DE2156171C2 - Nukleares Brennelement mit mehreren Brennstoffröhren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein nukleares Brennelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Es ist wichtig, während des Betriebes des Reaktors eine Verschiebung oder ein Kriechen der Abstandshalter längs dem Brennelement zu verhindern. Ein solches Kriechen kann durch Verbindung einer oder mehrerer Brennstoffröhren als Fangröhren verhindert werden. Zu diesem Zweck hat man bisher eine Fangröhre verwendet, die aus mehreren Röhrenabschnitten besteht, die durch Rohrverbindungsstücke miteinander verbunden sind, die an ihrer äußeren Oberfläche radial vorstehende Ansätze aufweisen. Diese Ansätze kommen mit den Abstandshaltern so zum Eingriff, daß diese sich nicht mehr bewegen können.

Die verschiedenen Teilröhren einer solchen Fangröhre müssen mit den Rohrverbindungsstücken verschweißt werden, und es ist notwendig, den inneren Durchmesser dieser Rohrverbindungsstücke zu reduzieren und außerdem in jeder Teilröhre eine Feder vorzusehen, welche die Brennstoffkugeln in ihrer Lage hält, und einen leeren Raum zur Aufnahme der Spaltungsgase und zur Ausdehnung der Brennstoffkugeln in Achsrichtung. Deshalb ist die Kapazität dieser bekannten Fangröhre erheblich beschränkt.

Es ist weiterhin ein Brennstoffelement der eingangs genannten Art bekannt geworden (DE-OS 19 49 211), bei dem die Fangröhre im Bereich der Abstandshalter jeweils einen einzigen, angeschweißten Ansatz aufweist. Dieser Ansatz greift nur einseitig in die Abstandshalter ein.

Es ist ebenfalls eine Anordnung von Brennstäben

bekannt (US-PS 32 05148), bei der jeweils zwei

Brennstäbe in axialer Verlängerung übereinander

angeordnet sind. Jeder der Brennstäbe trägt an seinem oberen und seinem unteren Ende einen umlaufenden

Kragen, wobei sich nur der untere Kragen jeder Brennstoffröhre auf einem Abstandshalter abstützt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

ίο Brennelement der eingangs genannten Art in seiner Funktion derart zu verbessern, daß sowohl eine bessere Festlegung der Abstandshalter und damit der Brennstoffröhren als auch eine erhöhte Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit der Fangröhre erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennelement durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst

Die Erfindung schafft eine Fangröhre, die aus einem einzigen Röhrenstück hergestellt ist, das einen konstan ten Innendurchmesser aufweist In den Innenraum können Brennstoffkugeln gefüllt sein, die einander berühren und eine Säule bilden, die die Röhre vom einen zum anderen Ende füllt, wobei ggf. im oberen Bereich ein kleiner Raum zur Aufnahme der Spaltungsgase freigelassen ist An beiden Enden der Fangröhre kann jeweils ein Endverbindungsstück angeschweißt sein. Der Außendurchmesser des zur Herstellung der Fangröhre dienenden Röhrenstücks ist größer als der diametrale Abstand der Spitzen der Ansätze. Eine solche Röhre hat deshalb eine relativ dicke Wand, deren innerer Durchmesser gleich dem der normalen Brennstoffröhren in dem Brennelement sind. Der äußere Durchmesser der Röhre wird, außer an den Stellen an denen die Ansätze gebildet werden sollen, durch Abspanen oder Schleifen so lange verringert, bis er gleich dem Durchmesser der normalen Brennstoffröhren ist. Diese Bearbeitung erzeugt an den Orten für die Ansätze Ringe, die weiter bearbeitet werden, bis Flächen entstehen, die im wesentlichen tangential zu dem bearbeiteten, äußeren Durchmesser verlaufen. Durch diese Bearbeitung werden Vorsprünge oder Absätze geschaffen, die zum Fangen oder Arretieren der Abstandshalter dienen. Die so bearbeitete Fangröhre wird danach wie eine normale Brennstoffröhre behandelt Sie wird mit Brennstoffkugeln von einem

Ende bis zu ihrem anderen Ende angefüllt, so daß

lediglich ein einziger leerer Raum für die Spaltungsgase an ihrem oberen Ende frei bleibt.

