DE2739580C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstab für Kernreaktoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Brennstofftablettenstapel füllt das Innere der Brenn­ stabhülle nicht vollständig aus, sondern man sieht außerdem einen Leerraum vor, um der Entstehung von gasförmigen Spalt­ produkten und anderen, während des Reaktorbetriebs aus den Brennstofftabletten freigesetzten Gasen Rechnung zu tragen. Dieser Leerraum liegt im oberen Teil des Brennstabs über dem Brennstofftablettenstapel, und in diesem Leerraum ist eine Niederhaltevorrichtung, beispielsweise in Form einer Schraubenfeder, untergebracht, um den Brennstofftabletten­ stapel in seiner vorgesehenen Lage zu fixieren.

Es hat sich aber gezeigt, daß die Niederhaltevorrichtung im Reaktorbetrieb nicht ausreicht, um den gesamten Brenn­ stofftablettenstapel in seiner Axiallage sicher zu fixieren.

Es sind Schäden an Brennstäben aufgetreten, in denen sich zwischen einzelnen Brennstofftabletten Zwischenräume im Tablettenstapel gebildet haben. Die Ursache dafür liegt in einer während der Abbranddauer eintretenden Brennstoffver­ dichtung, die sich in einer Verringerung der ursprünglichen Außenabmessungen der Brennstofftabletten äußert, wodurch Verschiebungen der Brennstofftabletten in der Brennstabhülle auftreten können. Dabei kann aber eine gegebene Brennstoff­ tablette möglicherweise verkanten und in der Brennstabhülle steckenbleiben, während sich darunter befindliche Tabletten insgesamt absenken. Die Bildung eines Spalts zwischen benach­ barten Brennstofftabletten durch eine solche Tablettenver­ schiebung bringt nicht nur Probleme hinsichtlich der Leistungsverteilung und der Leistungssteuerung mit sich, sondern kann auch zum örtlichen Eindrücken der Brennstab­ hülle aufgrund des auf sie einwirkenden hohen Außendruckes führen.

Ein Kernreaktorbrennstab nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 14 39 924 bekannt. Dort wird dem angesprochenen Problem der Verlagerung des Tabletten­ stapels im Betrieb dadurch entgegengewirkt, daß an einer Anzahl von ausgewählten Stellen im Verlauf des Brennstoff­ tablettenstapels Lagesicherungselemente zwischen den Brenn­ stofftabletten angeordnet sind, wobei diese Lagesicherungs­ elemente als Ringkörper ausgebildet sind, die an ihrem Außenumfang eine ringförmige Umfangsnut aufweisen und durch Eindrücken von in diese Umfangsnut eingreifenden Sicken in die Wand der Brennstabhülle formschlüssig und damit axial unverschiebbar mit der Brennstabhülle verbunden sind. Dies erfordert aber einen Bearbeitungsgang der Brennstabhülle nach dem Einsetzen der Brennstofftabletten und jedes Lage­ sicherungselements, was einen erheblichen Aufwand bedeutet. Dabei muß der Tablettenstapel abschnittsweise in die Brenn­ stabhülle eingebracht werden und nach jedem Abschnitt muß das betreffende Lagesicherungselement eingebaut werden, was mit großer Sorgfalt und Genauigkeit ausgeführt werden muß, damit die Brennstofftabletten nicht zuviel Spiel haben, was dann nicht mehr korrigiert werden könnte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Brennstab der in Rede stehenden Gattung die Lage­ sicherung des Tablettenstapels in der Brennstabhülle derart zu gestalten, daß die gewünschte Lagesicherungswirkung mit beträchtlich geringerem Aufwand erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den im Anspruch 1 gekennzeichnete Brennstab gelöst.

