DE1947202A1 - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

Patentanwalt

g. Wilhelm Beichel

FranJrfurt/Main-1 ₆₀₄₄

Parkatraß· 13

GENERAL ELECTRIC COMPANY, SCHENECTADY, N.Y., V.SI.A.

Kernreaktor-Brennstoffelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einem langgestreckten Rohr gebildet ist, welches Kernbrennstoff und einen Raum zur Aufnahme von Spaltproduktgasen enthält. "

Die Auslösung großer Energiemengen durch Kernspaltungsreaktionen ist gut bekannt. Kurz erläutert, ein spaltbares Atom,wie etwa U-235, absorbiert in seinem Kern ein Neutron und erfährt eine Kernumwandlung, welche Spaltprodukte mit niedrigem Atomgewicht und großer kinetischer Energie sowie zahlreiche Neutronen erzeugt, die ebenfalls eine große Energie aufweisen. Die kinetische Energie der Spaltprodukte wird als Wärme im Kernbrennstoff verbraucht. Diese Wärme kann dadurch abgezogen werden, daß ein Kühlmittel zum Wärmeaustausch am Brennstoff vor- ' beigeleitet wird, und die Wärme kann dann aus dem Kühlmittel abgezogen werden,' um eine Nutzleistung zu erbringen. (

In einer bekannten Reaktorausführung, wie sie z.B. in der Dresden Nuclear Power Station nahe Chicago, Illinois verwendet wird, besteht der Reaktorkern aus einer heterogenen Konstruktion. Das heißt, der Kernbrennstoff hat die Form von langgestreckten umhüllten Stäben. Diese Brennstoffstäbe oder -elemente sind zusammengruppiert und in rohrförmigen Strömungskanälen mit offenen Enden enthalten, und bilden getrennt herausnehmbare Brennstoffanordnungen oder -bündel. Es ist eine genügende Zahl von Brennstoffanordnungen in einer Matrix vorgesehen, die einem richtigen kreisrunden Zylinder nahekommt, um den Kernreaktor-Kern zubilden, der eine sich selbst erhaltende Spaltreaktion zu erzeugen vermag. Der Kern wird in ein

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Medium eingetaucht, etwa leichtem Wasser, das sowohl als Kühlmittel wie auch als Neutronen-Moderator dient.

Die oben erwähnten Brenustoffstäbe oder -elemente werden typisch aus einem verschlossenen bzw. abgedichteten Rohr gebildet, das den Kernbrennstoff, z.B. in der Form einer Vielzahl von zylindrischen Brennstoffkörpern enthält. Das durch Endstöpsel abgedichtete bzw. verschlossene Rohr dient also als Umhüllung, um den Kernbrennstoff gegenüber dem Moderator-Kühlmittel zu isolieren und den Austritt von Spaltprodukten zu verhindern.

Einige der Spaltprodukte sind Gase. Zur Unterbringung und Einschließung dieser Spaltproduktgase ist es bekannt, einen Raum oder eine Füllkammer im Brennstoffelement vorzusehen, der von dem Kernbrennstoff nicht eingenommen wird. Die Schaffung dieses Raumes oder der PuI!kammer ruft das Problem hervor, den Brennstoff in seiner erwünschten lage zu halten. Um die richtige nukleare Leistung zu erhalten, ist es wichtig, daß sich der Brennstoff in einer speziellen Brennstoffzone des Reäktorkerns befindet. Es hat sich gezeigt, daß nicht fixierter Brennstoff sich in dem Brennstoffelement verigern kann, und zwar besonders während der Handhabung und des Transports, wo sich das Brennstoffelement in einer anderen als vertikalen lage befinden kann. Es hat sich ferner herausgestellt, daß der verlagerte oder verrutschte Brennstoff sich am Brennstoffrohr so verklemmen oder verkeilen kann, daß er nicht in die aktive Brennstoffzone zurückkehrt, wenn das Brennstoffelement in den Kern eingefahren wird.

