DE1489651A1

DE1489651A1 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1489651A1
Application number: DE19651489651
Authority: DE
Inventors: Mc-Gregor John C; Joseph Howieson
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1964-08-28
Filing date: 1965-08-27
Publication date: 1970-02-26
Also published as: CH442543A; GB1056905A; US3324008A; SE309073B

Description

βο34 UNTERPFAFFENHOFEN 29. Oktober 1969

BLUMENSTRASSE 5 Ε/ΑΧ I H O y D D 1 TELEFON: (MÜNCHEN) 84 36 38 TELEGRAMMADRESSE:

DIPL-PHYS. F. ENDLICH > caLle^ddress^"^

PATENTANWALT ' patendlich munich

P 14 89 651.6-33 Anmelder: Atomic Energy of Canada Ltd.

Brennstoffelement

Die Erfindung betrifft Brennstoffelemente für Kernreaktoren und bezweckt insbesondere die Verringerung von Verschleißerscheinungen und Beschädigungen oder Durchbrüchen der Umhüllung von Brennstoffstäben eines Brennstoffelementsi.

Bei Kernreaktoren ist es üblich, den den Reaktorkern bildenden und von Moderator und Kühlmittel umgebenen Brennstoff in Form von Brennstoffstäben auszubilden, die in den Reaktorkern eingesetzt und daraus entfernt werden können. Es ist ferner üblich, die Brennstoffstäbe zu Brennstoffelementen zusammenzufassen. Jeder Brennstoffstab enthält einen Kernbrennstoff, der beispielsweise Uran in Form von Urandioxyd ist, welches Material tablettenförmig ausgebildet sein kann und vorzugsweise von einer rohrförmigen Umhüllung mit abgedichteten Enden umgeben wird. Die Umhüllung ist erforderlich, um einerseits Korrosionseffekte auf den Brennstoff zu vermeiden, und um andererseits den Austritt radioaktiver Produkte, die durch Bestrahlung oder Kernspaltungen gebildet werden, aus dem Brennstoff zu verhindern.

Als geeignetes Hüllmaterial ist die Zirkoniumlegierung Zircalloy 2 bekannt, die sehr widerstandsfähig ist und neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit einen geringen Absorptionsquerschnitt für Neutronen aufweist. Es ist vorteilhaft, die Dicke der Umhüllung so klein wie möglich zu machen, um die Absorption von in dem Reaktor erzeugten Neutronen zu verringern. Eine Verringerung der Dicke kann jedoch zu Durchbrüchen der Umhüllung, zu Ausbiegungen der Stäbe, zu lokalen Expansionen oder zu Blasenbildungen führen. Diese Deformationen können auch zum Auftreten von überhitzten Stellen wegen mangelhafter Kühlung führen. Als Folge ergibt sich eine schnelle Korrosion der Umhüllung.

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Bei einer bekannten Anordnung werden die Brennstoffstabe jedes Brennstoffelements aus Gründen der Zweckmäßigkeit, Vereinfachung und Wirtschaftlichkeit des Zusammenbaus nur an ihren Enden durch Armkreuze oder Abstandshalter in Form von durchbrochenen Platten gehalten, weshalb eine Möglichkeit für eine gewisse longitudina-Ie und transversale Relativbewegung der Stäbe besteht, so daß aus der Gitterlage herausbewegte Stäbe aneinander reiben können, was Abnutzungseffekte oder Durchbrüche zur Fo^ haben kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten ein Brennstoffelement so auszubilden, daß eine Berührung der einzelnen Brennstoffstäbe oder dergleichen praktisch verhindert wird.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Brennstoffelements, das aus einem Bündel von Brennstoffstäben besteht;

Fig. 2 eine Endansicht des in Fig. 1 dargestellten Brennstoffelements; Fig. 3 und 3a einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1; Fig. 4 einen teilweise im Schnitt dargestellten zentralen Brennstoffstab; Fig. 5 eine andere Ausführungsform eines Brennstoffelements, das von seinem eigenen Kühlkanal umgeben und im Längsschnitt dargestellt ist; Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 5; Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 6; und Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung von an einem Brennstoffstab befestigten warzenartigen Vorsprüngen.

