DE2730960B2 - Kernreaktorbrennstoffelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennstoffelement der in Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einem derartigen Brennstoffelement, wie es aus den deutschen Offenlegungsschriften 15 14 999 und 06 605 bekannt ist, treten während des Reaktorbetriebes gewisse Schwierigkeiten auf, die im folgenden anhand der F i g. 1 bis 4 der Zeichnungen näher erläutert werden sollen. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Kernreaktorbrennstoffelement der eingangs bezeichneten Gattung;

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der radialen Verteilung der Kühlmittel-Temperatur in der Ebene A-Bnach Fig. 1;

Fig.3 einen Längsschnitt durch das Brennstoffelement nach F i g. 1 zur Veranschaulichung der Deformation der äußersten Brennstoffstäbe innerhalb des Brennstoffelements; und

F i g. 4 einen Längsschnitt durch das obere Ende des Brennstoffelements nach F i g. 1 und 3.

Der am Rand verlaufende Kühlmittelpfad 102, der mit der Wandung des Mantelrohres 101 in Berührung steht, bestreicht einen Brennstoffstab 103 nur an dessen einer Seite, so daß die Temperatur des längs dieses Pfades strömenden Kühlmittels niedriger ist als die Temperatur des längs eines inneren Strömungspfades 104 strömenden Kühlmittels. Dieser Temperaturunterschied nimmt zum Auslaß des Kühlmittel-Strömungspfades hin zu und erreicht am Auslaß etwa 5O⁰C. Daher weisen die Hülsen insbesondere der äußersten Brennstoffstäbe zwischen der dem Mantelrohr zugewandten Seite und der gegenüberliegenden Seite eine Temperaturdifferenz auf, so daß diese beiden Seiten in Axialrichtung unterschiedlichen Ausdehnungen infolge von Wärme und Neutronenstrahlung ausgesetzt sind. Daher suchen die Brennstoffstäbe 103, die nur an ihren untersten Enden befestigt sind, sich zur Wandung des Mantelrohres 101 hin zu verbiegen, wie dies in Fig.3 in gestrichelten Linien angedeutet ist.
Der Spielraum zwischen den äußersten Brennstoffstäben und der Wandung des Mantelrohres liegt im Bereich von 1 bis 2 mm einschließlich des Durchmessers der Drah-Abstandselemente. Können sich unter dieser Bedingung die äußersten Brennstoffstäbe frei biegen, so werden sie einem derartigen Biegemoment ausgesetzt, daß die Versetzung der obersten Stelle der Brennstoffstäbe bis zu 10 cm beträgt Die äußersten Brennstoffstäbe werden jedoch durch die Wandung des Mantelrohres zurückgedrückt und dadurch deformiert, was in F i g. 3

is durch ausgezogene Linien dargestellt ist. In dieser Darstellung ist die Wechselwirkung der äußersten Brennstoffstäbe mit den inneren Brennstoffstäben nicht berücksichtigt; in Wirklichkeit sind die Deformationen der Brennstoffstäbe infolge dieser Wechselwirkung noch komplizierter. Werden die Brennstoffstäbe innerhalb des Brennstoffelements auf diese Weise deformiert, so wirkt die maximale Belastung auf die Spitzen der äußersten Brennstoffstäbe ein, und es ist möglich, daß die von der Wandung des Mantelrohres ausgeübte externe Kraft über 1 kg erreicht.

Diese an den Brennstoffstäben angreifende externe Kraft, die zu Deformationen des Querschnitts führt, stellt eine Schadenursache für die Brennstotfstäbe dar. Wie ferner Li Fig.4 gezeigt, gelangen die Brennstoffstäbe 103 und das Mantelrohr 101 an einer Seite an der obersten Stelle der äußersten Brennstoffstäbe ohne dazwischen vorgesehene Draht-Abstandselemente 105 in Kontakt. Daher besteht die Gefahr, daß an dieser Stelle Reibungskorrosion auftritt, die die Wandstärke der Hülsen dieser Brennstoffstäbe verringert. Da ferner der Berührungszustand der oberen Teile der Brennstoffstäbe gegenüber der Wandung des Mantelrohres somit auf beiden Seiten unterschiedlich ist, neigt sich das Bündel aus Brennstoffstäben um den Durchmesser der

to Draht- Abstandselemente nach einer Seite.

