DE2406605C2 - Kernbrennstoffnadelbündel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffnadelbündel für einen Kernreaktor mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Besonders bei mit schnellen Neutronen betriebene Kernreaktoren, bei denen der Core durch den Kreislauf eines flüssigen Metalls, gewöhnlich Natrium, gekühlt wird, besteht dieser Core aus nebeneinander angeordneten Kernbrennstoffelementen, die jedes von einem Gehäuse oder Mantel von polygonalem Querschnitt gebildet sind, das an seinem oberen Ende offen ist und an seinem unteren Ende einen Fuß zum Einsetzen des Brennelements aufweist, das so in seiner richtigen Stellung senkrecht in einem Haltegerüst oder -gitter gehalten ist Jedes Gehäuse enthält ein Bündel von umhüllten länglichen Nadeln, welche die für den Betrieb des Reaktors erforderlichen Spalt- und Brutmaterialien in einem Rohr mit kreisrundem Querschnitt, das durch Endstopfen verschlossen ist, einschließen. Diese Nadeln mit parallelen Achsen sind normalerweise in einem regelmäßigen, im allgemeinen hexagonalen Netzwerk angeordnet

Gemäß der FR-PS 2031419 weist das Kernbrennstoffnadelbündel auf jeder Nadel ein schraubenförmig mit großer Steigung auf die Außenfläche der Nadelhülle aufgewickeltes und mit den Endstopfen der Nadel verbundenes Abstandshalteelement auf, welches aus einem verformbaren Rohr von auf seiner ganzen Länge gleichem Querschnitt besteht und gegen die benachbarten Nadeln drückt.

Aus der DE-OS 20 61 146 ist ein Kernbrennstoffnadelbündel bekannt, bei dem die Abstandshalterungen der äußeren Nadelelemente des Nadelbündels in den sich gegen die Hülle abstützenden Bereichen im Vergleich zu den Abstandshalterungen der inneren Nadelelemente des Bündels weniger weh radial vorragen, um eine über den Querschnitt des Bündels gleichmäßigere Kühlmitteltemperatur zu erreichen.

Es sind daher die als Abstandshalterungen schraubenförmig um die Nadeln gewickelten Drähte bei den am

ίο Umfang befindlichen Nadelelementen dünner als bei den inneren Nadelelementen und es sind auf sie weiterhin Rohrstücke aufgefädelt, deren Außendurchmesser gleich dem Durchmesser der Abstandsdrähte der inneren Nadelelemente ist und die in denjenigen Zonen angeordnet sind, in denen sich die äußeren Nadelelemente gegen die inneren oder seitlich benachbarten äußeren Nadelelemente abstützen.

Bei diesen bekannten Kernbrennstoffnadelbündeln begrenzen die Abslandshalteelemente zwischen den Nadeln des Bündels einerseits und zwischen diesen Nadeln und dem Mantel des Elements andererseits Kanäle von geringem Querschnitt für den Kreislauf des Kühlmittels Natrium. Es treten jedoch gewisse Schwierigkeiten vor allem dann auf, wenn die Brennstoffnadeln mit sehr hohen spezifischen Abbränden in der Größenordnung von 100 000 MWJT/T gebraucht werden sollen, da ein merkliches Schwellen dieser Nadeln und besonders ihres Hüllmaterials auftritt, das im allgemeinen aus Stahl besteLt Darauf folgt eine Verringerung des nutzbaren Querschnitts der Kanäle für die Strömung des Natriums zwischen den Nadeln sowie eine Stauchung derselben, was anschließend entweder durch mangelnde Kühlung oder durch ein anormales Verhalten des Brennstoffs in den ovalisierten Hüllen zum Bruch der Hüllen und somit zu noch schwereren Unfällen führen kann. Die unerwünschte Stauchung kann durch massive Abstandshalteelemente, wie Drähte, nicht verhindert werden. Andererseits können die bekannten rohrförmigen Abstandshalteelemente bei Schwellung der Nadelhülle keinen genügend gleichmäßigen Abstand zwischen den Nadeln aufrechterhalten.

Aufgabe der Erfindung ist nun, ein Kernbrennstoffnadelbündel zu schaffen, welches die Schwellung der Hülle der Nadeln besser als die bekannten Nadelbündel verträgt und dabei einen geeigneten Abstand zwischen jeder Nadel und den sie im Bündel jedes Elements umgebenden Nadeln gewährleistet

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kernbrennstoffnadelbündel erfindungsgemäß gelöst

so durch die Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafterweise ist die Wandstärke des verformbaren Rohres so gewählt, daß im Fall der Schwellung der Nadel dieses Rohr permanent plastisch verformt wird, bevor die Hülle der Nadel selbst verformt wird.

