DE2753831C2

DE2753831C2 - Verfahren und Einrichtung zum Entfernen von Kernbrennstofftabletten aus einer metallenen Brennstabhülle

Info

Publication number: DE2753831C2
Application number: DE2753831A
Authority: DE
Inventors: Clarence D. Verona Pa. John jun.
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-12-13
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1986-11-20
Also published as: FR2373859A1; BE861797A; JPS578437B2; CA1065589A; US4116767A; ES464983A1; SE7714148L; DE2753831A1; IT1090148B; GB1539308A; JPS5374700A; SE424781B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Entfernen von Kernbrennstofftabletten aus einer metallenen Brennstabhülle.

Der Reaktorkern eines Kernreaktors besteht bekanntlich aus einer Anordnung von Brennelementen, die ihrerseits jeweils aus einer Anzahl von Brennstäben zusammengesetzt sind. Ein Brennstab besteht im allgemeinen aus einer zylindrischen metallenen Brennstabhülle, die den Kernbrennstoff enthält und an ihren beiden Enden verschlossen ist. Der Kernbrennstoff liegt in Form von Brennstofftabletten vor, die innerhalb der Brennstabhülle gestapelt sind.

Während der Fertigung der Brennstäbe müssen die Brennstofftabletten von einem Ende der metallenen

ίο Brennstabhülle aus in die Brennstabhülle eingeschoben werden, wonach dieses Brennstabhüllenende verschlossen wird. Gelegentlich werden während dieses Vorgangs Fehler in der Brennstabhülle oder an den Brennstofftabletten festgestellt oder es tritt während des Ein-

i% Schiebens der Brennstoff tabletten ein Fehlerzustand auf, was zur Folge hat, daß der betreffende Brennstab als Ausschuß verschrottet werden muß. Bei der Verschrottung eines defekten oder fehlerhaften Brennstabes ist man üblicherweise bestrebt, möglichst viel des teuren Kernbrennstoffes zu retten. Da aber die Brennstofftabletten ziemlich eng in der metallenen Brennstabhülle sitzen, ist bisher die Zerstörung der Brennstabhülle erforderlich, um die Brennstofftabletten aus der Brennstabhülle herausholen zu können.

In der GB-PS 1 097 597 ist ein gattungsgemäßes Verfahren beschrieben, bei dem die metallene Brennstabhülle durch Hindurchleiten eines hochfrequenten Wechselstromes so stark über die Temperatur des darin befindlichen Kernbrennstoffes hinaus erhitzt wird, daß die Brennstabhülle weich wird und sich ausdehnt, so daß sie mit Hilfe von Ultraschallvorrichtungen oder flexibel montierten Abstreifern oder Schneidvorrichtungen von den Brennstofftabletten entfernt werden kann. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Anteil der wiederge- wonnenen unversehrten Brennstofftabletten erhöht, jedoch wird die Brennstabhülle auch hier zerstört oder unbrauchbar. Außerdem bedingt die Anwendung von Wechselstrom bei gleichzeitigem Betrieb der Abstreifer oder Schneidvorrichtungen einen sehr komplizierten Aufbau der zur Ausführung dieser bekannten Verfahrens erforderlichen Einrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Entfernen der Brennstofftabletten aus einer metallenen Brennstabhülle dahingehend zu verbessern, daß die Brennstofftabletten leicht und unbeschädigt aus der Brennstabhülle herausgeholt werden können, ohne die Brennstabhülle völlig zu zerstören.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angege benen Verfahrensmaßnahmen gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Einrichtung zur

Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in offener Stellung,

F i g. 2 einen Längsschnitt ähnlich F i g. 1 in der Spannstellung der Einrichtung,

F i g. 3 einen Querschnitt in der Ebene III-III in F i g. 2,

F i g. 4 einen Querschnitt in der Ebene IV-IV in F i g. 2 und

Fig.5 einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Anordnung.

In Fig. 1 ist ein Brennstab 10 sichtbar, der eine me-

tallene Brennstabhülle 12, deren in der Zeichnung sichtbares Ende mittels einer eingesetzten Endkappe 13 verschlossen ist, und innerhalb der Brennstabhülle gestapelte Brennstofftabletten 14 aufweist. Zwischen den

Brennstoffrabletten 14 und der Endkappe 13 ist eine Feder 15 angeordnet, welche die Brennstofftabletten niederhält und einen Sammeiraum für sich in Reaktorbetrieb bildende Spaltgase freihält Die metallene BrennstabhOIIe 12 und die Endkappe 13 sind aus Zirkonium oder einem anderen üblichen Brennstabhüllenwerkstoff hergestellt, und die Brennstofftabletten 14 sind keramische Tabletten aus einer Uranverbindung.

