DE1922087C3

DE1922087C3 - Fuel assembly for nuclear reactors

Info

Publication number: DE1922087C3
Application number: DE1922087A
Authority: DE
Inventors: James Lloyd Lass; Bart Alan Smith; Dominic Ambrose Venier
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-05-07
Filing date: 1969-04-30
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE1922087A1; SE337874B; FR2009859A1; DE1922087B2; BE732498A; GB1255821A; NL160967C; JPS4916919B1; NL160967B; NL6906372A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffkassette für Kernreaktoren, bestehend aus mehreren Brennstoffstäben, die durch eine untere und eine obere Ankerplatte gehalten und zueinander abständig angeordnet sind, wobei beide Ankerplatten so ausgebildet sind, daß ein Kühlmittelstrom durch sie hindurchfließen kann und die Anordnung durch einen beidseitig offenen Strömungskanal röhrenförmig umhüllt istThe present invention relates to a fuel assembly for nuclear reactors, consisting of several Fuel rods held by a lower and an upper anchor plate and spaced from one another are, both anchor plates are designed so that a coolant flow through them can and the arrangement is tubularly enveloped by a flow channel open on both sides

Eine Brennstoffkassette der vorstehend genannten Art für Kernreaktoren ist aus der BE-PS 6 92665 bekannt Die untere Ankerplatte der bekannten Brennstoffkassette ist mit einer Auskragung versehen, die durch eine passende öffnung in der Halterungsplatte in eine unter Druck stehende Kühlmittelvorrattkammer hineinragt Die Auskragung ist mit öffnungen versehen, durch die das unter Druck stehende Kühlmittel nach oben durch die Strömungskanile der Brennstoffkassette fließt und die Wärme aus den Brennstoffelementen wegführtA fuel assembly of the type mentioned above for nuclear reactors is from BE-PS 6 92665 known The lower anchor plate of the known fuel assembly is provided with a projection, through a suitable opening in the mounting plate into a pressurized coolant storage chamber protrudes into it The overhang is provided with openings through which the pressurized Coolant flows up through the fuel assembly's flow channels and removes heat from the Fuel elements leads away

Es ist zweckmäßig, daß eine begrenzte KOhlmittelsnenss durch die Zwischcnriunie der BIt is advisable that a limited amount of coolant smells through the interim division of the B

ten hindurchfließt In den bisher üblichen Anordnungen wurde dies dadurch erreicht Q*3 man eine gewisse Kühlmittelmenge zwischen dem Strömungskanal der Kassette und der unteren Ankerplatte ausströmen ließ. S Der Strömungskanal ist an der Brennstoffkassette nicht befestigt sondern in Form eines Schiebesitzes über die obere und untere Ankerplatte ausgestaltet so daß er während eines Brennstoffwechsels und bei einer Untersuchung der Brennstoffstäbe innerhalb des Reaktorkerns entfernt werden kann. Der Strömungskanal besteht aus verhältnismäßig dünnem Material, wobei die Beobachtung gemacht wurde, daß eine Zunahme des Kühlmitteldruckes (zum Zwecke der Erhöhung des Kühlmittelflusses durch die Brennstoffkassetten) dazuth flows through in the previously usual arrangements was this achieved by Q * 3 one a certain Allowed amount of coolant to flow out between the flow channel of the cassette and the lower anchor plate. S The flow channel is not attached to the fuel assembly, but in the form of a sliding seat over the designed upper and lower anchor plate so that it can be used during a fuel change and a Examination of the fuel rods inside the reactor core can be removed. The flow channel consists of a relatively thin material, the It was observed that an increase in the coolant pressure (for the purpose of increasing the Coolant flow through the fuel assemblies)

