DE2823061A1

DE2823061A1 - Kernreaktorbrennstab

Info

Publication number: DE2823061A1
Application number: DE19782823061
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Phys Dr Wunderlich
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1979-11-29

Description

Kernreaktorbrennstab
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstab für vorzugsweise Leichtwasserkernreaktoren, bestehend aus einer beiderseits gasdicht verschlossenen Hüllrohr, das mit zylinderförmigen Kernbrennstoffkörpern unter Belassung von Spaltgassammelräumen gefüllt ist, wobei zwischen den Kernbrennstofftabletten und dem Hüllrohr ein mit Helium'gefüllter Spalt verbleibt. Dieser grundsätzliche Aufbau von Kernreaktorbrennstäben ist so allgemein bekannt, daß es nicht notwendig erscheint, diesen noch weiter zu erläutern. Im Raktorbetrieb nist der Durchmeszer der Hüllrohre in Leichtwasserreaktor infolge Kriechens unter äußerem Uberdruck ab, der Durchmesser der Brennstofftabletten dagegen durch Relocation und Schwellen zu, so daß es zu mechanischer Berührung zwischen beiden und dem Aufbau von Zugspannungen im Hüllrohr kommen kann. Diese Zuspannungen können unter Umständen zur Rißbildung im Hüllrohr führen. Es ist daher bereits versucht worden, durch entsprechende Formgebung der Kernbrennstofftabletten diese möglichen Spannungen zu reduzieren und damit die Betriebssicherheit der Kernreaktorbrennstäbe zu erhöhen. Ein solcher Vorschlag ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 1 614 944 enthalten. Dort werden Kernbrennstofftabletten mit einer zentralen Bohrung vorgeschlagen, wobei außerdem auf den zylindrischen Außen- und Innenflächen dieser nunmehr ringförmigen Kernbrennstofftabletten tiefe Rillen vorgesehen sind. Durch diese tiefen Längsrillen wird eine Herabsetzung der Spannungen erreicht.
Es hat sich Jedoch herausgestellt, daß als Ursache für Brennstabschäden vor allem völlig andere Erscheinungen infrage kommen Brennstäbe von Wasserreaktoren haben eine begrenzte Fähigkeit, Leistungssteigerungen, auch Lastrampen genannt, zu ertragen. Bei Rastrampen erfahren die Brennstofftabletten eine stärkere Wärmedehnung als das Hüllrohr, das Hüllrohrgerät unter Zugspannung.
Wesentlich dabei ist die Steilheit dieser Lastrampen, d.h. die Geschwindigkeit der Leistungssteigerungen. Zur Verhinderung der damit möglichen mechanischen Wechselwirkung zwischen den Brennstofftabletten und dem Hüllrohr wird die zulässige Stableißtung, insbesondere nach höheren Abbränden begrenzt, außerdem wird dafür Sorge getragen, daß die Laständerungsgeschwindigkeit in Grenzen bleibt. Neben dem mechanischen Effekt tritt aber ein so- genannter transienter thermischer Rückkoppelungseffekt auf, der mit der Freisetzung von korrosiven Spalt produkten verbunden ist. Diese thermische Rückkoppelung besteht darin, daß es bei einer Leistungssteigerung zunächst zu einer verstärkten Spaltgasfreisetzung kommt. Das freigesetzte Spaltgas hat ii Vergleich zum Helium, mit den der Brennstab gefüllt ist, eine etwa 20 mal schlechtere Wärmeleitfähigkeit und verschlechtert damit den Wärmedurchgang durch den Spalt zwischen den Kernbrennstofftabletten und dem Hüllrohr, weil es du vorher dort befindliche Helium verdrängt. Dies führt zu einem zusätzlichen Temperaturanstieg - die Wärmeabfuhr hat sich ja verschlechtert - und damit wiederum zu einer verstärkten Spaltgasfreisetzung. Es handelt aich also um eine positive Rückkoppelung dieses Spaltgasfreisetzungseffektes.
Zusammen mit den Spaltgases werden auch korrosive Spaltprodukte, wie z.B. Jod, Tellur und Cadniun freigesetzt und gelangen damit auch in den Spalt zwischen den Kernbrennstofftabletten und dem Hüllrohr. Dort können sie in Kombination mit Zugspannung im Hüllrohr zurSpannungsrißkorrosion des letzteren führen und damit Brennstabdefekte auslösen.
Diese Erkenntnisse über die Entstehung möglicher Kernbrennstabdefekte führten zu der Aufgabe, nach Möglichkeiten zur Verhinderung derselben zu suchen.
