DE3202009A1

DE3202009A1 - "verfahren zum ent- und beladen eines kernreaktors und brennelement insbesondere fuer ein solches verfahren"

Info

Publication number: DE3202009A1
Application number: DE19823202009
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 8552 Höchstadt Garzarolli
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-01-22
Filing date: 1982-01-22
Publication date: 1983-08-04
Also published as: BE895671A; FR2520547A1; FR2520547B1

Description

KRAFTWERK UNION Unser Zeichen

AKTIENGESELLSCHAFT VPA 82 P 6 0 0 4 DE

Verfahren zum Ent- und Beladen eines Kernreaktors

und Brennelement insbesondere für ein solches Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ent- und Beladen eines Kernreaktors, bei dem ein Endteile und Brennstäbe aufweisendes bestrahltes Brennelement aus dem Kernreaktor entladen und anschließend wieder in einen Kernreaktor eingesetzt wird und bei dem Brennstäbe, die aus einem in einem Kernreaktor bestrahlten Brennelement stammen, in eine in bezug auf ihre Ausgangsposition in diesem Kernreaktor um 180° um eine Querachse gedrehte Position gebracht werden, sowie ein Brennelement mit Endteilen und Brennstäben insbesondere für ein solches Verfahren.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 26 35 501 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird das Brennelement nach dem Entladen aus dem Kernreaktor in einem wassergefüllten Brennelementbecken wegen der besseren Zugänglichkeit der Brennstäbe um 180° um eine Querachse gedreht. Sodann wird der das Fußteil darstellende Endteil mit einem Werkzeug vom Beckenrand aus vom Brennelement entfernt. Anschließend können die Brennstäbe des Brennelementes einzeln aus dem Brennelement herausgezogen und auf Defekte untersucht werden. Nach dem Untersuchen werden einwandfreie Brennstäbe wieder in das Brennelement eingesetzt und defekte Brennstäbe durch andere einwandfreie Brennstäbe ersetzt, die ebenfalls in das Brennelement eingesetzt werden. Hierauf wird der das Fußteil darstellende Endteil des Brennelements wieder mit dem Werkzeug vom Beckenrand aus an das Brennelement montiert und das Brennelement im Brennelementbecken abgestellt, bis es mit HiI-

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fe einer Brennelementlademaschine wieder in den Kernreaktor eingesetzt werden kann. Das Brennelement muß im Brennelementbecken wieder um eine Querachse um 180° zurückgedreht werden, bevor es in dieser Position wieder in den Kernreaktor eingesetzt werden kann. Die bestrahlten Brennstäbe des Brennelementes befinden sich folglich nach dem Wiedereinsetzen des Brennelementes in den Kernreaktor dort wieder in ihrer Ausgangsposition. Durch das Ersetzen einzelner schadhafter Brennstäbe ist es zwar möglich, das Brennelement während der gesamten vorgesehenen Standzeit im Kernreaktor einzusetzen, die zulässige Standzeit des Brennelementes im Kernreaktor wird jedoch durch das bekannte Verfahren nicht verlängert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese zulässige Standzeit des Brennelementes im Kernreaktor zu verlängern. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Kernreaktor entladene Brennelement die bestrahlten Brennstäbe enthaltend und mit diesen bestrahlten Brennstäben in der um 180° gegenüber ihrer Ausgangsposition im Kernreaktor um die Querachse gedrehten Po-'*""'' sition wieder in den Kernreaktor eingesetzt wird.

Die in dem Brennelement in der um 180° gedrehten Position in den Kernreaktor eingesetzten bestrahlten Brennstäbe können von dem aus diesem Kernreaktor entladenen Brennelement stammen, sie können aber auch aus einem anderen, aus demselben oder einem anderen Kernreaktor entladenen bestrahlten Brennelement ausgebaut sein.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich insbesondere in Druckwasser-Kernreaktoren auf der kühlmitteld. h. wasserseitigen Oberfläche der Hüllrohre der Brennstäbe Korrosionsschichten ausbilden, deren Dicke von der Hüllrohrtemperatur abhängig ist und welche die zulässige

