Brennstabanordnung mit einem Leitrohr und Abstandshaltern für heterogene Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstaban- ordnung mit einem Leitrohr und Abstandshaltern für heterogene Kernreaktoren.
Derartige Konstruktionen werden insbesondere für gasgekühlte Kernreaktoren verwendet. Wie bei anderen Brennelementen ohne Leitrohr sind auch hier sogenann- te Abstandshalter notwendig, damit eine unzulässige Verbiegung einzelner Brennstäbe und damit eine Stö rung in der Kühlmittelströmung vermieden wird. In dieser Hinsicht sind insbesondere die Brennstäbe in der Randzone gefährdet, da dort einmal eine höhere Wär meerzeugung stattfindet, aber zum anderen bei bisher üblichen Brennelement- und Abstandshalterkonstruktio- nen dieser Tatsache nur schlecht angepasste Strömungs querschnitte entsprechen.
Aufgabe und Ziel der vorlie genden Erfindung ist nun die Konstruktion einer neu artigen Brennstabanordnung, die eine gleichmässige Kühlung der äusseren Brennstäbe auf ihrem ganzen Um fang gewährleistet und zudem mit einfachen Mitteln und sparsamem Materialverbrauch eine einwandfreie Halterung der Brennstäbe in ihren Abstandshaltern ge währleistet.
Erfindungsgemäss besteht die Brennstabanordnung mit einem Leitrohr und Abstandshaltern aus in einer Ebene angeordneten, an ihren Seitenflächen miteinander verbundenen sechseckigen Röhrchen, deren jedes einen Brennstab umfasst und diesen durch aus dem Röhrchen material herausgearbeitete Vorsprünge zentriert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Er findung anhand der Fig. 1 bis 8 beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch ein Brennelement in Höhe eines Abstandshalters. Das Leitrohr ist dabei mit 1, die Brennstäbe selbst mit 2 bezeichnet. Der Ab standshalter besteht aus sechseckigen Röhrchen 3, die an den aneinander stossenden Flächen miteinander ver bunden, zweckmässigerweise verlötet sind. Gegenüber einer Punktschweissung wird durch eine Lötung eine bessere Eigensteifigkeit des gesamten Abstandshalterge- bildes erzielt.
Entsprechend der Form dieses Abstands- haltergebildes ist nun das Leitrohr auf seiner Innenseite ausgefräst, wodurch eine gleichmässige Kühlmittelfüh- rung und eine sichere Führung des Abstandshaltergitters erzielt wird. Eine Befestigungsmöglichkeit dieses Ab standshaltergitters im Leitrohr ist aus der Fig. 2 zu er sehen.
Sie geschieht dort beispielsweise über Bolzen 6, die in entsprechenden Bohrungen des Leitrohres 1 gelagert und mit dem Abstandshaltergitter aussen verschweisst sind. Aus dieser Fig. 2, die ebenfalls einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Abstandshalter zeigt, ist in der linken Hälfte b eine andere Aussenform der äusseren Abstandshaltermaschen gezeigt, die sich an die bisher übliche runde Ausfräsung der Leitrohrinnenwand anschmiegt. Es ist hierzu insbesondere auch ein äusse- rer Spannring 7 vorgesehen, wie er auch bei den anderen Ausführungen empfehlenswert ist.
Aus fertigungstech nischen Gründen dürfte jedoch die äussere Form des Abstandshaltergitters gemäss Fig. 1 und Fig. 2a vorzu ziehen sein. Innerhalb jeder Masche bzw. jedes Sechs kantröhrchens befinden sich die starren Anlagepunkte oder Vorsprünge 4 und die federnden Vorsprünge 5. Die starren Vorsprünge werden dabei entweder aus den Flächen oder aus den Ecken herausgearbeitet, zweck- mässigerweise durch Prägung, da durch dieses Verfah ren ein nachträgliches Abrunden der Kanten vermieden werden kann.
Die Fig. 4 bis 8 zeigen nun in perspektivischer Dar stellung einige Ausführungsmöglichkeiten der einzelnen Sechskantröhrchen oder Maschen des Abstandshalter- gitters. Nach Fig. 4 sind nur starre Vorsprünge 31 bzw. 32 vorgesehen. Dabei sind die Vorsprünge 31 als Paare ausgebildet und zwar an um 120 gegeneinander versetzten Ecken des Röhrchens, dergestalt, dass der obere und der untere Rand dementsprechend einge drückt ist. Sie ergeben eine schwingungsstabile Lage rung des umfassten Brennstabes.
