Brennelement für heterogene Atomreaktoren In heterogenen oder quasi homogenen Atom reaktoren ist der Spaltstoff innerhalb von Brenn stäben angeordnet, die insbesondere bei Flüssigkeits kühlung von einem Schutzmantel aus einem nur wenig Neutronen absorbierenden korrosionsbeständi gen, normalerweise metallischen Material (z. B. Zir- caloy oder rostfreier Stahl) umgeben sind.
Eine An zahl von derartigen Brennstäben ist jeweils zu einem Brennelement zusammengefasst und kann in dieser Form in den aus einer grösseren Anzahl solcher Brennelemente bestehenden Reaktorkern eingesetzt bzw. wieder herausgenommen oder ausgewechselt werden.
Dabei ist es erforderlich, dass der zwischen den Brennstäben jedes einzelnen Elementes verbleibende Raum auch während der thermischen Beanspruchung durch den Reaktorbetrieb: gleich bleibt, damit keine Störung im Kühimitteldurchfluss und damit in den Abkühlungsverhältnissen der einzelnen Brennstäbe eintritt.
Bei anderen heterogenen Kernreaktortypen, bei denen die Brennelemente in einzelnen Kühlkanä len angeordnet sind, wurde schon vorgeschlagen, die einzelnen Brennstäbe eines Elementes nur an einem Ende festzuhalten und das andere Ende frei zu lassen, damit die Längenausdehnung der Brennele- mente bei steigender Arbeitstemperatur ungehindert vor sich gehen kann.
Die gegenseitigen Abstände der einzelnen Brennstäbe werden dabei durch in mannib facher Anordnung einzeln einsetzbare Abstandshal- ter, die unter Umständen auch fest mit dem Brenn element zusammenhängen können, gewährleistet.
Allen bekannten Brennelementen ist gemeinsam, dass die einzelnen Brennstäbe wenigstens mit ihrem einen Ende an einer gemeinsamen Stabhalteplatte befestigt sind. Oftmals wird auch die Anordnung an getroffen, dass sämtliche Brennstäbe an je einer Stab halteplatte an beiden Enden des Elementes starr be- festigt sind. Für die Kühlung dieser Brennelemente sind die Stabhalteplatten noch mit Bohrungen für den Durchtritt des Kühlmittels versehen.
Da jedoch aus rein konstruktiven Gründen nicht über einen verhältnismässig beschränkten Querschnitt dieser Bohrungen an den Stabhalteplatten hinausge gangen werden kann, stellen diese einen erheblichen Strömungswiderstand dar. Hohe Strömungswider stände in Kernreaktoren bedingen aber erhöhte Pum penleistungen für den Kühlinittelumlauf und damit auch erhöhte Drücke.
Die vorliegende Erfindung verringert diese Nach teile. Sie betrifft ein Brennelement mit auswechsel baren, in einer Stabhalteplatte gehalterten Brennstä ben für Atomreaktoren.
Erfindungsgemäss sind mindestens zwei Stabhalte- platten mit Abstand voneinander angeordnet, von denen jede etwa die halbe Anzahl der Brennstäbe trägt und ist in einer oder mehreren zu den Stab halteplatten parallelen Ebenen ein Gitter aus fest miteinander verbundenen Abstandshaltern. vorgese hen, in dem die Brennstäbe federnd und gleitend ge führt sind.
Derartige Brennelemente können vorzugsweise für flüssigkeitsgekühlte heterogene oder quasi homo gene Atomreaktoren Verwendung finden und gestat ten infolge ihrer Quersöhnittsform einen praktisch lückenlosen Aufbau des Reaktorkernes.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Fig. 1-22 näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines in verschie denen Ebenen aufgeschnittenen erfindungsgemässen Brennelementes.
Fig. 2 stellt eine Draufsicht, teilweise als Schnitt bild, des Brennelementes nach Fig. 1 dar.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt entlang der Be- zugslinie IH-III durch das Abstandshaltergitter. Fig. 4 zeigt eine vergrösserte Schnittansicht des Abstandshaltergitters nach Fig. 3 entlang der Be zugslinie IV-IV.
Fig. 5 'zeigt einen Querschnitt durch die Ab standshalter nach Fig. 4 entlang der Bezugslinie V-V. Fig. 6 zeigt in der gleichen Ansicht wie Fig. 4 eine abgewandelte Konstruktion der Abstandshalter. Fig.7 zeigt einen Querschnitt entlang der Be- zugslinie VII-VII der Konstruktion nach Fig. 6.
Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch einen Ab standshalter gemäss Fig. 6 und 7 entlang der Be zugslinie VIII-VIII.
Fig. 9 zeigt einen Ausschnitt aus dem Abstands haltergitter ähnlich wie Fig. 3, jedoch mit einer ande ren Ausbildung der einzelnen Abstandshalter.
Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht des Abstands haltergitters nach Fig. 9 entlang der Bezugslinie X-X. Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch eine Ecke des Abstandshaltergitters entlang der Bezugs linie XI XI nach Fig. 1.0 und eine spezielle Methode zur Befestigung des Abstandshaltergitters nach Fig. 9.
Fig. 12 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Sei tenansicht eines anderen erfindungsgemässen Brenn- elementes.
Fig. 13 zeigt einen Längsschnitt durch letzteres entlang der Bezugslinie XIII-XIII.
Fig. 14 zeigt eine Draufsicht auf das Brennele- ment nach Fig. 12 mit teilweise aufgeschnittenen Partien.
Fig. 15 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Form des Abstandshaltergitters ähnlich der Fig. 9. Fig. 16 zeigt einen Längsschnitt durch dieses an dere Abstandshaltergitter nach Fig. 15 entlang der Bezugslinie XVI XVI.
Fig. 17 zeigt in Draufsicht eine abgewandelte Form des Abstandshaltergitters.
Fig. 18 zeigt eine Draufsicht auf ein Abstands halterelement nach Fig. 17.
Fig. 19 ist eine Seitenansicht dieses Abstands halterelementes nach Fig. 18.
Fig. 20 zeigt einen Längsschnitt durch das Ele ment nach Fig. 18 entlang der Bezugslinie XX-XX. Fig. 21 zeigt eine Draufsicht auf eine Endplatte, wie sie wahlweise für ein Brennelement nach Fig. 1 oder Fig. 12 verwendet wird.
Fig. 22 zeigt in einem Ausschnitt die Lage der Brennelementenden zur Endplatte nach Fig. 21.
Wie bereits einleitend erwähnt, wird der Reak torkern aus einer Anzahl von Brennelementen, wie sie in Fig. 1 oder Fig. 12 beispielsweise dargestellt sind, gebildet. Normalerweise werden sie zu diesem Zweck zwischen einer oberen und unteren, nicht dargestellten, Tragplatte angeordnet bzw. aufge hängt. Diese Tragplatten werden im Reaktorgefäss durch konventionelle Bauelemente, wie z. B. zylin drische Bolzen, gehaltert, so dass sie zur Auswechs lung der Brennelemente verhältnismässig einfach de montiert werden können.