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Standzeit des Brennelementes insgesamt im Kernreaktor begrenzen können. Infolge des über die Längsrichtung der Brennstäbe unsymmetrischen Temperaturprofils der Brennstäbe im Kernreaktor ist die Dicke dieser Korrosionsschichten ebenfalls über die Länge der Brennstäbe unsymmetrisch d. h, ein deutliches Maximum dieser Dicke tritt in der Nähe des den Kopfteil darstellenden Endteiles des im Kernreaktor mit vertikaler Längsachse angeordneten Brennelementes auf. Wird das Brennelement mit den in der um 180° in Bezug auf ihre Ausgangsposition im Kernreaktor gedrehten Position befindlichen Brennstäben wieder in den Kernreaktor eingesetzt, so wird eine Weiterbildung des Maximums der Korrosionsschichtdicke in der Nähe des Kopfteiles des Brennelementes praktisch vermieden und deshalb die zulässige Standzeit des Brennelementes im Kernreaktor verlängert.

In Weiterbildung der Erfindung ist es zur Beschleunigung des Arbeitsablaufes vorteilhaft, wenn alle bestrahlten Brennstäbe des Brennelementes nach dem Entladen um 180° um die Querachse gedreht und in dieser Position im Brennelement zusammengefaßt wieder in den Kernreaktor eingesetzt werden. Der Arbeitsablauf wird noch weiter beschleunigt, wenn das gesamte Brennelement nach dem Entladen um 180° um seine Querachse gedreht wird.

Insbesondere für ein solches Verfahren ist ein Brennelement mit Endteilen und Brennstäben günstig, dessen Endteile so ausgebildet sind, daß sie sowohl als Kopf- als auch als Fußteil des Brennelementes einsetzbar sind.

Aus der DE-AS 26 00 316 ist zwar ein für einen Siedewasser-Kernreaktor bestimmtes Brennelement bekannt, dem eine dieses Brennelement umgebende kastenartige Hülse zugeordnet ist, welche nach dem Entladen des Brennelementes aus dem Kernreaktor vom Brennelement abgezogen, um

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180° um eine Querachse gedreht und in dieser Position wieder auf das Brennelement aufgeschoben wird. Sodann wird das Brennelement wieder in den Kernreaktor eingesetzt. Auf diese Weise wird wohl eine Vergleichmäßigung der Deformation der Hülse über deren Gesamtlänge während des Betriebes im Kernreaktor und damit eine verlängerte Benützungsdauer der Hülse erzielt, das Brennelement selbst und die zu ihm gehörenden Brennstäbe werden jedoch in unveränderter Position wieder in den Kernreaktor eingesetzt, so daß die Dicke von Korrosionsschichten auf der wasserseitigen Oberfläche der Hüllrohre der Brennstäbe und damit die zulässige Standzeit des Brennelementes im Kernreaktor nicht beeinflußt werden .

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Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht und stark schematisiert ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht und stark sche- ^ matisiert ein Skelett des Brennelementes nach Fig. 1.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in Diagrammen Korrosionsschichtdicken auf der wasserseitigen Oberfläche des Hüllrohres eines Brennstabes des Brennelementes nach Fig. 1 aufgetragen über der Brennstablänge.

Das Brennelement 2 ist in Fig. 1 mit vertikal gerichteter Längsachse dargestellt. In dieser Position ist es auch im Druckwasserkernreaktor angeordnet. Es weist ein aus einem Kopfteil 3 bestehendes Endteil und ein aus einem Fußteil 4 bestehendes Endteil auf. Diese beiden Endteile sind durch die Steuerstabführungsrohre 5 des Skeletts nach Fig. 2 mit-, 35 einander verbunden. Jedes der Steuerstabführungsrohre 5 ist mit einem Ende an der Kopfplatte 3a des Kopfteiles

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und mit dem anderen Ende an der Fußplatte 4a des Fußteiles 4 lösbar z. B. mit einer Schraubverbindung befestigt. Die Steuerstabführungsrohre 5 sind durch acht gitterförmige Abstandhalter 6 geführt, die in Richtung der Längsachse des Brennelementes 2 gesehen voneinander gleichen Abstand haben. Die Kernbrennstoff enthaltenden Hüllrohre 7 der Brennstäbe sind durch die in Fig. 2 unbesetzten d. h. nicht von den Steuerstabführungsrohren 5 besetzten Maschen der Abstandshaltergitter 6 geführt. Die Hüllrohre 7 dieser Brennstäbe sind weder an der Kopfplatte 3a des Kopfteiles 3 noch an der Fußplatte 4a des Fußteiles 4 befestigt. Sie haben zwischen der Kopfplatte 3a und der Fußplatte 4a in ihrer Längsrichtung Spiel und können sich daher in axialer Richtung d. h. in Längsrichtung des Brennelementes 2 frei ausdehnen.

