DE3019175A1

DE3019175A1 - Brennstoffkassette

Info

Publication number: DE3019175A1
Application number: DE19803019175
Authority: DE
Inventors: Alan Wayne Fanning; Victor Emory Hazel; Jun William George Jameson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-05-21
Filing date: 1980-05-20
Publication date: 1980-11-27
Also published as: CH650613A5; SE8003661L; JPS568593A; US4314884A; ES8105500A1; IT1130450B; DE3019175C2; JPS637353B2; ES491711A0; MX6567E; SE439396B; IT8022212A0

Description

Brennstoffkassette

■Die". Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffkassette der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Leistungskernreaktoren sind bekannt und beispielsweise von M. M> El-Wakil in "Nuclear Power Engineering", McGraw-Hill Book Company Inc., 1976_r beschrieben.

Bei einem, bekannten Typ eines Leistungskernreaktors, wie er beispielsweise in dem Dresden I- Reaktor der Dresden Nuclear Power Station in der Nähe von Chicago, Illinois, benutzt wird, ist der Reaktorkern ein heterogener Kern. In solchen Reaktoren umfaßt der Kernbrennstoff länggestreckte Stäbe, die aus verschlossenen Hüllrohren aus geeignetem Material, wie beispielsweise Zirkoniumlegierung, gebildet sind, Uranoxid und/oder Plutoniumoxid als Kernbrennstoff enthalten und beispielsweise aus der US-PS 3 365 371 be-

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kannt sind. Eine Anzahl solcher Brennstäbe wird zusammengefaßt und von einem an den Enden offenen, rohrförmigen Durchfluß- oder Strömungskanal· aufgenommen, um eine gesondert entnehmbare Brennstoffkassete oder Brenneiementbündel· zu biiden. Eine ausreichende Anzahl· von Brennstoffkassetten wird zur Biidung des Reaktorkerns, in weichem eine sich selbst aufrechterha^ende Spaitungsreaktion möglich· ist, in einer Matrix zusammengefaßt, die einem geraden Kreiszyiinder angenähert ist. Der Kern wird in ein Fiuid, wie beispieisweise Leichtwasser, eingetaucht, das sowohl· al·s Kühlmittel· al·s. auch al·s Neutronenmoderator dient.

Eine typische_:Brennstoffkassette wird durch eine Anordnung von gegenseitigen- Abstand aufweisenden und zwischen einer oberen und einer- unteren Hal·tepl·atte abgestützten Brennstäben gebiidet, wobei die Stäbe ein mehrfaches von 0,3'm (several· feet) l·ang sind, einen Durchmesser in der Größenordnung von 12,7 mm (one-haif inch) haben und einen gegenseitigen Ab-· stand; von einem Bruchteil· von 25,4 mm (an inch) aufweisen. Damit ein richtiger Kühlmittel·strom an den Brennstäben vorbeigeht, ist., es= wichtig, die Stäbe in gegenseitigem Abstand zu haiten und sie am Durchbiegen und Vibrieren' während des Reaktorbetriebes zu hindern..Mehrere Brennstababstandshal·- ter, die mit Abstand über die Länge der Brennstoffkassette verteiit sind,--sind für diesen Zweck vorgesehen. Soiche Abstandsha^er sind beispieisweise aus der ,US-PS 3 654 077 bekannt. . . - - - .

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Wenn die Brennstoffkassette in / Reaktorkern angeordnet sind, haben sie gegenseitigen Abstand und sind somit durch einen Beiag des Wassermoderators umgeben. Die peripheren Brennstäbe sind daher einem höheren Fiuß von thermischen Neutronen ausgesetzt als die Brennstäbe des inneren und weniger moderierten Gebietes der Brennstoffkassetten.