Diese Tragplatten enthalten eine der Zahl der Brennelemente entsprechende Anzahl von Bohrun- gen zur Aufnahme der zylindrischen Passteile 22, die an beiden Enden jedes Brennelementes angeord net sind. Innerhalb dieses Passteiles 22 befinden sich radial angeordnete Laschen 24, die beim Einsetzen oder beim Herausnehmen des Brennelementes mit dem Betätigungswerkzeug in Eingriff kommen. Die beiden zylinderförmigen Passteile 22 sind auf dem Haltegerüst 26 für die einzelnen Brennstäbe befe stigt.
Nach Fig. 1 wird dieses Haltegerüst aus einem Rahmen 30 mit den inneren Halteplatten 36 und 38 sowie den äusseren Halteplatten 32 und 34 ge bildet. Ausserdem befinden sich innerhalb des Rah mens 30 Einrichtungen zur gegenseitigen Abstands halterung der Brennstäbe 28 in Gestalt eines oder mehrerer Abstandshaltergitter 35. Für die Ausbildung des Gitters sind viele Möglichkeiten denkbar, einige davon werden in den Figuren näher dargestellt.
Der Rahmen 30 enthält als Verbindungselemente zwischen den inneren Halteplatten 36 und 38 Ver- bindungsstreben 40, die auch als geschlossene Bleche ausgebildet sein können. Zur Verringerung des Struk turmaterials im Reaktorkern müssen diese möglichst dünn gehalten werden und werden zur Erhöhung ihrer Steifigkeit zweckmässigerweise mit Sicken 42 versehen. Selbstverständlich können auch andere Mit tel zur Versteifung angewendet werden und z. B. wenigstens die Bleche 40 an den Kanten des etwa quadratischen Elementes abgewinkelt werden.
Das Material für den Rahmen 30 und die anderen Figurbauteile des Brennelementes 20 muss vor allem grosse Korrosionsbeständigkeit und neben geeigne ten mechanischen Eigenschaften auch einen geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt besitzen.
Ein solches Material ist z. B. Zirkaloy, eine Zir- konverbindung, die durch die Firma Westinghouse entwickelt wurde. Unter Umständen kann es wirt schaftlicher sein, rostfreien Stahl, trotz seiner etwas schlechteren Neutronendurchlässigkeit zu verwenden, wenn es möglich ist, die Menge des Strukturmaterials entsprechend zu verringern und/oder das Spaltmate rial in geeigneter Weise auszuwählen und anzu ordnen.
Die mechanische Festigkeit dieser Strukturma terialien muss in Verbindung mit ihrer Formgebung dem Rahmen 30 eine derartige Festigkeit geben, dass er in der Lage ist, Druck- und Biegespannungen, die während des Reaktorbetriebes auftreten können, ohne Deformation zu widerstehen.
Aus der Draufsicht auf das Brennelement 20 in Fig. 2 ist zu sehen, dass die Endplatten 36 und 38 im wesentlichen eine quadratische Form besitzen, wobei die eine Ecke 44 etwas nach aussen verschoben ist. Dadurch ergibt sich an zwei Seiten eines jeden Brennelementes je eine Stufe 46, so dass beim Zu sammenbau der Elemente zu einem Reaktorkern zwischen den einzelnen Brennelementen Kanäle ver bleiben,
die das Eintauchen der Regelorgane in den Reaktorkern ermöglichen. Die zur Abfuhr der in den Brennstäben 28 ent stehenden Wärme benötigte Kühlmittelströmung tritt durch die zylinderförmigen Passteile 22 in das Brenn- element ein bzw. aus und wird durch eine Vielzahl von Bohrungen 48 bzw. 96 in den Platten 36 und 38 bzw. 32 und 34 gleichmässig über den gesamten Brennelementquerschnitt verteilt.
Die Bohrungen 48 bzw. 96 sind zu diesem Zweck im allgemeinen symmetrisch angeordnet, wobei die Querschnittsfläche der Bohrungen ausserdem noch von anderen Parametern wie z. B. der allgemeinen Festigkeit für die Stabhalterplatten 36 und 38 bzw. 32 und 34 bestimmt wird.
Zusätzlich können Einrichtungen zum Fassen der Enden der Brennstäbe 28 vorgesehen werden, wobei eine Längenausdehnung der Brennstäbe ohne Druck auf die Halteplatten möglich sein soll. In dem nach Fig. 1 gewählten Beispiel sind zu diesem Zweck Sacklöcher oder Bohrungen 50 in den Platten 36 und 38 vorgesehen, die eine gleitende Halterung der Endteile der Brennelemente 28 gestatten. Es ist zu beachten, dass diese Bohrungen 50 auch bei der Be stimmung der Dicke der Platten 36 und 38 in Be tracht gezogen werden müssen.
Es wird jedoch schon jetzt darauf hingewiesen, dass für diese Halterungs- einrichtungen an den Platten 36 und 38 keine unbe dingte Notwendigkeit besteht, wie es auch im Bei spiel nach Fig. 12 und 13 zum Ausdruck kommt.
Innerhalb des Rahmens 30 befindet sich in der Mitte ein Abstandshaltergitter 35. Es können jedoch auch noch weitere Gitter in gleichmässigen Abständen im Raum zwischen den Platten 36 und 38 angeord net sein. Diese Gitter sind normalerweise in über einstimmung mit der Form dieser Platten ausgebil det, so dass sie zur Festlegung der räumlichen Lage mit den Seitenblechen 40 z. B. durch Punktschwei- ssung (punktförmige Heliumbogenschweissung) 52 be festigt werden können.
Durch diese Lichtbogen schweissung in einer Heliumatmosphäre erfolgt eine örtlich sehr eng begrenzte Verschweissung der be nachbarten Oberflächen, so dass im Vergleich zu anderen Verbindungsverfahren nur ganz geringfügige Verwerfungen des Rahmens 30 entstehen.
Selbstverständlich ist es dazu notwendig, eine genaue Steuerung des Lichtbogenstromes und der Schweisszeit durchzuführen. Natürlich sind auch an dere Verbindungsmethoden, wie z. B. Punktschwei- ssung, Warzenschweissung oder Hartlötung eventuell unter Verwendung spezieller Haltevorrichtungen denkbar. Bei einer offenen Verkleidung des Rahmens 30, wenn also nur Eckbleche 40 Verwendung finden, ist es zweckmässig, die Abstandshaltergitter gegenüber einer Berührung mit den Regelstäben durch Schutz bleche 80,
die nach dem gleichen Verfahren be festigt werden können, zu schützen.
Während des Zusammenbaues des Rahmens 30 muss dafür Sorge getragen werden, dass durch ent sprechende Bearbeitungs- und Haltevorrichtungen ein Höchstmass an Gradlinigkeit und Rechtwinkligkeit erzielt wird. In diesem Zusammenhang ist zu sagen, dass der Neutronenfluss während des Betriebes keinen Einfluss auf die Temperatur des ganzen Rahmens hat, so dass er lediglich die Temperatur des Kühl mittels annimmt und daher nur geringe Tendenzen zum Verziehen entwickelt.
Die Abstandshaltergitter 35 sind, siehe Fig. 3, aus einer Anzahl von einzelnen Abstandshaltern 54 aufgebaut, die durch Verschweissen oder Löten an den Stellen 55 verbunden sind. Die einzelnen Ab- stand'shalter bestehen in diesem Beispiel aus dünn wandigen kurzen Röhrchen aus federndem Material, durch deren öffnung 57 die Brennstäbe 28 einge führt werden.
