DE4218023A1 - Brennstab eines Kernreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstab eines Kernreaktors mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Aus der DE-OS 14 39 924 ist ein Brennstab eines Kernreaktors bekannt, der ein an beiden Enden gasdicht verschlossenes Hüllrohr und mehrere metallische Ring­ scheiben enthält. Die Ringscheiben weisen an ihrem Umfang eine umlaufende Nut auf, in die Vorsprünge des Hüllrohres eingreifen, um die Ringscheiben in vorgegebenen axialen Positionen zu fixieren. Dadurch ist das Hüllrohr-Innere in einzelne, miteinander verbundene Kammern eingeteilt, die auch dann noch genügend Raum für darin aufgestapelte Brennstoff-Tabletten ("Pellets") liefern, wenn diese Pellets beim Reaktorbetrieb schwellen. Die Ringscheiben fangen dabei auftretende Kräfte ab, ermöglichen einen Austausch gasförmiger Spaltprodukte, die sich in Hohlräumen an den Brennstabenden sammeln, und leiten über die Stirnseite der anliegenden Pellets Wärme an das Hüllrohr ab.

Bei modernen, handelsüblichen Druckwasser-Reaktoren höherer Leistung treten aber infolge der schlechten Wärmeleitfähigkeit des oxidischen Brennstoffs im Inneren der Brennstofftabletten ("Pellets") sehr hohe Temperaturen auf, die über die metallischen Scheiben zu einer starken lokalen Erwärmung des Hüllrohres führen können, bei der die erforderlichen Grenzwerte der mechanischen Stabilität nicht mehr sichergestellt sind. Denn die langen, dünnen Hüllrohre müssen nicht nur dem Kontakt mit den schwellenden Brennstoff-Pellets Stand halten, sondern auch den hohen Druck des außen am Brennstab entlangströmenden Kühlmittels und den infolge der anfallenden Spaltprodukte ständig wachsenden Gasdruck im Hüllrohr-Hohlraum abfangen. Bereits unter den normalen thermischen Beanspruchungen und der Strahlenbelastung im Reaktorbetrieb tritt ein "Hüllrohr- Kriechen" auf, bei dem sich der Außendurchmesser des Hüllrohres verringert, aber die Rohrlänge wegen des Neu­ tronenbeschusses wächst. Bei den jeweils zu Brennelementen gebündelten Brennstäben muß durch besondere konstruktive Maßnahmen verhindert werden, daß durch entsprechende mechanische Strukturveränderungen Deformationen der Brennstäbe entstehen.

Ein aus der DE-AS 17 64 150 bekannter Brennstab natriumge­ kühlter Brutreaktoren enthält eine Brennstoffsäule, deren Mittelteil aus UO₂/PuO₂ besteht, an die sich jeweils Pellets aus Brütstoff anschließen. Diese Säule ist von einem Hüllrohr seitlich umgeben, dessen oberes Ende von einem Endstopfen ("Kappe") gasdicht verschlossen und mit einem koaxialen Stützrohr innen verstärkt ist, dessen Zentralraum einen oberen Sammelraum für gasförmige Spaltprodukte liefert. Das untere Ende des Hüllrohres ist ebenfalls durch ein einen Gas-Sammelraum umgebendes Stützrohr verstärkt, wobei sich zwischen dem untersten Pellet der Säule und dem unteren Gas-Sammelraum ein Abstandsring mit einer seitlich umlaufenden Nut befindet, den in die Nut eingreifende Vorsprünge des Hüllrohres halten. Dieser Abstandsring aus Edelstahl ist vom spaltbaren Brennstoff der Säule über die Pellets aus Brutstoff getrennt, und da derartiger Brutstoff thermisch isolierend wirkt, ohne selbst eine nennenswerte Wärme zu entwickeln, besteht keine Gefahr, daß sich die Bodenkappe am unteren Ende des Brennstabs ("unterer Endstopfen") durch die hohen Betriebstemperaturen im spaltbaren Brennstoff übermäßig erwärmt.