Die Anordnung nur eines Vorsprunges 32 ist auf Grund der höheren Flä chenbelastung des Brennstabes nicht so vorteilhaft. Fig. 5 zeigt ein Sechskantröhrchen, bei dem die Vorsprünge aus den Flächen herausgearbeitet sind. Die se Vorsprünge 33 befinden sich wieder am oberen und unteren Rand der Masche, ihnen gegenüber eine federn de Ausprägung 34, mit deren Hilfe etwaige Durchmes- sertoleranzen der Brennstäbe besser aufgenommen wer den können.
Dadurch wird auch in vertikaler Richtung eine Dreipunktlagerung jedes Brennstabes innerhalb der Abstandshalterebene geschaffen. Dieses Beispiel zeigt ausserdem eine Reihe von seitlichen Durchbrechungen 35 des Röhrchens, die einmal der Materialeinsparung und damit der Verminderung der schädlichen Neutro nenabsorption und zum anderen auch dem Kühlmittel- austausch zwischen benachbarten Maschen dienen.
Die Fig. 6 zeigt ein Sechskantröhrchen mit nur fe dernden Vorsprüngen, die aus Eckpartien des Röhr chens ausgeprägt sind (39). Ihre Verbindung ist jedoch auf der einen Seite mit dem Röhrchen gelöst, so dass sie als federnde Abstandshalterfahnen nach innen vorsprin gen.
Die Vorsprünge können jedoch auch in Gestalt von durchgehenden Sicken 38 gemäss Fig. 7 ausgeführt sein. Diese schräge Anordnung der Sicken trägt zusätz lich noch dazu bei, dem Kühlmittel eine längere Füh- rung zu seiner teilweisen Umlenkung und Verwirbe- lung zu geben.
Fig. 8 zeigt Sicken 40, die in axialer Richtung hier an den Eckpunkten des Sechseckröhrchens angebracht sind. Da hier die Sicken achsparallel verlaufen, ergibt sich eine linienförmige Berührung mit dem Brennstab, während es nach Fig. 7 nur eine punktförmige Berüh- rung gibt, die vom kühltechnischen Standpunkt aus vor zuziehen ist.
Es sind jedoch auch noch andere Berührungsmög- lichkeiten zwischen dem Abstandshaltergitter und den Brennstäben möglich, so können die Vorsprünge aus abgebogenen Röhrchenteilen bestehen, wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Nach der Fig. 2 ist es jeweils nur ein Anlagepunkt, der aus abgewinkelten Seitenflächen der Röhrchen besteht.
Nach Fig. 3 sind alle drei Anlage punkte oder Vorsprünge aus derartigen abgebogenen Maschenflächen ausgebildet, wobei hier die so abgebo genen Abstandshalterfahnen durch Verschränken vor stehender Maschenflächen entstanden sind. Die Sechs eckmaschenstege 37 können nach Fig. 3 noch eine Ver längerung 37a für die Anlage an den Brennstäben be sitzen.
Sie können jedoch auch gemäss Fig. 3b nur mit einer geradlinigen Oberkante versehen sein, die durch eine leichte Abrundung eine gleitende Berührung mit der Brennstaboberfläche ermöglicht.
Diese Vielzahl der gezeigten Abstützungsmöglich- keiten der Brennstäbe innerhalb der Abstandshalter- maschen zeigt, dass es auf der Grundbasis der vorliegen den Erfindung möglich ist bzw. sein dürfte, allen kon struktiven Gegebenheiten eines derartigen Brennelemen tes, insbesondere auch hinsichtlich der Auslegung der Hüllrohre, durch entsprechende Formgebung der An lagepunkte Rechnung zu tragen.
Allen derartigen Kon struktionen ist aber immer gemeinsam, dass das Ab standshaltergitter trotz verhältnismässig geringen Ma terialaufwandes eine grosse mechanische Stabilität be sitzt und somit auch in der Lage ist, die Brennstäbe des Brennelementes zuverlässig auf den vorgegebenen Ab ständen zu halten.