Ein fiacherer Fiuß von thermischen Neutronen kann an der

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-BrennstoffkassettG zusamrten mit einer besseren Breams-tof f aus- :^:ftutzl^g:■ uj^. .-niedrigeren "örtlichen Leistungsspitzen -erzielt werden, indem di.e Neutronenmoderation in dem inneren Teil der Basennstoffkassette verstärkt wird- Das -kann e-rreicht werden., indem einer oder mehrere der inneren Brermstäbe durch mit Durchlässen versehene Wasserrohre ersetzt werdeil·, über die relativ kaltes Wasser aufwärts durch den inneren Teil der Srennstoffkassette geleitet wird. Eine Anordnung -solcher Wasserrohre ist aus der US-PS 3 8.02 995 bekannt.:

Die Moderation über den Inneren Teil des Brennelements -kann verstärkt werden,/ ind"em die Anzahl der -Wasserrohre vergrößert wird, Biese Losung hat jedoch -eine praktische ■Grenze.:, da jedes Wasserrohr einen Brennstab ersetzt und somit unerWUnsGhterWelse -die =Bretinsto-f f aufnahmekapazität der Brennstoffkassette verringert.

GemäB der Erfindung wird die Neutronenmoderation in dem inneren T-eii äer Brennstöffkassette verstärkt, olnie ähe Anzahl der Wässerr-ohre' zu vergrößern j indem ein oder mehrere Wasserrohre vorgesehen werden, deren Durchmesser größer als der der ^Br-ennstabe ist-* Für die Aufnahme der größeren Wasserrohr« werden die Brennstababstandshalter -ohne -ne^inenswertelimkonätruktion -modifiziert, indem W-förmige Feder— teile in den durch die Wässerrohre eingenommenen Abstands— halterzelleii vorgesehen werden. Die W-förmigen Pederteile benötigen weniger .Raum, ergeben aber im wesentlichen dieselbe Federkraft wie die V-förmigeai Federteile-, die .sie ersetzen.. "-".---■-.."

Ein Ausführurigsbeispiel der Erfindung wird im "folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeig.t

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— JS ^j~

. 1 -eine Längsschnitfcansieht einer Brennstoff-

kassetfe, das -ein -Wasserrohr enthält,

Fig. 2 in Draufsicht einen Brennstababstan&s-

halter,

^ 3 in Seitenansicht eine iCasten-federan-

ordnung und

Fig. 4 in Seitenansicht .sine -modifizierte

Kastenfederanordnung.

Xn. Fig^ 1 eine Brennstoffkassette 20 in Seitenansicht dargestellt. Die-Brennstoffkassetfce 20 enthält mehr ere Brennstoffelemente -oder Brennstäbe 23-, -weiche zwischen einer ais Skelett .ausgebildeten oberen Hai^:feeplaT:te 22 und einer als /SkeleLt ^ausgebildeten ainteren Jialtepl-atte 23 -abgestützt sind. Die Brennstäbe -21 gehen -durch "mehrere Br-ennstabat>standshalter 24 hindurch-, -die für eiüe Zwischenabstiüzung sorgen, um die langgestreckten Stäbe in gegenselt'igem-Abstand zu halten und an seitlicher Vibration Z3i -hindern-,

•Die Brennstäbe 21 bestehen jeweüs -aus einem langgestreckten Rohr./-das einen spaltbaren Brennstoff-und andere Materialien, wie Spalts-tofif abbrennbares Gift, inertes Material . Ojd.dgl·.., enthält, iiel-che in <ias Rohr durch einen oberen Endstopfen 26 und einen unteren Endstopfen -27 eingeschlossen sind. Die unteren Endstopf-en 27 -sind, mit Ansätzen versehen, die mit i-n der unteren Haltepiatte 23 gebildeten Traghohlräumen 29 in Deckung unrl durch diese abgestützt sind. Die oberen "Endstopfen 26 sind mit Ansätzen 28 -versehen, die in Traghohlräume 31 in der oberen Halteplatte 22 passen.

.Von den Traghohlräumen 29 in der unteren Halteplatte 23 sind mehrere (beispielsweise ausgewählte Traghohlräume am Rand oder Umfang) mit Gewinde versehen und dienen zur Aufnahme

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von Brennstäben, die mit Gewinde versehene Ansätze 27' an den unteren Endstapfen haben. Ansätze- 28' der oberen Endstopfen 26' derselben Brennstäbe sind verlängert, damit sie durch die Hohlräume in der oberen Halteplatte 22 hindurchgeführt werden können, und mit Gewinden zur Aufnahme von Befestigungsmuttern 32 versehen. Auf diese Weise bilden die obere und die untere Halteplatte und die Brennstäbe zusammen ein einstückiges Gebilde.