C-förmige Lagesicherungselemente an sich sind bereits bekannt, beispielsweise aus der DE-OS 16 14 308, wo ein C-förmiges Lagesicherungselement am oberen Ende des Tablettenstapels als Niederhalteelement Anwendung findet, daß als Bimetallklemmelement ausgebildet ist, welches zum Einsetzen in die Brennstabhülle durch Erwärmen zum Schrumpfen gebracht wird und nach dem Einsetzen erkaltet und sich dadurch gegen die Innenwand der Brennstabhülle spreizt und so eine Klemmwirkung entfaltet. Im Betrieb des Reaktors, wo sich der Brennstab erhitzt, wird natürlich die Klemmwirkung gerade wieder aufgehoben, so daß ein solches Bimetallklemmelement für den vorliegenden Anwendungs­ zweck unbrauchbar wäre. Ebenso ist ein C-förmiges Lage­ sicherungselement wiederum als Niederhalteelement aus der DE-OS 20 34 235 an sich bekannt, das dort als geschlitzter, radial federnder Ring ausgebildet ist und vor dem Einführen in die Brennstabhülle radial zusammengedrückt wird und sich dann in der Brennstabhülle reibschlüssig gegen deren Innen­ wand spreizt. Das Einbringen solcher Lagesicherungselemente an mehreren Stellen im Verlaufe der Tablettenstapel der mehrere Meter langen Brennstäbe wäre aber nicht praktikabel.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Kernbrennelements,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstabs des in Fig. 1 gezeigten Brennelements,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Lagesicherungs­ elements nach der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine Draufsicht einer weiteren Aus­ führungsform eines Lagesicherungs­ elements,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht einer noch weiteren Ausführungsform eines Lagesicherungs­ elements und

Fig. 8 eine Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Fig. 1 zeigt ein typisches Kernbrennelement 10. Eine Vielzahl derartiger Brennelemente bildet den Reaktor­ kern eines Kernreaktors. Durch den Reaktorkern wird ein Kühlmittel zirkuliert, um die nachher zum Antrieb eines Turbogeneratorsystems verwendete Wärmeenergie abzuführen. Jedes Brennelement 10 weist eine Vielzahl von Brenn­ stäben 12 auf, die zwischen einem oberen Mundstück 14 und einem unteren Mundstück 16 sowie längs ihrer Länge durch Haltegitter 18 gehaltert sind. Die Haltegitter 18 dienen zur Beibehaltung der richtigen seitlichen Lage der Brennstäbe 12, wobei sie axiale Dehnungen zulassen, und stellen auch die Berührungspunkte zwischen benachbarten Brennelementen her. Außerdem weist das Brennelement 10 eine einschiebbare Steuerstabanordnung 20 auf.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Form einen typischen Brennstab 12. Dieser Brennstab besitzt eine Brennstab­ hülle 22 mit Endkappen 26, weiter in der Brennstabhülle angeordnete Brennstofftabletten 24 und eine in einem oberen Leerraum 28 innerhalb der Brennstabhülle angeordnete Niederhaltevorrichtung 30. Außerdem ist in dem Brennstab ein Lagesicherungselement 32 dargestellt, das später noch im einzelnen beschrieben wird. Gemäß der Darstellung ist eine Vielzahl von Brennstofftabletten 24 mit typischerweise zylindrischer Form in der im Querschnitt kreisrunden Brenn­ stabhülle 22 gestapelt, die mittels der Endkappen 26 gas­ dicht abgeschlossen ist. Zwischen den Brennstofftabletten 24 und der Brennstabhülle 22 ist ein Ringspalt 34 vorgesehen, um das Einführen der Brennstofftabletten und den Durchtritt von Gasen zu ermöglichen und ein unerwünschtes Verklemmen zwischen Brennstofftabletten und Brennstabhülle zu vermeiden. Der obere Leerraum 28 dient zur Aufnahme von freigesetzten gasförmigen Spaltprodukten und anderen Gasen, die sonst einen unerwünschten Druckaufbau innerhalb des Brennstabs 12 hervorrufen könnten. Die Niederhaltevorrichtung 30 ist eine Schraubenfeder, welche zur Beibehaltung der Axiallage der Brennstofftabletten 24 beiträgt. Die im Betriebe ge­ wonnene Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die Brennstoff­ tabletten 24 bei hohen Temperaturen und unter der Be­ strahlung trotzdem zu Verlagerungen innerhalb der Brenn­ stabhülle neigen, was zu möglichen schädlichen Einflüssen einschließlich schlechter örtlicher Leistungsverteilung und zum örtlichen Eindrücken der Brennstabhülle führen kann.