is führt daß der Strömungskanal von der unteren Ankerplatte abgebogen wird, was ein zu starkes Ausfließen und damit eine Verarmung der Brennstoffkassette an dem notwendigen Kühlmittel zur Folge hat Es wurde weiterhin beobachtet daß der Strömungskanal sich in seiner Dimension verändert und infolge der fortgesetzten Bestrahlung und der erhöhten Temperaturen in der Umgebung des Reaktorkerns seine ursprüngliche Form verliert Auf diese Weise wird das Ausfließen mit der Verweilzeit der Kassette im Reaktorkern stärker. In der BE-PS 6 92 665 ist dieses Problem nicht erkannt; die dort beschriebene Erfindung befaßt sich nur mit einzeln auswechselbaren Brennstoffstäben, die es gestatten, solche auszutauschen, ohne die ganze Kassette aus dem Kern herausnehmen zu müssen.is that the flow channel leads from the lower one Anchor plate is bent, causing excessive leakage and thus a depletion of the fuel assembly on the necessary coolant. It was also observed that the flow channel changes in dimension and as a result of continued irradiation and increased temperatures loses its original shape in the vicinity of the reactor core Leakage increases with the time the cassette remains in the reactor core. In BE-PS 6 92 665 this is Problem not recognized; the invention described there deals only with individually replaceable fuel rods, which allow it to be exchanged without having to remove the entire cassette from the core.

Der Erfindung lag demgegenüber die Aufgabe zugrunde, das Ausströmen von Kühlmittel aus Brennstoffkassetten auf einen festen Wert zu begrenzen.In contrast, the object of the invention was to prevent coolant from flowing out of fuel assemblies to a fixed value.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß ein elastisches Glied zwischen der unteren Ankerplatte und dem Strömungskanal so angebracht ist, daß das Ausströmen des Kühlmittels zwischen dieser Ankerplatte und dem Strömungskanal nach außen begrenzt und nahezu konstant gehalten wird. In der gezeigten Ausführungsform besitzt diese Teildichtung die Form eines geschlitzten Federgliedes, das an der unteren Ankerplatte befestigt ist und gegen den Strömungskanal drückt Das Federglied folgt den Biegungen des Strömungskanals und die Schlitze gewährleisten eine nahezu konstante Ausströmfläche.This object is achieved according to the invention in that an elastic member between the lower Anchor plate and the flow channel is attached so that the outflow of the coolant between them Anchor plate and the flow channel is limited to the outside and kept almost constant. In the Embodiment shown, this partial seal has the shape of a slotted spring member which is attached to the is attached to the lower anchor plate and presses against the flow channel Bends in the flow channel and the slots ensure an almost constant outflow area.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben, in denenThe invention is described in more detail below with reference to the drawings, in which

F i g. 1 eine Ansicht eines Wasserreaktors zur Dampferzeugung im Aufriß,
F i g. 2 eine teilweise geöffnet gezeigte, perspektivi-F i g. 1 is an elevational view of a water reactor for generating steam,
F i g. 2 shows a partially opened, perspective

SO see view of a fuel assembly,

F i g. 3 eine vergrößerte Ansicht des unteren Teils der Brennstoffkassette,F i g. 3 is an enlarged view of the lower part of the fuel assembly;

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Segmentes des erfindungsgemäßen Federgliedes undF i g. 4 shows a perspective view of a segment of the spring member according to the invention and

SS F i g. 5 eine graphische Darstellung der erfindungsgemäßen Leistung, verglichen mit der Leistung einer dem Stand der Technik entsprechenden Anordnung zeigtSS F i g. Figure 5 is a graph of the performance of the present invention compared to the performance of a dem Shows prior art arrangement

Die Erfindung wird hier in Verbindung mit einem durch Wasser gekühlten und moderierten Kernreaktor gezeigt der beispielhaft in F i g. 1 dargestellt ist Ein derartiges Reaktorsystem umfaßt ein Druckgefäß 10, das einen Reaktorkern 11 enthält der in ein Kühlmittel wie beispielsweise leichtes Wasser, eingetaucht ist Der Reaktorkern 11 ist von einer kreisförmigen Umhüllung 12 umgeben. Der Reaktorkern 11 besteht aus einer Vielzahl auswechselbarer Brennstoffkassetten 13, die in Abständen voneinander angebracht und in dem Druckgefäß 10 zwischen einem oberen Reaktorkerngit-The invention is used here in connection with a water cooled and moderated nuclear reactor shown by way of example in FIG. 1 is shown. Such a reactor system comprises a pressure vessel 10, the one reactor core 11 contains the in a coolant such as light water, is immersed. The reactor core 11 is of a circular envelope 12 surrounded. The reactor core 11 consists of a large number of exchangeable fuel assemblies 13, which are shown in FIG Spaced apart and placed in the pressure vessel 10 between an upper reactor core mesh