Das Brennelement 2 wird während seiner Standzeit im Druckwasserkernreaktor, in dem es entsprechend Fig. 1 mit vertikaler Längsachse angeordnet ist, in einem jährlichen Rhythmus entladen und anschließend an der gleichen oder an einer anderen Stelle im Kernreaktor wieder mit vertikal gerichteter Längsachse eingesetzt.

Das aus dem Kernreaktor entladene bestrahlte Brennelement 7 wird mit vertikal gerichteter Längsachse in einem nicht dargestellten, mit Wasser gefüllten Brennelementbecken in einem Haltekorb abgesetzt und mit Hilfe dieses Haltekorbes um eine zur Längsachse 9 des Brennelementes 2 und damit auch der Hüllrohre 7 der Brennstäbe rechtwinklig verlaufende Querachse 8 um 180° gedreht, so daß die vertikale Richtung der Längsachse des Brennelementes zwar erhalten bleibt, sich jedoch nun der Fußteil 4 am vertikal oberen Ende und der Kopfteil 3 des Brennelementes 7 am vertikal unteren Ende des Brennelementes 7 befinden. 35

Der jetzt am vertikal oberen Ende des Brennelementes 2 be-

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f nullichc Fußteil 4 wird nun von den Steuerstabführungsrohren 5 gelöst und vom Brennelement 3 abgehoben.

Die bestrahlten Brennstäbe des Brennelementes 2 mit den Hüllrohren 7 können sodann in eine Gruppe mit hohem Abbrand und in eine Gruppe mit niedrigem Abbrand aufgeteilt werden. Unter Abbrand eines Brennstabes ist das Verhältnis der in seinem Kernbrennstoff erzeugten Energie zur Masse des in diesem Kernbrennstoff enthaltenden Schwermetalls Uran zu verstehen. Der relative Abbrand der Brennstäbe kann z. B. mit einer V^-Scan-Einrichtung entsprechend "Atom und Strom", Heft 3/4, März/April 1972, Seite 67 bestimmt werden. Der Abbrand wird in Megawatt-Tagen/kg angegeben.

Die Brennstäbe der Gruppe mit hohem Abbrand werden nach dem Herausziehen aus dem Brennelement 2 um 180° um die Querachse 8 gedreht und in dieser gedrehten Position wieder in das Brennelement 2 eingese-tzt, während die Brennstäbe der Gruppe mit niedrigem Abbrand nicht um die Querachse gedreht werden.

Zur Beschleunigung des Arbeitsablaufes ist es jedoch vorteilhaft, die Brennstäbe des Brennelementes 2 gar nicht erst je nach ihrem Abbrand in zwei Gruppen einzuteilen, sondern alle Brennstäbe aus dem Brennelement 2 herauszuziehen, um 180° um die Querachse 8 zu drehen und in dieser gedrehten Position wieder in das Brennelement 2 einzusetzen. Anschließend wird der Fußteil 4 wieder am vertikal oberen Ende des Brennelementes 2 mit den Steuerführungsrohren 5 verbunden. Sodann wird das Brennelement 2 im wassergefüllten Brennelementbecken wieder um die Querachse 8 um 180° gedreht, so daß sich wieder der Kopfteil 3 am vertikal oberen Ende und der Fußteil am vertikal unteren Ende des Brennelementes 2 befinden. Dieses Brennelement 2 wird sodann wieder in den Kernreaktor mit ver-

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tikaler Längsachse so eingesetzt, daß sich auch dort der Kopfteil 3 am vertikal oberen Ende und der Fußteil 4 am vertikal unteren Ende des Brennelementes 2 befindet. Dies hat zur Folge, daß sich die Brennstäbe des Brennelementes S 2 der Gruppe mit höherem Abbrand bzw. alle Brennstäbe des Brennelementes 2 in der um 180° um die Querachse 8 gegenüber ihrer Ausgangsposition im Kernreaktor gedrehten Position eingesetzt sind.

