DE1051999B

DE1051999B - Brennstoffelementbehaelter fuer einen Kernreaktor

Info

Publication number: DE1051999B
Application number: DEG20190A
Authority: DE
Inventors: William Eric Dennis; Arnold Lindley
Original assignee: General Electric Company PLC
Current assignee: General Electric Company PLC
Priority date: 1955-07-27
Filing date: 1956-07-26
Publication date: 1959-03-05
Also published as: US2985575A; NL209323A; BE549850A; NL103807C; GB791011A; AU216588B1; FR1156996A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffelementbehälter für einen Kernreaktor, bei dem die Brennstoffelemente in Durchgängen in einem Kern aus Bremsstoff angeordnet sind und von einem Kühlmittel unmittelbar umströmt werden.

Bei solchen Reaktoren haben sich erfahrungsgemäß Schwierigkeiten beim Entwurf und bei der Konstruktion von Moderatorsystemen ergeben. Diese Schwierigkeiten bestanden darin, die mechanischen Abriebe der Durchgänge in einem Reaktorkern während der Brennstoffbeschickungs- und -entnahmevo'rgänge zu vermeiden, den chemischen Einfluß des Kühlmittels auf den Brennstoff durch mit oder ohne Massentransport des Bremsstoffes innerhalb der Anlage auszuschließen und die Wirkung der radioaktiven Verseuchung zu beseitigen, die einen Durchgang für den weiteren Gebrauch ungeeignet machen würde.

Diesen aufgezeigten Bedingungen wird ein Brennstoffelementbehälter für einen Kernreaktor erwähnter Struktur erfindungsgemäß dadurch gerecht, daß der Behälter Röhrenform hat und das Brennstoffelement in einer solchen Weise umschließt, daß er mit diesem eine auswechselbare Einheit bildet, daß ein Kühlmittelkanal innerhalb des Behälters vorhanden und der Behälter so ausgebildet ist, daß er die Wandung des Durchganges gegen das Kühlmittel schützt, die auf diese Weise gebildete auswechselbare Einheit geeignet ist, mit einer Mehrzahl solcher auswechselbarer Einheiten zusammenzuarbeiten, die hintereinander in dem Durchgang untergebracht sind und einen einzigen Kanal für das Kühlmittel bilden, und jedes Brennstoffelement von der Kanalwandung getragen wird.

Dabei kann der Behälter kreisrunden Querschnitt senkrecht zu seiner Länge haben, und das Brennstoffelement kann längs der Achse des Behälters in Abstand von dessen Innenwandung, durch ein oder mehrere Abstandsstücke gehalten, eingesetzt sein. Vorzugsweise besteht der Behälter aus Bremsstoff oder Bremsstoffen.

Da eine Mehrzahl von in einem Durchgang im Reaktorkern hintereinander angeordneten Behältern sozusagen einen auswechselbaren Kanal bilden kann, läßt sich ein beschädigter oder verseuchter Behälter wie auch ein oder mehrere erschöpfte oder defekte Brennstoffelemente durch Herausheben der Gesamteinheit leicht entfernen. Das Einsetzen oder Herausnehmen erfolgt dabei ohne Abrieb oder Verschleiß, der sonst in den bekannten Reaktoren auftritt.

Im Bedarfsfalle können die Oberflächen des Behälters und des Abstandsstückes oder der Abstandsstücke so behandelt werden, daß jeder chemische oder physikalische Angriff auf die Oberflächen verhindert wird.

Das oder jedes aus Metall, Graphit, keramischem oder cermetischem Material bestehende Abstandsstück Brennstoffelementbehälter
für einen Kernreaktor

Anmelder:
The General Electric Company Limited,
London

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Schmitzdorff,
Dr.-Ing. Η. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterstr. 37,
und Dipl.-Ing. Κ. Grentzenberg₁ München 27,
Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 27. Juli 1955

William Eric Dennis und Arnold Lindley,
Erith₁ Kent (Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

legt das Brennstoffelement hinsichtlich seiner Lage fest.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung werden nun mehrere Konstruktionen von Brennstoff el ementbehältern gemäß der Erfindung als Beispiel an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Mittelschnitt der ersten Konstruktion,

Fig. 2 einen Grundriß dieser Konstruktion,

Fig. 3 eine Einzelheit dieser Konstruktion als Schnitt und in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 und 5, 6 und 7, 8 und 9, 10 und 11 entsprechende senkrechte Mittelschnitte und Grundrisse von vier anderen Konstruktionen.