Um einen gleichmässigen Abstand die ser Abstandshalterröhrchen vom Brennstab 28 zu erhalten, sind diese nach den Fig. 4 und 5 in Längsrichtung mehrmals geschlitzt und die entstehen den Stege nach innen eingedrückt. Die damit erreichte zentrale federnde Führung der Brennstäbe 28 in den Absfiandshaltern verhindert ein seitliches Verbiegen oder Auswandern z.
B. durch Strömungs- oder ther mische -kräfte. Durch die Anzahl dieser federnden Streifen 56 kann die notwendige seitliche Führungs kraft eingestellt werden.
Eine Befestigung dieser Abstandshalter an den Brennstäben ist nicht vorgesehen, damit diese in ihrer thermischen Ausdehnung oder Kontraktion während des Reaktorbetriebes nicht gehemmt sind.
Die Ausbildung der einzelnen Abstandshalter kann natürlich auch in anderer Weise erfolgen, z. B. nach Fig. 6, 7 und B. Die in diesem Falle ebenfalls durch Längsschlitze 59 gebildeten Streifen besitzen nur verhältnismässig kurze Ausbuchtungen 60, so dass damit die Berührungsstelle zwischen diesen Strei fen und dem Brennstab 61 noch kleiner wird, als in den vorhergenannten Beispielen.
Eine andere Möglichkeit zur Ausbildung der ein zelnen Abstandshalter besteht nach Fig. 9, 10 und 11 darin, die ursprünglichen Ringe 54 mit über die ganze Länge derselben sich erstreckenden schalenförmigen Einbuchtungen zu versehen. In diesem Falle erfolgt die Halterung der Brennstäbe 28 jeweils entlang einer Mantellinie dieser Einbuchtungen.
Zur leich teren Verbindung der aus solchen Elementen herge stellten Abstandshaltergitter mit den Rahmenflächen 40 kann es zweckmässig sein, die Ausbuchtungen am äusseren Rande derselben mit Füllmaterial 64 auszu- füllen.
Eine weitere Form von Abstandshaltern ist aus den Fig. 19 und 20 zu ersehen. Sie hat eine gewisse Ähnlichkeit mit den Beispielen aus den Fig. 6 und 11; es sind jedoch hier breite Schlitze 63 vorgesehen, so dass damit Vorsprünge 65, die federnd etwas nach innen ragen, gebildet werden.
Die Fig. 15 und 16 stellen eine weitere Möglich keit zur Ausbildung eines Abstandshaltergitters dar. Nach diesem Beispiel sind eine Vielzahl von relativ dünnen Streifen 66 und 74, z. B. aus rostfreiem Stahl, zu einem Gitterwerk ähnlich einer Eierkiste verwoben.
Die einzelnen Streifen sind dazu mit aus geschnittenen Ecken 68 versehen, so dass die stehen- gebliebenen Flächen 69 nach dem Innenraum 78 eingewölbt (70) werden können. Damit wird eine federnde- Führung der Brennstäbe 28 ermöglicht. Diese Formgebung der Laschen wird in gleicher Weise auf der anderen Seite dieses Abstandshalter- gitters durchgeführt. Dort sind die ausgeschnittenen Ecken mit 72;
und die stehengebliebenen Laschen mit 73 bezeichnet, die den entgegengesetzt angeord neten 69 entsprechen. Zur Verfestigung dieses Ab standshaltergitters nach der Zusammensetzung der so vorgeformten Streifen 66 und 74 wird das ganze Gebilde z. B. durch Ofenlötung oder andere Mittel in seinen. Einzelteilen unlösbar verbunden.
Es ist zweckmässig, auf den Streifen 66 die Vor sprünge 76 anzubringen, die in - nicht dargestellte Öffnungen der äusseren Streifen 74 zur gegenseitigen Fixierung eingreifen.
Auch hier ist eine zusätzliche Verlötung zweck mässig, die zusammen mit der vorgenannten Lötung durchgeführt werden kann. Wie bei den vorgenannten Abstand'shaltergittern kann auch dieses mit den Rahmenflächen 40 in der gleichen Weise wie in Zusammenhang mit Fig. 1 verbunden werden. Durch diese Anordnung ergibt sich für jeden der Brenn stäbe 28 eine Öffnung 78 mit entgegengesetzt aus gebogenen Vorsprüngen 69 und 73 als federnde Füh rungselemente.
Die in den genannten Rahmen 30 einzubauenden Brennstäbe 28 entwickeln während des Betriebes des Reaktors Wärme, die durch das Kühlmittel abge führt wird. Für dieses spezielle Brennelement sind diese Stäbe in drei Abschnitte eingeteilt: der mittlere wird aus einer langgestreckten Röhre 82 gebildet, die z. B. entsprechend der eingangserwähnten Ge sichtspunkte aus rostfreiem Stähl besteht und mit spaltbarem Material gefüllt ist.
Dieses Material wird in Form von zylindrischen Tabletten eingefüllt. - Die offenen Enden werden mit Hilfe der Endstopfen 84 und 86 verschlossen und hermetisch abgedichtet, so dass keine Spaltprodukte iri den Kühlmittelkreislauf gelangen können. Die Endstopfen sind mit Verlänge- rungen 90 und 92 versehen, die einen wesentlich geringeren Durchmesser .als die Röhre 82 haben.
Der Übergang zwischen beiden Durchmessern ist kegel förmig gestaltet (88); damit beim Einsetzen der Brenn stäbe kein Festhaken derselben am Abstandshalter möglich ist.
Ausserdem wird auf diese Weise der Strömungs widerstand der gesamten Anordnung für das Kühl mittel herabgesetzt.
Die Halterung dieser Brennstäbe erfolgt in Längs richtung durch die Rahmenendplatten 36 und 38 und die äusseren Platten 32 und 34. Bis auf wenige Aus nahmen ist jedes Brennelement auf der einen Seite in der Rahmenendplatte 36 bzw. 38 und auf der anderen Seite in der äusseren Platte 34 bzw. 32 ge lagert.
Dies bedeutet, dass sie mit der einen End- stopfenverlängerung 92, die wesentlich länger ist als die andere Endstopfenverlängerung 90 durch die Bohrungen 48 der Platten 36 bzw.
38 hindurchragen. Diese Bohrungen 48 sind so gross, dass auch das Kühlmittel verhältnismässig ungehindert entlang der durchragenden Brennstäbe hindurchströmen kann. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sind die Brenn- elemente mit ihrer einen Seite abwechselnd in den Bohrungen 98 der beiden äusseren Endplatten 32 und 34 gelagert. Mit ihrem anderen Ende sind sie abwechselnd in den entsprechenden Bohrungen 50 der Endplatten 36 bzw. 38 gehaltert.
Zur Halterung sind die Brennstäbe an beiden Enden nochmals im Durchmesser über das Konusteil 112 auf das End stück 114 herabgesetzt, das selbst mit einem kegeli- gen Abschlussteil 116 zur Erleichterung der Einfüh rung in die Bohrungen 50 bzw. 98 versehen ist. Diese Bohrungen 50 bzw. 98 sind ihrerseits auf der Brennstabseite mit einer Abschrägung 118 für den gleichen Zweck versehen.