ter 14 und einer unteren Halterungsplatte 16 gehalten werden. Jede Brennstoffkassette weist ein Nasenstück 17 auf, das in eine Fassung in der Halterungsplatte 16 eingreift Das Ende des Nasenstückes erstreckt sich durch die Halterungsplatte 16 hindurch und ist mit öffnungen versehen, die den Austausch mit einer Kühlmittel-Vorratskammer 19 erlauben. Eine Umlaufpumpe 18 komprimiert das Kühlmittel in der Vorratskammer 19, aus der das Kühlmittel durch die Öffnungen in den Nasenstücken 17 nach oben durch die Brennstoffkassetten gedruckt wird. Hierbei wird ein Teil des Kühlmittels in Dampfform überführt, der durch eine Abscheidungs-Trocknungsvorrichtung 20 hindurch in eine Verwertungsanlage, wie z. B. eine Turbine 21, geführt wird. Das in einem KondensierungsgefäL 22 gebildete Kondensat wird mittels einer Pumpe 23 als Speisewasser in das Gefäß 10 zurückgeführt Mehrere Steuerstäbe 24 sind zum Zweck der Steuerung der Reaktivität des Reaktorkerns zwischen die Bi-ennstoffkassetten 13 einführbar.ter 14 and a lower support plate 16 are held. Each fuel assembly has a nosepiece 17, which engages in a socket in the mounting plate 16. The end of the nosepiece extends through the mounting plate 16 and is provided with openings that facilitate the exchange with a Allow coolant storage chamber 19. A circulation pump 18 compresses the coolant in the storage chamber 19, from which the coolant through the openings in the nose pieces 17 up through the Fuel assemblies is printed. Here, part of the coolant is converted into vapor form, which is carried through a deposition-drying device 20 through into a recovery plant, such as. B. a turbine 21, to be led. That in a condensation vessel 22 The condensate formed is fed back into the vessel 10 as feed water by means of a pump 23 Control rods 24 are positioned between the fuel assemblies for the purpose of controlling the reactivity of the reactor core 13 insertable.

F i g. 2 zeigt eine Brennstoffkassette 13, die aus einer Vielzahl länglicher Brennstoffstäbe 26 besteht, die zwischen einer unteren Ankerplatte 27 und einer schemaüsch dargestellten oberen Ankerplatte 28 gehalten werden. Die Brennstoffstäbe 26 sind durch mehrere Abstandshalter 29 für die Brennstoffstäbe hindurchgeführt, die eine Zwischenhalterung darstellen, die die länglichen Stäbe in Abständen voneinander halten und ein Schwingen nach der Seite verhindern.F i g. FIG. 2 shows a fuel assembly 13 comprised of a plurality of elongated fuel rods 26 which between a lower anchor plate 27 and a schematically illustrated upper anchor plate 28 being held. The fuel rods 26 are supported by a plurality of spacers 29 for the fuel rods passed through, which represent an intermediate bracket, which keep the elongated bars at a distance from each other and prevent them from swinging sideways.

Jeder Brennstoffstab 26 besteht aus einer länglichen Ummantelung, in der das spaltbare Material in Form von Tabletten, kleinen Teilchen, Pulver oder in ähnlicher Form enthalten und in der Ummantelung mit Hilfe von oberen und unteren Abschlußstücken 30 und 31 eingeschlossen ist Die unteren Abschlußstücke 31 sind zum Zwecke der Justierung und Halterung in Halterungslöchern 32 in der unteren Ankerplatte 27 konisch ausgebildet Die oberen Abschlußstücke 30 weisen Verlängerungen 33 auf, die in Halterungslöcher 34 in der oberen Ankerplatte 28 einrasten.Each fuel rod 26 consists of an elongated sheath in which the fissile material is in the form of tablets, small particles, powder or similar form and contained in the coating with the help of Upper and lower terminators 30 and 31 included. The lower terminators 31 are conical for the purpose of adjustment and retention in mounting holes 32 in the lower anchor plate 27 The upper terminators 30 have extensions 33 which are in mounting holes 34 in the Engage upper anchor plate 28.

