DE3019175C2

DE3019175C2 - Brennstoffkassette

Info

Publication number: DE3019175C2
Application number: DE3019175A
Authority: DE
Inventors: Alan Wayne Fanning; Victor Emory San Jose Calif. Hazel; William George Jameson Jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-05-21
Filing date: 1980-05-20
Publication date: 1982-09-02
Also published as: US4314884A; SE8003661L; ES8105500A1; MX6567E; IT1130450B; JPS637353B2; IT8022212A0; CH650613A5; ES491711A0; JPS568593A; SE439396B; DE3019175A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffkassette der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebe

nen Art.

Eine Brennstoffkassette der vorstehenden Art ist in der DE-AS 20 11 888 beschrieben. Bei dieser bekannten Brennstoffkassette dienen die durch jeweils eine Zelle des Abstandshalters hindurchgeführten Rohre zur Führung von Steuerstäben. Die die Steuerstabführungsrohre enthaltenden Zellen weisen bei der Brennstoffkassette nach der obigen DE-AS ausdrücklich keine Federteile auf.

ίο In »Nuclear Power Engineering« von M. M. El-Wakil, McGraw-Hill Book Company Inc., 1976,sind Leistungskernreaktoren beschrieben.

Bei einem bekannten Typ eines Leistungskernreaktors, wie er beispielsweise in dem Dresden !-Reaktor der Dresden Nuclear Power Station in der Nähe von Chicago, Illinois, benutzt wird, ist der Reaktorkern ein heterogener Kern. In solchen Reaktoren ist der Kernbrennstoff-Uranoxid und/oder Plutoniumoxid-in langgestreckten, in der US-PS 33 65 371 beschriebenen

2ü Brennstäben enthalten, die aus verschlossenen Hüllrohren aus geeignetem Material, wie beispielsweise Zirkoniumlegierung, gebildet sind. Eine Anzahl solcher Brennstäbe befindet sich in einem an den Enden offenen, rohrförmigen Strömungskanal und bildet so eine gesondert entnehmbare Brennstoffkassette. Eine ausreichende Anzahl von Brennstoffkassetten wird zur Bildung des Reaktorkerns, in welchem eins sich selbst aufrechterhaltende Spaltungsreaktion möglich ist, in einer Matrix zusammengefaßt, die einem geraden

ίο Kreiszylinder angenähert ist. Der Reaktorkern wird in ein Fluid, wie beispielsweise Leichtwasser, eingetaucht, das sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient.
Eine typische Brennstoffkassette wird durch eine Anordnung von gegenseitigen Abstand aufweisenden und zwischen einer oberen und einer unteren Halteplatte abgestützten Brennstäben gebildet, wobei die Brennstäbe bis zu einigen Metern lang sind, einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 13 mm

-to haben und einen gegenseitigen Abstand von einem Bruchteil eines Zolls aufweisen. Damit ein richtiger Kühlmittelstrom an den Brennstäben vorbeigeht, ist es wichtig, die Stäbe in gegenseitigem Abstand zu halten und sie während des Reaktorbetriebes am Durchbiegen und Vibrieren zu hindern. Für diesen Zweck sind mehrere Brennstababstandshalter vorgesehen, die mit Abstand über die Länge der Brennstoffkassette verteilt sind. Solche Abstandshalter sind beisoielsweise in der US-PS 36 54 077 beschrieben.

so Wenn die Brennstoffkassetten in dem Reaktorkern angeordnet sind, haben sie gegenseitigen Abstand und sind somit durch einen Belag des Wassermoderators umgeben. Die peripheren Brennstäbe sind daher einem höheren Fluß von thermischen Neutronen ausgesetzt als die Brennstäbe des inneren und weniger moderierten Gebietes der Brennstoffkassetten.