Zur Vereinfachung sind in den fünf Konstruktionen gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet worden.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist die auswechselbare Einheit 1 ein Teil eines in einem Durchgang 2 eines Kerns 3 aus Brennstoff geradlinig ausgerichteten Mehrfachsatzes. Der Durchgang 2 ist senkrecht angeordnet, obgleich selbstverständlich auch eine gleichartige Anordnung für waagerechte Durchgänge in einem Reaktorkern benutzt werden kann. Jede auswechselbare Einheit 1 weist ein röhrenförmiges Brennstoffelement 4 aus Uran auf, das von einem Mantel oder Büchse 5 aus nichtrostendem Stahl um-

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schlossen ist. Der Mantel 5 besteht aus einem inneren und einem äußeren Rohr und Abschlußkappen, die beispielsweise durch Argcnlichtbogenschweißung geeignet zusammengeschweißt sind. Das Brennstoffelement 4 hat kreisringförmigen Querschnitt und verläuft koaxial zu einem Zylinder 6 aus Graphit, der gleichsam einen Behälter dafür und ein röhrenförmiges Futter für die Wandung des Durchgangs 2 in dem Reaktorkern 3 bildet.

Das Brennstoffelement 4 wird in dem Zylinder 6 von einem oberen und einem unteren Abstandsstück oder Abschlußkappe 7 bzw. 8 getragen. Jedes Abstandsstück hat einen Teil 9 oder 10, der in den Raum 11 (vgl. Fig. 3) zwischen den vortretenden Enden des inneren und äußeren Stahlrohres des Mantels 5 eingreift, und einen Teil 12 oder 13, der in einen abgestuften Teil am oberen bzw. unteren Ende des Graphitzylinders 6 eingreift. Außerdem ist jede Kappe 7 oder 8 mit drei äußeren radial vortretenden Nasen 14 oder 15, die an der Wand des Durchgangs angreifen, und mit durchgehenden Öffnungen für den Durchgang des Kühlgases versehen. Diese Öffnungen bestehen aus einer großen Mittelöffnung 16 oder 17 von angenähert der gleichen Größe wie der Innenquerschnitt des Brennstoffelementes 4 und einer Mehrzahl äußerer Öffnungen 18 oder 19, die in den Raum zwischen dem Brennstoffelement 4 und dem Graphitzylinder 6 münden.

Die in Fig. 4 und 5 dargestellte Konstruktion entspricht im allgemeinen der Konstruktion nach den Fig. 1, 2 und 3. Jedoch wird an Stelle eines Graphitabstandsstückes oder -kappe an jedem Ende des Brennstoffelementes 1 und des Zylinders 6 ein zusammengesetztes Abstandsstück verwendet, das aus einem Graphitring 20 oder 21 und einem Metallkreuzstück oder Speichenstern 22 oder 23 besteht, das bzw. der in Fig. 5 im Grundriß dargestellt ist. Die Speichensterne sind in Graphitringe eingepaßt und können aus Beryllium oder einem anderen geeigneten Metall oder Material bestehen, das angemessene Festigkeit mit einem geringen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen besitzt. Jeder Speichenstern 22 oder 23 ist für den Durchfluß des Kühlgases ebenfalls mit Öffnungen versehen.

Fig. 6 und 7 zeigen die dritte Konstruktion, bei der jeder Graphitzylinder 6 ein Brennstoffelement 24 üblicher Bauart trägt, bei dem der Mantel oder Blechbehälter mit einer Reihe in engem Abstand angeordneter Umfangsrippen oder -leitflächen ausgebildet ist. Der Gesamtdurchmesser der auswechselbaren Einheit 1 ist in dieser Konstruktion größer als in der vorher beschriebenen Konstruktion, um eine angemessene Ouerschnittfläche für den Gasdurchfluß zu schaffen. Das Brennstoffelement 24 wird wie in der zweiten Konstruktion von einem zusammengesetzten Abstandsstück getragen, das aus einem Graphitring 20 oder 21, der in den Durchgang 2 eingepaßt ist, und einem Metallspeichenstern 22 oder 23 (im Grundriß nach Fig. 7 dargestellt) besteht, der in das Brennstoffelement 24 und den zugeordneten Graphitring 20 oder 21 eingreift.