Einige der Halterungslöcher 32 (beispielsweise solche am Rande) in der unteren Ankerplatte 27 weisen Gewinde zur Aufnahme von Brennstoffstäben mit unteren Abschlußstücken 31 auf, die ebenfalls ein Gewinde tragen. Die Verlängerungen 33 der oberen Abschlußstücke 30 dieser gleichen Brennstoffstäbe sind länglich ausgebildet, damit sie durch die Löcher der oberen Ankerplatte 28 passen, und sind weiterhin mit Gewinden zur Aufnahme von Halterungsnuten 35 mit Innengewinde ausgestattet. Auf diese Weise bilden obere und untere Ankerplatten und die Brennstoffstäbe eine einheitliche Struktur.Some of the mounting holes 32 (for example those on the edge) in the lower anchor plate 27 have Thread for receiving fuel rods with lower end pieces 31, which also have a Wear thread. The extensions 33 of the upper terminations 30 of these same fuel rods are elongated so that they fit through the holes of the upper anchor plate 28, and are still with Threads for receiving mounting grooves 35 equipped with internal threads. Form this way upper and lower anchor plates and the fuel rods form a unitary structure.

Die Brennstoffkassette 13 weist weiterhin einen dünnwandigen röhrenförmigen Strömungskanal ?6 von nahezu quadratischem Querschnitt auf, der so ausgebildet ist, daß er über den unteren und oberen Ankerplatten 27 und 28 und den Abstandhaltern 29 einen gleitenden Sitz bildet, so daß er leicht eingesetzt und entfernt werden kann. Der Kanal 36 weist am oberen Ende ein aufgeschweißtes Gewindestück 37 auf, mit dessen Hilfe der Kanal mittels eines durch das Rohr 54 geführten Bolzens 38 an dem Brennstoffbündel befestigt werden kann.The fuel assembly 13 further has a thin-walled tubular flow channel? 6 of FIG almost square cross-section, which is designed so that it over the lower and upper Anchor plates 27 and 28 and spacers 29 form a sliding seat so that it is easily inserted and can be removed. The channel 36 has a welded threaded piece 37 at the upper end, with the help of which the channel by means of a bolt 38 guided through the tube 54 on the fuel bundle can be attached.

Die untere Ankerplatte 27 ist mit einem Nasenstück 17 ausgerüstet, das so ausgebildet ist, wie es obenstehend beschrieben wurde, und die Brennstoffkassette in einer Halterung in der unteren Halterungsplatte hält Das Ende des Nasenstückes ist mit öffnungen 39 zur Aufnahme des unter Druck stehenden Kühlmittels versehen, so daß dieses nach oben zwischen die Brennstoffstäbe fließen kann.
Um im Reaktorkern eine Stauung des Kühlmittels in den Räumen 25 (F i g. 1) zwischen den Brennstoffkassetten zu vermeiden, läßt man einen Teil (in der Größenordnung von 5 bis 6%) des in jede Brennstoffkassette fließenden Kühlmittelslroms von der unteren Ankerplatte 27 und dem Kanal 36 der Brennstoffkassette aus in die benachbarten Zwischenräume einströmen, wie es durch den mit LF gekennzeichneten Pfeil in Fig.2 dargestellt ist Mit Hilfe der bisherigen Anordnungen konnte keine ausreichende Steuerung dieses Nebenstromes erreicht werden.The lower anchor plate 27 is equipped with a nose piece 17, which is designed as described above, and holds the fuel assembly in a holder in the lower holder plate. The end of the nose piece is provided with openings 39 for receiving the pressurized coolant, so that it can flow up between the fuel rods.
In order to avoid a build-up of coolant in the spaces 25 (FIG. 1) between the fuel assemblies in the reactor core, a portion (of the order of magnitude of 5 to 6%) of the coolant flow flowing into each fuel assembly is released from the lower anchor plate 27 and the channel 36 of the fuel assembly flow into the adjacent interspaces, as shown by the arrow labeled LF in FIG.

