DE2511054A1 - Zylindrischer kernbrennstoffstab - Google Patents

Description

Anmelder: Canadian General Electric Company, Ltd., Toronto, Ontario, Canada

Zylindrischer Kernbrennstoffstab

Die Erfindung betrifft einen zylindrischen Kernbrennstoffstab entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Betrieb von Kernreaktoren beeinflussen die Arten der Umhüllung, die normale Betriebsweise sowie die Besonderheiten des Brennstoffs die Beanspruchung der Brennstoffstäbe der Brennstoffelemente. Bei Siedewasserreaktoren, deren Brennstoffstäbe im wesentlichen starre, selbsttragende Umhüllungen aufweisen (US-PS 3 119 747), finden Schmiermittelschichten in der Umhüllung Verwendung, um gewisse Beschädigungseffekte möglichst weitgehend zu vermeiden. Diese Brennstoffstäbe bestehen aus einem einstückigen länglichen Brennstoffkörper, dessen Länge etwa 35 cm beträgt, und die ein konisch ausgebildetes Endstück von etwa 5 cm Länge aufweisen, auf dem ein Schmiermittel vorgesehen ist, um kumulative Expansionseffekte in der Umhüllung zu vermeiden, die zum Bruch der Umhüllung führen können. Ein derartiger Ausfall eines Brennstoffstabs kann aufgrund von verschiebun-

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gen in Längsrichtungen in der Umhüllung am einen Ende des Brennstoffkörpers auftreten, welche Verschiebung jeweils auftritt, wenn der Kernreaktor eingeschaltet wird, wobei sich der Brennstoff in Längsrichtung stärker als die Umhüllung ausdehnt. Um diese axiale Brennstoffausdehnung aufzunehmen, ist ein Spielraum am Ende vorgesehen. Wegen der Wechselwirkung zwischen Brennstoff und Umhüllung treten jedoch lokale Spannungen auf, durch welche die Umhüllung in axialer Richtung mitunter bis zu dem Punkt ausgedehnt wird, daß sie bei dem äußeren Kühlmitteldruck nicht mehr länger selbsttragend ist. Dies kann zum Ausfall der Umhüllung durch eine Rißbildung angrenzend an das Ende des Brennstoffs führen.

Die Erfindung betrifft dagegen ein anderes Problem hinsichtlich einer Beschädigung der Umhüllung, nämlich eine in axialer Richtung und nicht in Umfangsrichtung auftretende Rißbildung, die bei Brennstoffelementen für CANDU-Kernreaktoren auftreten kann. Bei diesen Kernreaktoren finden dünnwandige Brennstoffstäbe mit einer lokal flexiblen Umhüllung Verwendung, die im allgemeinen nicht selbsttragend ist, und der Brennstoff besteht gewöhnlich aus Tabletten mit einer Dicke von 2,5 cm. Bei einer thermischen Expansion tritt eine periphäre Expansion der einzelnen Brennstofftabletten relativ zu der Umhüllung lokalisiert auf, so daß sich die Umhüllung nicht gleichmäßig entlang dem Umfang der Tabletten ausdehnt. Es wurde festgestellt, daß die zur Aufnahme der Ausdehnung der Tablette erforderliche periphäre Expansion der Umhüllung entlang einer wesentlich verringerten Strecklänge des Umfangs der Umhüllung auftritt. Dies kann zu so hohen Spannungen in der Umhüllung führen, daß eine sich in axialer Richtung erstreckende Rißbildung oder dergleichen in der Umhüllung auftritt.

Da bei Brennstoff tabletten eine Umformung zu einer nicht zylindrischen eingeschnürten Ausbildung erfolgen kann, tendieren die lokal flexiblen dünnwandigen Umhüllungen dazu, den eingeschnürten Außenumfang der Tabletten eng zu umgeben, wodurch im