Ein flacherer Fluß von thermischen Neutronen kann an der Brennstoffkassette zusammen mit einer besseren Brennstoffausnutzung und niedrigeren örtlichen Leistungsspitzen erzielt werden, indem die Neutronenmoderation in dem inneren Teil der Brennstoffkassette verstärkt wird. Das kann erreicht werden, indem einer oder mehrere der inneren Brennstäbe durch mit Durchlässen versehene Wasserrohre ersetzt werden,

h5 über die relativ kaltes Wasser aufwärts durch den inneren Teil der Brennstoffkassette geleitet wird. Eine Anordnung solcher Wasserrohre ist aus der US-PS 38 02 995 bekannt.

Die Moderation über den inneren Teil der Brennstoffkassette kann verstärkt werden, indem die Anzahl der Wasserrohre vergrößert wird. Diese Lösung hat jedoch eine praktische Grenze, da jedes Wasserrohr einen Brennstab ersetzt und somit unerwünschterweise die Brennstoffaufnahmekapazität der Brennstoffkassette verringert.

Gegenüber der Brennstoffkassette nach der US-PS 38 02 995 wird bei der vorliegenden Brennstoffkassette die Neutronenmoderation in dem inneren Teil der Brennstoffkassette verstärkt, ohne die Anzahl der Wasserrohr- zu vergrößern, indem ein oder mehrere Wasserrohre vorgesehen werden, deren Durchmesser größer als der der Brennstäbe ist.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, diese größeren Rohre in geeigneter Weise abzustützen, um deren Durchbiegen oder Vibrieren während des Reaktorbetriebes zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein W-förmiges Federteil 56', das sich in die durch das Rohr 41 eingenommene Zelle 49' des Abstandhalten 24 erstreckt, um es seitlich abzustützen. Diese W-förmigen Federteile haben weiter den Vorteil, daß sie aus den Brennstababstandshaltern ohne nennenswerte Umkonstruktion erhalten wurden. Die W-förmigen Federteile benötigen weniger Raum, ergeben aber im wesentlichen dieselbe Federkraft wie die V-förmigen Federteile, die sie ersetzen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Brennstoffkassette, die ein Wasserrohr enthält,

Fig. 2 in Draufsicht einen Brennstababstandshalter,

Fig. 3 in Seitenansicht eine Kastenfederanordnung und

Fig.4 in Seitenansicht eine modifizierte Kastenfederanordnung.

In Fig. 1 ist eine Brennstoffkassette 20 in Seitenansicht dargestellt. Die Brennstoffkassette 20 enthält mehrere Brennstäbe 21, welche zwischen einer als Skelett ausgebildeten oberen Halteplat'.e 22 und einer als Skelett ausgebildeten unteren Halteplatte 23 abgestützt sind. Die Brennstäbe 21 gehen durch mehrere Brennstababstandshalter 24 hindurch, die für eine Zwischenabstützung sorgen, um die langgestreckten Stäbe in gegenseitigem Abstand zu halten und an seitlicher Vibration zu hindern.

Die Brennstäbe 21 bestehen jeweils aus einem langgestreckten Rohr, das einen spaltbaren Brennstoff und andere Materialien, wie Spaltstoff, abbrennbares Gift, inertes Material od. dgl., enthält, welche in dem Rohr durch einen oberen Endstopfen 26 und einen unteren Endstopfen 27 eingeschlossen sind. Die unteren Endstopfen 27 sind mit Ansätzen 27' bzw. 27" versehen, die in der unteren Halteplatte 23 gebildeten Traghohlräumen 29 eingesetzt und durch diese abgestützt sind. Die oberen Endstopfen 26 sind mit Ansätzen 28 bzw. 28' versehen, die in Traghohlräume 31 in der oberen Halteplatte 22 passen.