Für einen beschleunigten Arbeitsablauf kann es auch vorteilhaft sein, wenn am aus dem Kernreaktor entladenen, im wassergefüllten Brennelementbecken befindlichen Brennelement 2 nach Fig. 1 der dort am vertikal oberen Ende befindliche Kopfteil 3 durch einen Fußteil 4 ersetzt wird, das Brennelement 2 anschließend um die Querachse 8 um 180° gedreht wird, so daß sich nunmehr der Fußteil 4 am vertikal oberen Ende des Brennelementes 2 befindet, und wenn schließlich dieser nun am vertikal oberen Ende des Brennelementes 2 befindliche Fußteil 4 durch einen Kopfteil 3 ersetzt wird. Das Brennelement 2 mit dem so vertauschten Kopf- und Fußteil wird abschließend in den Kernreaktor mit vertikaler Längsachse so eingesetzt, daß sich dort der neu angesetzte Kopfteil am vertikal oberen Ende und der neu angesetzte Fußteil am vertikal unteren Ende des Brennelementes 2 befindet. Dies hat ebenfalls zur Folge, daß die bestrahlten Brennstäbe des Brennelementes 2 in einer um die Querachse 8 des Brennelementes 2 um 180° gegenüber ihrer Ausgangsposition im Kernreaktor gedrehten Position wieder im Kernreaktor eingesetzt sind.

Werden Brennelemente 2 mit Endteilen verwendet, die so ausgebildet sind, daß sie sowohl als Kopf als auch als Fußteil des Brennelementes 2 einsetzbar sind, so kann das Austauschen der Endteile an den Enden des Brennelementes entfallen. Das Brennelement 2 braucht im wassergefüllten Brennelementbecken nach dem Entladen aus dem Kernreaktor

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nur um die Querachse 8 um 180° gedreht und anschließend in dieser Position wieder in den Kernreaktor eingesetzt zu werden, so daß sich dort das ursprünglich am vertikal oberen Ende des Brennelementes 2 befindliche Endteil nun am vertikal unteren Ende des Brennelementes 2 und das ursprünglich am vertikal unteren Ende des Brennelementes 2 befindliche Endteil nun am vertikal oberen Ende des Brennelementes 2 befinden. Auch dadurch wird erreicht, daß die bestrahlten Brennstäbe des Brennelementes 2 in einer um die Querachse 8 des Brennelementes 2 um 180° gegenüber ihrer Ausgangsposition im Kernreaktor gedrehten Position wieder mit vertikaler Längsachse in den Kernreaktor eingesetzt sind. Günstigerweise sind beide Endteile gleich ausgebildet.

In den Diagrammen nach den Fig. 3 und 4 ist unterhalb der Abszisse jeweils das Hüllrohr 7 eines bestrahlten Brennstabes mit acht schematisch angedeuteten Abstandshaltern 6 dargestellt, die in Längsrichtung des Hüllrohres 7 gesehen, gleichen Abstand voneinander haben. Dieses Hüllrohr 7, das aus einer Zirkonium-Zinn-Eisen-Chrom-Legierung besteht, ist etwa 4 000 mm lang, die Länge dieses Hüllrohres 7 ist in der Abszisse aufgetragen. Als Ordinate ist in den Diagrammen nach Fig. 3 und 4 die Dicke der aus Oxid bestehenden Korrosionsschicht auf der äußeren d. h. der kühlmittel- bzw. wasserseitigen Oberfläche des Hüllrohres 7 aufgetragen. Die Kurve I in den Diagrammen nach den Fig. 3 und 4 entspricht einem Abbrand von 15 Megawatt-Tagen/kg, die Kurve II einem Abbrand von 30 Megawatt-Tagen/kg, die Kurve III von 45 Megawatt-Tagen/kg und die Kurve IV von 60 Megawatt-Tagen/kg.

