DK163847B - Braendselsmontage til en kernereaktor - Google Patents

Description

i

DK 163847 B

Den foreliggende opfindelse angår et brændselselement til en kernereaktor, og hvori brændsel stavene er fastgjort til et nederste endestykke i elementet.

Brændselselementer til kernereaktorer og især brændselselementer 5 til kernereaktorer med vand, er sammensat af et bundt af paral lele brændselsstave, der fastholdes af en struktur som udgøres af støtteriste, to endestykker samt lederør, der er forbundet med støtteristene og med endestykkerne.

Brændselsstavene, der har cylindrisk form og stor længde, er indsat 10 i støtteristene, der holder stavene i position i bundtet.

Almindeligvis udfører støtteristene samtidigt en fastholdelse i tværretningen og en aksial fastholdelse af stavene, hvis længde er mindre end længden af lederørene, som erstatter visse af brændselsstavene i elementet. Stavenes ender er følgelig frie og beliggende i en vis af-15 stand fra endestykkerne.

For samtidig at udføre stavenes aksiale og transversale fiksering ved hjælp af støtteristene er det nødvendigt at anvende fjedre, som udøver en betydelig transversal kraft på stavene.

For at forbedre reaktorkernens neutronproduktivitet anvendes der 20 sædvanligvis en zirconiumlegering med svag neutronabsorption til at fremstille gitrene i brændselselementet. Imidlertid bør fjedrene være fremstillet af en nikkellegering, for at det skal være muligt at opnå tilstrækkelige elastiske og mekaniske egenskaber for fjedrene under bestråling.

25 Det har således været påtænkt at adskille funktionerne med hensyn til transversal fastholdelse og aksial fastholdelse af stavene ved at fiksere stavene ved disses ene ende i brændselselementets nederste endestykke. Dette er imidlertid behæftet med de ulemper, at det nederste endestykkes struktur bliver kompliceret, at demontagen bliver besværligere 30 at udføre, og at tværsnittet for primærfluidets passage i elementet bliver formindsket.

Opfindelsens formål er således at tilvejebringe et brændselselement til en kernereaktor og bestående af et bundt af brændselsstave, som er cylindriske i det mindste langs en del af deres længde, og som er paral-35 lele og fastholdt af en struktur, som er udgjort af støtteriste, der forløber på tværs af stavene, af to tværgående endestykker samt af lederør, som er forbundet med støtteristene og med endestykkerne og erstatter visse af stavene i bundtet, og hvor stavene ved deres ene ende er

DK 163847 B

2 fastgjort til det ene af endestykkerne, som er anbragt i brændselsele-mentets nederste parti, når brændselselementet er i lodret tjenesteposition i reaktorens kerne. Brændselselementet skal have et nederste endestykke med en simpel struktur, som tillader en let demontage, samt et 5 tilstrækkeligt tværsnit for primærfluidets passage, og samtidigt skal en effektiv aksial og transversal fastholdelse af brændselsstavene være mulig.

Hed henblik på dette formål er brændselselementet ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at det endvidere indeholder en fastgørelsesplade, 10 som er anbragt ovenpå det nederste endestykke og er fastgjort hertil liggende an mod endestykkets overside, hvilken fastgørelsesplade indeholder gennemgående åbninger, som hver især svarer til en brændselsstav med hensyn til diameter og position, og som udmunder i parallelle riller eller spor, som hver især svarer til en stavrække og er udformet i fast-15 gørelsespiadens underside, der er i kontakt med endestykket, som selv er gennembrudt af huller overfor hver af stavene, og ved at hver brændselsstav har et nederste parti, hvis tværsnit har i det mindste tre radiale grene eller flige med en mellemliggende vinkel på 120", hvor hver af de tilsvarende radiale udvidelser er afsluttet nedadtil af et kantparti, 20 som er fremspringende i radial retning i forhold til konturen for det cylindriske parti af staven, og hvor stavene forløber igennem fastgørelsespladen på en sådan måde, at deres fremspringende nederste kantpartier, som har en højde i det væsentlige svarende til dybden af rillerne, er anbragt i den tilsvarende rille med henblik på partiernes lås-25 ning imod drejning samt aksial fiksering af partierne imellem endestykket og fastgørelsespladen.

For at fremme forståelsen af opfindelsen beskrives i det følgende et brændselselement ifølge opfindelsen, der anvendes i en kernereaktor med forbedret neutronydelse, og med henvisninger til tegningen, hvor 30 fig. 1 viser et sidebillede delvis i snit af et parti af et brændsel selement ifølge opfindelsen, fig. 2 et partielt snit langs C - C i fig. 1, fig. 3 et lodret snit langs A - A i fig. 2, og 35 fig. 4 et snit langs B - B i fig. 2.