Von den Traghohlräumen 29 in der unteren Halteplatte 23 sind mehrere (beispielsweise ausgewählte Traghohlräume am Rand) mit Gewinde versehen und dienen zur Aufnahme von Brennstäben, die mit Gewinde versehene Ansätze 27" an den unteren EndstoDfen 27 haben. Die Ansätze 28' der oberen

Endstopfen 26' derselben Brennstäbe sind verlängert, damit sie durch die Traghohlräume 31 in der oberen Halteplatte 22 hindurchgeführt werden können, und sie sind mit Gewinden zur Aufnahme von Befestigungsmuttern 32 versehen. Auf diese Weise bilden die obere und die untere Halteplatte und die Brennstäbe zusammen ein einstückiges Gebilde.

Die Brennstoffkassette 20 hat weiter einen dünnwandigen, rohrförmigen Strömungskanal 33 mit im wesentlichen quadratischem Querschniit, der so bemessen ist, daß er über der oberen Halteplatte 22 und der unteren Halteplatte 23 sowie den Abstandshaltern 24 einen Gleitsitz bildet, damit der Kanal 33 leicht angebracht und entfernt werden kann. An dem oberen Ende des Strömungskanals 33 ist ein Lappen 34 befestigt, über den der Kanal 33 mittels einer Schraube 37 an einem Pfosten 36 der oberen Halteplatte 22 befestigt ist.

Die untere Halteplatte 23 ist mit einem Mundstück 38 versehen, das zum Abstützen der Brennstoffkassette 20 in einer Buchse in einer Kerngrundplatte (nicht gezeigt) in dem Reaktordruckgefäß dient. Das Ende dieses Mundsiückes isi mit Öffnungen 39 zur Aufnahme des unter Druck stehenden Kühlmittels versehen, so daß dieses zwischen den Brennstäben nach oben strömt.

Es sind einer oder mehrere der Brennstäbe 21 in den inneren Brennstabpositionen durch jeweils ein Wasserrohr 41 ersetzt. Das Wasserrohr 41 gleicht im Aufbau einem Brennstab, mit der Ausnahme, daß es keinen Brennstoff enthält und mit Löchern 42 und 43 versehen ist und/oder daß sein oberer und unterer Endstopfen mit Durchlässen 44 bzw. 46 versehen sind, um einen Wassermoderatordurchfluß zu gestatten.

Zur Vergrößerung der Menge an Wassermoderator im inneren Teil der Brennstoffkassette hat das Wasserrohr 41 einen Außendurchmesser, der größer als der Durchmesser der Brennstäbe 21 ist. Beispielsweise kann das Wasserrohr 41 einen Außendurchmesse;· von etwa 15 mm haben, während die Brennstäbe 21 einen Außendurchmesser von etwa 12 mm haben.

Die Abstandhalter 24 können den gleichen Aufbau haben wie er in den Fig. 5-10 der US-PS 36 54 077 gezeigt ist, auf die hier, insbesondere bezüglich Konstruktionseinzelheiten, Bezug genommen wird.

Gemäß der Erfindung sind die Federteile der Abstandshalter 24 ohne umfangreiche Umkonstruktion modifiziert, damit sie die einen größeren Durchmesser aufweisenden Wasserrohre 41 aufnehmen können. Ein Abstandshalter 24 ist in F i g. 2 gezeigt.

Der Abstandshalter 24 hat ein Umfangsband 50. welches mehrere querverbundene Trennteile trägt, und zwar Trennteile 51, Federhaltetrennteile 52 und modifizierte Trennteile 53, wobei diese Trennteile mit Abstand voneinander angeordnet sind, um mehrere Zellen 49 zu bilden. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 erstrecken sich beispielshalber gezeigte Brennstäbe 21 durch die Zellen 49, während sich Wasserrohr 41 durch Zellen 49' erstrecken. An den Schnittpunkten der Trennteile 52 sind vierseitige Kastenfederanordnungen 54 abgestützt, die mit sich nach außen erstreckenden. V-förmigen Federteilen versehen sinü. so daß sich jeweils eines dieser Federteile in jeweils eine der Zellen erstreckt und den Brennstab darin in Anlage an entgegengesetzt angeordnete, relativ starre Vorsprünge 72 drückt, die in den Trennteilen gebildet sind.