Das Diagramm nach Fig. 3 bezieht sich auf das Hüllrohr 7 eines Brennstabes, der während seiner gesamten Standzeit in einem Druckwasserkernreaktor von etwa 4 Jahren stets mit dem gleichen Ende als vertikal oberem Ende und mit dem gleichen Ende als vertikal unterem Ende mit vertikaler

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Längsachse in diesem Druckwasserkernreaktor angeordnet war. Wie deutlich erkennbar, ist die Dicke der Korrosionsschicht unsymmetrisch über die Länge des Hüllrohres 7 verteilt. Sie ist am vertikal unteren Ende des Hüllrohres 7 d. h. am Koordinatenursprung des Diagramms nach Fig. 3 verhältnismäßig gering und hat ein deutliches Maximum bei etwa 3 000 mm d. h. in der Nähe des vertikal oberen Ende des Hüllrohres 7. Die Höhe dieses Dickenmaximums hängt deutlich vom Abbrand des Brennstabes mit dem Hüllrohr 7 ab.

Das Diagramm nach Fig. 4 bezieht sich auf das Hüllrohr 7 eines Brenns'tabes, der zwar gleich ausgebildet ist wie der Brennstab nach Fig. 3, der jedoch während der gleichen Standzeit im Kernreaktor von etwa vier Jahren dreimal jeweils nach Ablauf eines gleichen Zeitraumes um eine Querachse um 180° gedreht wurde, so daß jedesmal sein im Kernreaktor vertikal oberes Ende durch sein vertikal unteres Ende und umgekehrt vertauscht wurde.

Wie das Diagramm nach Fig. 4 zeigt, ergibt sich eine weitgehend symmetrische Verteilung der Dicke der Korrosionsschicht mit einem Dickenmaximum etwa über der halben Länge des Hüllrohres 7. Während die Dicke der Korrosionsschicht im Diagramm nach Fig. 3 bei einem Abbrand von 60 Megawatt-Tagen/kg im Dickenmaximum stets mehr als 150 pm beträgt, beträgt die entsprechende Dicke im Dickenmaximum des Diagramms nach Fig. 4 nur etwa 75 pm.

Dies bedeutet, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren die zulässige Standzeit eines Brennelementes in einem Kernreaktor ganz erheblich vergrößert wird. Deshalb wird die Wirtschaftlichkeit des Kernreaktorbetriebes verbessert und der Anfall des zu entsorgenden radioaktiven Abfalls verringert.

6 Patentansprüche
4 Figuren

Claims

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Patentansprüche

(j/. Verfahren zum Ent- und Beladen eines Kernreaktors, bei dem ein Endteile und Brennstäbe aufweisendes bestrahltes Brennelement aus dem Kernreaktor entladen und anschließend wieder in einen Kernreaktor eingesetzt wird und bei dem bestrahlte Brennstäbe, die aus einem in einem Kernreaktor bestrahlten Brennelement stammen, in eine in bezug auf ihre Ausgangsposition in diesem Kernreaktor um 180° um eine Querachse gedrehte Position gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Kernreaktor entladene Brennelement (2) die bestrahlten Brennstäbe (7) enthaltend und mit diesen bestrahlten Brennstäben (7) in der um 180° gegenüber ihrer Ausgangsposition im Kernreaktor um die Querachse (8) gedrehten Position wieder in den Kernreaktor eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß alle bestrahlten Brennstäbe (7) des Brennelementes (2) nach dem Entladen um 180° um die Querachse (8) gedreht und in dieser Position im Brennelement (2) zusammengefaßt wieder in den Kernreaktor eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das gesamte Brennelement (2). nach dem Entladen um 180° um die Querachse (8) gedreht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ein Fußteil (4) darstellende Endteil des Brennelementes (2) durch ein ein Kopfteil (3) darstellendes Endteil und das ein Kopfteil

(3) darstellende Endteil durch ein ein Fußteil (4) darstellendes Endteil ersetzt werden.

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5. Verfaliren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet , daß bestrahlten Brennstäbe (7) des entladenen bestrahlten Brennelementes (2) in eine Gruppe mit hohem Abbrand und eine Gruppe mit niedrigem

S Abbrand aufgeteilt und daß nur die bestrahlten Brennstäbe (73 der Gruppe mit hohem Abbrand um 180° um die Querachse (8) gedreht werden.
6. Brennelement mit Endteilen und Brennstäben insbesondere für ein Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Endteile so ausgebildet sind, daß sie sowohl als Kopf- (3) als auch als Fußtei] (4) des Brennelementes (2) einsetzbar sind.