Aus dieser Anordnung er gibt sich, dass den Bohrungen 50 in den Platten 36 und 38 je eine grosse Bohrung 96 in den äusseren Platten 32 bzw. 34 und umgekehrt, den grossen Bohrungen 48 in den inneren Platten je eine kleine Bohrung 98 in den äusseren Platten gegenübersteht. Lediglich sind in den Randzonen die Bohrungen 48 und 96 mit ihrer Achse etwas nach innen versetzt und auch im Durchmesser etwas verkleinert, was aus konstruktiven Gründen notwendig und aus der Draufsicht nach Fig. 2 ersichtlich ist.
Wie bereits erwähnt, sind die Brennstäbe 28 mit etwas Längsspiel gelagert, damit keine Spannungen durch Wärmeausdehnung derselben auf das Haltege rüst 26 übertragen werden. Die Abstandsstutzer 100 und 102 sorgen dafür, dass der Kühlmittelfluss durch die gegeneinander versetzten grossen Strömungsdurch- lässe 48 und 96 einigermassen gleichmässig durch treten kann und dienen ausserdem zur genauen Ein stellung des Längsspieles der Brennstäbe.
Die Abstandsstutzer 100 und 102 werden zur Verbindung mit dem Passteil 22 durch die Abstands säulen 106 verlängert. Gegenüber der Befestigungs stelle dieser Abstandsstütze 100 und 102 auf denn Platten 36 bzw. 38 müssen gleichseitige Brennstäbe, die also auf beiden Seiten die gleichen Verlänge rungen 90 tragen, Verwendung finden. Für diese Brennstäbe erfolgt die Lagerung zwischen diesen bei den Platten 36 und 38, die entsprechenden Bohrun gen zur Halterung der Brennstabenden sind dann in den in die Endplatten eingeschraubten Teilen der Abstandshalter bzw. deren Befestigungsschrauben 108 angeordnet.
Die Abstandsstutzer 100 bestehen aus einem Rohrstück, das in entsprechenden Ausnehmungen 1.20 der äusseren und der inneren Halteplatten ein rastet und damit eine seitliche Verschiebung dieser Platten unmöglich macht. Die eigentliche Befestigung geschieht mit Hilfe der Schraube 108, die gleich zeitig auch das Passteil 22 mit Hilfe der Laschen 132 sowie die Abstandssäule 106, die ebenfalls ein abge- passtes Rohr darstellt, mit dem Rahmenteil 30 fest verbindet.
Dabei ist es zweckmässig, diese Schraube in an- gezogenem Zustand mit Hilfe der Buchse 138 und deren hochgezogenen Rand 144, der über den ge gebenenfalls abgeschrägten Schraubenkopf 146 um geschlagen wird, gegen eine ungewollte Verdrehung zu sichern, wobei auch andere an sich bekannte Schraubensicherungen Verwendung finden können.
Der Abstandsstützer 102 wird über das Ge winde 128 mit der Platte 38 bzw. 36 verschraubt. Die äussere Halteplatte 32 bzw. 34 rastet mit Hilfe der bereits genannten Senkbohrungen 120 auf dem selben ein und wird mit Hilfe der Schraube 110; die gleichzeitig auch zur Befestigung des Passteiles 22 dient, mit dem Abstandsstützer 102 über das Innen gewinde 142 desselben verschraubt.
Der Zusammen bau des Brennelementes kann etwa folgendermassen durchgeführt werden: Nach dem Zusammenbau des Rahmens 30 wer den die Brennstäbe 28 von beiden Seiten in der Weise durch die grossen Flussmitteldurchlässe 48 ein geführt, dass die längeren Verlängerungsstücke 92 durch diese Bohrungen herausragen. An den Be festigungsstellen der Abstandshalter werden dabei Brennstäbe eingesetzt, die auf beiden Seiten gleich lange Verlängerungsstücke 90 besitzen. Anschliessend werden die Abstandsstützer 102 aufgeschraubt und damit diese letztgenannten Brennstäbe in Längsrich tung gefasst.
Bei Verwendung der Abstandsstützer 100 erfolgt die endgültige Lagerung dieser Brennstäbe erst durch den entsprechend ausgebildeten Schraubbolzen 108.
Zur Erläuterung der konstruktiven Unterschiede 'zwischen den Abstandsstützern 100 und -102 sei darauf hingewiesen, dass der Abstandsstützer 100 dort angeordnet wird, wo sich normalerweise ein Kanal 50 in den Endplatten 36 und 38 befinden würde. Demgegenüber wird der Abstandsstützer 102 dort angeordnet werden, wo normalerweise ein 'Strömungs- durchlass 48 in den Endplatten 36 und 38 ange bracht wäre.
Dann werden die äusseren Endplatten 34 bzw. 32, die an ihrem äusseren Rand abgeschrägt sind (94) auf gesetzt und damit die noch freien Brennstabenden gefasst. Nach Zwischenlage der Abstandssäulen 106 werden sie zusammen mit den beiden Passteilen 22 und deren Laschen 132 mittels der Schraubbolzen 108 bzw: <B>110</B> mit dem Rahmen 30 zu einer festen Einheit verschraubt.
Die in diesem Brennelement eingesetzten Brennstäbe sind also in geringem Masse längsverschieblich angeordnet, behalten aber ihre ge genseitige seitliche Lage durch die Anordnung der speziellen Abstandshaltergitter bei, was für die Ab führung der Wärme als auch für die Gleichmässigkeit der Neutronenflussverteilung, für den gesamten Reak tor gesehen von grosser Bedeutung ist.
Durch diese spezielle seitliche -Halterung wird auch das Auftreten von Vibrationen oder sonstigen Schwingungserschei nungen an den Brennstäben vermieden. Es ist bei dieser Anordnung selbstverständlich auch möglich, die Brennstäbe in den Rahmenplatten 36 und 38 starr zu befestigen, z. B. durch Lötung und die Aus- dehnbarkeit lediglich durch die gleitende Führung in den äusseren Platten 34 und 32 zu gewährleisten.
In -.diesem Fall kann es zweckmässig sein, die Verbindung der Brennstäbe 28 mit den Rahmen platten 36 und 38 vor der -endgültigen Montage des Rahmens 30 durchzuführen.
Zur weiteren Erläuterung der Fig. 1 sei darauf hingewiesen, dass die Bohrungen für die Gewinde bolzen 108 bzw. 110 in den Platten 34 bzw. 32 mit 130 bezeichnet sind. Die entsprechenden Bohrungen in den Befestigungslaschen 132 der Passteile 22 sind mit 134 -bezeichnet und haben eine Absenkung 136 zur Halterung der ringförmigen Buchse 138. Die Abschrägung an der Bohrung der Bolzen 108 für die leichtere Einführung der Brenustabenden 114 sind mit -140 bezeichnet.
Das bisher .erläuterte Beispiel der vorliegenden Erfindung hat neben seiner grossen Stabilität auch noch .den Vorteil, dass die einzelnen Brennstäbe ver hältnismässig leicht eingesetzt, ausgewechselt und in ihrer Beschaffenheit kontrolliert werden können.