I fig. 1 ses et brændselselement, som anvendes i en kernereaktor med forbedret ydelse eksempelvis som beskrevet i dansk patentansøgning

DK 163847 B

3 nr. 195/84.

Elementet indeholder brændselsstave 1 bestående af et hylsterrør, som indeslutter pastiller af brændselsmateriale. Røret er tillukket ved dets nederste ende af en tætningsprop 2 og ved dets øverste ende med en 5 tætningsprop 3. En zone la af staven, som er beliggende umiddelbart over den nederste tætningsprop 2, er fyldt med fertilt materiale, som erstatter det spaltelige brændselsmateriale, som udfylder stavens mellemzone.

Det samme er tilfældet for zonen lb, som er anbragt under stavens øverste tætningsprop 3.

10 I hvert brændselselement og for hele kernen er der således frembragt en øverste og en nederste afdækning af fertilt materiale, som gør det muligt at forbedre reaktorens neutronproduktivitet, således som det er beskrevet i dansk patentansøgning nr. 195/84.

Stavene 1 er fastholdt i en konstruktion, som er sammensat af støt-15 teriste 5 til at fastholde stavene 1 i tværretningen, et nederste endestykke 6, et øverste endestykke 8 samt lederør 7, der er forbundet med ristene 5 og ved deres ene ende er fastgjort i det nederste endestykke 6, mens deres anden ende er fastgjort i det øverste endestykke 8. Lederørene 7 sikrer således opretholdelsen af og stivheden i bærerkonstruk-20 tionen for stavene 1.

Lederørene 7 er fastholdt i åbninger, der forløber igennem endestykkerne 6 og 8, ved hjælp af et med indvendigt gevind forsynet endeparti, hvori der kan indskrues et med udvendigt gevind forsynet parti af en bøsning 9 (i det nederste endestykke ) eller en bøsning 10 (i det 25 øverste endestykke).

Efter indskruning af bøsningerne 9 og 10 i de med indvendigt gevind forsynede ender af lederørene 7 låses bøsningerne imod drejning.

Brændselselementet er fastgjort ved dets nederste parti i en nederste plade i kernen 12 ved hjælp af en central styreindretning 30 13, der er vist summarisk i fig. 1. Denne fastgørelses- eller fikseringsindretning for elementets nederste parti er genstand for fransk patentansøgning nr. 81-22754 (FR-A-2 517 867).

Med henvisning til fig. 1, 2, 3 og 4 vil indretningen til fiksering af brændselsstavenes nederste parti i det nederste endestykke 6 nu blive 35 beskrevet.

Brændselsstavenes nederste tætningsprop 2 er langs størstedelen af længden bearbejdet til at have et tværsnit, som ses i fig. 2 og har tre radiale grene eller flige 2a, 2b og 2c med en mellemliggende vinkel på

DK 163847 B

4 120°. Hver af de radiale udvidelser, svarende til grenene 2a, 2b og 2c, har endvidere ved den nederste del en kant eller ansats 15, som er fremspringende i forhold til det cirkulære tværsnit for stavens cylindriske parti, hvori tætningsproppens tværsnit er indskrevet med undtagelse af 5 tætningsproppens radialt fremspringende partier 15.

En fastgørelsesplade 14 hviler med sin underside på oversiden af endestykke 6, hvortil denne plade 14 er fastgjort ved hjælp af udborede gevindbøsninger 16, der er indsat i åbninger 17, som forløber igennem det nederste endestykke 6. Hver af åbningerne 17 indeholder en ansats 10 17a, hvorpå et hoved 16a på bøsningen 16 kommer til at ligge an.

Den med gevind forsynede del 16b af bøsningen 16 bliver indskruet i et med indvendigt gevind forsynet hul i pladen 14 ud for åbningen 17 i endestykket 6. Efter indskruningen af bøsningen 16 fastlåses bøsningen imod drejning ved at deformere en øverste krave 16c, der ligger i for-15 længelse af bøsningens hoved 16a, ind i fordybninger eller udsparinger, som er frembragt ved indgangen til åbningen 17.

Pladen 14 kan således fastgøres til endestykket 6 på en helt stabil måde.

Pladen 14 har åbninger 18 med en diameter, som i det væsentlige er 20 lig med diameteren for det cylindriske parti af brændselsstavene 1, og disse åbningers beliggenheder svarer til stavenes beliggenheder i bundtet af brændselsstave.

