DE1938646C3 - Brennstab für Atomkernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstab für Atomkernreaktoren mit einem den Kernbrennstoff enthaltenden, beidseitig druckdicht abgeschlossenen metallischen Hüllrohr und mindestens einem Druckausgleichsraum für beim Abbrand entstehende Spaltgase.

Um bei Brennstäben die Druckbelastungen am metallischen Hüllrohr, die durch unterschiedlichen Innen- und Außendruck auftreten, zu verringern, ist es bekannt, den Brennstab bei der Herstellung mit einem erhöhten Innendruck zu versehen. Bei den gegenwärtig üblichen Druckwasserreaktoren werden Brennstäbe verwendet die einen relativ hohen Innendurck von etwa 160 at aufweisen. Das bedingt eine hohe Beanspruchung des Hüllrohres, es sei denn, daß dem äußeren Druck durch einen eingeprägten Innendruck des Brennstabes das Gleichgewicht gehalten wird.

Ein Vordruck im Innern der Brennstäbe erfordert jedoch besondere Maßnahmen, um zu verhindern, daß der Innendruck, der durch die Erzeugung von Spaltgasen während des Einsatzes der Stäbe ansteigt höher wird als der vom Kühlmittel des Reaktors herrührende Außendruck. Selbst wenn kein Vordruck aufgebracht wird, so bedingen doch die heute üblichen höheren Abbrandraten, die für eine höhere Ausnutzung der spaltbaren Stoffe erforderlich sind, einen relativ hohen Innendruck. Die übliche Lösung besteht darin, einen Hohlraum im Brennstab zur Sammlung der Spaltgase freizulassen. Es ist aber auch schon bekannt geworden, eine normalerweise abgeschlossene Kammer unter niederem Druck vorzusehen, die bei einem vorgegebenen Druck bricht um die Spaltgase aufzunehmen. Diese Lösung hat den Vorteil, daß das für das Spaltgas zur Verfügung stehende Volumen ansteigt, so «laß kritische Druckbelastungen nicht so schnell erreicht werden. Demgegenüber ist jedoch eine derartige Kammer, die bei einem Solldruck bricht schwierig herzustellen, um die vorgegebenen Druckbereiche genau einzuhalten. Schon eine geringe Differenz in der Dicke der Sollbruchstelle kann eine große Verschiebung des Druckwertes, der zum Bruch führen soll, bewirken.

Diese Ausgleichskammern müssen also bei einem genau vorgegebenen Druckwert brechen, da bei einem vorzeitigen Bruch zusätzliche Beanspruchungen im Hüllrohr durch den höheren Außendruck auftreten, während durch einen verspäteten Bruch das Hüllrohr durch einen erheblichen Überdruck im Innern geschädigt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brennstab mit einem Druckausgleichsraum zu schaffen, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes einen sicheren Druckausgleich gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennstab dadurch gelöst daß erfindungsgemäß der Druckausgleichsraum innerhalb des Hüllrohres zusätzlich von einer dicht geschlossenen, balgartigen, metallischen Hülle umgeben ist die bei Druckanstieg zumindest teilweise zusammendrückbar und durch im Innern derselben angeordnete mechanische Mittel durchstoßbar ist. Dabei kann die balgartige Hülle in etwa zylindrisch ausgebildet und auf einer senkrecht zur Brennstabachse verlaufenden Bodenplatte befestigt sein, die gleichzeitig einen axial zum Brennstab angeordneten Dorn zum Durchstoßen der oberen Stirnseite der Hülle trägt

Dadurch, daß die Hülle des Druckausgleichsraumes plastisch verformbar ist wird der Druckanstieg im Brennstab bei Freiwerden von Spaltgasen nicht so rasch erfolgen wie bei den bisher üblichen Verfahren. Darüber hinaus wird durch Durchstoßen der Hülle mit einem dornartigen Stift innerhalb eines relativ engen, vorgegebenen Druckbereiches der Ausgleichsraum für das Spaltgas freigegeben.