Infolgedessen wird der am Rand verlaufende Kühlmittel-Strömungspfad, der an der anderen Seite an der Wandung des Mantelrohres entlangführt, größer, so daß der Temperaturunterschied zwischen dem durch diesen äußeren Pfad strömenden Kühlmittel zunimmt und sich daher die äußersten Brennstoffstäbe noch mehr biegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Kernreaktorbrennstoffelment der eingangs bezeichneten Gattung zu verhindern, daß die Hülsen der Brennstoffstäbe während des Betriebes das Mantelrohr berühren und dadurch beschädigt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben. Durch das danach vorgesehene Abstandselement werden die Hülsen der Brennstoffstäbe während des Reaktorbetriebes außer Kontakt mit dem Mantelrohr gehalten. Bei einer Biegeverformung der Brennstoffstäbe wird daher ein Neigen des gesamten Bündels innerhalb des Brennstoffelements verhindert, wodurch gleichzeitig Deformationen der Hülse durch auf die Brennstoffstäbe einwirkende externe Belastungen und Reibungskorrosionen der Hülsen infolge eines Anliegens am Mantelrohr vermieden werden. Da ferner bezüglich der gesamten Innenwandung des Mantelrohrs ein Abstand gewährleiste wird, wird die Kühlmittelströmung und damit die Temperaturverteilung über den Querschnitt des Brennstoffelements vergleichmäßigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der weiteren F i g. 5 und 6 näher erläutert, wobei

F i g. 5 einen Querschnitt durch den oberen Teil eines Brennstoffelements; und '

Fig.6 eine Seitenansicht eines der äußersten Brennstoffstäbe in dem Brennstoffelement nach F i g. 5 zeigt.

Gemäß der Querschnittsdarstellung nach F i g. 5 wird in diesem Ausführungsbeispiel die Erhöhung der Wanddicke der Hülse eines äußersten Brennstoffstabes an ihrem oberen Ende dadurch erzielt, daß an diesem Teil ein Abstandsring montiert wird. In F i g. 5 ist mit 206 ein Abstandsring, mit 203 ein Brennstoffstab, mit 205 ein Draht-Abstandseletnent und mit 201 ein Mantelrohr bezeichnet. Wie aus F i g. 6 ersichtlich, verhindert der am oberen Ende des Brennstoffstabes angebrachte Abstandsring eine Querschnittsverformung des Brennstoffstabes infolge externer Belastung. Gleichzeitig wird ein direkter Kontakt zwischen der Hülse des Brenn-Stoffstabes und der Wandung des Mantelrohres am oberen Ende des betreffenden äußersten Brennstoffstabes — wie er in F i g. 4 gezeigt ist — vermieden, so daß Reibungskorrosion der Hülse verhindert wird. Ferner stehen die äußersten Brennstoffstäbe an ihren oberen Enden mit allen Seiten des Mantelrohres über die Abstandsringe in Berührung, so daß sich ein Neigen des Brennstoffstab-Bündels in eine Richtung verringern läßt

Der Abstandsring 206 ist dabei an einem gasgefüllten Teil am oberen Ende des betreffenden Brennstoffstabes 203 montiert und nicht etwa an dem mit Brennstoffkügelchen gefüllten wärrneerzeugenden Mittelteil des Brennstoffstabes, so daß das Ausmaß des Temperaturanstiegs in der Hülse am oberen Ende des Brennstoffstabes gering ist Wird für den Abstandsring das gleiche Material wie für die Hülse verwendet, so treten an der Hülse keinerlei Kompressionskräfte auf, wie sie sonst durch unterschiedliche Ausdehnungen der beiden Elemente hervorgerufen würden. Da ferner die Abstandsringe nur an den äußersten Brennstoffstäben vorgesehen sind, ist ihre Auswirkung als Strömungswiderstand für die Kühlmittelströmung innerhalb des Brennstoffelementes insgesamt gering. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel läßt sich das Brennstoffelement ohne weiteres dadurch herstellen, daß diejenigen Brennstoffstäbe, die an ihren oberen Enden mit Abstandsringen versehen sind, als äußerste Brennstoffstäbe eingesetzt werden.

Die Erfindung läßt sich jedoch auch so ausführen, daß die Hülsen der Brennstoffstäbe selbst an der Stelle der Abstandsringe in F i g. 6 zu einem Vorsprung verdickt werden und die so gebildeten Brennstoffsiäbe an der Außenseite des Brennstoffelements eingesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kernreaktorbrennstoffelement, welches aus einer Vielzahl von mit Brennstoff gefüllten stabförmigen Hülsen besteht, die mit gewundenen Draht-Abstandselementen versehen und innerhalb eines Mantelrohres, in dem das Kühlmittel von unten nach oben strömt angeordnet sind, wobei die Hülsen im Mantelrohr nur an ihren unteren Enden befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen, welche unmittelbar benachbart am Mantelrohr (201) angeordnet sind, an ihrem oberen Ende ein Abstandselement (206) aufweisen, welches die Hülsen während des Reaktorbetriebes außer Kontakt mit dem Mantelrohr (201) hält

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (206) durch eine Verdickung der betreffenden Hülsen an deren oberen Ende gebildet sind, die die Dicke des übrigen Hülsenteils überschreitet.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (206) durch einen Abstandsring gebildet sind, der am oberen Ende der betreffenden Hülsen angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (206) durch Vorsprünge am oberen Ende der betreffenden Hülsen gegenüber deren übrigen Teilen gebildet sind.