In den Fig. 12 und 13 wird ein anderes Beispiel für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens dar gestellt, das ebenfalls gegen thermische und mecha nische Deformationskräfte immun ist. Innerhalb des Rahmens 230 befinden sich wieder in ähnlicher Weise ein oder mehrere Abstandshaltergitter 235 zur seitlichen Halterung und Abstützung der Brenn elemente 228.
Wie in Fig. 12 dargestellt, wird das Seitenblech 240 um das ganze Brennelement herumgezogen - was im übrigen auch nach dem Beispiel der Fig. 1 möglich wäre. Die entstehende Nahtstelle 241 kann dann z, B. durch Schweissen abgedichtet werden, um den seitlichen Austritt der Kühlflüssigkeit aus dem Rahmen 230 auszuschliessen. Umgekehrt könnten in diesem Mantel 240 aber auch Öffnungen angebracht werden, um bewusst eine seitliche Strömung. der Kühl flüssigkeit in- den Rahmen hinein oder aus demselben heraus zu erzielen.
Fig. 14 zeigt eine Draufsicht auf ein derartiges Brennelement in verschiedenen -parallelen Schnittebe nen. Darin ist eine Vielzahl von Durchlässen 248 in den Stabhalteplatten 236 und 238 zu sehen. Ausser dem befindet sich zwischen diesen Bohrungen eine Vielzahl von Löchern 249, die der Aufnahme der Brennstabhaltebolzen 251 dienen.
Diese Bolzen 251 werden in die Verlängerung der Brennstäbe 228, die mit einem Innengewinde \(261) versehen sind, hineingeschraubt, wodurch diese Brennstäbe einseitig und abwechselnd einmal mit der oberen und einmal mit der unteren Platte 236 bzw. 238 fest verbunden sind. An jeder Platte ist also wiederum etwa nur je die Hälfte der Brennstäbe be festigt.
Das andere Ende der Brennstäbe mit den Abschlussstopfen 286 und seinen konischen Abschrä- gungen 263 steht frei im Raume ,des Rahmens 230, so dass damit die erforderliche Längsverschieblichkeit der Brennstäbe bei gleichzeitiger seitlicher Fixierung durch das Abstandshaltergitter 235 gegeben ist.
Als Sicherung gegen eine Lösung der Befestigungs schrauben 251 dient eine verhältnismässig dünne Platte 255, die mit den gleichen Kühlmitteldurch- lässen wie die Halteplatten 236 und 238 versehen ist, aber die Bohrungen für die Befestigungsbolzen 249 abdeckt. Aus der Anordnung und Befestigung der Brennstäbe 228 ergibt sich, dass den Befestigungs bohrungen 249 in der einen Platte die Kühlmittel- durchlässe 248 in der anderen Platte und umgekehrt genau gegenüberstehen müssen.
Die Passteile 222 dieser Brennelementausführung sind im Unterschied zur Fig. 1 kreuzförmig ausge führt und werden über ihre Befestigungslaschen 267 und die Abstandsstützen 265 mit Hilfe von Schraub bolzen 271 mit den Rahmenplatten 236 bzw. 238 verschraubt.
Wenn sich, wie in Fig: 13 dargestellt, die Befestigungsstelle des Passstückes 222 mit der jenigen eines Brennstabes deckt, so wird zur Be festigung dieses Brennstabes ein kürzerer Schraub bolzen 252 verwendet und die Bohrung 249 zur Auf nahme des Gewindebolzens 271 bis zu einer ent sprechenden Tiefe erweitert und mit einem dazuge hörigen Gewinde versehen (279).
Die Bolzen können ebenso wie im Beispiel nach Fig. 1 mit einer eingesetzten Buchse 271 und deren überstehendem Rand 275, der um den, Bolzenkopf gebogen wird, gegen ungewollte Verdrehung gesichert werden.
Auch dieses Beispiel ergibt ähnlich wie das in Fig. 1 gezeigte eine gegen Deformation praktisch un- empfindliche Brennelementanordnung. Auch hier ist es möglich, auf verhältnismässig einfache Weise die ein zelnen Brennstäbe auszuwechseln oder zu inspirieren.
Es wurde bereits erwähnt, dass die Rahmenplat ten (Stabhalteplatten) nur Einrichtungen zum Fassen der Brennstäbe 28 (228) enthalten, wenn es wün schenswert erscheint. Daher können wahlweise auch die Endplatten 336, wie sie in Fig. 21 gezeigt sind, als Endplatten für den Rahmen 30 nach Fig. 1 oder dem Rahmen 230 nach Fig. 12 Verwendung finden.
Diese Platten 336 haben eine netzartige Struk tur 337, die durch eine Anzahl von Kühhnittel- durchlässen 348 und eine Anzahl von Zwischen stäben 239, die als Anschläge für eine eventuelle Brennstabbewegung dienen, gebildet werden. Natür lich müssen diese Platten 336 noch konstruktiv ent sprechend abgewandelt werden, wenn sie in den grundsätzlichen Brennelementausführungen nach Fig. 1 oder 12 Verwendung finden sollen.
Die Fig. 22 zeigt dann die gegenseitige Lage der Brennstäbe 28 mit ihrem Endstopfen 284 gegenüber den Stegen 239 einer derartigen Platte 336.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Brennstäbe in allen erfindungsgemässen Beispielen elastisch mit Hilfe wenigstens eines Abstandshalter- gitters fixiert werden, dass sie aber in diesen Gittern einer Wärmeausdehnung oder Kontraktion in Längs richtung frei folgen können. Zusätzlich ist es mög lich, die Enden derartig gefasster Brennstäbe wenig stens auf der einen Seite längsverschieblich zu führen.
Der Aufbau des ganzen Rahmens zur Halterung der Brennstäbe sowie die Anbringung der Passteile zur Befestigung der Elemente an den Reaktorkernplatten, die nicht besonders dargestellt wurde, ermöglichen einen besonderen einfachen Zusammenbau eines Kernreaktors mit Flüssigkeitskühlung ohne Rück sicht, um welchen speziellen Typ, z. B. Druckwasser reaktoren oder Siedewasserreaktoren es sich grund sätzlich handelt.
Selbstverständlich kann dabei auch eine andere Querschnittsform der Brennelemente Verwendung finden, wie z. B. eine dreieckige oder sechseckige, wenn damit ein praktisch lückenloser Aufbau des Reaktorkernes möglich ist. Allen diesen Brennele- menten ist weiterhin gemeinsam der, im Vergleich zu bekannten Anordnungen, eingangsseitig und aus- gangsseitig wesentlich herabgesetzte Strömungswider stand
Fuel element for heterogeneous atomic reactors In heterogeneous or quasi-homogeneous atomic reactors, the fissile material is arranged within fuel rods, which, especially when the liquid is cooled, are protected by a protective jacket made of a low-neutron-absorbing corrosion-resistant, normally metallic material (e.g. Zircaloy or stainless Steel) are surrounded.
A number of such fuel rods are each combined to form a fuel element and in this form can be inserted into the reactor core consisting of a larger number of such fuel elements, or removed again or exchanged.