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wesentlichen eine differenzielle axiale Expansion zwischen Tablette und Umhüllung ausgeschlossen wird. Auch durch Einkerben der Tablettenenden zur Ermöglichung einer individuellen axialen Expansion für jede Tablette kann eine derartige Expansion zwischen Tablette und Umhüllung vermieden werden. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Kernbrennstoffstäbe der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß zu einem Ausfall führende Rißbildungen möglichst weitgehend vermieden werden, die durch eine konzentrierte differenzielle Expansion in Umfangsrichtung bedingt sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Kernbrennstoffstab gemäß der Erfindung weist deshalb an den Enden mindestens einiger Brennstofftabletten eine longitudinale Expansionsausgleichsmöglichkeit auf, um eine differenzielle axiale Expansion zwischen der betreffenden Tablette und der Umhüllung beim Reaktorbetrieb auszuschließen, sowie eine Spannungen verteilende Zwischenschicht zwischen der Außenfläche der Tablette und der Umhüllung auf, um eine periphäre Verteilung von Spannungen in der Umhüllung zu begünstigen und die Wahrscheinlichkeit von Rißbildungen in Längsrichtung der Umhüllung aufgrund von Konzentrationen periphärer Expansionsspannungen zu verringern.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Kernbrennstoffstab;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Sehnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 1, zur Erläuterung einer ersten Art von Rißbildungen;

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Sehnittansicht zur Erläuterung einer zweiten Art von Rißbildungen; und

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Kernbrennstoffstab gemäß der Erfindung.

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Der in Fig. 1 dargestellte Kernbrennstoffstab 10 hat eine äußere dünne zylindrische Umhüllung 12, die beispielsweise aus einer Zirkoniumlegierung besteht und eine solche. Dicke hat, da/3 eine Deformation in Eingriff mit den Tabletten 14 erfolgen kann.

Fig. 2 zeigt in übertriebener Darstellung die Verformung der Tabletten 14, wobei entlang des Außenumfangs eine zentrale Einschnürung erfolgt, wobei jedoch die Umhüllung bei Betriebsbedingungen des Reaktors sich dieser Form anpaßt. Es ist jedoch zu beachten, daß auf die Umhüllung 12 ein Kühlmitteldruck von etwa 100 atu einwirkt.

Fig. 3 zeigt eine Art Rißbildung, die gegenüber einer Rißstelle s in einer Tablette auftreten kann und zu einem Riß F in der Umhüllung 12 führt, wobei praktisch keine Änderung der Querschnittsfläche der Umhüllung 12 erfolgt. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Fall tritt dagegen im Bereich der Rißbildung Fi eine Verringerung des Querschnitts der Umhüllung 12 auf.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Querschnitt durch einen Kernbrennstoffstab gemäß der Erfindung ist eine Spannungen verteilende Zwischenschicht 16 zwischen der Umhüllung 12 und dem Umfang der Tabletten 14 vorgesehen, welche Schicht eine geringe Scherfestigkeit aufweist.

Die Schicht 16 kann aus einem Material wie Siloxan, Silicon oder Graphit bestehen, welche Materialien weitgehend inert gegen die Bestrahlung im Reaktor sind, und eine gute Fähigkeit zur Verteilung von Spannungen bei Reaktortemperaturen aufweisen, sowie eine geringe Scherfestigkeit besitzen, jedoch ohne wesentliche Schwierigkeiten auf die Innenwand der Umhüllung 12 oder die Oberfläche der Tabletten 14 trocken, als Flüssigkeit oder zu trocknende Emulsion aufgetragen werden können.

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Claims (3)

1. -5- 10. März 1975

   C-3688

   Patentansprüche

   Ij Zylindrischer Kernbrennstoffstab für Kernreaktoren, mit einer lokal flexiblen metallischen Umhüllung, die eine Anzahl eng aneinander liegender zylindrischer Brennstofftabletten umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Brennstofftabletten (14) eine axiale Expansxonsentlastungsmöglichkeit an betreffenden Endflächen aufweist, um eine individuelle axiale Expansion beim Betrieb aufzunehmen und eine differenzielle axiale Expansion zwischen den Brennstofftabletten und der Umhüllung (12) zu vermeiden, und daß eine Zwischenschicht (16) mit geringer Scherfestigkeit zwischen den Außenflächen der Brennstofftabletten und der Umhüllung vorgesehen ist, um eine periphäre Verteilung von Spannungen in der Umhüllung zu begünstigen und die Wahrscheinlichkeit von longitudinalen Rißbildungen in der Umhüllung aufgrund von Konzentrationen periphärer Expansionsspannungen zu verringern.
2. 2. Kernbrennstoffstab nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h ne t , daß die Zwischenschicht (16) aus einem Material wie Graphit, Siloxan oder Silicon besteht.
3. 3. Kernbrennstoffstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die metallische Umhüllung eine geringere als diejenige Dicke aufweist, die beim Betriebsdruck im Reaktor ein Zusammendrücken der Umhüllung verhindern würde.

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