Zur Lösung dieses Problems dienen Lagesicherungselemen­ te 32, die an gewählten Stellen innerhalb des Brennstabs 12 angeordnet werden, um die Brennstofftabletten 24 in ihrer Lage zu sichern.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Lagesicherungs­ elements 32 ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Das Lage­ sicherungselement besteht aus zwei Komponenten, nämlich einer Feder 36 und einem Halteglied 38. Die Feder 36 hat eine im ausgespreizten Zustand der Innenwand der Brennstabhülle 22 entsprechende Form und ist so bemessen, daß sie in zusammengedrücktem Zustand in die Brennstabhülle eingesetzt werden kann. Das Halteglied 38 hält die Feder 36 während der Brennstabherstellung zusammengedrückt und spricht auf eine bestimmte Temperatur derart an, daß es seine Haltewirkung verliert und die Feder 36 sich in Anlage an die Brennstabhülle 22 ausspreizen kann, wo­ nach sie aufgrund der sich einstellenden Reibkräfte in ihrer Lage fixiert ist. Die Feder 36 hat eine etwa C-förmige Gestalt und an jedem Ende ihrer C-Form einen nach innen ragenden Flansch 40. Sie besteht aus einem mit der Brennstabhülle 22 und der Brennstabumgebung verträglichen Material, das eine minimale Neutronenab­ sorption aufweist und seine Federeigenschaft auch noch bei Temperaturen im Bereich von 550°C oder darüber aufrechterhält. Außerdem sollte die in Fig. 4 mit A bezeichnete Höhe der Feder ausreichend groß sein, um den erforderlichen Reibwiderstand zu erhalten, ohne daß die Brennstabhülle 22 örtlich verformt wird, jedoch sollte diese Abmessung trotzdem so klein sein, daß die zwischen den Brennstofftabletten angeordnete Feder die Leistungsver­ teilung nicht wesentlich verändert. Das Lagesicherungs­ element 32 kann auch unmittelbar über dem oberen Ende des Tablettenstapels im Leerraum 28 angeordnet sein, wo eine größere Höhe einen geringeren Einfluß auf die Leistungs­ verteilung hat. Die sich an die Innenwandfläche der Brenn­ stabhülle anlegende Außenfläche der Feder kann glatt oder zwecks Vergrößerung der Reibung aufgerauht sein.

Das Halteglied 38 ist an den beiden Flanschen 40 befestigt, so daß es die Feder anfänglich in zusammen­ gedrücktem Zustand hält. Das Halteglied ist derart ange­ bracht, daß sich eine Haltekraft bei einer bestimmten Temperatur, vorzugsweise bei etwa 260°C verringert. Dieses Nachlassen der Haltekraft kann durch Herstellen des Halteglieds 38 aus temperaturempfindlichem Werkstoff erzielt werden, dessen Festigkeit sich bei erhöhter Temperatur verringert, oder das einen entsprechenden Wärmedehnungskoeffizienten besitzt. Alternativ dazu kann die Befestigung temperaturempfindlich ausgebildet werden, beispielsweise als Schweißnaht 42, die bei erhöhten Temperaturen ihren Zusammenhalt verliert. Die erstere Möglichkeit ist jedoch zu bevorzugen, da eine Herabsetzung der Festigkeit der Schweißnaht oder der sonstigen Be­ festigung eine Vorzeitige unerwünschte Trennung der beiden Teile zur Folge haben könnte. Als typische Werkstoffe können für die Feder 36 eine Nickelbasislegierung wie beispielsweise Inconel und für das Halteglied 38 Kohlen­ stoffstahl oder temperaturempfindlicher rostfreier Stahl Anwendung finden. Der Außendurchmesser der C-förmigen Feder 36 ist so bemessen, daß diese sich innerhalb der Brennstabhülle ausspreizen und an deren Wandung anlegen kann, wobei ihre Größe typischerweise im Bereich von 10 mm liegt. Die Höhe eines zwischen Brennstofftabletten eingesetzten Lagesicherungselement sollte nicht kleiner als etwa 3 mm und nicht größer als etwa 9 mm sein. Ein im Leerraum 28 oder unterhalb des Tablettenstapels angeordnetes Lagesicherungselement 32 kann dagegen eine größere Höhe besitzen. Die Höhenabmessung des Halteglieds 38 ist kleiner oder gleich der Höhe der Feder 36. Die Dicke der Feder 36 kann im Bereich von 0,5 mm liegen. Vor­ zugsweise werden die Lagesicherungselemente an solchen Stellen innerhalb des Brennstabs angeordnet, an denen eine Schwächung des Neutronenflusses und der Leistung herrscht, beispielsweise an den Stellen der Haltegitter. Bei einer derartigen Anordnung können etwa sieben Lagesicherungs­ elemente 32 längs der Länge eines typischen Brennstabs untergebracht werden, der eine Länge im Bereich von etwa 4 m besitzt. Um die Lage der Brennstofftabletten in derartigen Brennstäben zu sichern, sollten die Lage­ sicherungselemente jeweils eine etwa symmetrisch verteilte Kraft zwischen 20 kp und 40 kp auf die Brennstabhülle aus­ üben. Es ist hier zu bemerken, daß das Lagesicherungs­ element 32 vorzugsweise nur einmal seinen zusammengedrückten Zustand einnehmen soll, nämlich vor dem ersten Temperatur­ anstieg auf den genannten bestimmten Wert. Danach soll das Lagesicherungselement ausgedehnt bleiben. Deshalb kann das Halteglied 38 sich ausdehnen und dann seine Wirksam­ keit verlieren, wodurch seine Haltekraft auf die Feder verschwindet.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß zahl­ reiche abgewandelte Ausführungsmöglichkeiten eines Lage­ sicherungselements 32 Anwendung finden können. Zwei mit 32 a und 32 b bezeichnete Abwandlungsmöglichkeiten sind in den Fig. 5 bis 8 gezeigt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Lagesicherungselement 32 a mit einer Feder 36 a ähnlich wie diejenige nach Fig. 3, die ebenfalls Flansche 40 a besitzt. Das Halteglied 38 a um­ greift hier jedoch nicht die Flansche wie bei der Anordnung nach Fig. 3, sondern durchdringt die Flansche 40 a in der dargestellten Weise und ist an diesen befestigt. Beispiels­ weise kann das Halteglied nietkopfähnliche Köpfe 44 auf­ weisen oder eingeschweißt sein.

Die Fig. 7 und 8 zeigen ein Lagesicherungselement 32 b mit einer wiederum C-förmigen Feder 36 b, die jedoch keine Flansche aufweist. Die Federenden sind beispielsweise durch Schweißungen 46 am Halteglied 38 b befestigt. Das Halteglied 38 b ist hier mit Kerben 48 versehen, welche die Ausdehnung des Halteglieds bei der vorgegebenen Tem­ peratur unterstützen. Anstatt an den Federendkanten 46 wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Halte­ glied 38 b auch an der Federinnenseite befestigt sein, wie in Fig. 7 gestrichelt angedeutet ist.

Claims (3)

1. Brennstab für Kernreaktoren, mit einer langgestreckten, gasdicht verschlossenen Brennstabhülle und einem darin unter­ gebrachten Brennstofftablettenstapel sowie einer Anzahl von an ausgewählten Stellen des Brennstofftablettenstapels zwischen den Brennstofftabletten angeordneten Lagesicherungselementen, die an der Innenwand der Brennstabhülle anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagesicherungselemente (32) als aus einem zusammengedrückten Zustand auseinanderspreizbare Elemente ausgebildet sind, die während und nach der Montage des Brennstabs bei den dann herrschenden Temperaturen im Bereich der Zimmertemperatur durch Fixiermittel (38; 38 a; 38 b) im zusammengedrückten Zustand gehalten werden, in dem sie ohne Reibungswiderstand in die Brennstabhülle einführbar und darin verschiebbar sind, und daß die Fixiermittel (38; 38 a; 38 b) so beschaffen sind, daß sie bei einer vorbestimmten höheren Temperatur ihre Fixierwirkung soweit verlieren, daß die Lagesicherungselemente (32) sich im Betriebszustand des Brennstabs im ausgespreizten Zustand befinden, in dem reib­ schlüssig an der Innenwand der Brennstabhülle anliegen und dabei allein aufgrund des Reibungswiderstandes gegen Ver­ schiebungen in Achsrichtung der Brennstäbe gesichert sind.

2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagesicherungselemente (32) Federn mit C-förmiger Gestalt sind, deren Enden durch Halteglieder (38) miteinander verbunden sind, welche die Lagesicherungselemente (32) in zusammengedrücktem Zustand halten und sich bei einem Temperaturanstieg so ausdehnen, daß die Federn sich aus­ spreizen und reibschlüssig an die Innenwand der Brennstab­ hülle (22) anlegen.

3. Brennstab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Federenden radial nach innen ragende Flansche (40) gebildet sind, an denen die Halteglieder (38) befestigt sind.