It is necessary that the space remaining between the fuel rods of each individual element remains the same even during the thermal stress caused by reactor operation, so that there is no disturbance in the coolant flow and thus in the cooling conditions of the individual fuel rods.
In other heterogeneous nuclear reactor types, in which the fuel elements are arranged in individual cooling ducts, it has already been proposed to hold the individual fuel rods of an element only at one end and to leave the other end free so that the length of the fuel elements can expand unhindered as the working temperature rises can go.
The mutual spacing of the individual fuel rods is ensured by spacers which can be used individually in multiple arrangements and which, under certain circumstances, can also be firmly connected to the fuel element.
It is common to all known fuel elements that the individual fuel rods are fastened at least at one end to a common rod holding plate. Often the arrangement is also made that all fuel rods are rigidly attached to a rod holding plate at both ends of the element. To cool these fuel assemblies, the rod holding plates are also provided with bores for the coolant to pass through.
However, since, for purely structural reasons, these bores on the rod holding plates cannot be passed beyond a relatively limited cross-section, they represent a considerable flow resistance. High flow resistance in nuclear reactors, however, require increased pump performance for the coolant circulation and thus also increased pressures.
The present invention reduces these disadvantages. It relates to a fuel assembly with exchangeable ble, held in a rod holding plate fuel rods for nuclear reactors.
According to the invention, at least two rod holding plates are arranged at a distance from one another, each of which carries approximately half the number of fuel rods and is a grid of firmly interconnected spacers in one or more planes parallel to the rod holding plates. hen vorgese, in which the fuel rods are resilient and sliding ge leads.
Such fuel assemblies can preferably be used for liquid-cooled heterogeneous or quasi-homogeneous nuclear reactors and, due to their cross-sectional shape, permit a practically uninterrupted structure of the reactor core.
Two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to FIGS. 1-22. 1 shows a side view of a fuel assembly according to the invention cut open in different planes.
Fig. 2 shows a plan view, partially as a sectional image, of the fuel assembly of FIG.
3 shows a section along the reference line IH-III through the spacer grid. FIG. 4 shows an enlarged sectional view of the spacer grid according to FIG. 3 along the reference line IV-IV.
Fig. 5 'shows a cross section through the spacers from FIG. 4 along the reference line V-V. FIG. 6 shows, in the same view as FIG. 4, a modified construction of the spacers. FIG. 7 shows a cross section along the reference line VII-VII of the construction according to FIG.
Fig. 8 shows a longitudinal section through a spacer according to FIGS. 6 and 7 along the loading line VIII-VIII.
Fig. 9 shows a section of the spacer grid similar to FIG. 3, but with a Ande Ren training of the individual spacers.
Fig. 10 shows a side view of the spacer grid of FIG. 9 along the reference line X-X. FIG. 11 shows a cross section through a corner of the spacer grid along the reference line XI XI according to FIG. 1.0 and a special method for fastening the spacer grid according to FIG. 9.
12 shows a partially cut-away side view of another fuel element according to the invention.
13 shows a longitudinal section through the latter along the reference line XIII-XIII.
FIG. 14 shows a top view of the fuel element according to FIG. 12 with parts partially cut open.
15 shows a plan view of another shape of the spacer grid similar to FIG. 9. FIG. 16 shows a longitudinal section through this at more spacer grid according to FIG. 15 along the reference line XVI XVI.
17 shows a modified form of the spacer grid in plan view.
FIG. 18 shows a plan view of a spacer element according to FIG. 17.
FIG. 19 is a side view of this spacer element according to FIG. 18.
Fig. 20 shows a longitudinal section through the element of FIG. 18 along the reference line XX-XX. FIG. 21 shows a plan view of an end plate as it is optionally used for a fuel assembly according to FIG. 1 or FIG. 12.
FIG. 22 shows a section of the position of the fuel element ends in relation to the end plate according to FIG. 21.
As already mentioned in the introduction, the reactor core is formed from a number of fuel assemblies, as shown in Fig. 1 or Fig. 12, for example. Normally they are for this purpose between an upper and lower, not shown, arranged or suspended support plate. These support plates are in the reactor vessel by conventional components, such. B. cylin drical bolts, so that they can be mounted relatively easily de to exchange the fuel assemblies.
These support plates contain a number of bores corresponding to the number of fuel assemblies for receiving the cylindrical fitting parts 22, which are arranged at both ends of each fuel assembly. Within this fitting part 22 there are radially arranged tabs 24 which come into engagement with the actuating tool when inserting or removing the fuel assembly. The two cylindrical fitting parts 22 are BEFE Stigt on the support frame 26 for the individual fuel rods.
According to Fig. 1, this support frame from a frame 30 with the inner retaining plates 36 and 38 and the outer retaining plates 32 and 34 ge forms. In addition, there are within the frame mens 30 facilities for mutual spacing of the fuel rods 28 in the form of one or more spacer grids 35. Many possibilities are conceivable for the formation of the grid, some of which are shown in the figures.
The frame 30 contains, as connecting elements between the inner holding plates 36 and 38, connecting struts 40 which can also be designed as closed metal sheets. To reduce the structural material in the reactor core, they must be kept as thin as possible and are expediently provided with beads 42 to increase their rigidity. Of course, other With tel can be used for stiffening and z. B. at least the metal sheets 40 are angled at the edges of the approximately square element.
The material for the frame 30 and the other figure components of the fuel assembly 20 must above all have high corrosion resistance and, in addition to suitable mechanical properties, also have a low neutron absorption cross section.
Such a material is e.g. B. Zirkaloy, a zirconia compound that was developed by Westinghouse. It may be more economical to use stainless steel, despite its somewhat poorer neutron permeability, if it is possible to reduce the amount of structural material accordingly and / or to select and arrange the fission material appropriately.
The mechanical strength of these structural materials, in conjunction with their shape, must give the frame 30 such strength that it is able to withstand compressive and bending stresses that can occur during reactor operation without deformation.
From the plan view of the fuel assembly 20 in FIG. 2 it can be seen that the end plates 36 and 38 are essentially square in shape, with one corner 44 being displaced somewhat outward. This results in a step 46 on two sides of each fuel assembly, so that channels remain between the individual fuel assemblies when the elements are assembled to form a reactor core.
which enable the control elements to be immersed in the reactor core. The coolant flow required to dissipate the heat generated in the fuel rods 28 enters and exits the fuel assembly through the cylindrical fitting parts 22 and is fed through a plurality of bores 48 and 96 in the plates 36 and 38 or 32 and 34 evenly distributed over the entire cross-section of the fuel assembly.
For this purpose, the bores 48 and 96 are generally arranged symmetrically, the cross-sectional area of the bores also being influenced by other parameters such as, for. B. the general strength for the rod holder plates 36 and 38 or 32 and 34 is determined.
In addition, devices can be provided for grasping the ends of the fuel rods 28, it being possible for the fuel rods to expand in length without applying pressure to the holding plates. In the example chosen according to FIG. 1, blind holes or bores 50 are provided in the plates 36 and 38 for this purpose, which allow the end parts of the fuel assemblies 28 to be held in a sliding manner. It should be noted that these holes 50 must also be taken into consideration when determining the thickness of the plates 36 and 38.