Vor dem Einspannen des Brennstabs in die dargestellte Einrichtung wird die Endkappe 13 mit einer Öffnung 16 versehen, indem eine konisch angesenkte Bohrung 16 gebohrt wird. Sodann wird der Brennstab 10 in eine Spannzange 18 der Einrichtung eingeführt, bis das mit der Endkappe 13 versehene Brennstabhüllenende hinten über die Spannzange 18 hinausragt. Die Spannzange 18 besitzt eine zylindrische Innenoberfläche, die der Au-Benwandfläche der metallenen Brennstabhülle 12 angepaßt ist, und die Außenoberfläche der Spannzange ist entsprechend den benachbarten Flächen von benachbarten Teilen der Einrichtung ausgebildet. Außerdem ist die Spannzange 18 mit in Fig.3 sichtbaren axialen Schlitzen 19 versehen, die von der Innenwandfläche bis zur Außenwandfiäche der Spannzange veriaufen und ihr Elastizität verleihen. Die Spannzange is kann aus einem üblichen Werkstoff hergestellt sein und hat die in den Zeichnungen dargestellte Form. Das hintere Ende der Spannzange 18 sitzt in einer im wesentlichen zylindrischen Hülse 20, und im übrigen ist die Spannzange 18 von einer Spannhülse 22 umschlossen, deren Innenwandfläche 24 der Außenfläche 26 der Spannhülse an gepaßt ist An ihrem hinteren Ende ist die Spannhülse 22 mit einem Ringbund 28 versehen.

Auf ein Außengewinde 36 der Hülse 20 ist eine mit einem entsprechenden Innengewinde 34 versehene Schließmutter 30 aufgeschraubt, die einen vorderen, vor den hinteren Ringbund 28 der Spannhülse 22 greifenden Innenringbund 32 aufweist Beim weiteren Aufschrauben bzw. Anzieher, der Schließmutter 30 erfaßt ihr in nenringbund 32 den Außenringbund 28 der Spannhülse und nimmt diese mit so daß die Innenwandfläche 24 der Spannhülse gegen die Außenfläche 26 der Spannzange gezogen wird. Ein weiteres Anziehen der Schtießmutter 30 bewirkt daß die Spannhülse 22 die Spannzange 18 gegen die Hülse 20 spannt und dabei zusammendrückt, wodurch sich die Spannzange 18 spannend um die Brennstabhülle 12 herumlegt und den Brennstab 10 gemäß F i g. 2 fest einspannt. Die Längsschlitze 19 verleihen der Spannzange 18 die zum Einspannen des Brennstabes 10 erforderliche Flexibilität.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist ist die Hülse 20 mit einem Innengewinde 38 versehen. In dieses Innengewinde 38 ist eine mit einem entsprechenden Außengewinde 42 versehene Spannschraube 40 eingeschraubt. Das Innengewinde 38 und das Außengewinde 42 sind Rechtsgewinde. In einer vorderen Bohrungsansenkung 46 der Spannschraube sitzt eine zylindrische Metallbuchse 44. Diese Buchse weist ein Innengewinde 52 auf, in welches ein entsprechendes Außengewinde 50 eines durch die Spannschraube 40 und die Buchse 44 hindurchverlaufenden Hochdruckrohres 4H eingeschraubt ist Das Innengewinde 52 und das Außengewinde 50 sind Linksgewinde.

Das vordere Ende des Hochdruckrohres 48 ist als Mundstück 54 ausgebildet, dessen Außenform der konischen Ansenkung der Bohrung 16 der Endkappe 13 des Brennstabs 10 entspricht. Alternativ dazu könnte das Mundstück des Horhdruckrohres 48 mit einem Innengewinde versehen und auf das Ende des Brennstabs 10 aufschraubbar sein. Das Hochdruckrohr 48 ist als dickwandiges Rohr ausgebildet und mit einer Hochdruckflüssigkeitsquelle verbunden, die beispielsweise Wasser mit einem Druck von mehr als 1103 bar liefern kann.