Das nukleare Brennelement gemäß der Erfindung

besitzt gegenüber dem bekannten Brennelement viele Vorteile. Ein solcher Vorteil ist z. B. darin zu sehen, daß ihre Fangröhre mehr Brennstoff aufnehmen kann, da kein Platz zur Aufnahme von Rohrverbindungsstücken verschwendet ist, sondern vielmehr der gesamte Innenraum zur Aufnahme von Brennstoffkugeln zur Verfügung steht. Die zusätzliche Aufnahmekapazität für Brennstoff beträgt pro Röhre 15%. Eine erhöhte Brennstoffkapazität des Reaktors führt wiederum zu niedrigen Energieerzeugungskosten, da der Reaktor mehr Energie erzeugen kann, bevor er wieder mit Brennstoff gefüllt werden muß.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß die unerwünschte Eigenschaft der erhöhten Energieerzeugung, auch »power peaking« genannt, vermieden wird, die sonst in den Brennstoffkernen nahe den nicht mit Brennstoff gefüllten Abschnitten der bekannten Vorrichtung auftritt. Mit dieser erhöhten Energieerzeugung ist eine Zunahme des Wärmeflusses

über den Wert hinaus verbunden, der normalerweise in diesem Bereich des Reaktors stattfindet. Diese erhöhte Energieerzeugung wird durch die Abbremsung der Neutronen in dem nicht spaltbaren Material verursacht Diese erhöhte Energieerzeugung kann eine Erniedrigung des normalen Energieerzeugungsniveaus des Reaktors erfordern, da das Energieerzeugungsniveau durch den maximalen Oberflächenwärmefluß begrenzt wird, der ohne Gefährdung der Brennstoffröhre zulässig ist ίο

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Fangröhre billiger herzustellen ist, da auf viele Schweißvorgänge verzichtet werden kann, die alle in einer Kammer mit einer inerten Atmosphäre ausgeführt werden müssen. Damit entfällt auch die Notwendigkeit is viele Schweißstellen durch radiographische oder äquivalente Methoden zu übeiprüfen. Außerdem entfällt die Zeit die früher für die Zusammensetzung der vielen Teilröhren und Rohrverbindungsstücke notwendig war, wodurch die Herstellungskosten der Fangröhre gemäß der Erfindung weiter verbilligt werden.

Ein weiterer Vorteil des Brennelements gemäß der Erfindung ist die erhöhte Zuverlässigkeit un ; Betriebssicherheit der einstückig ausgebildeten Fangröhre. Sie beruht auf der Tatsache, daß mit einer fehlerhaften Schweißstelle die ganze Brennstoffröhre fehlerhaft ist und daß Schweißstellen oft fehlerhaft sind. Da die bisher bekannten Fangröhren sechsmal so viele Schweißstellen aufweisen, wie die Fangröhre gemäß der Erfindung, ist es offensichtlich, daß die Fehlerwahrscheinlichkeit der Fangröhre gemäß der Erfindung erheblich verringert ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines nuklearen Brennelements gemäß der Erfindung in verkleinertem Maßstab,

Fig.2 eine bruchstückhafte, etwa in wahrer Größe dargestellte Ansicht des Brennelements der F i g. 1 mit einem Mantelgehäuse, das teilweise im Schnitt gezeichnet ist so daß eine Seitenansicht eines Abstandshalters freigegeben wird,

Fig.3 einen Querschnitt längs der Unie 3-3 der Fig. 2,

Fig.4 einen Querschnitt durch eine Fangbrennstoffröhre,

Fig.5 eine vergrößert dargestellte Draufsicht auf einen Teil der Fläche, die in der Fig.3 durch das gestrichelte Rechteck 5-5 hervorgehoben ist,

Fig.6 eine Seitenansicht der in Fig.5 gezeigten Teile,

Fig.7—7A zentrale Längsschnitte durch eine bekannte F,ingbrennstoffrchre,

F i g. 8—8A ähnliche Ansichten einer Fangbrennstoffröhre gemäß der Erfindung.