Die vierte Konstruktion gemäß Fig. 8 und 9 unterscheidet sich von den anderen Konstruktionen dadurch, daß ein einziger Graphitzylinder 6 eine Mehrzahl Brennstoffelemente 26 trägt. Jedes Brennstoffelement 26 ist ein flaches Element verhältnismäßig geringer Länge, und drei (oder mehr oder weniger) Elemente sind in dem Zylinder 6 zwischen den Graphitabstandsstücken oder Abschlußkappen 27 oder 28 eingeschlossen. Wie man aus Fig. 9 erkennt, die ein

Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8 ist, sind die Elemente 26 unter gleichen Winkeln zueinander angeordnet, so daß eine gute waagerechte Versetzung des Kühlgases erfolgt, wenn dieses an der Innenseite des Zylinders 6 entlangströmt, und die mit Rippen oder Leitflächen 30 versehenen Mäntel 29 der Brennstoffelemente greifen an ihren Enden in Schlitze 31 in der Innenwandung des Zylinders 6 ein. Jedes Brennstoffelement 26 ist an jedem Ende mit einem Abstandknopf 32 versehen, deren Zweck darin besteht, die Elemente in geringem Abstand voneinander anzubringen, um dadurch heiße Stellen zu vermeiden, die auftreten könnten, wenn die Elemente unmittelbar aufeinanderliegen würden. Die Abschluß rippen der ganz am Ende des Durchgangs befindlichen Brennstoffelemente 26 liegen gegen die Abstandsstücke oder Abschlußkappen 27 und 28 an.

Die Abstandsstücke brauchen nicht notwendigerweise Abschlußkappen oder -ringe aufzuweisen, die in abgestufte Teile des oberen und unteren Endes des Graphitzylinders 6 eingreifen, und die radial vortretenden Nasen können eher ein Stück mit dem Zylinder als mit den Abstandsstücken bilden. Auf diese Weise wird in der fünften Konstruktion nach Fig. 10 und 11 ein Brennstoffelement 24 in üblicher Bauart, das in einem Mantel oder Blechgefäß mit Umfangsrippen 25 gekapselt ist, wie in Fig. 6, innerhalb jedes Graphitzylinders 6 gelagert. In dieser Konstruktion sind die Abstandsstücke jedoch nicht zusammengesetzt, und es sind keine Endringe vorhanden. Obgleich die Abstandsstücke auch speichensternartig ausgebildet sind, bestehen sie nicht mehr aus Metall, sondern aus amorphem Kohlenstoff. Der obere Kohlenstoffspeichenstern 33 und der untere Speichenstern 34 haben ziemlich unterschiedliche Konstruktion, da der untere Speichenstern 34 auch das volle Gewicht des Elementes tragen muß, während der obere Speichenstern 33 lediglich dazu dient, das obere Ende des Elementes 24 zentrisch in dem Graphitzylinder 6 zu halten. Der untere Speichenstern besteht aus drei abnehmbaren Armen 35, die an einem Ende in Schlitze 36 eintreten, die in gleichen Abständen am Umfang des Zylinders 6 eingefräst und am anderen Ende in einer Nabe oder Auge 37 befestigt sind. Am Ende des Mantels oder Behälters, in dem das Element 24 gekapselt ist, ist ein Drucklager oder Zentrierzapfen 38 ausgebildet, der durch eine Öffnung in der Nabe 37 verläuft. Eine an dem Zapfen 38 befestigte Scheibe 39 dient dazu, die Nabe 37 an dem Element 24 anzubringen und außerdem die Arme 35 in der Nabe 37 durch Abschluß des unteren Nabenendes zu verriegeln. Eine ziemlich gleichartige Scheibe oder Platte 40 hält den oberen Speichenstern 33 an seinem Platz. Dieser obere Speichenstern ist ein einstückiger Druckteil und nimmt in einer Öffnung, die der in der Nabe 37 vorgesehenen entspricht, einen Zapfen 41 auf, der an dem Mantel oder dem Behälter des Elementes 24 angebracht ist. Die drei Arme 42 des Speichensternes 33 sind in offenen einendigen Schlitzen 43 angeordnet, die in den oberen Teil des Graphitzylinders 6 eingefräst sind, so· daß sich das Element 24 in senkrechter Richtung zum Graphitzylinder 6 ausdehnen kann. Radial vortretende Nasen 44, um den Zylinder 6 zentrisch in dem Durchgang 2 auf Abstand anzuordnen, sind in diesem Falle einstückig mit dem Zylinder 6 ausgebildet und nur an dem oberen Zylinderende vorgesehen. Das obere Ende des Zylinders 6 hat dabei eine konische Form.