Verschiedene Vorrichtungen, wie etwa zylindrische Hülsen, eingeprägte Scheiben und Schraubenfedern hat man schon bisher verwendet, um die Brennstoffsäule in ihrer erwünschten Stellung ' zu halten.

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Die Scheiben sind so ausgeführt, daß sie sich an der Innenseite des Umhüllungsrohres verkeilen. Solche Brennstoffhalterungen ermöglichen aber keine axiale Ausdehnung der Brennstoffsäule während des Reaktorbetriebs und sie sind ferner schwierig richtig einzusetzen.

Es wurde auch bereits ein schraubenfederartiger Brennstoffsäulenhalter vorgeschlagen. Wenngleich eine solche Feder die Brennstoffsäule wirksam zu halten bzw. fixieren vermag und eine axiale Ausdehnung des Brennstoffs zuläßt, beansprucht sie un-.zulässig viel Püllvolumen. In einem typischen Fall nimmt z.B. eine solche Feder etwa 12 bis 15 $> des Füllvolumens ein. Der Schraubenfederhalter bringt ferner ein Problem bezüglich der Verschmutzung der Endstöpselschweißung mit sich, welches in der USA-Patentschrift 3 378 458 behandelt ist.

Ein Halter in der Form einer zylindrischen Hülse bringt alle die oben erwähnten Nachteile mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Mängel zu ■ beseitigen und einen verbesserten Brennstoffhalter für ein Kernreaktor-Brennstoffelement zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen schalenförmigen Halter zwischen dem Kernbrennstoff und dem Raum, welcher Halter einen Bodenteil, der an dem Brennstoff anliegt, und einen aufrechtstehenden Teil aufweist, der nachgiebig in Anlage mit dem Rohr steht, wodurch einer axialen Bewegung des Brennstoffes ein Widerstand entgegengesetzt ist.

Gemäß der Erfindung wird also ein Brennstoffhalter geschaffen, der die Form einer geschlitzten Schale hat, welche eine seitliche Kraft gegen die Innenseite des Brennstoffelement-Umhüllungsrohres ausübt, die genügend groß ist, um die Brennstoffsäule während der Handhabung und des Versand- oder Transports festzuhalten, jedoch eine axiale Ausdehnung der Brennstoffsäule während des Reaktorbetriebs ermöglicht.

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Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Abbildung ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und der Abbildung hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen, zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Brennstoffelements mit dem Brennstoffhalter gemäß der vorliegenden Erfindung;

Tig. 2 eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Brennstoffhalters gemäß der Erfindung und

Pig. 3 eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Brennstoffhalters gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein typisches Kernbrennstoffelement 11 mit einem langgestreckten ümhüllungsrohr 12 gezeigt. Das Rohr 12 ist aus einem passenden Material zur Verwendung in einem Reaktor hergestellt, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, Aluminium oder Zirkonium. Zirkonium ist ein bevorzugtes Material, und zwar wegen seines niedrigen Einfangsquerschnittes für Neutronen. Die Enden des Umhüllungsrohres 12 sind durch Endstöpsel 13 und 14 abgedichtet, die mit dem Rohr verschweißt oder anderweitig verschmolzen sind, um den Eintritt des Kühlmittel-Moderators sowie den Austritt von Spaltprodukten zu verhindern. Innerhalb des Umhüllungsrohres 12 ist eine Säule aus Kernbrennstoff 16, etwa Uran-Dioxyd untergebracht,· der in der Form von zylindrischen Körpern vorliegen kann, die Stirnseite an Stirnseite in dem Rohr angeordnet sind.

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Das Umhüllungsrohr 12 wird nicht vollständig mit Kernbrennstoff gefüllt. Statt dessen wird ein Raum oder eine ÜPüllkammer 17 vorgesehen, um die Spaltproduktgase zu sammeln, die während des Reaktorbetriebs erzeugt werden. Das Volumen der Füllkammer 17 ist groß genu g gehalten, um die Spaltproduktgase mit einem zulässigen Druck aufzunehmen, die erwartungsgemäß von dem Brennstoff während seiner Lebensdauer im Reaktorkern freigegeben werden.