Die Lösung dieser Aufgabe führte erfindungsgemäß zu einem Brennstab mit dem eingangs beschriebenen Aufbau, bei dem die ernbrennstoffkörper mit einer zentralen Bohrung zur erleichterten Abfuhr der entstehenden Spaltprodukte in den oder die Spaltgassammelräume versehen sind und die zylindrischen Außenflächen dieser Körper den Wärmeübergang zum HUllrohr möglichst wenig behindernde Nuten aufweisen, die vorzugsweise über stirnseitige Rillen und/oder Vertiefungen mit der zentralen Bohrung in Verbindung stehen. Diese Verbindung zwischen den Nuten und der zentralen Bohrung kann aber auch über radiale Bohrungen vorgesehen sein. Auch die an den Enden der Brennstofftablettensäulen angeordneten Isoliertabletten müssen eine zentrale Bohrung haben, soweit sie an einen Spaltgassammelraum angrenzen.
Dieser Aufbau ist in der beiliegenden Figur schematisch dargestellt. Mit 1 ist das Hüllrohr angedeutet, mit 10 ein Brennstoffkörper oder eine Brennstofftablette bezeichnet. Diese Tablette weist eine Zentralbohrung 2 auf, an ihrer zylindrischen Außenfläche ist sie mit Längsnuten oder Rillen 3 versehen. Diese stehen über ßtirnßeitige Nuten 4 mit der Zentralbohrung 2 in Verbindung, Eine andere Verbindungsmöglichkeit wäre die radiale Bohrung 5, die gestrichelt eingezeichnet ist.
Eine solche Brennstofftablette kann selbstverständlich auch, wie heute allgemein üblich, mit einem stirnseitigen Dishing 6 zur Ermöglichung der thermischen Ausdehnung der heißen Zentralbereiche der Tabletten versehen sein.
Durch dieses System der miteinander verbundenen Hohlräume 2, 3, 4 wird sichergestellt, daß ich im Tablettenbereich eine möglichst große Heliummenge befindet und dadurch die Empfindlichkeit für die transiente thermische Rückkoppelung reduziert wird. Im Spalt 11 zwischen Kernbrennstofftablette 10 und HUllrohr 1 verbleibt damit auch bei vermehrtem Spaltgasaustritt eine erhebliche Menge Helium, so daß die Wärleleitung zum Hüllrohr 1 nur wenig leidet und rollt der eingangs geschilderte positive Rückkoppelungseffekt nicht oder erst bei wesentlich höheren Stableistungen zur Ausbildung gelangt Durch dieses System der Hohlraume wird weiter der Abtransport der korrosiven Spaltprodukte über die zentrale Bohrung 2 zu den Spaltgassammelräumen an den Enden der Brennstäbe ermöglicht. Die Spaltprodukte sind also praktisch nicht gezwungen, sich im Spalt 11 zwischen Kernbrennstoffkörper und Hüllrohr abzusetzen, wie es bei Tabletten ohne zentrale Bohrung der Fall ist.
Durch dies konstruktiven Maßnahmen wird also letzten Endes erreicht, daß Leistungssteigerungen viel rascher durchgeführt werden können und auch die Begrenzung der zulässigen Stableistung nach oben verschoben werden kann.
Selbstverständlich ist die Lösung dieser Aufgabe nicht allein auf die in der Figur dargestellte Konstruktion beschränkt, vielmehr sind auch noch weitere Möglichkeiten wie z.B. kürzere Tabletten denkbar, bei denen nur die eine Stirnseite mit radialen Nuten veriehen ist und die evtl. so in den Brennstab eingebaut werden, daß die genuteten Stirnseiten aneinander liegen. Selbstverständlich könnte aber auch der Einbau solcher Tabletten mit einheitlicher Ausrichtung von Vorteil sein.
2 Patentansprüche 1 Figur

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Brennstab für vorzugsweise Leichtwasserkernreaktoren, bestehend aus einem beiderseits gasdicht verschlossenen Hüllrohr, das mit zylinderförmigen Brennstoffkörpern unter Belassung von Spaitgas sammelräumen gefüllt ist, wobei zwischen den Kernbrennstofftabletten und dem Hüllrohr ein mit Helium gefüllter Spalt verbleibt, d a d u r e h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Kernbrennstoffkörper (10) mit einer zentralen Bphrung (2) zur erleichterten Abfuhr der entstehenden Spaltprodukte in den oder die Spaltgassammelräume versehen sind und die zylindrischen Außenflächen dieser Körper den Wärmeübergang zum Hüllrohr möglichst wenig behindernde Nuten (3) aufweist, die vorzugsweise über stirnseitige Rillen (4) und/oder Vertiefungen mit der zentralen Bohrung (2) in Verbindung stehen.
2. Brennztab nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Nuten (3) der Außenflächen über Radialbohrungen (5) mit der zentralen Bohrung (2) in Verbindung stehen.