Ud for hver af stavene og åbningerne 18 er endestykket 6 også gennembrudt af huller 20 med en diameter i nærheden af stavenes diameter.

25 Endestykket 6 indeholder således tre typer gennembrydninger, nemlig åbningerne til fiksering af lederørene, åbningerne til gennemføring af de udborede fastgørelsesbøsninger 16 for pladen 14 samt hullerne 20, der tillader at reaktorens kølevand passerer forbi det nederste parti af stavene 1. De udborede bøsninger 16 tillader ligeledes passage af køle-30 vand.

Fastgørelsespladen 14 indeholder ligeledes tre typer af gennembrydninger, nemlig hullerne til gennemføring af lederørene 7, åbningerne 18 til fiksering af brændselsstavene 1 samt gevindhullerne til indskruning af bøsningerne 16.

35 Undersiden af fastgørelsespladen 14 har iøvrigt et sæt af indbyrdes parallelle riller eller spor 21, som hver især svarer til en række af brændselsstave. Åbningerne 18 til gennemføring af stavenes nederste parti udmunder med deres nederste del i det indre af rillerne 21. Som det

DK 163847 B

5 fremgår af fig. 1 svarer dybden af rillerne 21 til højden af de radiale kantfremspring 15 på tætningspropperne 2 for brændselsstavene 1. Når der er tale om et brændsel selement til en kernereaktor med forbedret ydelse, som beskrevet, er denne dybde 5mm. Dimensionen i den radiale retning for 5 kantfremspringene 15 er 2mm.

Størrelsen af rillerne 21, som er udformet på undersiden af pladen 14, er valgt på en sådan måde, at den ene af de radiale grene på stavens nederste del er vinkelret på rillens akse, således som det ses i fig. 2.

De tre grene er anbragt med mellemliggende vinkler på 120*, og stavens 10 akse er lidt forskudt i forhold til rillens midterplan, hvorfor er nødvendigt, at udføre cylindriske udsparinger 24 i rillens ene væg for at kunne sætte stavene på plads i pladen 14.

I et brændselselement med stave med en diameter på 9,5 mm er rillens bredde 8 mm.

15 De operationer, som er nødvendigt for at montere og fastgøre stavene i brændselselementet, skal nu beskrives. Montagen udføres i et brændselselement, hvis struktur indeholder det øverste endestykke, lederørene samt støttegitrene, mens det nederste endestykke endnu ikke er sat på plads.

20 Man begynder med at sætte fastgørelsespladen 14 på plads på de nederste ender af lederørene, idet pladen 14 har et sæt af huller svarende til lederørenes positioner. Brændselsstavene indsættes derefter i fastholdelsespladen 14 og i støttegitrene 5, idet stavene bliver standset af kanterne 15 på de nederste tætningspropper 2, der kommer til at støde an 25 mod bunden af rillerne 21, der er udformet i fastgørelsespladen 14. Stavene kan kun sættes på plads på en enkelt måde i rillerne, hvilket sikrer stavenes låsning imod drejning.

Derefter sættes det nederste endestykke 6 på plads på enderne af lederørene, og pladen 14 kommer til at hvile på oversiden af endestykket 30 6. Det nederste endestykke 6 fastgøres derefter på lederørene ved hjælp af gevindbøsningerne 9, som låses imod drejning efter indskruning i lederørenes ende.

Derefter fastgøres pladen 14 til endestykket 6 ved hjælp af gevindbøsningerne 16, som ligeledes låses imod drejning efter indskruningen 35 ved hjælp af kraven 16c, der deformeres ind i udsparinger i endestykket 6.

Stavene 1 er således gjort fuldstændigt ubevægelige i brændselselementet med hensyn til aksial translation og drejning. Stavene er fast

DK 163847 B

6 holdt i sideretningen af gitrene 5, der kun indeholder udvækster eller knaster til at støtte eller fastholde stavene og ikke længere indeholder fjedre af Inconel, således som støttegitrene i kendte elementer.

Udførte afprøvninger har vist at brændselsstave, som er fastgjort 5 eller fikseret på denne måde, ikke er udsat for unormale vibrationer under driften af reaktoren.

Endvidere er stavene perfekt fastholdt i aksial retning af fastgørelsespladen 14. Gennemstrømningstværsnittet for kølevandet i elementet er betydeligt på grund af de nederste tætningsproppers form, der 10 tillader, at vandet strømmer igennem endestykket og fastgørelsespladen i et tværsnit, som er sammenligneligt med stavtværsnittet, og på grund af de udborede bøsninger 16.