In der Fig. 1 ist ein nukleares Brennstoffelement 1 dargestellt, das von einem Mantelgehäuse 2 (siehe F i g. 3) umgeben ist, das einen rechteckigen Querschnitt aufweist und sich von einem unteren Endverbindungsstück 3 zu einem oberen Endverbindungsstück 4 erstreckt Das untere Endverbindungsstück 3 ist mit einem Ende in einer kreisförmigen öffnung einer Stützplatte 5 aufgenommen, die einen Teil des Reaktors bildet Das obere Endverbindungsstück weist einen Griff 6 auf, der zu einfacheren Handhabung bei der Installation und bei der Entfernung des Brennstoffelementes dient Innerhalb des Mantelgehäuses 2 sind 36 Brennstoffröhren odr.r -stangen 7, die durch die gestrichelten Linien der Fig. 1 dargestellt sind, in sechs Reihen und sechs Spalten angeordnet Die unteren Enden dieser Brennstoffröhren 7 stecken in öffnungen in dem unteren Verbindungsstück 3, und die oberen Enden dieser Brennstoffröhren 7 sind an dem oberen Verbindungsstück 4 befestigt Während des Betriebs des Reaktors gelangt das Wasser, das durch die von den Brennstoffröhren entwickelte Wärme in Dampf umgewandelt werden soll, durch eine öffnung an der Unterseite des unteren Endverbindungsstücks 3 in das Mantelgehäuse 2 und fließt an den äußeren Oberflächen der Brennstoffröhren 7 vorbei nach oben, und der gebildete Dampf strömt durch das obere Endverbindungsstück 4.

In der F i g. 1 sind durch gestrichelte Linien Abstandshalter 8 dargestellt Die Anzahl dieser Abstandshalter hängt von der Anzahl der Brennstoffröhren 7 ab, und in dem gewählten Ausführungsbeispiel sind fünf Abstandshalter 8 vorgesehen, welche Durchbiegungen und Vibrationen der einzelnen Brennstoffröhren während des Betriebs des Faktors verhindern. In den F i g. 2 und 3 ist ein Abstandshalter 8 dargestellt, der aus einem starren, dünnen Metallband 9 besteht welches die 36 Brennstoffröhren umgibt

Innerhalb des Metallbandes 9 sind parallel zueinander und mit Abstand voneinander Metallstreifen 10 angeordnet, die sich in einer Richtung von einer Wand des Metallbandes 9 bis zu dessen anderer Wand erstrecken, und außerdem zwei Metallstreifen 11, die ähnlich im Abstand voneinander angeordnet sich im rechten Winkel zu den Streifen 10 von einer Wand bis zur anderen Wand des Metallbandes 9 erstrecken. Diese Anordnung ist so getroffen, daß diese beiden starren Streifenpaare das Innere des Mantelgehäuses 2 in neun quadratische Räume aufteilen, die jeweils vier Brennstoffröhren 7 enthalten.

Jeder dieser neun Räume ist durch Paare von elastischen Teilen in vier Zellen unterteilt. Ein Paar dieser elastischen Teile trägt die Bezugszeichen 12 und 12a. Diese Teile 12 und 12a sind nahe beieinander und parallel zu den starren Metallstreifen 10 angeordnet. Rechtwinklig zu diesen Teilen 12 und 12a sind ähnliche Paare elastischer Streifen 13 und J3a angeordnet. Durch diese Anordnung wird jede Brennstoffröhre 7 innerhalb des Mantelgehäuses 2 an vier verschiedenen, um 90° zueinander versetzten Stellen ihrer Oberfläclie erfaßt, so daß sie weder vibrieren noch sich durchbiegen kann. Jede Röhre kommt mit zwei an den starren Teilen der Abstandshalter ausgebildeten Perlen 14 und mit zwei Stellen der elastischen Teile 12 bzw. 12a und 13 bzw. 13a in Verbindung.