Kommerzielle Brennelemente wassergekühlter Kernreaktoren enthalten heute meist eine Tablettensäule mit überein­ andergestapelten Brennstoff-Peletts aus Uranoxid und/oder Plutoniumoxid, die von einem metallischen Hüllrohr seitlich umgeben sind. Dieses Hüllrohr ist am oberen Ende mit einer Endkappe gasdicht verschlossen, wobei eine Druckfeder zwischen dieser Endkappe und der Tablettensäule im Hüllrohr einen Hohlraum zum Sammeln von gasförmigen Spaltprodukten frei hält. Am unteren Ende ist das Hüllrohr durch eine Bodenkappe gasdicht abgeschlossen, die einen in axialer Richtung in das Hüllrohr hineinragenden Stütz­ körper, z. B. ein Rohrstück, trägt, auf dem die Tabletten­ säule aufliegt.

Damit die mechanische Tragfähigkeit des Stützkörpers, die bei steigender Temperatur abnimmt, während des Reaktorbetriebs nicht überschritten wird, ist bei dieser Konstruktion bisher vorgesehen, zwischen dem untersten aus spaltbarem Material bestehenden Pellet der Säule und dem Stützkörper eine wärmeisolierende Tablette, z. B. aus Natururan oder brennstofffreier Keramik, anzuordnen. Bei Pellets aus Mischoxiden ist auch zwischen dem obersten Brennstoff-Pellet und der Druckfeder eine derartige Isolationstablette angeordnet. Bei UO₂-Pellets wird häufig eine etwa 0,5 bis 1 mm dünne Stahlscheibe auf das oberste Brennstoff-Pellet gelegt und an der Druckfeder punktgeschweißt, um deren Federkraft flächenförmig auf die Tablettensäule zu übertragen.

Zusätzlich zu den Endstopfen (Endkappe und Bodenkappe) sind also mehrere Einzelteile (Stützkörper, Isolationstablette, Abschlußscheibe und Druckfeder) erforderlich, wodurch sich der Aufwand für Fertigung, Montage und Kontrolle der Brennstäbe erhöht. Die Isolationstablette am unteren Brennstabende hat in der Regel etwa die Abmessungen eines Brennstoff-Pellets (z. B. Zylinderdurchmesser 9 mm, Zylinderhöhe 11 mm) und nimmt daher ein verhältnismäßig großes Volumen ein, das damit nicht mehr zur Aufnahme von Brennstoff oder gasförmigen Spaltprodukten zur Verfügung steht. Die äußersten Brennstoff-Pellets erzeugen häufig eine höhere Leistung, da hier ein höherer Neutroneneinfall vorliegt als in der Mitte der Brennstoffsäule. Außerdem entsteht in axialer Richtung an den isolierenden Tabletten ein abrupter Temperatursprung im Hüllrohr.

Die Erfindung schafft eine andere Konstruktion des unteren Endes des Brennstabes.

Die Erfindung sieht dabei - kurz gesagt - den Ersatz der wärmeisolierenden Tablette durch einen wärmeleitenden Metallstopfen vor.

Dadurch wird das unterste Brennstoff-Pellet zusätzlich über seine dem Endstopfen (Bodenkappe) zugewandte Stirnseite gekühlt, so daß die Temperatur im Brennstoff dieser untersten Tablette deutlich niedriger liegt als in der Stirnfläche eines an eine isolierende Abschlußtablette anliegenden Brennstoff-Pellets. Ferner wird eine geringere Wärmebeanspruchung des Hüllrohrs erreicht als bei Ver­ wendung einer Isolationstablette mit dem verhältnismäßig abrupten Temperatursprung. Außerdem kann dadurch ein Teil des sonst von der Isolationstablette eingenommenen Volumens eingespart und zur Aufnahme von spaltbarem Brennstoff bzw. gasförmigen Spaltprodukten verwendet werden. Vorteilhaft ist auch, daß erhöhte Werte des Neu­ tronenflusses, wie sie an den Enden der Brennstoffsäulen häufig auftreten, gedämpft werden können.

