansohluss und Verschluss der Enden der Hüllen und mit an der auf den zylindrischen Brennstoffkörper sich abstützenden InnenhUlle vorgesehenen, gleichen Abstand voneinander aufweisenden, nach innen gerichteten Längsfalten zur radialen Verformbarkeit der Hülle, dadurch gekennzeichnet, dass beide Hüllen (l, 2) aus rostfreiem Stahl mit einer Wandstärke von i/lO mm oder darunter gebildet sind, dass sowohl die äussere (2) wie die innere Hülle (i) zwischen den Endzonen für die Anbringung der Verschlussstopfen (4) mit an sich bekannten, in gleichem Abstand voneinander angeordneten Längsfalten (9) zur radialen Verformbarkeit der Hüllen und an mindestens einer der Endzonen mit an sich bekannten ringförmigen oder schraubenförmigen, eine geringere Höhe als die Längsfalten aufweisenden Falten (lO) in Umfangsrichtung zur axialen Verformbarkeit der Hüllen versehen sind, wobei zwischen den Hüllen und dem Brennstoff stab

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ein bei Betriebstemperatur des Brennstoffstabes plastischer,

an sich bekannter Werkstoff (ll) angeordnet ist, dass die Längsfalten (9) durch einen Steifungsdraht (13) innen verstärkt sind und dass im Innenhohlraum des Brennstoffstabes ein starrer, zylindrischer Körper (12), dessen Enden mit den Enden des BrennstoffStabes fest verbunden sind, angeordnet ist, gegen dessen Aussenfläche sich die Längsfalten (9) der Innenhülle (l) abstützen.
2. Brennstoffstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Körper (12) mittels in seine Enden eingreifenden, an den Verschlussstopfen (4) befestigten Drähten (14) mit den Enden des Brennstoffstabes fest verbunden ist.
3. Brennstoffstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Körper (12) mit den Enden des Brennstoffstabes mittels auf den Enden des zylindrischen Körpers (12) und auf den Verschlussstopfen (4) festgelegten Halterungen (23) fest verbunden ist, die vorzugsweise in gleichem Abstand voneinander angeordnete, aus dem Brennstoff stab seitlich herausragende Arme (24) aufweisen.
4. Brennstoffstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllen (l, 2) in den zwischen den Längsfalten (9) liegenden Abschnitten ihrer Oberfläche parallel zu den Längsfalten (9) verlaufende Falten (20) mit geringerer Höhe aufweisen.

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