Es wird jetzt ciie Fang- oder Haltebrennstoffröhre beschrieben, die verhindern soll, daß die Abstandshalter sich in Längsrichtung des Brennelements verschieben. Eine Fangröhre 15 ist in den Fig.3, 4, 5 und 6 dargestellt. Sie ist ähnlich einer Standardröhre 7 aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, daß sie vier Paare von Ansätzen 16, 17, 18 und 19 aufweist, die rechtwinklig zueinander von der Oberfläche der Röhre vorstehen, wie rs in den Fig.4 und 5 dargestellt ist. Diese Fangröhre 15 ist in einer besonderen Zelle nahe dem Zentrum des Abstandshalters 8 angeordnet, durch den sie sich erstreckt.

Solch eine besondere Zelle 20 befindet sich bei allen Abstandshaltern im Bereich ihres Zentrums. Diese besondere Zelle unterscheidet sich von den übrigen Zellen dadurch, daß der mittlere Abschnitt des starren Streifens 10 nach innen gebogen ist, so daß er einen

schmalen Anschlag 21 bildet, und daß in ähnlicher Weise der starre Streifen 11 nach innen gebogen ist, so daß er einen schmalen Anschlag 22 bildet. Die Breite dieser Anschläge 21 und 22 ist gleich der Breite der elastischen Teile 12 und 13, die nach innen gebogene Abschnitte 23 und 24 aufweisen.

Wie man in den Fig.5 und 6 sieht, kommen die oberen und unteren Ansätze 16 der Fangröhre 15 mit der Oberkante bzw. der Unterkante des Absatzes 21 zum Eingriff. In ähnlicher Weise kommen die oberen und unteren Ansätze 17 mit der Oberkante bzw. mit der Unterkante des Absatzes 22 zum Eingriff. Zusätzlich kommen die oberen und die unteren Ansätze 18 mit den oberen und den unteren Kanten des gebogenen Absatzes 23, und die oberen und die unteren Ansätze 19 mit der oberen und der unteren Kante des gebogenen Abschnittes 24 zum Eingriff. Die F i g. 5 und 6 zeigen die Positionen der vier Ansätze an der Fangröhre 15, nachdem sie mit den Teilen des Abstandshalters zum Eingriff gebracht wurden sind, wie es üben beschrieben wurde.

Um die Fangröhre 15 mit dem Abstandshalter 8 zusammenzusetzen, wird die Fangröhre 15 in Längsrichtung in das Brennelement 1 eingeführt, wobei die flachen Oberflächen zwischen benachbarten Ansätzen parallel zu den Oberflächen der Teile geführt werden, die die besondere Zelle 20 bilden, d. h., parallel zu den starren Streifen 10 und 11 und zu den elastischen Teilen 12 und 13. Mit anderen Worten, die Fangröhre 15 wird beim Einführen so gehalten, daß die flache Oberfläche zwischen jedem Paar benachbarter Rippen um einen Winkel von 45° gegenüber der in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigten Positionen verdreht ist. Nach dem Einführen wird die Röhre um 45° gedreht.

Die Fangröhre 15 gemäß der Erfindung ist in den Fig. 8 und 8A dargestellt. Diese Brennstoffröhre besteht aus einem einzigen Stück, das sich von einem Ende bis zum anderen Ende erstreckt. Ihr unteres Ende, das in der Zeichnung rechts dargestellt ist, ist durch einen Abschlußstopfen 25 verschlossen, der bei 26 an dem unteren Ende der Röhre 15 angeschweißt ist und einen Schaft 27 aufweist, der in dem unteren Endverbindungsstück des Brennelements 1 steckt. Die Röhre 15 ist im wesentlichen von ihrem einen bis zu ihrem anderen Ende mit Brennstoffkugeln 28 gefüllt. Die unteren Brennstoffkugeln liegen auf dem unteren Abschlußstopfen 25. und die obersten Brennstoffkugeln 28 sind hinreichend weit von dem oberen Ende der Röhre entfernt angeordnet, so daß sie den notwendigen leeren Raum 29 für die Aufnahme der Spaltungsgase freilassen.