Zur besseren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung ist in F i g. 3 eine vergrößerte Ansicht des unteren Teiles der Brennstoffkassette 13 gezeigt In der gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird der Nebenfluß mit Hilfe eines als Federglied 40 ausgebildeten elastischen Gliedes gesteuert, das zwischen der äußeren Oberfläche der unteren Ankerplatte 27 und der unteren Innenfläche des Kanals 36 befestigt ist Das Federglied 40 kann zweckmäßigerweise aus vier Segmenten gebildet sein, von denen eines getrennt in Fig.4 dargestellt ist Das Glied 40 kann aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise lnconel-X, bestehen.In order to better illustrate the present invention, FIG. 3 is an enlarged view of the The lower part of the fuel assembly 13 is shown. In the embodiment of the invention shown, the Tributary controlled by means of a spring member 40 designed as an elastic member between the The outer surface of the lower anchor plate 27 and the lower inner surface of the channel 36 is attached Spring member 40 can expediently be formed from four segments, one of which is separated into Fig. 4 is shown. The member 40 may be made of any suitable material such as Inconel-X, exist.

Jedes Federsegment besteht aus einem Unterteil 41 und einem geschlitzten Auflageteil 42. Der Unterteil 41Each spring segment consists of a lower part 41 and a slotted support part 42. The lower part 41

weist eine Reihe vcn öffnungen 43 auf, die so bemessen sind und deren gegenseitiger Abstand so gewählt ist daß sie die unteren Abschlußstücke 31 der äußeren Reihe der Brennstoffstäbe aufnehmen und den konischen Teil der unteren Abschlußstücke 31 fassen können, wodurch der Unterteil des Federsegmentes zwischen den unteren Endstücken dieser Brennstoffstäbe und der unteren Ankerplatte 27 gehalten wird. Der Auflageteil 42 der Federsegmente 40 ist mit an einem Ende offenen Steuerschlitzen 44 ausgerüstet wodurch der Auflageteil aus einer Vielzahl elastischer Finger 46 besteht Jeder der elastischen Finger 46 weist nach außen eine Ausbiegung 47 auf, die so ausgestaltet ist daß sie gegen den Strömungskanal 36, und eine nach innen gerichtete Ausbiegung 48 auf, die gegen die untere Ankerplatte 27 anliegt Ist das Federglied in stehender Stellung, dann werden die elastischen Finger des Auflageteils 42 nach außen gegen die untere Innenfläche des Strömungskanals 36 gedrückt Dehnt sich jetzt der untere Teil des Strömungskanals 36has a number of openings 43 which are dimensioned in this way are and their mutual distance is chosen so that they the lower end pieces 31 of the outer Pick up the row of fuel rods and grasp the conical portion of the lower end caps 31 can, whereby the lower part of the spring segment between the lower end pieces of these fuel rods and the lower anchor plate 27 is held. The support part 42 of the spring segments 40 is with one End open control slots 44 equipped, whereby the support part from a plurality of elastic fingers 46 Each of the elastic fingers 46 has an outward bend 47 which is designed in this way that they against the flow channel 36, and an inwardly directed bend 48, which against the lower anchor plate 27 is applied If the spring member is in the standing position, then the elastic fingers of the support part 42 pressed outwards against the lower inner surface of the flow channel 36 The lower part of the flow channel 36 is now

so beispielsweise infolge eines erhöhten Druckes des Kühlmittels aus, so behalten die elastischen Finger mit der inneren Oberfläche des Strömungskanals Kontakt und die Schlitze 44 bilden eine nahezu konstante Ausströmungsfläche.For example, as a result of an increased pressure of the coolant, the elastic fingers keep with it the inner surface of the flow channel contact and the slots 44 form an almost constant Outflow area.

Bei der gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist es nicht notwendig, das Federglied 40 um Ecken 49 der unteren Ankerplatte 27 zu biegen, da der Kanal 36 fest an diesen Ecken ansitzt Beispielsweise versucht der Kanal 36 als Reaktion auf einen erhöhten Kühlmitteldruck einen mehr kreisförmigen Querschnitt einzunehmen, wodurch der Auflagedruck des Kanals 36 gegen die Ecken 49 erhöht wird.In the embodiment of the invention shown, it is not necessary to move the spring member 40 around corners 49 of the lower anchor plate 27 to bend, since the channel 36 is firmly attached to these corners Channel 36 to assume a more circular cross-section in response to increased coolant pressure, whereby the contact pressure of the channel 36 against the corners 49 is increased.