Um ein sicheres Durchstoßen der Hülle zu erreichen, können senkrecht zum Hauptdorn weitere Dorne auf demselben angeordnet sein. Ferner ist es möglich, daß die Dorne an der Innenwandung der zylindrischen Hülle senkrecht zur Brennstabachse befestigt sind.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Brennstab im Bereich des Druckausgleichsraumes,

F i g. 2 den Druckausgleichsraum nach Durchstoßen des Doms,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform des Druckausgleichsraumes,

Fig.4 und 5 einen Längs- und einen Querschnitt durch einen Druckausgleichsraum mit einer speziellen Domausführung,

F i g. 6 und 7 einen Längs- und einen Querschnitt mit waagerecht angeordneten Domen und

Fig.8 ein Schaubild über den Druckverlauf innerhalb des Brennstabes.

Ein Brennelement 10 nach der Erfindung ist in F i g. 1 gezeigt Das Brennelement 10 enthält Brennstofftabletten 12, die beispielsweise aus Urandioxyd bestehen können und von einem metallischen Hüllrohr 14 aus rostfreiem Stahl oder einer Zirkonlegierung umschlossen sind. Das Hüllrohr 14 selbst ist mit den Endstopfen 16 und 18 dicht verschlossen. Der Brennstab 10 kann während des Herstellungsprozesses mit einem Innenvordruck versehen werden, um die Hüllrohrbeanspruchungen herabzusetzen.

Innerhalb des Brennstabes 10 sind einer oder mehrere Oruckausgleichsräume 20 vorgesehen, die von einer baleartigen metallischen Hülle 22 umgeben sind. Dabei können diese Druckausgleichsräume 20, die zur Aufnahme freiwerdender Spaltgase jährend des Abbrandes des Kernbrennstoffes dienenf im allgemeinen unter Normaldruck hergestellt werden. Diese Druckausgleichsräume 20 müssen bei einem vorgegebenen Druck, der durch die Spaltgase innerhalb des Hüllrohres 14 entsteht, zugänglich werden. Deshalb ist innerhalb der Hülle 22 ein dornartiger Stift 24 angeordnet, wobei dessen Spitze im geringen Abstand von der oberen Stirnfläche 28 der Hülle 22 endet. Bei Ansteigen des Druckes innerhalb des Hüllrohres 14 durch freiwerdende Spaltgase wird die Wandung der Hülle 22 so weit zusammengedrückt, bis die Wandung so dicht an die Spitze des Domes 24 gerät, daß sich durch den Dom 24 - wie in Fig.2 dargestellt durchstoßen wird. Der Spaltgpsdruck, der ein Durchstoßen der Hülle 22 bewirkt, ist dabei höher als der Innendruck des Brennstabes zu Beginn der Einsatzzeit, aber geringer als der Außendruck im Kühlmittel des Reaktorkerns.

Brennstäbe in den herkömmlichen Druckwasserreaktoren sind einem Außendruck von 140 bis 160 al ausgesetzt Dabei beträgt die Temperatur im Innern der Tabletten 12 etwa 2300° C und in der Randzone etwa 600° C, während die Hüllrohre Temperaturen von etwa 340° bis 450° C aufweisen. Durch den Laständeruntjs-Tageszyklus sind die Tabletten 12 und das Hüllrohr 14 darüber hinaus hohen Temperatur- und Druckschwankungen unterworfen, die eine hohe Dauerbcanspruchungdes Hüllrohres 14 bewirken.

Während der Einsatzzeit eines Brennstabes entstehen Spaltgase in Form von Xenon und Krypton, die ein Ansteigen des Innendruckes im Brennstab 10 hervorrufen. Bisher war ein relativ großer Hohlraum in den Brennstäben vorgesehen, um diese Spaltgase aufzunehmen. Das Problem der Aufnahme dieser Spaltgase ist auch bei Aufbringen eines Vordruckes im Brennstab schwierig.

Die beschriebenen Brennstäbe halten jedoch den Druckbeanspruchungen auf das Hüllrohr ohne zusätzliche große Sammelräume für entstehende Spaltgase stand. Nach dem Ausführungsbeispiel hat das Hüllrohr einen AußendurcVimesser von 113 mm, während die Tabletten 12 einen Durchmesser von 10,2 mm aufweisen. Die Stärke des Hüllrohres beträgt mit Rücksicht auf die verminderte Druckbeanspruchung nur 0,49 mm im Gegensatz zu einer Wandstärke von 0,7 mm bei herkömmlichen Brennstäben, d.h. bei Biennstäben ohne Innenvordruck. Die Verringerung der Wandstärke um 0,22 mm ist auf Grund des Innenvordruckes berechnet und auf einen Betriebsdruck des Reaktors von 105 at bei Betriebsbeginn ausgerichtet. Da der Druck in einem Brennelement sich bei Einsatz in einem Kernreaktor etwa verdreifacht, ist also lediglich ein Vordruck von 35 at bei der Herstellung des Brennstabes erforderlich.

Die Länge eines Brennstabes 10 ist wesentlich bedingt durch den jeweiligen Reaktortyp und durch die erforderliche Höhe des Sammelraumes für eine oder mehrere Druckausgleichsräume 20. Wenn beispielsweise Brennelemente herkömmlicher Bauart etwa 366 cm an aktiver Länge aufweisen, so müssen 15 cm zusätzlicher Länge als Sammelraum für das Inertgas vorgesehen werden. Bei Brennstäben nach der Erfin-HiinB in denen eine oder mehrere Druckausgleichsräume 22 vorgesehen sind, ist lediglich eine zusätzliche Länge von etwa 7,5 cm erforderlich, so daß die Gesamtlänge des Brennstabes um 73 cm verringert werden kann.

Die Hülle 22 des Druckausgleichsraumes 20 kann aus einem etwa 0,25 mm starken rostfreien Stahlrohr gefertigt werden, wobei die Einziehungen 26 der Hülle

22 durch Abrollen über einer Spindel oder durch hydraulischen Druck erzeugt werden. Die Endscheiben 28 und 30 an den Stirnseiten der Hülle sind eingeschweißt oder eingelötet Die Endscheibe 28 am oberen Ende ist relativ dünn und weist eine Stärke von 0,1 mm auf, so daß sie leicht durchstoßen werden kann. Die andere Endscheibe 30 weist demgegenüber eine Stärke von 64 mm auf, und ist mit einer zentralen Bohrung versehen, um den Dorn 24 senkrecht zu halten.

Die Hülle 22 wird kurz vor Aufsetzen des Endstückes 16 in das Hüllrohr 14 eingesetzt, wobei die Hülle 22 nicht mit dem Hüllrohr verschweißt zu werden braucht

Selbstverständlich ist es möglich, daß mehrere Druckausgleichsräume 20 vorgesehen werden. Das Diagramm in Fig.8 zeigt einen Druckvergleich innerhalb eines Brennstabes 10, bei dem einmal zwei allein durch Druck zerstörbare Kammern nach Kurve A und einmal zwei durch einen Stift durchstoßbare Kammern nach Kurve B - entsprechend der vorliegenden Erfindung — miteinander verglichen werden. Dabei ist auf der Ordinate der Druck im Brennstab und auf der Abzisse die Zeit in Prozent der Gesamtstandzeit des Brennstabes aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist zu ersehen, daß beide Brennstäbe den gleichen Druck von etwa 110 at beim ersten Einsatz innerhalb des Reaktors aufweisen. Der Innendruck des Brennstabes nach Kurve A steigt im Betrieb schneller an als der Druck des Brennstabes nach Kurve B, da hierbei die Hülle des Druckausgleichsraumes bereits durch den ansteigenden Druck verformt wird. Nach dem dargestellten Beispiel sollen die Kammern beider Stäbe bei einem Druck von etwa 140 at brechen. Bei einem Bruch der Kammern des Brennstabes A sinkt der Innendruck bis unter seinen ursprünglichen Einsatzdruck. Das bedingt einen Differenzdruck, der eine erhebliche höhere Druckbeanspruchung als zum Zeitpunkt des Einsatzes des Brennstabes bewirk*! Im Gegensatz dazu fällt der Druck im Brennstab B mit der deformierbaren Hülle lediglich bis auf den Ausgangsdifferenzdruck ab. Die entstehenden Druckdifferenzen sind also im zweiten Stab weniger groß. Da darüber hinaus der Grenzdruck der Brennstäbe A nicht genau vorhergesagt werden kann, muß das Hüllrohr dieses Brennstabes stärker ausgeführt werden, damit ein vorzeitiger Bruch nicht zusätzliche Druckbeanspruchungen hervorruft.

Andere Ausführungsformen der Hüllen 22 sind in den F i g. 3 bis 7 dargestellt.

In F i g. 3 ist eine Hülle 22 gezeigt, die aus einem Rohr

23 hergestellt ist, das lediglich an den Enden Einziehungen 26 aufweist. Dabei ist im mittleren Teil der Hülle 22 eine Führung 36 angeordnet, um den Dorn 24 stets in seiner vorgegebenen Lage zu halten. Durch diese Ausführungsform kann eine größere Menge von Spaltgas innerhalb dieses Druckausgleichsraumes aufgenommen werden, da der Raum nicht durch Einziehungen beschränkt ist.

In den Ausführungsbeispielen nach Fig.4 und 5 weist die Hülle 22 eine glatte zylindrische Oberfläche 23 auf. Dabei sind senkrecht zum Dorn 24 zusätzliche Dorne 38 angeordnet, und die Endscheibe 28 ist konisch

geformt. Nach diesen Ausfuhrungsbeispielen gibt es zwei Möglichkeiten des Durchstoßens der Hülle 22: Entweder kann das konische Endstück 28 durch den Dorn 24 oder aber die Seitenwände 23 können durch die Dorne 38 durchstoßen werden.

Die Ausführungsbeispiele nach F i g. 6 und 7 sind ähnlich denen nach F i g. 4 und 5, jedoch fehlen in diesen Ausführungsbeispielen die axialen Dorne 24 und die konisch geformte Endscheibe 28. Stattdessen sind lediglich Dorne 38 an der zylindrischen Seitenwand 23 der Hülle 22 befestigt. Die Dorne 38 sind also so angeordnet, daß sie die Seitenwandung 23 bei einem entsprechenden Druck des Spaltgases durchstoßen können.

Außer diesen genannten Ausbildungsformen vor Brennstäben, die der Lehre der Erfindung entsprechen sind selbstverständlich auch noch weitere Ausführungs formen möglich. Das gilt insbesondere für dii: Anordnung von mehreren Druckausgleichskammerri die jede bei einem vorgegebenen Druck durchstoßer werden kann. Diese Kammern können mit einei zentralen Endplatte ausgebildet sein. Die Erfindung bezieht sich dabei auf alle Ausführungsformen, di« innerhalb des Rahmens des Erfindungsgedanken! liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennstab für Atomreaktoren mit einem den Kernbrennstoff enthaltenden, beidseitig druckdicht abgeschlossenen metallischen Hüllrohr und mindestens einem Druckausgleichsraum für beim Abbrand entstehende Spaltgase, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleichsraum (20) innerhalb des Hüllrohres (14) zusätzlich von einer dicht geschlossenen, balgartigen, metallischen Hülle (22) umgeben ist die bei Druckanstieg zumindest teilweise zusammendrückbar und durch im Innern derselben angeordnete mechanische Mittel (24; 38) durchstoßbar ist

2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die balgartige Hülle (22) in etwa zylindrisch ausgebildet und auf einer senkrecht zur Brennstabachse verlaufenden und mit dem Hüllrohr (14) verbundenen Bodenplatte (30) befestigt ist die gleichzeitig einen axial zum Brennstab angeordneten Dom (24) zum Durchstoßen der oberen Stirnseite (28) der Hülle (22) trägt

3. Brennstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß senkrecht zum Dom (24) weitere Dome (38) auf demselben angeordnet sind.

4. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß an der Innenwandung der zylindrischen Hülle (22) Dome (38) senkrecht zur Brennstabachse befestigt sind.