Die Spannschraube 40 ist durch Rechtsdrehung weiter einschraubbar, wodurch das Hochdruckrohr 48 vorwärts bewegt und fest gegen das Brennstabende gespannt werden kann.

Ein längsgeteiltes, aus zwei Hälften 58, 60 bestehendes Matrizenrohr 56 umschließt den Brennstab 10 im Anschluß an die Spannhülse 22. Die Innenwandflächen 62 der beiden Matrizenrohrhälften entsprechen der Außenform der metallenen Brennstabhülle 12. Zwischen den Innenwandflächen 62 des Matrizenrohres und der Außenfläche der Brennstabhülle 12 ist ein kleiner Spalt 64 mit einer Dicke von etwa 0,35 mm vorgesehen. Wird die Brennstabhülle 12 innendruckbeaufschlagt so dehnt sie sich aus und legt sich an die Innenwandflächen des Matrizenrohres 56 an, wobei der Spalt 64 verschwindet Die Größe des Spaltes 64 ist so gewählt, daß die Ausdehnung der metallenen Br^nnstabhulle 12 auf einen Wert begrenzt wird, die eine sp? . -re Wiederverwendung der Brennstabhülie ermöglicht Ei^r e das Matrizenrohr 56 umschließende Klemmvorrichtung 66 hält während der Innendruckbeaufschlagung der Brennstabhülle 12 die beiden Hälften 58 und 60 des Matrizenrohres zusatr-nen. Das Matrizenrohr 56 dient nicht nur zur Begrenzung der Ausdehnung der Brennstabhülle 12, sondern auch zum Schutz der Umgebung gegen mögliche Auswirkungen einer heftigen Expansion der Brennstabhülle.

Nachstehend wird die Arbeitsweise der Einrichtung beschrieben.

Um die Brennstofftabletten 14 aus der metallenen Brennstabhülle 12 zu entfernen, wird zunächst mittels üblicher Werkzeuge die Bohrung 16 in die Endkappe 13 der Brennstabhülle 12 gebohrt. Sodann wird der Brennstab 10 gemäß Fig.! in die Spannzange 18 eingeführt. Liegt das Brennstabende in der Spannzange 18, wird die Schließmutter 30 durch Rechtsdrehung auf die ! jülse 20 weiter aufgeschraubt, wobei ihr innenringbund 32 sich an den Außenringbund 28 der Spannhülse anlegt und bt> weiterem Aufschrauben der Schließmutter 30 die Spannhülse axial mitnimmt, deren Innenwandfläche 24 sich an die Außenfläche 26 der Spannzange 18 anlegt. Die von der Schließmutter 30 axial mitbewegte Spannhülse 22 spannt die fest in die Hülse 20 hineingedrückte Spannzange 18 straff um das Ende des Brennstabs 10 herum, wodurch dieser in der F i g. 2 gezeigten Weise festgehalten wird. Die Längsschlitze 19 der Spannzange 18 ermöglichen dabei die flexible Anpassung der Spannzange an die Innenform der Hülse 20, während sie in diese hineingedrückt wird, und das Anlegen der Spannzange an die Brennstabcußenfläche.

S^Jsnn wird das Matrizenrohr 56 aus den Hälften 58, 60 um den aus der Spannhülse 22 herausragenden Teil des Brennstabes iiß herumgelegt. Dabei wb d zunächst die Hälfte 58 an die Spannhülse 22 anstoßend unter den Brennstab 10 gebracht und sodann in gleicher Weise die andere Hälfte 60 aufgesetzt. In dieser Stellung liegen die Hälften 58, 60 aneinander an, während der Spalt 64 sie gemäß F i g. 4 vom Brennstab IO trennt. Durch Anziehen der Klemmvorrichtung 66 werden die beiden Hälften 58 und 60 des Matrizenrohres 56 straff zusammengespannt.

Danach wird das Hochdruckrohr 48 zum Brennstabende hin vorgeschoben, wobei die Buchse 44 in der Bohrungsansenkung 46 der Spannschraube 40 nach vor-

ne gleitet, bis das Mundstück 54 des Hochdruckrohres in der Ansenkung der Bohrung 16 sitzt. Sodann wird die Spannschraube 40 nach rechts gedreht, wodurch sie sich axial zum Brennstab 10 hin vorbewegt, bis sich das Ende der Bohrungsansenkung 46 an die Buchse 44 anlegt. Ein weiteres Anziehen der Spannschraube 40 bewirkt zusammen mit der Reibung zwischen der Buchse 44 und der Bohrungsansenkung 46, daß das Hochdruckrohr 48 weiter nach vorne gedrängt wird, wodurch der Anlegedruck zwischen dem Mundstück 54 und der Endkappe 13 erhöht wird.