Um die Brennstoffsäule 16 in Einstellage zu halten, besonders während der Handhabung und des Transports, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein schalenförmiger Brennstoffhalter 18 zwischen der Brennstoffsäule 16 und der 3?üllkammer 17 vorgesehen. Der Halter 18 ist aus einem passenden Pedermaterial, etwa Inconel-X mit z.B. einer Dicke von ungefähr 0,76 mm (0,03 Zoll) hergestellt und enthält einen Bodenteil 19 und einen aufrechtstehenden Teil 20. Der aufrechtstehende Teil 20 ist so ausge bildet, daß er eine Reibungskraft oder Vorspannung gegen die Innenwandung des Rohres 12 erzeugt, die so groß ist, daß sie einer Verstellung oder Verlagerung des Halters 18 während aller normaler Handhabungstfind Trarisportvorgänge widersteht, jedoch eine Aufwartsverstellung des Halters 18 durch die axialen (Längs-) Ausdehnungskräfte der Brennstoffsäule 16 während des Reaktorbetriebs ermöglicht. Die axiale Länge des aufrechtstehenden Teiles 20 ist groß genug gehalten, und zwar in Übereinstimmung mit einer äußersten Reduzierung der Menge an Hatfcermaterial, um eine leichte Einführung oder ein leichtes Einsetzen des Halters in das Umhüllungsrohr 12 zu ermöglichen und ein Aufsetzen auf der Brennstoffsäule 16 ohne ein Verspannen oder Verkeilen zuzulassen. Eine Länge von wenigstens 1/4 und vorzugsweise etwa die Hälfte des Durchmessers des Bodenteils 19 hat sich als geeignet herausgestellt.

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Eine spezielle Ausführungsform des Brennstoffhalters 18 ist in Pig. 2 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der schalenförmige Halter durch einen Schlitz 21 geteilt, der sich durch die eine Seite des aufrechtstehenden Teiles 20 und quer über den Bodenteil 19 erstreckt. Ein solcher geteilter oder geschlitzter Schal enhalter bringt gegenüber der einfachen Schalenform den Vorteil, daß die Federkraft über größere Durchmesserveränderungen konstanter bleibt. Löcher 22 können im Bodenteil 19 vorgesehen sein, um den Durchgang der Spaltproduktgase vom Brennstoff in die Füllkammer 17 zu unterstützen und um ferner ein Werkzeug aufzunehmen, mittels dem der Halter 18 aus dem Rohr 12 herausgenommen werden kann.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brennstoffhalters 18 ist in Pig. 3 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der schalenförmige Halter mit zwei Paaren von gegenüberliegenden Längsschlitzen versehen. Ein erstes Paar von gegenüberliegenden Schlitzen 25 ist in dem aufrechtstehenden Teil 20 ausgebildet, und sie erstrecken sich auch etwas in den Bodenteil 19· Ein ähnliches Paar von gegenüberliegenden Schlitzen 24 ist um etwa 90° von den Schlitzen 23 versetzt im aufrechtstebenden Teil 20 ausgearbeitet.

Der Kernbrennstoffhalter gemäß der vorliegenden Erfindung bringt damit zumindest die folgenden Vorteile: Der vorliegende Brennstoffhalter beansprucht weniger als 1$ des Füllkammervolumens, verglichen mit etwa 12 bis 15 $> des Füllkammervolumens, das die bekannten Schraubenfeder- und zylindrischen Hülsenhalter erfordern. Der erfindungsgemäße Brennstoff halter ist einfach und preiswert herzustellen.