Dies wird erreicht durch einen Brennstab mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Dabei liegt also die unterste Brennstoff-Tablette, die Uranoxid und/oder Plutoniumoxid enthält, direkt auf einem Metallstopfen auf, der seinerseits unmittelbar am Stützkörper anliegt. Der Stützkörper kann z. B. ein metallisches Rohrstück sein, dessen Innenraum durch Bohrungen im Metallstopfen, durch einen seitlichen Zwischenraum zwischen Stopfen und Hüllrohr oder andere Kanäle mit einem Spalt verbunden ist, der zwischen der Pelletsäule und dem Hüllrohr liegt. Dadurch wird ein Gasaustausch zwischen dem Hohlraum und der Tablettensäule ermöglicht. Es sind aber auch andere Formen von Stützkörpern denkbar, die einen Hohlraum zwischen dem Metallstopfen und der Bodenkappe sicherstellen.

In jedem Fall aber liegt die unterste Brennstoff­ tablette mit dem größten Teil ihrer Stirnseite unmittelbar an dem Metallstopfen auf, so daß hier ein guter Wärmeüber­ gang möglich ist. Die axiale Dicke des Metallstopfens selbst ist so gewählt, daß beim Einsatz des Brennstabs im Kernreaktor die Wärme, die in der untersten Brennstoff­ tablette erzeugt wird, teilweise durch Wärmeleitung über den Metallstopfen abgeleitet wird, so daß die unterste Brennstofftablette auch an ihrer Stirnseite gekühlt wird. Durch eine auf die Wärmeleistung des Pellets abgestimmte Dimensionierung des Metallstopfens kann dadurch die Temperatur im Stützkörper unter einem vorgegebenen Wert gehalten werden, bei dem die Einhaltung der Festigkeits­ grenzen des Strukturmaterials gewährleistet ist.

Wie die Rechnung zeigt, kann es bereits ausreichen, wenn etwa 10% der Pellet-Wärme über die Stirnfläche an den Metallstopfen abgegeben und über die Zylinder-Außenfläche des Stopfens an das Hüllrohr abgeleitet wird. Hierzu kann es u. U. bereits genügen, wenn der Stopfen auf einer axialen Länge von etwa 2 mm locker am Hüllrohr anliegt.

Vorteilhaft kann der Metallstopfen aus Stahl bestehen, wobei die neutronenabsorbierende Wirkung des Stahls Erhöhungen im Neutronenfluß, wie sie an den Enden von Brennstoffsäulen häufig beobachtet werden, reduziert. Die thermodynamische Berechnung ergibt, daß bei den heute üblichen Brennstoff-Anreicherungen eine axiale Länge des Metallstopfens von wenigen Millimetern ausreicht, um genügend Wärme über die Pellet-Stirnseite in axialer Richtung in den Metallstopfen zu leiten und über den metallischen Stützkörper und das Hüllrohr abzuführen. Vorzugsweise liegt die Höhe des Stopfens deutlich unter der Höhe eines Brennstoff-Pellets.

Dabei ist vorteilhaft, wenn auch die oberste Brennstoff­ tablette unmittelbar an einem weiteren Stahlstopfen anliegt, an dem die Druckfeder direkt abgestützt ist. Dieser weitere Stahlstopfen verteilt nicht nur die Federkraft der Druckfeder auf eine große Anlageflache an der Stirnseite des obersten Brennstoff-Pellets, sondern kann in ähnlicher Weise auf die Kühlung des obersten Pellets und vor allem eine gewünschte Schwächung des Neutronenflusses abgestimmt sein und die zu diesem Zweck häufig vorgesehenen Abschluß-Tabletten aus Natururan ersetzen. Damit sinkt auch die Temperatur im Raum über dem obersten Pellet, wodurch der Gasdruck verringert wird.

Diese und weitere Ausbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben und anhand von zwei Ausführungs­ beispielen und 4 Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Brennstab, teils im Längsschnitt, teils in Seitenansicht,

Fig. 2 und Fig. 3 vorteilhafte Ausbildungen des Metallstopfens und des Stützkörpers am unteren Brennstabende, und

Fig. 4 und Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform für den weiteren Metallstopfen am oberen Brennstabende, im Längs- und Querschnitt.