Eine Kastenfederanordnung 54, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, hat vier sich nach außen erstreckende V-förmige Federteile 56, welche zwischen einem oberen Kastenendteil 57 und einem unteren Kastenendteil 58

abgestützt sind. Die vier Seiten dieser Endteile sind jeweils mit einem halbkugelförmigen Ansatz 59 zum Begrenzen der Berührungsfläche mit dem benachbarten Brcnnsiab und der seitlichen Bewegung desselben versehen.

Ein erster Versuch /um Modifizieren der Abstandshalter 24 zur Aufnahme von Wasserrohren größeren Durchmessers bestand darin, die benachbarte Federanordnung durch geringeres Vorstehen (mit Bezug auf die Längsachse der Kastenfederanordnung) der Seiten der Kastenendteile 57 und 58 neben dem Wasserrohr zu modifizieren, die Vorsprünge 59 an diesen Seiten wegzulassen und das Vorstehen der starren Anschläge 72 in die Zellen 49' der Wasserrohre hinein zu verringern. Das das Wasserrohr berührende Federteil 56 blieb dasselbe.

Bei einem zu Versuchszwecken gebauten Brennelementbündel zeigte es sich jedoch, daß das Einführen des Übergröße aufweisenden Wasserrohres eine übermäßig große Kraft erforderte, die größer war als die Kraft, die im allgemeinen zum Einführen von Brennstäben erforderlich ist, und deshalb außerhalb des Gleichgewichts mit gewünschten Brennstabvorbeiaslungen lag. Es zeigte sich, daß die große Einführkraft aus einer Durchbiegung des Federteils 56 resultierte, die es dazu brachte, die benachbarten Abstandshaltertrennteile zu berühren, wodurch die effektive Federlänge verringert und infolgedessen die Federsteife vergrößert wurde. Darüber hinaus bewirkte die Berührung des Federteils mit den Trennteilen eine Bewegung der gesamten Kastenfederanordnung von dem Brennstab in der diagonal benachbarten Zelle weg, was zu einer unerwünscht geringeren Federkraft an diesem Brennstab führte. Das Berührungsproblem könnte zwar gelöst werden, indem die Breite des Federteils 56 in der Wasserrohrzelle 49' verringert wird, das würde jedoch zu einer derartigen Verringerung der Federkonstante führen, daß die erwünschte Vorbelastungsfederkraft an den Wasserrohren nicht erzielt werden könnte.

Deshalb wurde gemäß der Erfindung und gemäß der Darstellung in Fig.4 eine modifizierte Kastenfederan ordnung 54' geschaffen, die mit dem Abstandshaltcraufbau kompatibel ist und geeignete und im wesentlichen gleiche Federkraftbelastungen an den Wasserrohren und den benachbarten Brennstäben ergibt.

Die Kastenfederanordnung 54' von F i g. 4 weist im -, Vergleich zu der Kastenlederanordnung 54 von Fi g. 3 folgende Modifizierungen auf: Die Kastenendteile 57' und 5B stehen auf der der Zelle 49' des Wasserrohres benachbarten Seite weniger weit vor, die Vorsprünge 59 sind auf dieser Seite weggelassen, und ein W-förmiges

κι Federteil 56' ersetzt das V-förmige l-'cderteil 56 auf dieser Seite.

Die Breite und die spezifische Form des W-förmigen Federteils 56' wurden so gewählt, daß sich im wesentlichen dieselbe Federkraft an den Wasserrohren

r, wie durch das V-förmige Federteil 56 an den Brennstäben ergibt und somit gleiche Spannungswerte in beiden Typen von Federteilen geschaffen werden, um Unterschiede in den Federentspannungsverhältnissen beii'i Betrieb des Reaktors auszuschließen, die zu

:o ungleichen Federkräften führen würden. Die W-Form des Wasserrohrfederteils überragt das Teil entfernt von den Abstandshaltertrennteilen und verhindert somit eine Berührung mit diesen.