Das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffelement 1 enthält zylindrische Brennstoffstäbe 2, die durch Abstandshalter 3 zusammengehalten werden. Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß ein zentraler Brennstoffstab vorhanden ist, welcher durch zwei konzentrisch angeordnete Ringe aus Brennstoffstäben umgeben ist. Obwohl bei diesem Beispiel 19 Brennstoffstäbe dargestellt sind, kann der innere Ring auch 7 Stäbe enthalten, so daß das Brennstoffelement aus 22 Stäben besteht. Das Brennstoffelement kann beispielsweise auch so konstruiert werden, daß es 28 Brennstoffstäbe enthält. Viele andere Strukturen mit unterschiedlichen Anzahlen von Brennstoffstäben oder andere Querschnitte der Brennstoffstäbe sind möglich. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel trägt jeder

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Brennstoffstab des äußeren Rings an zwei auf dem Außenumfang liegenden Stellen einen Abstandshalter 4, der über die Oberfläche des Brennstoffelements vorragt, um an der Innenfläche eines Kanals in dem Kernreaktor anzugreifen, in welchen das Element eingesetzt werden soll. Diese Abstandshalter oder Verschleißstücke sind an ihren Enden 5 abgeschrägt, um ein Verkratzen des Kanals zu verhindern.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Brennstoffstäbe enthalten einen zentralen Kern 10, welcher aus tablettenförmigem Brennstoff besteht und durch eine dünne Umhüllung 11 umgeben ist. Wie auch aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, weist das Ende jedes Brennstoffstabs eine verdickte domförmige Kappe 12 auf, welche an die Umhüllung angeschweißt ist und an der Oberfläche des Abstandshalters 3 angreift und damit beispielsweise an der Stelle 15' mit dem Bereich 15 des Abstandshalters beispielsweise durch Verlöten, Verschweißen oder Vern ieten befestigt ist. In dem Abstandshalter sind drei Bezugsöffnungen 16 vorgesehen, die zur Ausrichtung des Stempels zum Ausstanzen der Abstandshalter aus Blechmateria! dienen, und die zur Lokalisierung des Abstandshalters dienen, wenn die Brennstoffstäbe daran befestigt werden.

Jeder Brennstoff st ab 2 ist mit mindestens einem in Längsrichtung verlaufenden warzenartigen Vorsprung 20 versehen, welcher an einem gegenüberliegenden Vorsprung 20 des benachbarten Stabs angreift. Wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, ist einer dieser Vorsprünge an jedem Brennstoffstab an dem zentralen Teil seiner Länge vorgesehen und erstreckt sich entlang eines kurzen Abstands auf jeder Seite des Zentrums in axialer Richtung. Die warzenförmigen Vorsprünge 20 in Fig. 3a können zylindrisch ausgebildete Oberflächen aufweisen, die nach außen gewölbt sind, wobei sich die Achse des Zylinders in Richtung der Achse der Brennstoffstäbe erstreckt. Wahlweise können die Außenflächen eben sein. Der zentrale Brennstoffstab, der eine Reihe von derartigen Vorsprüngen aufweist, ist in Fig. 4 teilweise im Schnitt dargestellt. Auf diese Weise ist jeder Brennstoffsfab an seinen Enden durch den Abstandshalter 3 gehaltert, und kann sich wegen der Vorsprünge 20 nicht ausbiegen und in Berührung mit dem angrenzenden Stab gelangen. Da jeder Vorsprung nur an dem betreffenden Brennstoffstab befestigt ist, kann jeder Stab in Längsrichtung relativ zu den angrenzenden Stäben gleiten, wobei die gesamte Reibungsberührung an den Vorsprüngen entlang einer Berührungslinie bei zylindrischen Oberflächen der Vorsprünge auftritt, beziehungsweise mit einer Oberflächenberührung bei Verwendung ebener Vorsprünge.

