DE2349391C2 - Kernreaktor-Brennelement - Google Patents
Kernreaktor-BrennelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein Kernreaktor-Brennelement der vorstehend genannten Art ist in der DE-OS 15 14 968 (oder der US-PS
10 474) beschrieben, bei dem sich die Haltefeder im Reibungsschluß mit der Innenwand des Rohres befindet.
Bei dem in der DE-AS 15 64 034 (oder der US-PS 78 458) beschriebenen Kernreaktor-Brennelement
der vorgenannten Art hat die Haltefeder einen etwas geringeren Durchmesser als das Rohr, was eine
umfangsmäßige Spannungsbelastung auf dem Umfang des Rohres vermeidet.
Ein Problem bei der Verwendung einer solchen Haltefeder wird in der DE-AS 15 64 034 beschrieben.
Wenn der Endstopfen in das Ende des Rohres eingeschweißt wird, besteht die Gefahr, daß die
Schweißstelle mit dem Material der Feder verunreinigt wird. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Federmaterial,
wie Ni/Cr/Fe-Legierung oder Stahl, der Endstopfen und das Material des Rohres, wie Zirkonium oder eine
Zirkoniumlegierung, eine eutektische Legierung bilden können, deren Schmelztemperatur niedriger ist als die
Schmelztemperaturen irgendeines der Ausgangsmaterialien. Die Bildung einer solchen eutektischen Legierung
im Schweiß- oder Schmelzbereich ist wegen der nicht vorhersagbaren Materialeigenschaften, wie
Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Duktilität, der dabei entstehenden Legierungen gegenüber den Umgebungsbedingungen
des Reaktors oder den Spaltprodukten nicht zulässig.
Eine Lösung für dieses Problem wurde in der genannten DE-AS 15 64 034 vorgeschlagen und besteht
darin, daß die Haltefeder die innere Oberfläche des Endstopfens nur in der Mitte berührt. Eine Ausführungsform umfaßt das Biegen der Endwindung der Haltefeder
um einen Winkel von 90°, so daß diese Endwindung nur mit dem Mittelteil des Endstopfens, der während des
Schweißens am kältesten ist, in Kontakt ist. Diese Endwindung wird zusätzlich mit einem Trennmaterial,
wie Chrom, überzogen, um die eutektische Temperatur zu erhöhen.
Bei der Ausführung der vorstehend angegebenen Lösung für die Herstellung von Kernreaktor-Brennelementen
in großem Maßstab sind jedoch verschiedene Probleme aufgetreten. Diese umfassen beispielsweise
Schwierigkeiten bei der Erzielung einer qualitativ hochwertigen Plattierung, Beschädigungen an dem
plattierten Federende bei der Handhabung und Schwierigkeiten bei der Feststellung von Unvollkommenheiten
und Beschädigungen, so daß die mit dem erwünschten Maß von Sicherheit ausgeführte Qualitätskontrolle
nur schwer erreichbar und kostspielig ist.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Kernreaktor-Brennelement
dahingehend zu verbessern, daß ein Auftreten einer eutektischen Legierung oder eine Verunreinigung oder
Beschädigung beim Verschweißen von Endstopfen und Rohr auf wirtschaftliche Weise zuverlässig vermieden
wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Kernreaktor-Brennelementes
mit Trennteil,
Fig.2 einen vergrößerten Längsschnitt des oberen Teils eines Brennelementes zur Darstellung einer
Ausführungsform des Trennteils und
F i g. 3 einen weiteren vergrößerten Längsschnitt des oberen Teils eines Brennelementes mit einer anderen
Ausführungsform des Trennteils.
Fig. 1 zeigt ein typisches Kernreaktor-Brennelement
11 mit einem länglichen Rohr 12 aus einem Material, das
für die Verwendung in einem Kernreaktor geeignet ist beispielsweise rostfreiem Stahl oder Zirkonium. Zirkonium
wird wegen seines geringen Neutroneneinfangquerschnittes bevorzugt Die Enden des Rohres 12 sind
durch einen oberen und einen unteren Endstopfen 13 und 14 verschlossen, die durch Schweißen oder eine
andere Methode des Verschmelzens mit dem Rohr 12 verbunden sind, um das Eintreten von Kühlmittel-Moderator
und das Austreten von Spaltprodukten zu verhindern.