Nachdem dieser Zustand hergestellt worden ist, wird unter hohem Druck stehendes Wasser durch das Hochdruckrohr 48 und durch die Bohrung 16 in das Innere der Brennstabhülle 12 eingeleitet. Dadurch wird in der Brennstabhülle 12 ein Innendruck aufgebaut, der einen Wert von etwa 1103 bar erreicht, so daß die Brennstabhülle 12 über ihre elastische Dehnungsgrenze hinaus expandiert und die Brennstabhüllenwand bleibend von den Brennstofftabletten 14 weggedehnt wird. Dabei begrenzen die Spannzange 18, die Spannhülse 22 und das Matrizenrohr 56 diese Brennstabhüllendehnung, so daß die Brennstabhülle durch den angewandten Innendruck nicht zerstört wird. Als Druckmittel findet Wasser Anwendung, wodurch die Möglichkeit einer unkontroUier- ten Expansion oder Explosion der Brennstabhülle 12 herabgesetzt wird. Da außerdem Wasser die meisten Materialien von Kernstofftabletten nicht beeinträchtigt, werden die mit dem Wasser in Berührung kommenden Brennstofftabletten 14 nicht beschädigt und können unverändert wieder verwendet werden.

Nachdem die metallene Brennstabhülle 12 auf diese Weise bleibend gedehnt worden ist, wird das unter hohem Druck stehende Wasser durch Entleeren des Hochdruckrohres 48 entspannt und der Brennstab 10 wird aus der Einrichtung herausgenommen, wobei die Tätigkeitsfolge in umgekehrter Reihenfolge wie beim Einspannen stattfindet. Nach dem Herausnehmen des Brennstabes aus der Einrichtung wird ein Ende der Brennstabhülle abgetrennt, beispielsweise abgeschnitten, so daß die Feder 15 herausgenommen werden kann und die Brennstofftabletten 14 freiliegen. Sodann kann der Brennstab 10 so geneigt werden, daß die Brennstofftabletten 14 herausgleiten können.

Da die Spannzange 18 das Ende des Brennstabes 10 straff umspannt, wird der in der Spannzange liegende Teil der Brennstabhülle 12 nicht gedehnt Dieser nicht gedehnte Teil ist normalerweise derjenige Endteil des Brennstabs 10, in welchem die Feder 15 liegt so daß dieser nicht gedehnte Endteil abgeschnitten werden so kann, ohne daß man dabei die Brennstofftabletten 14 verletzt

Alternativ dazu kann die Spannzange 18 weniger straff um das Ende der Brennstabhülle 12 herumgespannt werden, so daß bei der Innendruckbeaufschla- gung der Brennstabhülle die Spannzange 18 um ein der Dicke des Spaltes 64 entsprechendes Maß aufgespreizt werden kann, wodurch die gesamte Brennstabhülle 12 gleichmäßig gedehnt wird In diesem Falle braucht nur die Endkappe 13 abgetrennt zu werden, um die Feder 15 und die Brennst'offtabletten 14 zugänglich zu machen.

Die Dehnung der metallenen Brennstabhülle 12 durch die Innendruckbeaufschlagung ermöglicht ein beschädigungsfreies Herausgleiten der Brennstofftabletten 14, so daß diese ohne weitere Aufarbeitung wieder verwendet werden können. Darüber hinaus kann die Brennstabhülle selbst, wenn ihre Dehnung durch entsprechend kleine Wahl des Spaltes 64 in geeigneter Weise begrenzt wird, wieder verwendet werden, indem einfach das zum Herausholen der Brennstofftabletten geöffnete Ende repariert wird. Dazu braucht lediglich eine neue Endkappe angeschweißt zu werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglichen also durch Innendruckbeaufschlagung der Brennstabhülle und das Wegdehnen der Brennstabhüllenwand von den Brennstofftabletten ein leichtes Entfernen der Brennstofftabletten aus der Brennstabhülle, wobei weder die Brennstofl'tabletten noch die Brennstabhülle unbrauchbar werden.