Je nach dem Fall ist das verformbare Rohr mit den Endstopfen durch Schweißen, Bördeln oder Einspannen eines geschmiedeten oder elektrogeschmolzenen Kopfes durch das Rohr selbst oder einen geringfügig über die Enden des Rohrs vorstehenden Teil des inneren Armierungsdrahts aus Metall oder auch der aus dem Rohr und seiner Innenarmierung bestehenden Gesamtheit verbunden.

Die Erfindung wird weiter und mit Bezug auf die Zeichnung erläutert durch die folgende Beschreibung eines Ausführunigsbeispiels. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Teilansicht im Schnitt und einen Aufriß eines Brennelements für einen Kernreaktor, das ein erfindungsgemäß verbessertes Nadelbündel enthält;

F i g. 2 eine Ansicht einer Einzelheit einer abgewandelten Ausführungsform.

In Fi g. 1 ist der Außenmantel 1 eines Brennelements für einen mit schnellen Neutronen betriebenen und durch flüssiges Natrium gekühlten Kernreaktor gezeigt Dieser Mantel umschließt ein Bündel paralleler Nadeln 2, welche die Form länglicher Zylinder aufweise;, deren Hüllen aus einem Metallmantel aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 8,65 mm bestehen, der an seinen Enden durch Stopfen 3 und 4 aus rostfreiem Stahl »316« verschlossen ist Die Nadeln 2 des Bündels sind gemäß einem regelmäßigen hexagonalen Netzwerk angeordnet und mittels ihres unteren Stopfens 3 auf senkrechte Schienen 5 gereiht

Erfindungsgemäß sind die Nadeln 2 des Bündels im Mantel 1 mittels eines Abstandshalteelements 6 auseinandergehalten, das schraubenförmig mit großer Steigung (z. B. 200 mm) auf die Außenfläche der Hülle der Nadeln 2 gewickelt ist und aus einem verformbaren Rohr 7 besteht das sich über die ganze Länge jeder Nadel erstreckt Dieses ebenfalls aus rostfreiem Stahl bestehende Rohr 7 hat beispielsweise einen Außendurchmesser von 1,40 mm. Das Rohr 7 ist an seinem unteren Ende in der Höhe des Stopfens 3 durch Einpressen oder Schweißen fest mit der Nadel verbunden und an seinem oberen Ende mit einem geschmiedeten oder elektrogeschmolzenen Kopf 8 versehen, wie besonders in der französischen Patentanmeldung No. 69 20 597 des Anmelders beschriebea

Außerdem und gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält das verformbare, auf die Außenfläche der Nadeln 2 schraubenförmig gewickelte Rohr 7 einen inneren Armierungsdraht 10 aus rostfreiem Stahl. Dieser Draht kann vorteilhafterweise geringfügig über die Enden des Rohrs vorstehen, um die Verbindung zwischen dem Abstandshalteelement und den Endstopfen zu erleichtern, wobei diese Verbindung gleichzeitig mit dem Draht und Rohr oder auch nur mit dem Draht ausgebildet sein kann, wie F i g. 2 im einzelnen zeigt

Das Rohr 7 weist im betrachteten Beispiel einen Innendurchmesser von 1,22 mm und der sich über seine ganze Länge erstreckende innere Armierungsdraht 10 seinerseits einen Durchmesser von 0,76 mm auf, so daß er im Inneren des Rohrs einen genügenden Spielraum läßt, jedoch die Verformung des Rohrs beim Schwellen der Nadeln im Betrieb begrenzt

Der im verformbaren Rohr gehaltene Innenarmierungsdraht verhindert in allen Fällen das vollständige Zusammendrücken des Rohrs und hält infolgedessen zwischen den Nadeln einen genügenden Abstand aufrecht In Abwesenheit dieses Drahtes und bei einer größtmöglichen Stauchung des Rohrs könnten Hisse in diesem Rohr und an den Hüllen der Nadeln heiße Punkte auftreten. Dagegen bleibt infolge der erwähnten erfindungsgemäßen Maßnahmen die Verformung dieser Rohre auf einen für die Kühlung der Nadeln annehmbaren Wert begrenzt Das zwischen der Innenarmierung und dem Rohr bestehende Spiel kann in einfacher Weise in Abhängigkeit von den besonderen Parametern des Brennelements und seinen Betriebsbedingungen im Reaktorcore unter besonderer Berücksichtigung der Geometrie seiner Bestandteile end der Art der verwendeten Materialien berechnet werden.