Fig. 1 zeigt den Brennstab, der im Mittelteil aufgebrochen gezeigt ist. Im Hüllrohr 1 befinden sich die aufeinander gestapelten Brennstoff-Pellets 2. Dabei können die einzelnen Pellets der Säule mit unterschiedlichem Gehalt an angereichertem Uran oder insbesondere einer Mischung aus Uranoxid und Plutoniumoxid bestehen, und in ihrer Zusammensetzung varieren. Es können z. B. auch Bereiche vorgesehen sein, in denen die Pellets aus einem Neutronengift wie Gadolinium oder aus Natururan bestehen. Das unterste Pellet 3 und das oberste Pellet 4 der Säule jedoch enthalten spaltbares Material, sie entwickeln daher im Reaktorbetrieb eine thermische Leistung, die in den metallischen Strukturteilen der benachbarten Bereiche A und B zu keinen unzulässigen temperaturbedingten Veränderungen führen darf.

Am unteren Ende ist das Hüllrohr 1 durch den unteren Endstopfen (Bodenkappe 5) gasdicht verschlossen, von dem aus ein Stützkörper, der als ein zum Hüllrohr 1 konzentrisches Rohrstück 6 ausgebildet ist, in das Innere des Hüllrohres axial hineinragt. Dieses Rohrstück ist mit einem Metallstopfen 7 fest verbunden.

Das obere Endpellet 4 liegt mit dem überwiegenden Teil seiner Stirnfläche flach direkt an einem weiteren Metallstopfen 8 an, der ebenfalls fest mit einer Druckfeder 9 verbunden sein kann, die an einem das obere Ende des Hüllrohres 1 gasdicht verschließenden Endstopfen (Endkappe 10) abgestützt ist.

Zwischen den letzten Brennstofftabletten 3, 4 und dem Rohrstück 6 bzw. der Druckfeder 9 befindet sich ein Auflageteil 11 des jeweiligen Metallstopfens. Dieses Auflageteil 11 kann ein verjüngtes Stopfenteil 12 tragen, an dem ein ringförmiger Rand 13 des Stützkörpers bzw. Windungen 14 der Druckfeder 9 seitlich angreifen, wie die Fig. 2 und 3 für den Bereich A in Fig. 1 und die Fig. 4 und 5 für den Bereich B zeigen.

Da bei dieser Konstruktion auch das verjüngte Stopfenteil an der Wärmeabfuhr beteiligt ist, würde eine Gesamtlänge des Stopfens von mindestens 2 mm, z. B. von etwa 5 bis 6 mm genügen; um jedoch auch bei einer Verschlechterung des Wärmeübergangs zwischen dem Stopfen 7 und dem metallischen Stützkörper 6 eine ausreichende Kühlung des Pellets 3 sicherzustellen, können für den Auflageteil 11 und den Stopfenteil 12 jeweils eine Länge von etwa 5 mm vorgesehen sein, wobei der Stopfen aus Stahl gefertigt ist und dadurch neutronenabsorbierend wirkt. Dies gilt auch für den Stopfen 8 am oberen Brennstab-Ende.

Der Stützkörper 6 sichert einen Hohlraum 20 zwischen dem Metallstopfen 7 und der Bodenkappe 5, der z. B. gemäß Fig. 2 über einen axialen Durchtrittskanal 21 mit Spalten 15 zwischen den Pellets der Säule und dem Hüllrohr verbunden sein kann, um beim Reaktorbetrieb entstehende Gase in den Hohlraum 20 zu leiten können. Die Befestigung des Metallstopfens 11 am Stützkörper 6 kann über an der Mantelfläche des Metallstopfens entlang laufende Nuten 22 erfolgen, in die Vorsprünge 23 des Stützkörpers eingreifen. Diese Vorsprünge können z. B. Wulste sein, die durch Stauchen des in Fig. 2 gezeigten, ringförmigen Stützkörpers in die Nuten 22 eingetrieben werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 ist die Befesti­ gung zwischen dem verjüngten Teil 12 des Metallstopfens und dem Rohrstück 24 durch einen Schrumpfsitz sicherge­ stellt, der z. B. dadurch hergestellt wird, daß der Bolzen tiefgekühlt und in das (gegebenenfalls erwärmte) Ende des Rohrstücks 24 eingesetzt wird, so daß nach einem Temperaturausgleich und einer entsprechenden Durchmesser­ änderung der Teile eine feste Verbindung entsteht. Um den Gasaustausch mit den Pellets zu ermöglichen, kann z. B. die seitliche Bohrung 25 vorgesehen sein.