Die Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung ist in F i g. 5 graphisch dargestellt in der die Leistung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Steuerung des Kühlmittelflusses mit der Leistung einer dem bisherigen Stand der Technik entsprechenden Anordnung verglichen wird, bei der man sich ausschließlich auf einenThe performance of the present invention is shown in FIG. 5 graphically shows the performance of the Arrangement according to the invention for controlling the coolant flow with the performance of the previous one Prior art corresponding arrangement is compared, in which one is exclusively on one

vorbestimmten Sitz zwischen dem Strömungskanal 36 und der unteren Ankerplatte 27 verließ. Die ausgezogenen Kurven zeigen die Leistung der neu in Betrieb genommenen Brennstoffkassetten, während die gestrichelt gezeichneten Kurven die Leistung am Ende der Lebensdauer, d. h. die Leistung angeben, nachdem die Kassette über einen Zeitraum von mehreren Jahren in einem Reaktorkern in Betrieb war. Bei der dem Stand der Technik entsprechenden Anordnung nimmt der Nebenstromfluß mit der Lebensdauer um ein Drittel zu, während bei der erfindungsgemäßen Anordnung sich der Nebenstrom um weniger als 1% ändert. De Nebenstromfluß ändert sich bei Änderung des Kühlmittelflusses bei der erfindungsgemäßen Anordnung bedeutend weniger.predetermined seat between the flow channel 36 and the lower anchor plate 27 left. The undressed Curves show the performance of the newly commissioned fuel assemblies, while the dashed The curves drawn show the performance at the end of the service life, d. H. specify the performance after the Cassette has been in operation in a reactor core for several years. At the booth The arrangement corresponds to the technology, the secondary flow increases with the service life by a third, while in the arrangement according to the invention, the secondary flow changes by less than 1%. De The bypass flow changes when the coolant flow changes in the arrangement according to the invention significantly less.

Ein weiterer hervorstechender Vorteil der vorliegen den Erfindung besteht darin, daß das rasche Entferner und Auswechseln des Strömungskanals 36 nich gefährde! oder erschwert wird. Außerdem wird durcl die Gestalt des Federgliedes 40 die Möglichkeit einet Verschmutzung beim Einsetzen oder Entfernen de Strömungskanals auf ein Minimum beschränktAnother salient advantage of the present invention is that the quick remover and changing the flow channel 36 is not endangered! or is made more difficult. In addition, durcl the shape of the spring member 40 the possibility of contamination when inserting or removing de Flow channel limited to a minimum

For this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Fuel assembly for nuclear reactors, consisting of several fuel rods, which are connected by a lower and an upper anchor plate are held and spaced from one another, both of which Anchor plates are designed so that a coolant flow can flow through them and the Arrangement is tubularly enveloped by a flow channel open on both sides, thereby characterized in that an elastic member (40) between the lower anchor plate (27) and the Flow channel (36) is attached so that the outflow of the coolant between this anchor plate (27) and the flow channel (36) is limited to the outside and kept almost constant.

2. Fuel assembly according to claim 1, characterized in that the elastic member (40) from consists of a spring which has openings (44) through which an almost constant outflow area is ensured.

3. Fuel assembly according to claim 2, characterized in that the spring member (40) has a has lower part (41) which is designed so that it is held and retained between several fuel rods (26) and the lower anchor plate (27) can be.

4. Fuel assembly according to claim 2, characterized in that the openings (44) in the Spring member (40) are designed in the form of slots.

5. Fuel assembly according to claim 4, characterized in that the contactors (44) is an open one Have end and the spring member (40) thereby forms a plurality of elastic fingers (46)

6. Fuel assembly according to claim 5, characterized in that each of these elastic fingers (46) has an outwardly curved part (47) which rests against the flow channel (36)

7. Fuel assembly according to claim 6, characterized in that the tip (48) of each of these Finger (46) is bent inward and rests against this lower anchor plate (27)