Die Brennstoffkassette 20 hat weiter einen dünnwandigen, rohrförmigen Strömungskanal 33 mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt, der so bemessen ist, daß er über der oberen Halteplatte 22 und der unteren Halteplatte 23 sowie den Abstandshaltern 24 einen Gleitsitz bildet, damit der Kanal 33 leicht angebrächt und' entfernt werden kann. An dem oberen Ende des ■■ Strömungskanals 33 ist ein Lappen 34 befestigt, über den der Kanal an einem Pfosten 36 der oberen Halteplatte'22Vmittels ein'er Schraube "37 befestigt ist. ·.".- ■"■"-■■-■".·'

Die untere Halteplatte 23 ist mit einem Kopf- oder Mundstück 38 versehen, das zum Abstützen der Brennstoffkassete 20 in einer Buchse in einer·Kerngründplatte (nicht gezeigt) in dem Reaktordruckgefäß dient. Das Ende dieses Kopfstükkes ist mit .Öffnungen 39 zum Empfangen des Unter Druck stehenden Kühlmittels versehen, so daß dieses zwischen den Brennstaben nach oben strömt."

Gemäß. Fig. 1 ist einer (oder sind mehrere) der Brennstäbe 21 in den inneren Brennstabpositionen durch ein 'Wasserrohr 41 ersetzt. Das Wässerrohr'41 gleicht im Aufbau einem Brennstab, mit der Ausnahme, daß es keinen Brennstoff enthält und mit Löchern 42 und 43 versehen ist und/oder daß sein oberer und unterer Endstopfen mit Durchlässen 44 bzw.'

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46 versehen sind, um einen Wassermoderatordurchfluß zu gestatten.

Gemäß der Erfindung und zur Vergrößerung der Menge an Wassermoderator in dem inneren Teil der Brennstoffkassete hat das Wasserrohr 41 einen Außendurchmesser, der größer als der Durchmesser der Brennstäbe 21 ist. Beispielsweise kann das Wasserrohr 41 einen Außendurchmesser von etwa 15 mm haben, während die Brennstäbe 21 einen Außendurchmesser von etwa 12 mm haben.

Die Abstandhalter 24 können den gleichen Aufbau haben wie er in den Fig. 5-10 der US-PS 3 654 077 gezeigt ist, auf die hier, insbesondere bezüglich Konstruktionseinzelheiten, Bezug genommen wird.

Gemäß der Erfindung werden die Abstandshalter 24 ohne umfangreiche ümkonstruktion modifiziert, damit sie die einen größeren Durchmesser aufweisenden Wasserrohre 41 aufnehmen, können. Ein modifizierter Abstandshalter 24 ist in Fig. 2 gezeigt. "" ■ _ . ""

Der Abstandshalter 24 hat ein Umfangsband 50, welches mehrere querverbundene Unterteiler oder Trennteile trägt, und zwar Trennteile 51, Federhaitetrennteile 52 und modifizierte Trennteile 53, wobei diese Trennteile mit Abstand voneinander angeordnet sind, um mehrere Durchlässe oder Zellen 49 zu bilden. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 erstrecken sich beispielshalber gezeigte Brennstäbe 21 durch die Zellen 49, während sich Wasserrohre 41 durch Zellen 49' erstrecken. An den Schnittpunkten der Trennteile 52 sind vierseitige Kastenfederanordnungen 54 abgestützt, die mit sich nach aussen erstreckenden, V-förmigen Federteilen versehen sind, so daß sich jeweils eines dieser Federteile in jeweils eine der Zellen 49 erstreckt und den Brennstab darin in Anlage an entgegengesetzt angeordnete, relativ starre Vorsprünge 72

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- 9 drückt, die in den Trennteilen gebildet sind.