Fig. 10 zeigt auch die Anordnung, wenn die Temperatur im Innern des Uranelementes gemessen werden soll. In diesem Falle ist ein weiterer nach oben in

Claims

das Element 24 verlaufender Zapfen 45 am unteren Ende des Elementmantels oder des Behälters vorgesehen. Dieser Zapfen 45 ist zur Aufnahme eines Thermoelementes 46 ausgebohrt. Das Thermoelement 46, seitwärts durch eine Öffnung zwischen der Nabe 37 und der Scheibe 39 in den Zapfen 38 eingeführt, verläuft an der Innenwandung des Zylinders 6 entlang nach oben und wird durch die Scheibe oder Platte 40 getragen. Diese Platte 40 ist mit einem Arm 47 (Fig. 11) mit gegabelten Backen 48 versehen, die zusammengedrückt sein können, um das Thermoelement 46 zu fassen und es an seinem Platz festzuhalten. Alle oben beschriebenen Konstruktionen ermöglichen die thermische Ausdehnung der Brennstoffelemente. Da entweder die Abstandsstücke oder die Graphitzylinder mit radial vortretenden Abstandsnasen, die in die Innenwandung des Durchgangs 2 in dem Kern 1 eingreifen, versehen sind, ist es unmöglich und außerordentlich unwahrscheinlich, daß sich eine auswechselbare Einheit in einem Durchgang 2 etwa infolge thermischer Ausdehnung oder Verziehung verklemmen kann. Da der Graphitzylinder einer Einheit das oder mehrere Brennstoffelemente trägt, sind die Brennstoffelemente selbst unbelastet und tragen kein Gewicht, beispielsweise das von darüber befindlichen Brennstoffelementen. Patentansprüche: 30

1. Brennstoffelementbehälter für einen Kernreaktor, bei dem die Brennstoffelemente in Durchgängen in einem Kern aus Bremsstoff angeordnet sind und von einem Kühlmittel unmittelbar umströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter Röhrenform hat und das Brennstoffelement in einer solchen Weise umschließt, daß er mit diesem eine auswechselbare Einheit bildet, daß ein Kühlmittelkanal innerhalb des Behälters vorhanden und der Behälter so ausgebildet ist, daß er die Wandung des Durchgangs gegen das Kühlmittel schützt, die auf diese Weise gebildete auswechselbare Einheit geeignet ist, mit einer Mehrzahl solcher auswechselbarer Einheiten zusammenzuarbeiten, die hintereinander in dem Durchgang untergebracht sind und einen einzigen Kanal für das Kühlmittel bilden, und jedes Brennstoffelement von der Kanalwandung getragen wird.

2. Brennstoff el ementbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffelement längs der Achse des Behälters eingesetzt ist und in Abstand von dessen Innenwandung durch ein oder mehrere Abstandsstücke gehalten ist.

3. Brennstoffelementbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter kreisförmigen Querschnitt senkrecht zu seiner Länge hat.

4. Brennstoffelementbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus Bremsstoff oder Bremsstoffen besteht.

5. Brennstoffelementbehälter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des Behälters und des Abstandsstückes oder der Abstandsstücke mit einem Stoff überzogen sind, der die Oberflächen gegen chemische oder physikalische Einflüsse schützt.

6. Brennstoffelementbehälter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes aus Metall, Graphit, keramischem oder cermetischem Material bestehende Abstandsstück das Brennstoffelement hinsichtlich seiner Lage festlegt.

7. Brennstoffelementbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß radiale Abstandsnasen od. dgl. an der Außenseite des Behälters vorgesehen und so ausgebildet sind, daß sie in die Innenwandung des Durchgangs im Reaktorkern eingreifen.

8. Brennstoffelementbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nasen nur an einem Ende des Behälters vorgesehen sind und der Behälter so ausgebildet ist, daß das von den Nasen abgewandte Ende in das mit Nase ausgebildete Ende eines weiteren, im gleichen Durchgang liegenden Brennstoffelementbehälters eingreift oder durch dieses hinsichtlich seiner Lage eingestellt werden kann.

9. Brennstoffelementbehälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nasen und der Behälter aus einem Stück bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA--Patentschrift Nr. 2 708 656.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen