DE3855308T2

DE3855308T2 - Trümmerfestes Brennstabbündel

Info

Publication number: DE3855308T2
Application number: DE3855308T
Authority: DE
Inventors: Charles A Brown; Rolf Holzer; John F Patterson
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-11-24
Filing date: 1988-11-09
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2008-11-10
Also published as: KR0129541B1; EP0319725B1; JP2849099B2; CN1016748B; FI884419A; US4849161A; FI94682C; DE3855308D1; FI94682B; FI884419A0; CN1035384A; KR890008853A; ES2087059T3; JPH01165992A; EP0319725A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein trümmerfestes Kernbrennelement, insbesondere für Druckwasserreaktoren.
Ein derartiges Brennelement ist aus EP-A-0213813 bekannt. Die Trümmerfestigkeit dieses Brennelements wird von einer untersten Gitterkonstruktion des Brennelements bewirkt. Diese unterste Gitterkonstruktion ist von der unteren Stabhalteplatte des Brennelements beabstandet und befindet sich in allgemeiner Ausrichtung auf die unteren Endstopfen der Brennstäbe des Brennelements. Der untere Endstopfen jedes Brennstabs ist in einer der von der untersten Gitterkonstruktion definierten Zellen aufgenommen, wo die Endstopfen sowie Vorsprünge aus den -Zellwänden einen Teil der Trümmerauffangkonstruktion bilden.
Aus EP-A-0220060 und DE-A-3622461 sind Abstandsgitter bekannt, die an ihren in die Zellen des Gitters ragenden inneren Laschen Blattfedern aufweisen. Durch Einwirkung von Kernstrahlung schrumpft die Höhe der inneren Laschen parallel zu der Längsrichtung der Blattfedern und/oder erhöht sich die Länge der Blattfedern parallel zur Höhe der inneren Laschen, so daß die Blattfedern erneut unter Spannung gesetzt werden.

STAND DER TECHNIK

Bei Druckwasserreaktoren liegt der Kernbrennstoff in Form von Stäben vor, die von Abstandsgittern mit Federn gehalten werden, welche die Stäbe an andere Federn oder an Vertiefungen drücken. Mehrere dieser Abstandsgitter sind längs der Stäbe, die zehn oder zwölf Fuß lang sein können, positioniert. Die Stäbe erstrecken sich zwischen einer oberen und unteren Stabhalteplatte, durchdringen sie aber gewöhnlich nicht. Diese Platten und die Abstandsgitter sind an Zugstangen angebracht, die in der Regel auch als Führungsrohre für die Regelstäbe dienen, welche die Reaktivität des Elements verstellen. Die Zugstangen sind oftmals über Schnellösemechanismen, die einen Auseinanderbau des Brennelements gestatten, an den Stabhalteplatten befestigt. Die Abstandsgitter sind in Abständen längs der Stäbe positioniert, wobei der unterste in der Regel einige Zoll uber der unteren Stabhalteplatte liegt. Die Brennstäbe dehnen sich während ihrer Bestrahlung in der Länge um einige Zoll aus, und die Lage des obersten und untersten Abstandsgitters muß dies berücksichtigen.
Eines der Probleme in Zusammenhang mit dem Betrieb von Kernreaktoren ist die Ansammlung von Trümmern unterschiedlicher Art, die bei der ursprünglichen Konstruktion oder bei Reparaturarbeiten auftreten und Muttern, Schrauben, Metallspäne, Holzspäne und andere Arten von Abfall umfassen können. Die obere und untere Stabhalteplatte sind mit vergleichsweise großen öffnungen für die Wasserströmung versehen. Die größten Trümmer, die nicht durch diese Öffnungen passen, bereiten keine besonderen Schwierigkeiten. Die kleinsten, die beispielsweise die Größe gewöhnlicher Sandkörner aufweisen können, strömen durch das Element, ohne wiederum besondere Schwierigkeiten zu verursachen. Die Trümmer mittlerer Größe können jedoch große Störungen verursachen, da sie zwischen den Brennstäben hängenbleiben können und es zu Abrieb kommen kann. Dies kann ein Entweichen von Brennstoff und Spaltprodukten in das Kühlwasser verursachen, was zu Strahlungsproblemen führt. Die Neigung, zwischen Brennstäben steckenzubleiben, besteht insbesondere bei dem Teil der Stäbe, der sich unter den untersten Abstandsgittern befindet.
Einer der Versuche, das Trümmerproblem zu lindem, bestand in der Verwendung sehr langer Endkappen, die sich von den Enden der Brennstäbe zum untersten Gitter erstrecken. Somit enthält der Teil des Stabes, der Abrieb durch die Trümmer am stärksten ausgesetzt ist, keinen Brennstoff und führt deshalb nicht zu dem Problem entweichender Strahlung, wie oben beschrieben. Dies hat jedoch den Nachteil, daß ein Teil des Brennstoffes durch inertes Material ersetzt werden muß und somit die verfügbare Leistung des Elements vermindert wird. Eine andere vorgeschlagene Losung bestand in dem Vorsehen kleiner Löcher in der unteren Stabhalteplatte, die als Sieb dienen, um zu verhindern, daß die Trümmer die Brennstäbe berühren. Dies erhöht jedoch den Druckabfall durch das Element und kann zu einer geringeren Kühlmittelströmung und deshalb einer verminderten zulässigen Leistung führen. Darüber hinaus werden die Trümmer, die nicht durch die untere Stabhalteplatte strömen, dort festgehalten, und fallen bei Unterbrechung des Kühlwasserumlaufs auf den Boden des Reaktorbehälters, wo sie Störungen verursachen können, wenn der der nächste Ümlauf beginnt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Element so ausgeführt, daß es die Trümmer wirksam auffängt, so daß sie den Brennstoffteil der Brennstäbe nicht berühren, und sie dort festhält, so daß sie bei Ümladevorgängen aus dem Element entfernt werden. Durch die Ausführung wird der Druckabfall des Elements nicht wesentlich erhöht, und die Verwendung von übermäßig langen Endkappen mit dem sich daraus ergebenden Leistungsverlust ist nicht erforderlich. Die Ausführung ist derart, daß ein Fluidquerstrom zwischen Kanälen besteht, so daß alle Stäbe wirksam gekühlt werden, obgleich einige Räume teilweise durch die Trümmer blockiert sind.
Um dies zu erreichen, ist ein Brennelementabstandsgitter, vorzugsweise ähnlich dem in EP-A-0237064 gezeigten und beschriebenen, an oder höchstens etwas über der unteren Stabhalteplatte positioniert. Es ist so positioniert, daß es die Öffnungen der unteren Stabhalteplatte in kleinere Öffnungen unterteilt. Die Anordnung ist derart, daß Trümmer, die durch die Öffnungen der Stabhalteplatte strömen können, auf die Ränder der Konstruktionsglieder des Abstandsgitters treffen und dort festgehalten werden, d.h. in der unteren Stabhalteplatte, oder je nach Größe und Form der Trümmerstücke etwas in das Abstandsgitter ragen. Die Stäbe dringen ausreichend weit in das unterste Abstandsgitter hinein, daß sie davon festgehalten werden, jedoch nicht so weit, daß der mit Brennstoff beladene Teil auf das Trümmerstück trifft. Bei der Bestimmung des Eindringgrads des untersten Abstandsgitters muß eine Toleranz für bis zu 5,1 cm (zwei Zoll) Brennstoffwachstum durch Bestrahlung gegeben werden, um die ordnungsgemäße Beziehung während der Lebensdauer des Elements aufrechtzuerhalten. Zur Gewährleistung von Federkontakt über diesen Bereich muß das an der unteren Stabhalteplatte angeordnete Endabstandsgitter tiefer ausgeführt werden als das normale Abstandsgitter. Ist das Abstandsgitter wie oben ausgeführt, so hat dies den Vorteil einer Vergrößerung der Brennstabhalte- und Brennstabstützfläche. Dies sollte die Wahrscheinlichkeit von Reibverschleiß der Brennstäbe durch das Abstandsgitter vermindern.
Zur Minimierung von Stabschwingung und -reibverschleiß ist es besonders wichtig, die richtige Federbelastung an diesem untersten Abstandsgitter aufrechtzuerhalten. Des weiteren ist es vom Standpunkt der Neutronenökonomie aus auch wünschenswert, ein rein aus Zircaloy bestehendes Abstandsgitter zu verwenden. Dadurch wird auch das Vorhandensein von Kobalt (einem Bestandteil von Inconel) vermieden, das unter Neutronenbestrahlung stark radioaktiv wird. Gemäß einem weiteren Merkmal dieser Erfindung kann die Federbelastung an einem derartigen rein aus Zircaloy bestehenden Abstandsgitter durch Ausrichtung der Walzrichtungen für bestimmte Abstandsgitterteile weiter verbessert werden. Bestrahlung bewirkt Wachstum in Walzrichtung bei aus Zircaloyblechmaterial hergestellten Produkten. In der anderen Richtung tritt kein bedeutendes Wachstum auf. Versuche an einer Abstandsgitterausführung der obenerwähnten Art zeigen, daß die örtlichen Belastungen aufgrund von großen Federdurchbiegungen an allen Stabstützstellen die Abstandsgitterumhüllung etwas vergrößern. Umgekehrt würde die Einschränkung der Umhüllung auf ein kleines Ausmaß die Abstandsgitterfedern durchbiegen und dadurch die Belastung der Stäbe erhöhen. Die bevorzugte Ausrichtung der Walzrichtung liegt deshalb senkrecht zur Steglänge bei Umfangsstegen, wodurch es zur Einschränkung der Gesamtumhüllung kommt, und parallel zur Länge der Innenstege. Ein Einschränken der Länge der Innenstege würde eine Vergrößerung der Federhöhen bewirken, was dazu neigen würde, die Auswirkung von durch Bestrahlung hervorgeruf ener Entspannung der Federn auszugleichen.
Das gleiche kann durch Verwendung von geglühtem, vollständig umkristallisiertem Zircaloy im Umfangssteg und kaltbearbeiteten, spannungsentlasteten inneren (Gitter-) Stegen erreicht werden. Kaltgewalztes, spannungsentlastetes Zircaloy wächst aufgrund von Bestrahlung viel mehr als das geglühte, umkristallisierte Material.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bei den Zeichnungen ist in Figur 1 die allgemeine Art von Brennelement dargestellt, die die vorliegende Erfindung betrifft. Figur 2 ist eine perspektivische Teilansicht des untersten Abstandsgitters und der unteren Stabhalteplatte des Elements gemäß dieser Erfindung. Figur 2a ist eine teilweise als Ansicht und teilweise als Schnitt ausgeführte Darstellung eines Brennstabs. Figur 3 ist ein Teilschnitt entlang der Linie 3-3 in Figur 2, in der die Beziehung zwischen dem untersten Abstandsgitter und der Stabhalteplatte gezeigt und die von ihnen gebildeten Strömungswege dargestellt sind. Figur 4 ist ein Teilschnitt des untersten Abstandsgitters und der unteren Stabhalteplatte.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Wie in Figur 1 dargestellt, werden die Brennelemente aus einer großen Anzahl vertikaler, dicht beieinander positionierter Brennstäbe 22 gebildet, die von Abstandsgittern festgehalten werden. Das unterste dieser Abstandsgitter ist gewöhnlich mehrere Zoll über der unteren Stabhalteplatte 4 positioniert. Die Stäbe 22 erstrecken sich durch das Abstandsgitter und enden dicht vor der Stabhalteplatte 4. Gemäß dieser Erfindung ist das unterste Abstandsgitter in Kontakt oder im wesentlichen in Kontakt mit der unteren Stabhalteplatte positioniert. Dies ist in Figur 2 dargestellt, in der das unterste Abstandsgitter 2 auf der unteren Stabhalteplatte 4 aufliegend dargestellt ist. Einer der Brennstäbe ist bei 6 dargestellt und erstreckt sich teilweise durch das Abstandsgitter, wie am besten in Figur 4 gezeigt. Mehrere Führungsrohre 8 erstrecken sich ganz durch das Abstandsgitter und sind an einer Stabhatleplatte 4 befestigt. Sie sind ebenso an einer oberen Stabhalteplatte (nicht gezeigt) befestigt und wirken als Zugstangen, um das Element zusazirnenzubinden.
Bei dem Abstandsgitter handelt es sich um die in EP-A-0237064 gezeigte allgemeine Art.
Ähnlich der in dem obigen Patent gezeigten Konstruktion ist das Abstandsgitter 2 aus gewalzten Doppelstegen 13 gebildet, die so verformt sind, daß sie Kanäle 10 bilden. Wie gezeigt, sind diese Kanäle anfangs nach außen gebogen, so daß sie die Brennstäbe in Eingriff nehmen und als Federn wirken, um die Stäbe festzuhalten. Beim Einsetzen der Stäbe werden sie zu der bei 10 gezeigten Position flachgedrückt. Im Gegensatz zu der Offenbarung des zuletzt genannten Patents müssen diese Kanäle jedoch nicht gekrümmt sein, um das Kühlwasser abzulenken, sondern können vertikal sein. Zwischen den Kanälen 10 sind Öffnungen 11 in den Gitterstegen vorhanden. Diese dienen zwei Zwecken: sie verleihen der Konstruktion Flexibilität und sorgen weiterhin für Durchgänge für die seitliche Strömung von Kühlwasser zwischen Kanälen. Ist ein Kanal durch Trümmer blockiert, kann das Wasser von anderen Kanälen dort hineinströmen und dadurch Überhitzung der Brennstäbe verhindern. Diese Abstandsgitter sind tiefer als normal ausgeführt, um Positionsänderungen der unteren Enden der Brennstäbe bei Strahlungswachstum durch Exponierung Rechnung zu tragen.
In Figur 4 wird ein Brennstab an drei Punkten gezeigt; bei 6 wird die Position des Brennstabs, die als "normale" Position bezeichnet werden kann, gezeigt, bei 6' wird die maximale Aufwärtsbewegung gezeigt, während bei 6" die maximale Abwärtsbewegung gezeigt wird. Um optimales Verhalten sicherzustellen, ist die gewöhnliche Gestaltung der Stäbe modifiziert, wie in Figur 2a gezeigt, in der der Stab 6 mit einer etwas langgestreckten Endkappe 12 versehen ist, die den gleichen Außendurchmesser aufweist wie der Brennstab. Durch Verwendung einer verlängerten Stabendkappe mit einem Durchmesser, der gleich dem oder größer als der maximale Hüllendurchmesser ist, wird vermieden daß sich aufgrund von durch Bestrahlung hervorgerufenes Abwärtskriechen der Hülle Stabstützspalte bilden können. Dadurch wird das Stützen des Stabs über der Stabhalteplatte erleichtert, und das massive Ende sorgt für einen größeren Abstand zwischen dem mit Brennstoff beladenen Teil des Stabs und den aufgefangenen Trümmern.
In Figur 3 wird die Beziehung zwischen den Brennstäben 6, den Gitterstäben 13 des Abstandsgitters 2 und den Löchern 14 der Stabhalteplatte 4 gezeigt (die Brennstäbe werden bei der Darstellung der Beziehung der Übersicht halber gestrichelt gezeigt). Es ist zu sehen, daß die Gitterstege 13 die Löcher 14 der Stabhalteplatte in kleinere Durchgänge unterteilen und daß die Doppelstegkonstruktion der Glieder 13 in dieser Hinsicht besonders wirksam ist. Wie durch Vergleich dieser Figur mit Figur 4 zu sehen, bilden die Löcher 14 und die Stege 13 eine Fangstelle für Trümmer und verhindern, daß diese die mit Brennstoff beladenen Teile der Brennstäbe 6 erreichen.
Wie oben erklärt, sind die Gitterstege 13 und der Umfangssteg 16 des Abstandsgitters 2 so aus dem Zirkaloyblechmaterial, aus dem sie bestehen, ausgeschnitten, daß die Walzrichtung des Materials parallel zur Breite des Umfangsstegs, d.h. senkrecht in Figur 2, und in Längsrichtung der Gitterstege, d.h. horizontal in Figur 2, verläuft. Als Alternative dazu kann der Umfangssteg 16 aus geglühtem, umkristallisiertem Zircaloy und Gitterstege 13 aus kaltbearbeitetem, spannungsentlastetem Zircaloy hergestellt werden. Wie erklärt, führt dies zur Einschränkung der Länge der Gitterstege, um bei Bestrahlung eine Vergrößerung der Federhöhen zu bewirken und die Auswirkung von durch Bestrahlung hervorgerufener Entspannung dieser Federn auszugleichen.

Claims

1. Brennelement mit einer oberen Stabhalteplatte und einer unteren Stabhalteplatte (4), mehreren sich dazwischen erstreckenden Brennstäben (6, 22) und mehreren sich dazwischen erstreckenden Führungsrohren (8), die an der oberen und unteren Stabhalteplatte befestigt sind, mehreren zwischen den Stabhalteplatten positionierten Abstandsgittern (2), die sich kreuzende Stege (13) umfassen, welche Zellen bilden, durch die sich die Brennstäbe erstrecken, wobei jede der Stabhalteplatten relativ große Öffnungen umfaßt, durch die Kühlwasser in das Element strömt; gekennzeichnet durch ein Abstandsgitter (2), das im wesentlichen auf der unteren Stabhalteplatte (4) positioniert und so angeordnet ist, daß es die Öffnungen (14) in der Stabhalteplatte unterteilt, um Trümmer aufzufangen und zu verhindern, daß sie in Räume zwischen den Brennstäben (6, 22) gelangen.

2. Brennelement nach Anspruch 1, bei dem das Abstandsgitter (2) von sich kreuzenden Doppelstegen (13) gebildet wird, die so verformt sind, daß sie Kanäle für Kühlwasser bilden.

3. Element nach Anspruch 2, bei dem die Wände der Kanäle auf der Hälfte ihrer Höhe nach außen gebogen sind, um die Brennstäbe berührende Federn zu bilden.

4. Element nach Anspruch 2, bei dem die Löcher (14) in der unteren Stabhalteplatte (4) im wesentlichen rund sind und die Kreuzungen der Stege (13) ungefähr zentriert sind.

5. Element nach Anspruch 4, bei dem jeder der Brennstäbe an seinem unteren Ende eine Endkappe aufweist, die von dem mit Brennstoff beladenen Teil des Brennstabs um einen Abstand vorragt, der allgemein die Hälfte der Höhe des Abstandsgitters beträgt, das mit der unteren Stabhalteplatte in Kontakt steht, und einen Durchmesser aufweist, der mindestens so groß wie die Hülle des mit Brennstoff beladenen Teils des Brennstabs ist.

6. Element nach Anspruch 5, bei dem das mit der unteren Stabhalteplatte in Kontakt stehende Abstandsgitter höher ist als die anderen Äbstandsgitter.

7. Element nach Anspruch 3, bei dem das mit der unteren Stabhalteplatte (4) im wesentlichen in Kontakt stehende Abstandsgitter (2) im wesentlichen ganz aus Zircaloy hergestellt ist und sich kreuzenden Querstege (13) und einen Umfangssteg (16) umfaßt, wobei der Umfangssteg (16) und die Querstege (13) aus Zircaloyblechmaterial derart gebildet sind, daß die Walzrichtung des Blechmaterials in Schmalrichtung des Umfangsstegs und in Längsrichtung der Querstege verläuft.

8. Element nach Anspruch 3, bei dem das mit der unteren Stabhalteplatte (4) im wesentlichen in Kontakt stehende Abstandsgitter (2) im wesentlichen ganz aus Zircaloy hergestellt ist und zusätzlich zu den sich kreuzenden Stegen (13) einen Umfangssteg (16) umfaßt, wobei der Umfangssteg (16) aus geglühtem, umkristallisiertem Material und die sich kreuzenden Stege (13) aus kaltbearbeitetem, spannungsentlastetem Material bestehen.