Eine Kastenfederanordnung 54, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, hat vier sich nach außen erstreckende Federteile 56, welche zwischen einem oberen Kastenendteil 57 und einem unteren Kastenendteil 58 abgestützt sind. Die vier Seiten dieser Endteile sind jeweils mit einem halbkugelförmigen Ansatz 59 zum Begrenzen der Berührungsfläche mit dem benachbarten Brennstab und der seitlichen Bewegung desselben versehen.

Ein erster Versuch zum Modifizieren der Abstandshalter 24 zur Aufnahme von Wasserrohren größeren Durchmessers bestand darin, die benachbarte Federanordnung durch Verkürzung (foreshortening) der Seiten der Kastenendteile 57 und 58 neben dem Wasserrohr zu modifizieren, die Vorsprünge 59 an diesen Seiten wegzulassen und das Vorstehen der starren Anschläge 72 in die Zellen 49' der Wasserrohre hinein zu verringern. Das das Wasserrohr berührende Federteil 56 blieb dasselbe.

Bei einem zu Versuchszwecken gebauten Brennelementbündel zeigte es sich jedoch, daß das Einführen des Übergröße aufweisenden Wasserrohres eine übermäßig große Kraft erforderte, die größer war als die Kraft, die im allgemeinen zum Einführen von Brennstäben erforderlich ist, und deshalb ausserhalb des Gleichgewichts mit gewünschten Brennstabvorbelastungen lag. Es zeigte sich, daß die große Einführkraft aus einer Durchbiegung des Federteils 56 resultierte, die es dazu brachte, die benachbarten Abstandshaltertrennteile zu berühren, wodurch die effektive Federlänge verringert und infolgedessen die Federsteife vergrößert wurde. Darüber hinaus bewirkte die Berührung des Federteils mit den Trennteilen eine Bewegung der gesamten Kastenfederanordnung von dem Brennstab weg in der diagonal benach-

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barten Zelle, was zu einer unerwünscht geringeren Federkraft an diesem Brennstab führte. Das Berührungsproblem könnte zwar gelöst werden, indem die Breite des Federteils 56 in der Wasserrohrzelle 49' verringert wird, das würde jedoch zu einer derartigen Verringerung der Federkonstante führen, daß die erwünschte Vorbelastungsfederkraft an den Wasserrohren nicht erzielt werden könnte.

Deshalb wurde gemäß der Erfindung und gemäß der Darstellung in Fig. 4 eine modifizierte Kastenfederanordnung 54' geschaffen, die mit dem Abstandshalteraufbau kompatibel ist und geeignete und im wesentlichen gleiche Federkraftbelastungen an den Wasserrohren und den benachbarten Brennstäben ergibt.

Die Kastenfederanordnung 54' von Fig. 4 weist im Vergleich zu der Kastenfederanordnung 54 von Fig. 3 folgende Modifizierungen auf: Die Kastenendteile 57' und 58' sind auf der der Zelle 49' des Wasserrohres benachbarten Seite verkürzt, die Vorsprünge 59 sind auf dieser Seite weggelassen, und ein W-förmiges Federteil 56' ersetzt das V-förmige Federteil 56 auf dieser Seite.

Die Breite und die spezifische Form des W-förmigen Federteils 56' wurden so gewählt, daß sich im wesentlichen dieselbe Federkraft an den Wasserrohren wie durch das V-förmige Federteil 56 an den Brennstäben ergibt und somit gleiche Spannungswerte in beiden Typen von Federteilen geschaffen werden, um unterschiede in den Federentspannungsverhältnissen im Betrieb des Reaktors auszuschließen, die zu ungleichen Federkräften führen würden. Die W-Form des Wasserrohrfederteils überragt das Teil entfernt von den Abstandshaltertrennteilen und verhindert somit eine Berührung mit diesen.