Es kommt dabei hinzu, dass auch die Brennstäbe der Randzone auf ihrem ganzen Umfang mit einem relativ gleichmässig quantitativen Anteil der Kühlströmung beaufschlagt sind, so dass Verbiegungen durch unterschiedliche Wärmeabfuhr nicht mehr mög lich sind. Dabei sei darauf hingewiesen, dass es zur wei teren Materialeinsparung bei gleichzeitiger Erhaltung der Festigkeitseigenschaften möglich ist, die Höhe der Randmaschen nach aussen hin zu verkleinern.
Als Materialien für diese Art von Abstandshaltern kommen wie üblich im wesentlichen nur solche in Frage, die möglichst wenig Neutronen absorbieren. Als zweiter Gesichtspunkt für die Materialwahl kommt die Festig keit und die Korrosionsbeständigkeit bei höheren Kühl mitteltemperaturen in Frage.
Insbesondere bei gasge- kühlten Reaktoren, bei denen nach besonders hohen Kühlgastemperaturen gestrebt wird, kommt im wesent lichen praktisch nur rostfreier Stahl oder eine hoch warmfeste Nickellegierung, wie z. B. Inconel> für die sen Zweck in Frage.
Dadurch dass bei dieser Abstands- halterkonstruktion sozusagen jeder Brennstab seine in dividuelle Einzelabstandshalter besitzt, ist auch eine in- dividuelle Justierung der einzelnen Brennstäbe in jeder Abstandshaltermasche möglich, womit eine weitere An passung und Vergleichmüssigung der Kühlwirkung des Kühlmittels über den gesamten Brennstabquerschnitt ge sehen erreicht werden kann.
Die Fertigung dieser Ab- standshalterkonstruktion bereitet ebenfalls keine Schwie rigkeiten, da die einzelnen Maschen in sehr grossen Serien und dabei mit sehr hoher Genauigkeit maschinell hergestellt werden können. Nachdem auch beim Ein- führen der Brennstäbe in die einzelnen Maschen keine Beeinflussung der Nachbarmaschen möglich ist, stösst auch der Zusammenbau eines mit derartigen Ab standshallern ausgerüsteten Brennelementes auf keine besonderen Schwierigkeiten.
Diese Abstandshalterkon- struktion erfüllt somit alle an eine derartige Einrichtung vom Herstellungs- und Verwendungsstandpunkt zu stel lenden Forderungen.
Fuel rod arrangement with a guide tube and spacers for heterogeneous nuclear reactors The invention relates to a fuel rod arrangement with a guide tube and spacers for heterogeneous nuclear reactors.
Such constructions are used in particular for gas-cooled nuclear reactors. As in the case of other fuel assemblies without a guide tube, so-called spacers are also necessary here in order to avoid impermissible bending of individual fuel rods and thus a disturbance in the coolant flow. In this regard, the fuel rods in the edge zone are particularly at risk, since there is a higher heat generation there, but on the other hand poorly adapted flow cross-sections correspond to this fact in the case of fuel element and spacer constructions that have been customary up to now.
The object and aim of the present invention is the construction of a novel fuel rod assembly that ensures uniform cooling of the outer fuel rods over its entire scope and also ensures proper retention of the fuel rods in their spacers with simple means and economical material consumption.
According to the invention, the fuel rod arrangement with a guide tube and spacers consists of hexagonal tubes arranged in a plane, connected to one another on their side surfaces, each of which comprises a fuel rod and centers it by projections machined from the tube material.
Embodiments of the invention are described below with reference to FIGS. 1 to 8.
Fig. 1 shows the cross section through a fuel assembly at the level of a spacer. The guide tube is denoted by 1, the fuel rods themselves by 2. From the spacer consists of hexagonal tubes 3, which are connected to each other on the abutting surfaces ver, conveniently soldered. Compared to spot welding, soldering achieves better intrinsic rigidity of the entire spacer structure.
Corresponding to the shape of this spacer structure, the guide tube is now milled out on its inside, as a result of which a uniform coolant flow and reliable guidance of the spacer grid is achieved. A possibility of fastening this Ab spacer grid in the guide tube can be seen from FIG.
It happens there, for example, via bolts 6, which are mounted in corresponding bores in the guide tube 1 and welded to the outside of the spacer grid. From this Fig. 2, which also shows a cross section through a spacer according to the invention, a different outer shape of the outer spacer mesh is shown in the left half b, which nestles against the previously usual round milling of the inner wall of the guide tube. For this purpose, an external clamping ring 7 is also provided, as is also recommended for the other versions.