Ein weiterer Vorteil des Innenannierungsdrahtes besteht darin, daß er das Abstandshalterohr selbst im Fall

ίο eines unerwünschten Bruchs des Rohrs in seinem Mittelbereich zwischen den Befestigungspunkten seiner Enden an den Endstopfen der Hülle an seinem Platz auf der Außenfläche der Hülle der Nadeln hält Die Verbindung des Rohrs oder seines Armierungsdrahtes bedingt keinerlei zusätzliche Schwierigkeit im Vergleich mit der bekannten Ausführung, wo das Abstandshalteelementfius nur einem Draht mit gleichbleibendem Durchmesser besteht Die vom Rohr und Armierungsdraht gebildete Gesamtanordnung ermöglicht außerdem -;in leichteres Anbringen des Abstandshalteelements ohne Gefahr einer Beschädigung des Rohrs selbst, da die Spannung im Verlauf der schraubenförmigen Umwickelung nur auf den Draht wirkt Schließlich kann man zur Serienfabrikation entweder einen bereits umhüllten Draht benutzen oder im Gegensatz den Draht mit dem Außenrohr im Augenblick des Aufwickeins auf den Nadeln umhüllen.

Das erfindungsgemäße Abstandshalteelement gestattet ferner eine gewisse Biegung der Brennelemente, ohne in den Nadeln hohe Spannungen hervorzurufen, da die Biegung der Gesamtheit des Nadelbündels durch eine teilweise Stauchung der hohlen Rohre ermöglicht wird. Durch diese Eigenschaft läßt sich ein Problem lösen, das bei Leistungsreaktoren auftritt, wo der spezifische Abbrand in der Größenordnung von 100 000 MWJTA" liegt und die Brennelemente eine große Zahl von Nadeln enthalten. In diesem Fall ergibt sich eine Wechselwirkung zwischen den Nadeln des Bündels und dem Außenmantel jedes Brennelements, da die Hüllen der Nadeln stärker schwellen als der Mantel. Da eine gewisse Stauchung der Abstandshalterohre möglich ist, kann der verbleibende Unterschied der Schwellung nicht zu Rissen in den Hüllen der Nadeln führen.

In allen Fällen und wie bereits erwähnt muß das Abstandshalterohr eine bleibende plastische Verformung erfahren, bevor die Hüllen der Nadeln selbst verformt werden. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis des Durchmessers zur Wandstärke jedes Abstandshalterohres mindestens gleich demselben, für die Hülle der Nadeln gemessenen Verhältnis gewählt

Schließlich kann man in einem Brennelement das erfindungsgemäße Nadelbündel zusammen mit Maßnahmen benutzen, welche den Querschnitt der peripheren Unterkanäle verringern, indem man den Mantel des Brennelements entweder mit längsverlaufenden inneren Ausbuchtungen oder Ausnehmungen ausbildet, wobei diese Maßnahmen an sich bekannt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffnadelbündel für einen Kernreaktor, das auf jeder Nadel ein schraubenförmig mit großer Steigung auf die Außenfläche der Nadelhülle aufgewickeltes und mit den Endstopfen der Nadel verbundenes Abstandshalteelement aufweist, welches aus einem verformbaren Rohr von auf seiner ganzen Länge gleichem Querschnitt besteht, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Rohr (T) innen mit einem Armierungsdraht (10) versehen ist, der sich über die ganze Länge des Rohre erstreckt und mit Spiel in ihm gehalten ist

2. Kernbrennstoffnadelbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Rohr (7) mit den Endstopfen (3,4) durch Schweißen, Einpressen oder Einbetten eines geschmiedeten oder elektrogeschmolzenen Kopfes (8) verbunden ist

3. Kernbrennstoffnadelbündel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenarmierungsdraht (10) mit den Endstopfen (3,4) durch Schweißen, Einpressen, Einbetten oder Einhängen des Kopfes (8) verbunden ist

4. Kernbrennelement, das ein Kernbrennstoffnadelbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem das Bündel umgebenden Außenmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (1) in seiner Innenfläche Längsausbuchtungen aufweist

5. Kernbrennelement, welches ein Kernbrennstoffnadelbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem das Bündel umgebenden Außenmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (1) in seiner Innenfläche Längsausnehmungen aufweist