Die W-Form des Wasserrohrfederteils 56' gestattet zwei Be-

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rührurigspünkte mit dem Wasserrohr, und das geringere Vorstehen der starren Teile 72 in den Wasserrohrzellen 49' führt zu einem kleineren Spalt zwischen dem Wasserrohr und den Abstandshaltertrennteilen, was für das keinen Brennstoff enthaltende Wasserrohr nicht nachteilig ist, verglichen mit den Wärme erzeugenden Brennstäben, bei denen es erwünscht ist, die Berührungsfläche mit dem Abstandshalter zu minimieren, um eine Störung des Kühlmittelflusses und "heiße Punkte" zu vermeiden.

DieKastenfederanordnungen 54 und 54' werden aus Federmaterial hergestellt, das für den Gebrauch in einem Kernreaktor geeignet ist, wie beispielsweise Inconel oder die Legierung X-750, während andere Teile der Abstandshalter 24 vorzugsweise aus einem Material hergestellt werden, das einen geringen Neutroneneinf angquer schnitt hat, wie beispielsweise eine Zirkoniumlegierung.

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Claims

Patentansprüche ;

1 .Brennstoffkassette,die zur Verwendung mit mehreren anderen Brennelementen and einem,Neütronenmoderatorfluid in einem Kern eines Kernreaktors vorgesehen ist und mehrere langgestreckte Brennstäbe vorbestimmten Außendurchmes-sers aufweist, die in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, gekennzeichnet durch wenigstens einen Abstandshalter (24), welcher zwischen den Enden der Brennstäbe (21) angeordnet ist und mehrere Zellen <49) zum Hindurchführen der Brennstäbe bildet7 durch ein Federteil (56), das sich in jede der durch einen Brennstab eingenommenen Zellen (49) erstreckt und den Brennstab darin berührt, um ihn seitlich abzustützen; durch wenigstens ein Rohr (41), das in einer inneren Positionier Brennstoffkassette angeordnet, d_urcn eine Zelle (49') des Abstandshalters hindurchgeführt ist, mit Einrichtungen (42, 43, 44, 46) für den Eintritt und Austritt von Moderatorfluid versehen ist und einen Außendurchmesser hat, der größer als der Außendurchmesser der Brennstiäbe ist; und durch ein W-förmiges Pederteil (56') , das sich in die durch das Rohr eingenommene Zelle (49') des Abstandshälters erstreckt, um es .seitlich abzustützen.

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nach
2. ßrennstofEkassete / Anspruch T., -dadurch gekennzeichnet,

daß die -Federteile \5ß), die sich in durch Brennstäbe <21) eingenommene Zellen <4"9) erstrecken., V-förmig sind, jum einen begrenzten Berührungsbereieh mit den Brennstäben zu schaffen.
3. Brennstoffkassette nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das W-förmige F-ederteil (56*) im wesentlichen dieselbe Federkraft auf das Rohr (41) ausübt wie das V-förmige Federteil (56) auf einen Brennstab
4. Brennstoffkassette nach einem der Ansprüche -1 ±>is 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (419., "49⁷) des Abstandshalter s (24) durch querverbundene, sich schneidende Trennteile (51, 52, 53) gebildet sind, und daß die Federteile (56, 56') jeweils vierseitige Kastenfederanordnungen {54, 54') aufweisen, die an Schnittpunkten der Trennteile abgestützt sind, so daß ein Federteil der Kastenfederanordnung sich diagonal in jede der Abstandshalterzellen erstreckt, wobei die Kastenfederanordnungen jeweils .aui. im gegenseitigem· Abstand angeordneten und durch ein gesondertes Federteil auf jeder Seite miteinander verbundenen Kastenendteilen (57., 58, 57', 58') gebildet sind und wobei diejenige Seite der Kastenfederanordnung., welche der durch das Rohr (41) eingenommenen Abstandshalterzelle benachbart ist, verkürzt und mit dem W-förmigen Federteil (56') versehen ist.
5 . Erennstoffkassette nach Anspruch A₁ dadurch gekennzeichnet,, daß die Kastenendteile (57, 58, 57', 58') der Kastenfederanordnungen (54, 54') mit halbkugelförmigen Vorsprüngen (59) auf denjenigen Seiten versehen sind, die durch Brennstäbe (21) eingenommenen Abstandshalterzeilen (49) benachbart sind„

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