For manufacturing reasons, however, the outer shape of the spacer grid according to FIG. 1 and FIG. 2a should be preferred. The rigid contact points or projections 4 and the resilient projections 5 are located within each mesh or each hexagonal tube. The rigid projections are worked out either from the surfaces or from the corners, expediently by embossing, since this method renounces a subsequent Rounding off the edges can be avoided.
4 to 8 now show, in a perspective representation, some possible embodiments of the individual hexagonal tubes or meshes of the spacer grid. According to FIG. 4, only rigid projections 31 and 32 are provided. The projections 31 are designed as pairs, namely at corners of the tube that are offset from one another by 120, in such a way that the upper and lower edges are pressed in accordingly. They result in a vibration-stable storage of the included fuel rod.
The arrangement of only one projection 32 is not so advantageous due to the higher surface load on the fuel rod. Fig. 5 shows a hexagonal tube in which the projections are worked out of the surfaces. These projections 33 are again located on the upper and lower edge of the mesh, opposite them a spring de expression 34, with the aid of which any diameter tolerances of the fuel rods can be better absorbed.
This creates a three-point support of each fuel rod within the spacer plane in the vertical direction as well. This example also shows a series of lateral openings 35 in the tube, which serve on the one hand to save material and thus to reduce harmful neutron absorption and on the other hand also to exchange coolant between adjacent meshes.
Fig. 6 shows a hexagonal tube with only fe-reducing projections that are pronounced from corner parts of the Röhr chens (39). However, their connection to the tube is loosened on one side, so that they protrude inwards as resilient spacer lugs.
However, the projections can also be designed in the form of continuous beads 38 according to FIG. This inclined arrangement of the beads also helps to give the coolant a longer guide to its partial deflection and turbulence.
Fig. 8 shows beads 40 which are attached here in the axial direction at the corner points of the hexagonal tube. Since the beads run axially parallel here, there is linear contact with the fuel rod, while according to FIG. 7 there is only point contact, which is preferable from a cooling point of view.
However, other possibilities of contact are also possible between the spacer grid and the fuel rods; for example, the projections can consist of bent tube parts, as is shown in FIGS. According to FIG. 2, there is only one contact point, which consists of angled side surfaces of the tubes.
According to Fig. 3, all three contact points or projections are formed from such bent mesh surfaces, with the spacer flags so bent over here by entangling in front of standing mesh surfaces. The six corner mesh webs 37 can still sit an extension 37a for the plant on the fuel rods be according to FIG. 3.
However, according to FIG. 3b, they can also be provided with only one straight upper edge which, by means of a slight rounding, enables sliding contact with the fuel rod surface.
This multitude of shown support options for the fuel rods within the spacer mesh shows that, on the basis of the present invention, it is or should be possible to carry out all the structural features of such a fuel element, in particular with regard to the design of the cladding tubes appropriate shaping of the contact points to take into account.
What all such constructions have in common, however, is that the spacer grid has a high mechanical stability despite relatively low material costs and is therefore also able to reliably keep the fuel rods of the fuel assembly at the specified distances.
In addition, the entire circumference of the fuel rods in the edge zone is subjected to a relatively uniform quantitative proportion of the cooling flow, so that bending due to different heat dissipation is no longer possible. It should be noted that in order to save more material while maintaining the strength properties, it is possible to reduce the height of the edge meshes towards the outside.
As usual, only those materials which absorb as few neutrons as possible come into consideration as materials for this type of spacer. The second aspect for the choice of material is the strength and the corrosion resistance at higher coolant temperatures.
In particular in gas-cooled reactors, in which the aim is to achieve particularly high cooling gas temperatures, essentially only stainless steel or a high-temperature nickel alloy, such as. B. Inconel> for this purpose in question.
Because each fuel rod has its own individual spacer, so to speak, with this spacer construction, individual adjustment of the individual fuel rods in each spacer mesh is also possible, with which further adaptation and equalization of the cooling effect of the coolant across the entire fuel rod cross-section is achieved can.
The production of this spacer construction is also not difficult, since the individual meshes can be produced by machine in very large series and with very high accuracy. Since it is not possible to influence the neighboring meshes even when inserting the fuel rods into the individual meshes, the assembly of a fuel assembly equipped with such a stand-up hall does not encounter any particular difficulties.
This spacer construction thus fulfills all the requirements to be met by such a device from the point of view of manufacture and use.