Im Innern des Rohres 12 ist eine Säule von Kernbrennstoff 16, beispielsweise Uran- oder Plutoniumdioxid,
enthalten, der in Form von Tabletten vorliegen kann, die mit den Enden aufeinander in das
Rohr eingesetzt sind. Das Rohr 12 ist nicht vollständig mit Brennstoff angefüllt. Zwischen dem Brennstoff 16
und dem oberen Endstopfen 13 ist ein Sammelraum 17 vorhanden, der frei von Kernbrennstoff ist und zum
Sammeln der Spaltproduktgase dient, die während des Reaktorbetriebes erzeugt werden, und der weiterhin
eine thermische Ausdehnung der Brennstoffsäule gestattet Das Volumen des Sammelraums 17 wird groß
genug gehalten, um die während der Lebenszeit des Brennstoffes im Reaktorkern erwartungsgemäß freigesetzten
Spaltproduktgase bei einem vernünftigen Druck aufzunehmen.
Um die Brennstoffsäule 16, besonders während der Handhabung und des Transports, in ihrer richtigen Lage
festzulegeil, ist in dem Sammelraum 17 eine Haltefeder 18 vorgesehen, welche zwischen dem oberen Ende der
Brennstoffsäule 16 und dem oberen Endstopfen 13 zusammengepreßt ist. Die Haltefeder 18 besteht aus
einem geeigneten Federmaterial, wie Inconel-X oder Stahl, und hat einen äußeren Durchmesser, der etwas
geringer ist als der Innendurchmesser des Rohres 12, so daß die Haltefeder 18 keinen Druck auf den Umfang des
Rohres 12 ausübt
Um eine Verunreinigung der Schweißstelle zwischen dem Endstopfen 13 und dem Rohr 12 durch das Material
der Haltefeder 18 zu verhindern, ist erfindungsgemäß ein Trennteil 19 vorhanden, das am oberen Ende der
Feder 18 so befestigt ist, daß er sich bis zum Endstopfen 13 erstreckt und an diesem anliegt und dadurch den
Kontakt zwischen der Haltefeder !8 und dem Endstopfen 13 verhindert Vorzugsweise werden mehrere
Windungen 21 am Ende der Feder 18 eng gewickelt, um die Befestigung des Trennteils 19 zu
begünstigen. Das Trennteil 19 ist aus einem Material hergestellt, das mit dem Material des Endstopfens 13
und des Rohres 12 verträglich ist Das heißt, es wird ein Material verwendet, welches entweder eine höhere
Schmelztemperatur als das Material des Endstopfens und des Rohres aufweist oder mit diesen Materialien
keine eutektische Legierung bildet und/oder ein Material, welches im Falle eines Aufschmelzens und
Vermischens mit der Schweißstelle des Endstopfens und des Rohres keine Verunreinigung oder schädliche
Wirkung dort verursacht. Materialien wie Nickelchrom, Zirkonium, Titan und Wolfram sind für das Trennteil
geeignet. Das Material Zirkonium wird dabei bevorzugt, wenn der Endstopfen 13 und das Rohr 52 ebenfalls aus
Zirkonium hergestellt sind.
Eine Ausführungsform des Trennteils 19 hat die in Fig 2 dargestellte Form einer Wendelfeder 19(1), die
mit den eng gewickelten Endwindungen 21 der Haltefeder 18 zusammenpassend ausgestaltet und
dadurch an diesen befestigt ist. Die Wendelfeder 19(1) kann über ihre ganze Länge eng gewickelt oder es kann
der mit den Endwindungen 21 der Haltefeder 18 zusammenpassende Teil 22 eng gewickelt und der
herausragende Teil 23 kann mit größerem Windungsabstand gebildet sein. Um zu gewährleisten, daß die
Wendelspule 19(1) in dem Ende der Feder 18 fest angebracht ist, ist der Außendurchmesser der Wendelfeder
19(1) vorzugsweise etwas größer als der Innendurchmesser der eng gewickelten Endwindungen 21 der
Haltefeder 18.