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Die Auswahl von ebenen oder gewölbten Oberflächen der Vorsprünge hängt weitgehend von dem speziellen Verwendungszweck der Brennstoffelemente ab. Im allgemeinen ergeben aber ebene Oberflächen (1.) eine größere Kontaktfläche und damit einen besseren Widerstand gegen eine Entfernung von Material durch Abnutzung und Abrieb. Ebene Oberflächen ergeben (2.) eine bessere Ausrichtung und Anordnung der Brennstoffstäbe relativ zueinander (gewölbte Oberflächen können zu einer Seite leichter abgleiten). Gewölbte Oberflächen ergeben (1.) einen Linienkontakt und eine bessere Kühlung der Oberflächen der Vorsprünge für eine niedrigere Temperatur, (2.) keine Gefahr von scharfkantigen Kontaktstellen, und (3.) eine vereinfachte Herstellung.

Die Winkelanordnung der Vorsprünge 20 um die Achse der Brennstoffstäbe hängt von dem Ort des Stabs ab, je nachdem ob es sich um den zentralen Stab, um einen Stab in dem inneren oder in dem äußeren Ring handelt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Arten von Stäben enthalten. Bei dem zentralen Stab sind die Vorsprünge 21 um 60 versetzt um den Umfang angeordnet, so daß insgesamt sechs Vorsprünge vorgesehen sind. Die Brennstoffstäbe für den inneren Ring weisen jeweils fünf Vorsprünge auf. Die nach außen weisenden Vorsprünge 22 sind um 60 gegeneinander versetzt und liegen auf einer Seite des Stobs. Auf der nach innen weisenden Seite ist jeder Vorsprung 23 und 24 um 60 von dem nächsten versetzt. Die äußeren beiden Vorsprünge 22 sind jeweils um 90 von ihren benachbarten nach innen gerichteten Vorsprüngen 23 versetzt. Jeder Brennsfoffstab für den äußeren Ring hat drei Vorsprünge, wobei der nach innen weisende Vorsprung 25 um 15 von dem Radius 27 versetzt ist, der von der Achse des zentralen Brennstoffstabs des Brennstoffelements zu der Achse des Brennstoffstabs in dem äußeren Ring verläuft. Jeder der beiden äußeren VorsprUnge 26 ist nach innen um einen Winkel von 15 zu dem Radius 28 des Brennstoffstabs versetzt, welcher senkrecht zu dem Radius 27 verläuft.

Bei einem Prototyp mit zylindrisch ausgebildeten Vorsprüngen hatten die Brennstoffstäbe erien Radius von etwa 7,5 mm (0,3 ZoII),während der Radius der Außenfläche jedes Vorsprungs etwa 40 mm (1,6 Zoll) betrug. Die Breite jedes Vorsprungs betrug etwa 2,5 mm (0,1 Zoll) und dessen Höhe etwa 0_f6 mm (0,025 Zoll). Die Stäbe waren etwa 500 mm (20 Zoll) lang. Die Länge der Vorsprünge betrug etwa 9 mm (0,34 Zoll). Diese Zahlenangaben dienen nur als spezielles Beispiel zur Erläuterung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels, für das drei Sorten von Brennstoffstäben Verwendung finden.