Oberhalb ΊεΓ obersten Brennstoffkugeln ist eine Isolierscheibe 30 angeordnet, die einen zentralen Durchlaß für die Spaltungsgase aufweist, und zwischen dieser Isolierscheibe 30 und der Unterseite des oberen Abschlußstopfens 31 ist eine Druckfeder 32 angeordnet die die Säule der Brennstoffkugeln in ihrer Position zurückhält Der obere Abschlußstopfen 31 ist bei 32 mit dem oberen Ende der Röhre 15 verschweißt und weist einen Schaft 33 auf, der vorzugsweise abgeflachte Seiten aufweist wie es in der Zeichnung angedeutet ist die dazu dienen, die Röhre bezüglich der Fangzellen 2J der verschiedenen Abstandshalter in die richtige Winkellage zu drehen.

An der Außenfläche der Röhre 15 sind fünf Ansatzpaare 34 vorgesehen, vergleiche F i g. 8 und 8A, die jeweils aus vier Ansätzen 16,17,18 und 19 bestehen, wie es in F i g. 4 gezeigt ist Für jeden Abstandshalter 8 ist ein Ansatzpaar vorgesehen.

Diese beschriebene Fangröhre 15 wird aus einer Röhre aus geeignetem Material, z. B. aus rostfreiem Stahl oder aus einer Zirkonlegierung hergestellt, deren

-, Durchmesser etwas größer als der Abstand zwischen den Stützen der entgegengesetzten Ansätze 17 und 19 ist. Zunächst wird dabei der Durchmesser der Röhre durch Spanabhebung oder durch Schleifen auf den diametralen Abstand zwischen den Oberflächen der

ίο Ansätze 17 und 19 reduziert. Danach wird diese Röhre, deren Wanddicke erheblich stärker ist als in den F i g. 8 und 8A gezeichnet, weiter spanabhebend verarbeitet oder abgeschliffen, so daß ihr Durchmesser weiterhin reduziert wird, bis die gewünschte Wandstärke erreicht

is ist. Diese Wandstärke ist im wesentlichen gleich der Wandstärke der normalen Brennstoffröhren. Es versteht sich, daß diese Bearbeitung Paare von kreisringförmigen Rippen an den fünf Stellen 34 erzeugt. Diese Ringe werden dann weiter bearbeitet, bis die in Fig.4 ge/.eigicii iläCncii Fiäciicii 33 ci'itSieiicii, wcieiie uie kreisförmige Außenfläche der Röhre 15 tangieren. Durch die Erzeugung dieser Flächen 35 werden gleichzeitig die Ansätze 16,17,18 und 19 erzeugt.

In den F i g. 7 und 7A ist eine bekannte Fangröhre 36 dargestellt, die gleich der Fangröhre 15 fünf Ansatzpaare 34a aufweist, die aus Ansätzen bestehen, die den Ansätzen 16, 17, 18 und 19 gleichen. Die Fangröhre 36 besteht jedoch aus sechs Röhrenabschnitten 37 und fünf Roi.fVerbindungsstücken 38. Jedes Rohrverbindungsstück 38 trägt ein Ansatzpaar 34a mit nach außen vorstehenden Ansätzen 16, 17, 18 und 19, und diese Rohrverbindungsstücke unterteilen die Säule der Brennstoffkugeln in sechs voneinander getrennte Teilsäulen 39, 40, 41, 42, 43 und 44. Jede dieser Teilsäulen von Brennstoffkugeln benötigt eine Isolierscheibe 45 und eine Halterungsfeder 46, die alle zusätzlich zu der oberen Isolierscheibe 47 und der Feder 48 notwendig sind. Mit anderen Worten heißt das, daß zusätzlich zu dem leeren Raum 49 am oberen Ende für jeden Abschnitt der Brennstoffkugeln ein leerer Raum für die Spaltungsgase vorgesehen werden muß.