However, it is already pointed out that there is no absolute necessity for these holding devices on the plates 36 and 38, as is also expressed in the example of FIGS. 12 and 13.
Inside the frame 30 there is a spacer grid 35 in the middle. However, further grids can also be arranged at regular intervals in the space between the plates 36 and 38. These grids are usually ausgebil det in accordance with the shape of these plates so that they can be used to determine the spatial position with the side plates 40 z. B. by spot welding (punctiform helium arc welding) 52 can be strengthened.
This arc welding in a helium atmosphere results in a locally very narrowly delimited welding of the neighboring surfaces, so that only very slight distortions of the frame 30 occur compared to other connection methods.
It goes without saying that this requires precise control of the arc current and the welding time. Of course, other connection methods, such as. B. spot welding, wart welding or hard soldering possibly conceivable using special holding devices. In the case of an open cladding of the frame 30, i.e. if only corner plates 40 are used, it is expedient to protect the spacer grid against contact with the control rods by protective plates 80,
that can be secured using the same procedure.
During the assembly of the frame 30, care must be taken that appropriate processing and holding devices achieve a maximum of straight lines and squareness. In this context, it should be said that the neutron flux during operation has no influence on the temperature of the entire frame, so that it only assumes the temperature of the cooling means and therefore only develops a slight tendency to warp.
The spacer grids 35 are, see FIG. 3, made up of a number of individual spacers 54 which are connected at the points 55 by welding or soldering. In this example, the individual spacers consist of thin-walled short tubes made of resilient material, through the opening 57 of which the fuel rods 28 are inserted.
In order to obtain an even distance between the water spacer tubes and the fuel rod 28, they are slotted several times in the longitudinal direction according to FIGS. 4 and 5 and the webs are pressed inwards. The thus achieved central resilient guidance of the fuel rods 28 in the Absfiandshalterern prevents lateral bending or migration z.
B. by flow or ther mix forces. By the number of these resilient strips 56, the necessary lateral guide force can be adjusted.
An attachment of these spacers to the fuel rods is not provided so that they are not inhibited in their thermal expansion or contraction during reactor operation.
The formation of the individual spacers can of course also be done in other ways, for. B. According to Fig. 6, 7 and B. The strips also formed in this case by longitudinal slots 59 have only relatively short bulges 60, so that the point of contact between these Strei fen and the fuel rod 61 is even smaller than in the previous examples .
Another possibility for the formation of an individual spacer is shown in Fig. 9, 10 and 11 is to provide the original rings 54 with over the entire length of the same extending dish-shaped indentations. In this case, the fuel rods 28 are each held along a surface line of these indentations.
For easier connection of the spacer grids made from such elements with the frame surfaces 40, it can be useful to fill the bulges on the outer edge of the same with filler material 64.
Another form of spacer can be seen in FIGS. 19 and 20. It is somewhat similar to the examples from FIGS. 6 and 11; however, wide slots 63 are provided here so that projections 65, which protrude somewhat inwardly in a resilient manner, are formed.
15 and 16 represent a further possible speed for forming a spacer grid. According to this example, a plurality of relatively thin strips 66 and 74, for. B. made of stainless steel, woven into a latticework similar to an egg box.
For this purpose, the individual strips are provided with corners 68 that have been cut out so that the remaining surfaces 69 can be arched (70) towards the interior 78. Resilient guidance of the fuel rods 28 is thus made possible. This shaping of the tabs is carried out in the same way on the other side of this spacer grid. There are the cut corners with 72;
and the remaining tabs are denoted by 73, which correspond to the oppositely angeord designated 69. To solidify this Ab spacer grid after the composition of the preformed strips 66 and 74, the whole structure z. B. by furnace soldering or other means in his. Individual parts inextricably linked.
It is useful to attach the protrusions 76 on the strip 66, which engage in - not shown openings of the outer strips 74 for mutual fixation.
Here, too, additional soldering is useful, which can be carried out together with the aforementioned soldering. As with the aforementioned spacer grids, this can also be connected to the frame surfaces 40 in the same way as in connection with FIG. This arrangement results for each of the fuel rods 28, an opening 78 with oppositely curved projections 69 and 73 as resilient Füh approximately elements.
The fuel rods 28 to be installed in said frame 30 develop heat during operation of the reactor, which heat is carried out by the coolant. For this particular fuel assembly, these rods are divided into three sections: the middle one is formed from an elongated tube 82, e.g. B. in accordance with the above-mentioned Ge point of view consists of stainless steel and is filled with fissile material.
This material is filled in the form of cylindrical tablets. The open ends are closed and hermetically sealed with the aid of the end plugs 84 and 86, so that no fission products can enter the coolant circuit. The end plugs are provided with extensions 90 and 92 which have a significantly smaller diameter than the tube 82.
The transition between the two diameters is cone-shaped (88); so that when inserting the fuel rods no hooking of the same on the spacer is possible.
In addition, the flow resistance of the entire arrangement for the coolant is reduced in this way.
These fuel rods are held in the longitudinal direction by the frame end plates 36 and 38 and the outer plates 32 and 34. Except for a few exceptions, each fuel assembly is on one side in the frame end plate 36 and 38 and on the other side in the outer plate 34 or 32 ge superimposed.
This means that with one end plug extension 92, which is significantly longer than the other end plug extension 90, it passes through the bores 48 of the plates 36 or
38 protrude. These bores 48 are so large that the coolant can also flow relatively unhindered along the protruding fuel rods. As can be seen from FIG. 1, one side of the fuel assemblies is alternately supported in the bores 98 of the two outer end plates 32 and 34. With their other end they are alternately held in the corresponding bores 50 of the end plates 36 and 38, respectively.
For holding purposes, the diameter of the fuel rods is again reduced at both ends over the conical part 112 to the end piece 114, which itself is provided with a conical end part 116 to facilitate the introduction into the bores 50 and 98. These bores 50 and 98 are in turn provided on the fuel rod side with a bevel 118 for the same purpose.
This arrangement shows that the bores 50 in the plates 36 and 38 each have a large bore 96 in the outer plates 32 and 34 and vice versa, and the large bores 48 in the inner plates each have a small bore 98 in the outer plates facing. Only in the edge zones the bores 48 and 96 are offset somewhat inward with their axis and also somewhat reduced in diameter, which is necessary for structural reasons and can be seen from the plan view according to FIG.
As already mentioned, the fuel rods 28 are mounted with some longitudinal play so that no stresses due to thermal expansion of the same are transmitted to the support structure 26. The spacers 100 and 102 ensure that the coolant flow through the large flow passages 48 and 96, which are offset from one another, can pass more or less evenly and also serve to precisely adjust the longitudinal play of the fuel rods.
The spacer posts 100 and 102 are extended by the spacer columns 106 for connection to the fitting part 22. Opposite the attachment point this spacer 100 and 102 on because plates 36 and 38 must be equilateral fuel rods, which therefore carry the same extensions 90 on both sides, use. These fuel rods are stored between them at the plates 36 and 38, the corresponding bores for holding the fuel rod ends are then arranged in the parts of the spacers or their fastening screws 108 screwed into the end plates.