Endelig er demontagen af det nederste endestykke og af stavene særdeles let at foretage, idet det er tilstrækkeligt at udskrue montagebøs-15 ningerne 16 fra pladen 14 samt montagebøsningerne 9 fra lederørene 7.

Under udskruningen bliver kraven deformeret for at ophæve bøsningernes låsning imod drejning.

Der kan benyttes andre midler til fastgørelse af pladen 14 på endestykket 6, når blot disse fastgørelsesmidler tillader en let demontering 20 lige som de beskrevne bøsninger.

Desuden kan formen af det profilerede parti af stavenes nederste tætningspropper være lidt anderledes end den beskrevne, forudsat at udformningen tillader en orientering og en låsning imod drejning af stavene i rillerne.

25 Endelig er brændselselementet ifølge opfindelsen ikke kun anvendeligt i forbindelse med kernereaktorer med forbedret ydelse, hvori kernen indeholder en belægning af fertilt materiale ved den øverste og nederste del, men elementet ifølge opfindelsen kan ligeledes anvendes i forbindelse med alle kernereaktorer, hvori neutronbalancen søges forbedret ved 30 at formindske mængden af materiale, som absorberer neutronerne i brændsel selementerne.

Claims (4)

1. Brændselselement til en kernereaktor og bestående af et bundt af brændselsstave (1), som er cylindriske i det mindste langs en del af 5 deres længde, og som er parallele og fastholdt af en struktur, som er udgjort af støtteriste (5), der forløber på tværs af stavene (1), af to tværgående endestykker (6,8) samt af lederør (7), der er forbundet med støtteristene (5) og med endestykkerne (6,8) og erstatter visse af stavene (1) i bundtet, og hvor stavene (1) ved deres ene ende (2) er fast-10 gjort til det ene (6) af endestykkerne, som er anbragt i brændselselementets nederste parti, når brændselselementet er i lodret tjenesteposition i reaktorens kerne, KENDETEGNET ved, at brændselselementet endvidere indeholder en fastgørelsesplade (14), som er anbragt ovenpå det nederste endestykke (6) og er fastgjort hertil liggende an mod endestyk-15 kets overside, hvilken fastgørelsesplade indeholder gennemgående åbninger (18), som hver især svarer til en brændselsstav (1) med hensyn til diameter og beliggenhed, og som udmunder i parallele riller eller spor (21), som hver især svarer til en stavrække og er udformet i fastgørelsespladens underside, der er i kontakt med endestykket (6), som selv er 20 gennembrudt af huller (20) ud for hver af stavene (1), og at hver brændselsstav (1) har et nederste parti (2), hvis tværsnit har i det mindste tre radiale grene eller flige (2a, 2b og 2c) med en mellemliggende vinkel på 120*, hvor hver af de tilsvarende radiale udvidelser er afsluttet nedadtil af et kantparti (15), som er fremspringende i radial 25 retning i forhold til konturen for det cylindriske parti af staven (1), og hvor stavene (1) forløber igennem fastgørelsespladen (14) på en sådan måde, at deres fremspringende nederste kantpartier (15), som har en højde i det væsentlige svarende til dybden af rillerne (21), er anbragt i den tilsvarende rille (21) med henblik på partiernes låsning imod drej-30 ning samt aksial fiksering af partierne imellem endestykket (6) og fastgørelsespladen (14).

2. Brændselselement ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at fastgørelsespladen (14) er fastgjort til endestykket (6) ved hjælp af rørformede 35 gevindbøsninger (16), som er anbragt inden i åbninger (17), der forløber igennem endestykket (6) og er indskruet i huller med indvendigt gevind i pladen (14), og at gevindbøsningerne har en deformerbar krave (16c) til at låse bøsningen imod drejning ved at deformere kraven ind i forsænk- DK 163847 B 8 ninger i endestykket (6).

3. Brændselselement ifølge krav 1 eller 2, KENDETEGNET ved, at brændselsstavene (1), ovenover det nederste endeparti (2) samt nedenun- 5 der et øverst endeparti (3), respektivt, indeholder fertilt materiale i to zoner (la,lb) af lille udstrækning i forhold til stavlængden.

4. Brændselselement ifølge ethvert af kravene 1, 2 og 3, KENDETEGNET ved, at støtteristene (5) kun indeholder udvækster eller knaster til 10 at fastholde stavene (1) i tværretningen. 15 20