Wegen der notwendigen Unterteilung der Brennstoffkugeln in Teilsäulen wird der innere Aufbau der Rohrverbindungsstücke 38 sehr kompliziert, wie man aus den Fig. 7 und 7A sieht. Es ist auch weiterhin notwendig, an jedem Rohrverbindungsstück Schultern 50 und 51 vorzusehen, damit die Rohrverbindungsstücke mit den Enden der zugeordneten Röhrenabschnitte verschweißt werden können. Somit ergibt sich zusätzlieh zu den offensichtlich sehr komplizierten und teuren Verarbeitungsverfahren zur Herstellung der Rohrverbindungsstücke 38 noch ein Schweißprobi^n. Jedes Rohrverbindungsstück 38 muß an beiden Enden mit den angrenzenden Röhrenabschnitten 37 verschweißt werden. Zu dem schwierigen Problem, beim Schweißen die notwendige genaue Anordnung, Geradlinigkeit und Ausrichtung dieser Rohrverbindungsstücke und der Röhrenabschnitte aufrechtzuerhalten, kommt erschwerend hinzu, daß jede Schweißung in einer Kammer durchgeführt werden muß, die eine inerte Atmosphäre enthält Außerdem muß jede Schweißstelle gründlich durch radiographische oder andere Verfahren untersucht werden. Diese Schwierigkeiten erhöhen zwangsläufig die Herstellungskosten dieser Fangröhren.

Durch Gegenüberstellung der relativ einfach aufgebauten Fangröhre 15, wie sie im Zusammenhang mit den F i g. 8 und 8A beschrieben wurde, mit der in den F i g. 7 und 7A dargestellten Fangröhre 36 werden die Vorteile

der Fangröhre 15 gemäß der Erfindung offensichtlich. Soweit man ferner den Ausfall einer Röhre nach dem Ausfall einer Schweißstelle beurteilt, wird es offensichtlich, daß die Fehleranfälligkeit der Brennstoffröhre 36 zumindest um das Verhältnis der Schweißstellen der beiden Brennstoffröhren größer ist als bei der Brennstoffröhre 15.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Nukleares Brennelement mit parallel zueinander angeordneten, mit Brennstoff gefüllten Röhren, die mit ihren beiden Enden an oberen bzw. unteren Endverbindungsstücken befestigt sind, und mit Abstandshaltern, die ein Durchbiegen und ein Vibrieren der einzelnen Brennstoffröhren verhindern, die im vorbestimmten Abstandsverhältnis zueinander auf der gesamten Länge des Brennelementes angeordnet sind und jeweils ein steifes, dünnes Metallband umfassen, welches die Anordnung der Brennstoffröhren umgibt, wobei an den Abstandshaltern Einrichtungen vorgesehen sind, die mit entgegengesetzten Seiten jeder Brennstoffröhre zum Eingriff kommen, und mit einer Vorrichtung zur Verhinderung einer Verschiebung der Abstandshalter in Längsrichtung der Brennstoffröhren, von denen mindestens eine eine Fangröhre für die Abstandshalter ist, deren Wand sich durchgehend von einen Ende bis zum anderen Ende erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangröhre (15) für jeden Abstandshalter (8) zwei paarweise parallel übereinander mit Abstand voneinander angeordnete einstückig mit der Röhrenoberfläche ausgebildete Ansatzkränze (34) aufweist, deren einzelne Ansätze (16, 17, 18, 19) senkrecht zur Röhrenoberfläche und mit Abstand voneinander von dieser vorstehen, wobei die Ansätze (16 bis 19) der übereinanderiiegenden Ansatzkränze (34) miteinander fluchten, und jeweils zwei übereinanderliegende Ansätze (16 bis 19) mit entgegengesetzten Kanten von seitlich vorstehenden Leisten (21 bis 24) des jeweiligen Abstandshalter* (10, 11) zum Eingriff kommen.