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Brennstoffelements, das eine Ummantelung 30 aufweist. Das Brennstoffelement hat in diesem

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FaIIe eine rechteckige Gitterstruktur, die durch Endplatten 32 lokalisiert wird, welche an Nasen 33 jedes Brennstoffstabs angreifen. Bei diesem Brennstoffelement sind die VorsprUnge in drei Ebenen transversal zu der Achse der Stäbe angeordnet, welche bei einem Prototyp etwa eine Länge von 650 mm (25 Zoll) besassen. Die Vorsprünge sind in der Ebene 29 in der Mitte der Stäbe und in Ebenen 31 angeordnet, die etwa 150 mm (6 Zoll) von jedem Ende entfernt sind. Wie aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, sind die Vorsprünge 35 alle um 90 voneinander um jeden Brennstoffstab 36 versetzt und können eine ungleiche Dicke haben. Dadurch werden unterschiedliche Spielzwischenräume zwischen den Stäben und der Ummantelung 30 ermöglicht, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist. Die VorsprUnge können an der Umhüllung des betreffenden Brennstoffstabs angelötet oder angeschweißt werden, indem beispielsweise ursprünglich ein Überzug aus Beryllium aufgetragen wird. Jedes Ende 37 der Vorsprünge 35 ist abgeschrägt. Dies vereinfacht den Zusammenbau des Brennstoffelements, wenn die Stäbe 36 in die Ummantelung 30 eingeschoben werden. Dabei können die Stäbe mit den Vorsprüngen aneinander vorbeigleiten, während bei scharfkantigen Enden 37 ein Verklemmen auftreten könnte.

Es ist deshalb ersichtlich, daß die Verwendung zusammenarbeitender warzenartiger Vorsprünge zwischen den Brennstoffstäben in einem Brennstoffelement verhindern kann, daß die Brennstoffstäbe zu nahe aneinander gelangen. Sie können in Abständen entlang der Länge der Elemente je nach den bestehenden Anforderungen vorgesehen sein. Ferner können Verschleißstucke auch in Bereichen angrenzend an diese VorsprUnge vorgesehen sein.

Diese warzenartigen VorsprUnge sind kurz und ergeben eine sehr kleine Wechselwirkung mit der Kühlmittelströmung, was weiter durch eine stromlinienförmige Gestalt begünstigt wird, die aus Fig. 8 ersichtlich ist.

Patentansprüche

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Claims

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1. Brennstoffelement für einen Kernreaktor, bestehend aus einer Anordnung von Brennstoffstäben, die den Kernbrennstoff in einer Umhüllung enthalten und an denen ein Moderator zum Moderieren des Neutronenflusses in dem Reaktor und zu ihrer Kühlung vorbeiströmt, wobei eine Distanzwarze an der Oberfläche der Umhüllung eines ersten Brennstoffstabs in mindestens einem Bereich befestigt ist, der zu einem zweiten Bereich der Umhüllung eines benachbarten Brennstoffstabs benachbart ist, und wobei eine zweite Distanzwarze in dem zweiten Bereich befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen, im Vergleich zu den Brennstoffstäben wesentlich kürzeren Distanzwarzen (20) eine konvexe zylindrische Stirnfläche haben, so daß aneinanderliegende Distanzwarzen sich im wesentlichen nur entlang einer Linie berühren (Fig. 3,3a,4).

2. Brennstoffelement nach Anspruch l_r d ad ure h gekennzeichnet, daß die Distanzwarzen (20) an jedem Brennstoffstab in mehreren unmittelbar angrenzenden Bereichen (29,31) entlang der Länge jedes Brennstoffstabs angeordnet sind (Fig. 5).

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dad ure h gekennzeichnet, daß die Distanzwarzen (35) sich in Längsrichtung der Brennstoffstäbe (36) erstrecken und an den in Längsrichtung getrennten Enden (37) abgeschrägt sind, so daß jede Distanzwarze entlang der angrenzenden Distanzwarze gleitend verschiebbar ist, wenn die Brennstoffstäbe durch eine relative Gleitbewegung in Längsrichtung ein- oder ausgebaut werden (Fig. 8).

4. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzwarzen (20; 35) in Längsrichtung der Brennstoffstäbe für das vorbeiströmende Kühlmittel stromlinienförmig ausgebildet sind (FJg. 4,8).

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