Der vorliegende Brennstoffhalter richtet sich selbst aus und ermöglicht einen leichten und genauen Einbau im UmhüTlungsrohr* Der erfindungsgemäße Brennstoffhalter vermeidet den konstanten Druck gegen die Endstöpsel, wie er bei der Verwendung einer Schraubenfeder auftritt, sowie die Probleme bei der Verschwel™ ßung des oberen Endstöpsels mit dem Umhüllungsrohr beim ^T\: r-

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handensein dieses Druckes. Der vorliegende Brennstoffhalter dient ferner als Wärmebarriere zwischen der Brennstoffsäule und dem Gas in der Füllkammer, wobei als Quelle der Gammaerwärmung der Spaltproduktgase ein Minimum an Masse in Bezug auf den Oberflächenbereich vorhanden ist und die geringe Erwärmung der Gase eine Reduzierung des Gasdruckes oder eine Verringerung des Füllkammervolumens ermöglicht. Da der erfindungsgemäße Brennstoffhalter vom Ende des Umhüllungsrohres entfernt angeordnet ist, kann keine Beeinträchtigung durch eine mögliche Verschmutzung an der Rohr-Endstöpselverschweißung auftreten, wie dies bei Hülsen- und Schraubenfederhaltern der Fall ist. Für den Fall, daß das Umhüllungsrohr aus einem nicht magnetischen Material hergestellt ist, kann die axiale Stellung des erfindungsgemäßen Brennstoffhalters ohne teuere Röntgenaufnahme einfach mit einem Magnet überprüft werden. Da der Bodenteil des vorliegenden Brennstoffhalters im wesentlichen eben ist, werden keine zusätzlichen Scheiben oder Beilagen benötigt, um die Druckspannungen des Brennstoffs gegen den Halter zu verteilen, wie dies gewöhnlich notwendig ist, wenn man Schraubenfedern, Hülsen oder tellerförmige Scheiben als Halter verwendet.

Vorstehend ist demzufolge eine verbesserte Einrichtung beschrieben, die in einem Kernbrennstoffelement den Brennstoff in seiner erforderlichen Lage festhält bzw. fixiert.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einem langgestreckten Rohr gebildet ist, welches Kernbrennstoff und einen Raum zur Aufnahme von Spaltproduktgasen enthält, g e k en η zeichnet durch einen schalenförmigen Halter (18) zwischen dem Kernbrennstoff (16) und dem Raum (17)» welcher Halter (18) einen Bodenteil (19), der an dem Brennstoff (16) anliegt, und einen aufrechtstehenden Teil (20) aufweist, der nachgiebig in Anlage mit dem Rohr (12) steht, wodurch einer axialen Bewegung des Brennstoffes ein Widerstand entgegengesetzt ist.
2. 2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft des Halters (18) so groß ist, daß eine Verlagerung des Brennstoffes (16) während des Transports und der Handhabung verhindert ist.
3. 3. Brennstoffelement nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft so bemessen ist, daß ein axMe Verschiebung des Halters (18) aufgrund einer Längsausdehnung des Kernbrennstoffe(16) während des Betriebs

   'im Reaktor ermöglicht.ist.
4. 4. Brennstoffelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenteil (19) des Halters (18) wenigstens eine Öffnung (22) für den Durchtritt von Gasen aus dem Brennstoff (16) in den Füllraum (17) enthält.
5. 5. Brennstoff element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schalenförmige Halter (18) teilweise gespalten ist.

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6. 6. Brennstoffelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt durch einen Schlitz (21) gebildet ist, der in Längsrichtung,durch den~aufrechtstehenden Teil (20) des Halters verläuft und sich quer über den Bodenteil (19) des Halters erstreckt.
7. 7. Brennstoffelement nach Anspruch 5> dadurch g e kennzeichnet, daß der Spalt durch zwei I-aare von gegenüberliegenden Schlitzen (23, 24) im Hlater (18) gebildet ist, und daß ein erstes der Schlitzpaare (23) sich in Längsrichtung durch den aufrechtstehenden Teil (20) erstreckt und das zweite Schlitzpaar (24y?lm^aÄbstand von dem ersten Schlitzpaar (23) angeordnet ist und sich in Längsrichtung durch den aufrechtstehenden Teil (20) erstreckt.
8. 8. Brennstoffelement nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die axiale Länge des aufrechtsteneden Teils (20) wenigstens gleich einem Viertel des Durchmessers des Bodenteils (19) ist.

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   Lee rs e i t e