Eine weitere Ausführungsform des Trennteils 19 ist das in Fig.3 dargestellte dünnwandige Rohr 19(3).
Dieses ist mit einem unteren Teil 41 ausgebildet, der einen solchen Durchmesser hat, daß er sich bei der
Einführung in festem Eingriff mit den Endwindungen 21 der Haltefeder 18 befindet. Das Rohr 19(3) weist
weiterhin eine nach außen ragende oder vorgewölbte Schulter 42 zum Sitz auf der Haltefeder 18 und zur
Begrenzung der Einführungstiefe darin auf sowie einen oberen Teil 43 zum Kontakt mit dem Endstopfen 13.
Der untere Teil 41 kann durch ein Druckverfahren mit einer Wendelnut ausgestaltet werden, welche an die
Endwindungen 21 angepaßt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Kernreaktor-Brennelement, bestehend aus einem Rohr, aus Endstopfen zum Verschließen der
Enden des Rohres und aus einer in einem Teil des Rohres angeordneten Säule von Kernbrennstoff, der
so angeordnet ist, daß ein Sammelraum benachbart zu einem der Endstopfen gebildet ist, welcher frei
von Kernbrennstoff ist, wobei dieser Endstopfen eine Oberfläche im Innern des Rohres aufweist und
den Sammelraum abschließt und wobei sich eine Haltefeder durch den Sammelraum so erstreckt, daß
ein Ende an der Brennstoffsäule und das andere Ende vor der Oberfläche des Endstopfens endet,
gekennzeichnet durch ein Trennteil (19), das
entweder eine Wendelfeder (19(1)) mit einer Anzahl von Windungen ist, die in eine Anzahl von
Windungen (21) des anderen Endes der Haltefeder (18) paßt und die an der genannten Oberfläche des
einen Endstopfens (13) anliegt, wobei die Wendelfeder (19(1)) aus einem anderen Material als dem der
Haltefeder (18) besteht,
oder ein dünnwandiges Rohr (19(3)) mit einem Teil (41) an einem Ende, das sich in das andere Ende der
Haltefeder (18) erstreckt, weiter mit einer nach außen ragenden Schulter (42) auf dem Umfang, die
auf dem anderen Ende der Haltefeder (18) aufsitzt, und einem Teil (43) am anderen Ende, das an der
genannten Oberfläche des einen Endstopfens (13) anliegt, wobei das dünnwandige Rohr (19(3)) aus
einem anderen Material als dem der Haltefeder (18) besteht.
2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennteil (19) aus einem
Material ähnlich dem Material des einen Endstopfens (13) hergestellt ist.
3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennteil (19), der eine
Endstopfen (13) und das Rohr (12) aus ähnlichen Materialien hergestellt sind.
4. Brennelement nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Zirkonium der Hauptbestandteil
der Materialien des Trennteils, des einen Endstopfens (13) und des Rohres (12) ist
5. Brennelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinanderpassenden
Windungen der Wendelfeder (19(1)) und der Haltefeder (18) eng gewickelt sind.
6. Brennelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der
Wendelfeder (19(1)) zwischen dem anderen Ende der Haltefeder (18) und der genannten Oberfläche des
einen Endstopfens (13) mit Abstand gewickelt sind.
7. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelfeder (19(1)) aus
einem Draht gebildet ist, der als Hauptbestandteil Zirkonium enthält.
8. Brennelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser
des einen Endes (41) des Rohres (19(3)) etwas größer ist als der Innendurchmesser der Endwindungen
des anderen Endes der Haltefeder (18).
9. Brennelement nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende (41)
des Rohres (19(3)) mit einer Wendelnut ausgebildet ist, die an die Endwindungen des anderen Endes der
Haltefeder (18) angepaßt ist.
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