Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7404

Strukturmechanische Auslegung eines HPLWR Brennelementkastens in Leichtbauweise

H. Herbell, S. Himmel

Zusammenfassung
Im Rahmen des „Generation IV International Forum“ wird gegenwärtig ein mit überkritischem Wasser betriebener Leichtwasserreaktor (High Performance Light Water Reactor – HPLWR) entwickelt. In der vorliegenden Arbeit wird dafür eine strukturmechanische Auslegung für ein Brennelement in Leichtbauweise durchgeführt.

Die hohen Drücke und Temperaturen (25MPa, 500°C) erfordern eine stabile Ausführung, wohingegen eine Minimierung des parasitären Neutronenverlusts einen möglichst geringen Einsatz von Strukturmaterial verlangt. Damit eine gute Moderationswirkung des Wassers gewährleistet bleibt, müssen die Wände des Brennelements gut isoliert sein. Aufgrund dieses Anforderungsprofils wurde vorgeschlagen, das Brennelement aus einer Sandwichkonstruktion mit Honigwabenkern zu fertigen. Die Hohlräume der Waben sind zur besseren Isolation mit einem keramischen Verbundwerkstoff gefüllt.

Die Festigkeit des Brennelements wurde bezüglich sandwichspezifischer Versagensmodi und nach Regelwerk KTA 3201.2 bewertet, das dem Festigkeitsnachweis von Bauteilen des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren dient. Dabei stellte sich heraus, dass die ursprüngliche Konstruktion an den Randstücken zu schwach ist. Daher wurden zwei weitere Versionen des Brennelements, einmal mit einer erhöhten Anzahl Rippen in den Randstücken und einmal mit massiven Randstücken, untersucht. Zur Berechnung der komplexen Spannungszustände aus einer Überlagerung von Druck und Temperatur wurde eine kommerziell verfügbare Finite Elemente Software, ANSYS, verwendet.

Während eine Erhöhung der Anzahl der Rippen keine ausreichende Sicherheit gegen Versagen bewirkt, kann mit massiven Randstücken die nötige Festigkeit unter den Betriebsdingungen des HPLWR gewährleistet werden. Abstandshalter zwischen den Brennelementen zur Gewährleistung der gegenseitigen Lage der Brennelemente zueinander müssen noch konstruiert und ausgelegt werden

Mechanical Analysis of an Assembly Box with Honeycomb Structure designed for a High Performance Light Water Reactor

Abstract
The High Performance Light Water Reactor (HPLWR) is a water cooled reactor concept of the 4^th generation, operated at a pressure beyond the critical point of water. In this report an innovative design for moderator- and assembly boxes is investigated, consisting of an alumina filled stainless steel honeycomb structure, built as a sandwich design between two stainless steel liners.

Such temperatures and pressures (25 MPa, 500°C) require the use of stainless steel assembly boxes; however, such walls cause significant neutron absorption. Moreover, the moderator water is heated up, which makes it less effective. Therefore, the thermal conductivity of the box walls should be decreased by a good thermal isolation, ensuring that the moderator water remains at high density. As an innovative approach, thin walled assembly boxes with sufficient stiffness and low thermal conductivity could be made from honeycomb structures, in which the cavities are filled with alumina for thermal insulation.

Finite element analyses are used to verify the required stiffness, to identify stress concentrations and to optimize the design. The sandwich panel has been designed with regard to sandwich specific failure modes. A stress analysis of the assembly box according to KTA 3201.2 guideline as used for components of the primary circle of light water reactors is performed. The corner pieces turned out as the weak points of the initial design. Even a significant increase of the number of stiffening ribs in corner pieces did not reduce the stress peaks sufficiently, thus massive corner pieces were finally taken. Panel deflection is within the design limits whereas the estimated bending line along the total height of the assembly box exceeds geometrical boundaries. Therefore some spacers between the fuel elements are necessary.

The results presented in this study indicate that honeycomb sandwich structures could be applicable in the core of the HPLWR reactor. This feature will minimize the heat up of the moderator water as well as neutron absorption. Mechanical tests of such components will be essential to confirm this result

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