F i g. 5 zeigt eine mögliche Abwandlung der Einrichtung. Dabei ist die Buchse 44 zu einem mit Außengewinde versehenen, mittels Schweißnähten 68 am Hochdruckrohr 48 befestigten Ring umgebildet und die Spannschraube entfällt, da hier der Ring 44 unmittelbar in die Hülse 20 eingeschraubt ist. Außerdem ist das Mundstück 54 des Hochdruckrohres in der in F ι g. 5 gezeigten Weise umgebildet und mit O-Dichtungsringen 70 versehen. Die Endkappe 13 des Brennstabes 10 ist gemäß der Darstellung abgeschnitten, und das Hochdruckrohr 48 ist mit seinem Mundstück in die Brennstabhülle eingeführt, wobei die Dichtungsringe 70 eine Abdichtung gegen einen Austritt des unter hohem Druck stehenden, zum Dehnen der Brennstabhülle 12 angewandten Wassers bilden. Nach dem die Brennstabhülle 12 gedehnt und wieder aus der Einrichtung herausgenommen worden ist, können die Brennstofftabletten 14 durch das offene Brennstabende herausgleiten, in welches das Hochdruckrohr 48 eingeführt gewesen ist.

Gemäß einer weiteren Abwandlung kann die in den F i g. 1 und 2 gezeigte Einrichtung vertikal angeordnet werden, so daß sich das Matrizearohr 56 unten an die Einrichtung anschließt. In diesem Falle kann das untere Ende der Brennstabhülle abgeschnitten werden, während im oberen Ende die Bohrung 16 gebohrt wird, so daß bei der Druckbeaufschlagung des Brennstabes die Brennstofftabletten 14 aus dem unteren Brennstabhüllenende herausfallen können. Außerdem kann ein Vibrator Anwendung finden, der den Brennstab 10 vibriert, um das Herausfallen bzw. Herausgleiten der Brennstofftabletten zu unterstützen.

Die Schließmutter 30, die Spannschraube 40, das Hochdruckrohr 48, das Matrizenrohr 56 und der Brennstab 10 können jeweils entweder von Hand oder mechanisch gehandhabt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Entfernen von Kernbrennstofftabletten aus einer metallenen Brennstabhülle, wobei die Brennstabhülle aufgeweitet und aufgeschnitten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstabhülle (12) an einem Ende mit einer Öffnung (16) versehen und durch diese Öffung eine unter hohem Druck stehende Flüssigkeit in die Brennstabhülle (12) eingeleitet wird, so daß die Brennstabhülle bleibend aufgeweitet wird, und daß eines der Enden der Brennstabhülle abgetrennt und die Brennstabhülle so geneigt wird, daß die Kernbrennstofftabletten (14) herausgleiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstabhülle (12) während der Beaufschlagung mit der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit vibriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeicb^t, daß die Brennstabhülle (12) während der Beaufschlagung mit der Flüssigkeit in einer vertikalen Position gehalten wird, in der das mit der öffnung (16) versehene Ende der Brennstabhülle (12) nach oben weist, und daß das andere, nach unten weisende Ende der Brennstabhülle abgetrennt wird.

4. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Spannzange (18) zur Halterung der Brennstabhülle (12) im Bereich ihres kernbrennstofffreien Endabschnittes, und durch ein Hochdruckrohr (48), das zum Einleiten der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit in die Brennstabhülle axial fluchtend mit dar am gehaltertei. Brennstabhüllenende gebildeten Öffnung (16/ angeordnet ist, und durch ein Matrizenrohr (56), das zur . egrenzung der Aufweitung der Brennstabhülle (12) den nicht von der Spannzange gehalterten Teil der Brennstabhülle mit einem dazwischenliegenden kleinen Spalt (64) umgibt

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckrohr (48) ein konisch ausgebildetes Mundstück (54) zum Ansetzen an eine entsprechende konisch ausmündende öffnung (16) am Brennstabhüllende aufweist und daß Mittel (38, 40, 46) zum dichten Anpressen des Mundstücks an die konische Öffnungsausmündung vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannzange (18) mit axial verlaufenden Schlitzen (19) ausgebildet und von einer sie haltenden Spannhülse (20, 22) umgeben ist, über welche sie mittels eines an der Spannhülse angeordneten Schließmechanismus (30, 32, 36) zum Festhalten der Brennstabhüile (12) spannbar ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrizenrohr (56) axial geteilt ist und aus zwei voneinander trennbaren, mittels Klemmvorrichtungen (66) zusammenspannbaren Hälften (58,60) besteht.