Die W-Form des Wasserrohrfederteils 56' gestattet

:i zwei Berührungspunkte mit dem Wasserrohr, und das geringere Vorstehen der starren Teile 72 in den Wasserrohrzellen 49' führt zu einem kleineren Spalt zwischen dem Wasserrohr und den Abstandshaltertrennteilen, was für das keinen Brennstoff enthaltende Wasserrohr nicht nachteilig ist, verglichen mit den Wärme erzeugenden Brennstäben, bei denen es erwünscht ist, die Berührungsfläche mit dem Abstandshalter zu minimieren, um eine Störung des Kühlmittelflusses und »heiße Punkte« zu vermeiden.

j5 Die Kastenfederanordnungen 54 und 54' werden aus Federmaterial hergestellt, das für den Gebrauch in einem Kernreaktor geeignet ist, wie beispielsweise Inconel oder der Legierung X-750, während andere Teile der Abstandshalter 24 vorzugsweise aus einem Material hergestellt werden, das einen geringen Neutroneneinfangquerschnitt hat, wie beispielsweise einer Zirkoniumlegierung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffkassette, die zur Verwendung mit mehreren anderen, gleichartigen Brennstoffkassetten und einem Neuironenmoderatorfluid in einem Kern eines Kernreaktors vorgesehen ist und mehrere langgestreckte Brennstäbe vorbestimmten Außendurchmesser aufweist, die in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, mit wenigstens einem Abstandhalter, welcher zwischen den Enden der Brennstäbe angeordnet ist und mehrere Zellen zum Hindurchführen der Brennstäbe bildet, wobei ein Federteil vorgesehen ist, das sich in jede der durch einen Brennstab eingenommenen Zellen erstreckt und den Brennstab darin berührt, um ihn seitlich abzustützen und wobei wenigstens ein Rohr, das in einer inneren Position der Brennstoffkassette angeordnet ist, durch eine Zelle des Abstandhalters hindurchgeführt und mit Einrichtungen für den Eintritt und Austritt von Moderatorfluid versehen ist und welcher einen Außendurchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser der Brennstäbe ist, gekennzeichnet durch ein W-förmiges Federteil (56'), das sich in die durch das Rohr (41) eingenommene Zelle (49') des Abslandhalters (24) erstreckt, um es seitlich abzustützen.

2. Brennstoffkassette nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Federteile (56), die sich in durch Brennstäbe (21) eingenommene Zellen (49) erstrecken, V-förmig sind, um einen begrenzten Berührungsbereich mit den Brennstäben zu schaffen.

3. Brennstoffkassette nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das W-förmige Federteil (56') im wesentlichen dieselbe Federkraft auf das Rohr (41) ausübt wie das V-förmige Federteil (56) auf einen Brennstab (21).

4. Brennstoffkassette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (49, 49') des Abstandshalters (24) ciurch querverbundene, sich schneidende Trennteile (51,52,53) gebildet sind und daß die Federteile (56, 56') jeweils vierseitige Kastenfederanordnungen (54, 54') aufweisen, die an Schnittpunkten der Trennteile abgestützt sind, so daß ein Federteil der K.astenfederanordnung sich diagonal in jeder der Abstandshalterzellen erstreckt, wobei die Kastenfederanordnungen jeweils aus in gegenseitigem Abstand angeordneten und durch ein gesondertes Federteil auf jeder Seite miteinander verbundenen Kastenendteilen (57, 58, 57', 58') gebildet sind und wobei diejenige Seite der Kastenfederanordnung, welche der durch das Rohr (41) eingenommenen Abstandshalterzelle benachbart ist, verkürzt und mit dem W-förmigen Federteil (56') versehen ist.

5. Brennstoffkassette nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kastenendteile (57, 58, 57', 58') der Kastenfederanordnungen (54, 54') mit halbkugelförmigen Vorsprüngen (59) auf denjenigen Seiten versehen sind, die durch Brennstäbe (21) eingenommenen Abstandshalterzelle (49) benachbart sind.