The spacers 100 consist of a piece of pipe that engages in corresponding recesses 1.20 of the outer and inner retaining plates and thus makes it impossible to shift these plates laterally. The actual fastening takes place with the aid of the screw 108, which at the same time also firmly connects the fitting part 22 with the frame part 30 with the aid of the tabs 132 and the spacer column 106, which is also a matched tube.
It is useful to secure this screw in the tightened state against unwanted rotation with the aid of the socket 138 and its raised edge 144, which is knocked over the possibly beveled screw head 146, whereby other known screw locks are also used can find.
The spacer 102 is screwed to the plate 38 or 36 via the thread 128. The outer retaining plate 32 or 34 engages on the same with the aid of the countersunk bores 120 already mentioned and is secured with the aid of the screw 110; which also serves to fasten the fitting part 22, screwed to the spacer 102 via the internal thread 142 of the same.
The assembly of the fuel assembly can be carried out as follows: After the assembly of the frame 30 who the fuel rods 28 from both sides in such a way through the large flux passages 48 that the longer extension pieces 92 protrude through these holes. At the fastening points Be the spacers, fuel rods are used that have extension pieces 90 of equal length on both sides. The spacers 102 are then screwed on and these last-mentioned fuel rods are thus gripped in the longitudinal direction.
When the spacers 100 are used, these fuel rods are only finally supported by the correspondingly designed screw bolts 108.
To explain the structural differences between the spacers 100 and -102, it should be pointed out that the spacer 100 is arranged where a channel 50 would normally be located in the end plates 36 and 38. In contrast, the spacer 102 will be located where a flow passage 48 would normally be provided in the end plates 36 and 38.
Then the outer end plates 34 and 32, which are beveled at their outer edge (94), are put on and the fuel rod ends still free are gripped. After the spacer columns 106 have been placed in between, they are screwed together with the two fitting parts 22 and their tabs 132 to the frame 30 by means of the screw bolts 108 or: 110 to form a fixed unit.
The fuel rods used in this fuel assembly are thus arranged to be longitudinally displaceable to a small extent, but retain their mutual lateral position due to the arrangement of the special spacer grids, which is important for the dissipation of heat and for the uniformity of the neutron flux distribution, seen for the entire reactor is of great importance.
This special lateral bracket also prevents the occurrence of vibrations or other oscillation phenomena on the fuel rods. It is of course also possible with this arrangement to fix the fuel rods rigidly in the frame plates 36 and 38, e.g. B. by soldering and to ensure the expandability only by the sliding guide in the outer plates 34 and 32.
In this case, it may be useful to connect the fuel rods 28 to the frame plates 36 and 38 before the final assembly of the frame 30.
To further explain FIG. 1, it should be pointed out that the bores for the threaded bolts 108 and 110 in the plates 34 and 32 are designated by 130. The corresponding bores in the fastening lugs 132 of the fitting parts 22 are denoted by 134 and have a recess 136 for holding the annular bush 138. The bevel on the bore of the bolts 108 for easier insertion of the breasts 114 are denoted by 140.
The example of the present invention explained so far has, in addition to its great stability, also the advantage that the individual fuel rods can be relatively easily inserted, exchanged and their condition checked.
12 and 13, another example of the implementation of the inventive concept is provided, which is also immune to thermal and mechanical deformation forces. One or more spacer grids 235 for laterally retaining and supporting the fuel elements 228 are again located in a similar manner within the frame 230.
As shown in FIG. 12, the side plate 240 is drawn around the entire fuel assembly - which would otherwise also be possible according to the example in FIG. The resulting seam 241 can then be sealed, for example by welding, in order to prevent the cooling liquid from escaping from the frame 230 at the side. Conversely, however, openings could also be made in this jacket 240 in order to deliberately create a lateral flow. to achieve the cooling liquid in the frame or out of the same.
Fig. 14 shows a plan view of such a fuel assembly in various parallel sectional planes. A plurality of passages 248 can be seen therein in the rod holding plates 236 and 238. In addition, there is a plurality of holes 249 between these bores, which are used to receive the fuel rod retaining bolts 251.
These bolts 251 are screwed into the extension of the fuel rods 228, which are provided with an internal thread (261), whereby these fuel rods are firmly connected on one side and alternately once with the upper and once with the lower plate 236 or 238. In turn, only half of the fuel rods are fastened to each plate.
The other end of the fuel rods with the end plugs 286 and its conical bevels 263 stands freely in the space of the frame 230, so that the necessary longitudinal displacement of the fuel rods with simultaneous lateral fixation by the spacer grid 235 is given.
A relatively thin plate 255, which is provided with the same coolant passages as the retaining plates 236 and 238, but covers the bores for the fastening bolts 249, serves as a safeguard against loosening the fastening screws 251. The arrangement and fastening of the fuel rods 228 means that the fastening bores 249 in one plate must be exactly opposite the coolant passages 248 in the other plate and vice versa.
The fitting parts 222 of this fuel assembly design are, in contrast to FIG. 1, cross-shaped and are screwed to the frame plates 236 and 238 via their fastening straps 267 and the spacer supports 265 with the aid of screw bolts 271.
If, as shown in Fig: 13, the attachment point of the fitting piece 222 coincides with the one of a fuel rod, a shorter screw bolt 252 is used to fasten this fuel rod and the hole 249 to take on the threaded bolt 271 up to a corresponding one Extended depth and provided with an associated thread (279).
As in the example according to FIG. 1, the bolts can be secured against undesired rotation with an inserted bush 271 and its protruding edge 275, which is bent around the bolt head.
This example, too, similarly to that shown in FIG. 1, results in a fuel element arrangement that is practically insensitive to deformation. Here, too, it is possible to replace or inspire the individual fuel rods in a relatively simple manner.
It has already been mentioned that the frame plates (rod holding plates) only contain devices for holding the fuel rods 28 (228) when it appears desirable. Therefore, the end plates 336, as shown in FIG. 21, can optionally also be used as end plates for the frame 30 according to FIG. 1 or the frame 230 according to FIG. 12.
These plates 336 have a net-like structure 337, which are formed by a number of Kühhnittel- passages 348 and a number of intermediate rods 239, which serve as stops for a possible fuel rod movement. Of course, these plates 336 must be structurally modified accordingly if they are to be used in the basic fuel assembly designs according to FIG. 1 or 12.
22 then shows the mutual position of the fuel rods 28 with their end plugs 284 in relation to the webs 239 of such a plate 336.
In summary, it can be said that the fuel rods in all the examples according to the invention are elastically fixed with the aid of at least one spacer grid, but that they can freely follow a thermal expansion or contraction in the longitudinal direction in these grids. In addition, it is possible, please include to guide the ends of such mounted fuel rods at least longitudinally on one side.
The structure of the whole frame for holding the fuel rods as well as the attachment of the fitting parts for fastening the elements to the reactor core plates, which was not particularly shown, allow a particularly simple assembly of a nuclear reactor with liquid cooling without regard to what specific type, e.g. B. pressurized water reactors or boiling water reactors it is fundamentally.
Of course, a different cross-sectional shape of the fuel assemblies can also be used, such as B. a triangular or hexagonal, if this allows a practically complete structure of the reactor core. What is common to all of these fuel elements is still the flow resistance, which is significantly reduced on the inlet side and on the outlet side, compared to known arrangements