Der Metallstopfen selbst jedoch wird in das Hüllrohr mit einem erheblichen seitlichen Spiel eingesetzt, das eine thermische Ausdehnung des Metallstopfens gestattet. Durch dieses Spiel kann auch sichergestellt werden, daß das in den Pellets frei gesetzte Gas in den Hohlraum 20 eindringen kann.

Der in Fig. 5 gezeigte Querschnitt durch den Bereich B des Brennstabs läßt das seitliche Spiel (Spalt 16) zwischen dem Auflageteil 11 eines Metallstopfens und dem Hüllrohr 1 deutlicher erkennen. Ähnlich wie der Stopfen 7 kann auch der Metallstopfen 8 an die unterste Windung 14 der Druckfeder 9 befestigt sein; er kann aber z. B. auch punktförmig angeschweißt sein.

Mehrere derartige Brennstäbe können, zusammen mit anderen Bauteilen (z. B. Führungsrohren für Absorberstäbe und Abstandhalter) zu einem Brennelement eines Druckwasser- Reaktors gebündelt werden. Sie können aber auch in Brennelementen von Siedewasser-Reaktoren eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Brennstab eines Kernreaktor-Brennelementes mit

• a) einer übereinander angeordnete Brennstoff-Pellets (2, 3, 4) aus angereichertem Uranoxid und/oder Plutoniumoxid enthaltenden Tablettensäule,
• b) einem von einer Endkappe (10) am oberen Ende gasdicht verschlossenen, die Tablettensäule seitlich umgebenden Hüllrohr (1) mit einer Druckfeder (9) zwischen der Endkappe und der Tablettensäule, und
• c) einer das untere Ende des Hüllrohres (1) gasdicht abschließenden Bodenkappe (5) mit einem in axialer Richtung in das Hüllrohr hineinragenden Stützkörper (6),
  dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Brennstofftablette (3) direkt auf einem unmittel­ bar am Stützkörper (6) anliegenden Metallstopfen (7) auf­ liegt und die axiale Länge des Metallstopfens so gewählt ist, daß beim Einsatz des Brennstabs im Kernreaktor durch Ableitung der im untersten Brennstoff-Pellet (3) erzeugten Wärme die Temperatur im Stützkörper und im unteren Ende des Hüllrohres unter einem vorgegebenen Wert gehalten wird.

2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (6) einen Hohlraum (20) zwischen dem Metallstopfen (7) und der Bodenkappe (5) freihält, der mit einem Spalt (15) zwischen der Tablettensäule und dem Hüllrohr verbunden ist.

3. Brennstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstopfen aus Stahl besteht.

4. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstopfen auf einer axialen Länge von mindestens etwa 2 mm locker am Hüllrohr an liegt.

5. Brennstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Metallstopfens kleiner als die Höhe eines Brennstoff- Pellets, insbesondere kleiner als etwa 10 mm, ist.

6. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper und der Metallstopfen fest miteinander verbunden sind.

7. Brennstab nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstopfen (7) am der Tablettensäule abgewandten Ende ein verjüngtes Teil (12) aufweist, an dem ein ringförmiger Rand (13) des Stützkörpers seitlich angreift.

8. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper als Rohrstück (6) ausgebildet ist.

9. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das oberste Brennstoff-Pellet (4) unmittelbar an einem weiteren Metallstopfen (8) anliegt, an dem die Druckfeder (9) abgestützt ist.

10. Brennstab nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Druckfeder (9) und weiterer Stahlstopfen (8) fest miteinander verbunden sind.

11. Wassergekühltes Brennelement eines Kernreaktors mit mehreren Brennstäben nach einem der Ansprüche 1 bis 9.