CH558584A

CH558584A - Abstandsgitter fuer eine kernbrennstoffelementanordnung.

Info

Publication number: CH558584A
Application number: CH44473A
Authority: CH
Original assignee: British Nuclear Fuels Ltd
Priority date: 1972-01-13
Filing date: 1973-01-12
Publication date: 1975-01-31
Also published as: US3886038A; FR2168059A1; ES410617A1; NL7300527A; SE381357B; GB1382471A; JPS5538638B2; BE794000A; FR2168059B1; DE2301436A1; JPS4880993A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abstandsgitter für eine Kernbrennstoffelementanordnung.

Gemäss der vorliegenden Erfindung ist ein Abstandsgit ter für eine Kernbrennstoffelementanordnung mit einer
Mehrzahl aneinandergefügter, zylindrischer Halteringe, von denen jeder mindestens zwei in Umfangsrichtung distan zierte, starre Anschlagglieder hat, die vom Haltering nach innen vorstehen, und jedem dieser Halteringe ein Federfest halteglied zugeordnet ist, welches vom Haltering nach innen vorsteht und zwar in einem solchen Umfangsabstand relativ zu den starren Anschlaggliedern, dass die Wirkungslinie der
Federkraft des Federfesthaltegliedes zwischen den starren
Anschlaggliedern verläuft, die in einer gemeinsamen Durch messerebene liegen, dadurch gekennzeichnet, dass wenig stens einige der zylindrischen Halteringe einen Rand mit aus der Fläche der zylindrischen Wand herausragenden Teilen besitzen zur Erzielung einer Turbulenz im durch das Gitter strömenden Fluidum.

Die Mehrzahl von aneinandergefügten, zylindrischen Hal- teringen ist vorteilhaft durch Schweissen oder Hartlöten an ihren Berührungslinien verbunden, um eine polygonale Reihenanordnung von Halteringen zu bilden, welche teilweise durch Seitenplatten begrenzt sein können, ohne dass ein Um- fangsband nötig ist.

Bei einer solchen Anordnung von Halteringen können die Federfesthalteglieder in einigen benachbarten Paaren von Halteringen zweckmässig durch Doppelbügelfedern gebildet sein, welche ganz innerhalb des Halteringes verlaufen oder Teile haben können, die über die Enden der Halteringe vorstehen. In dem letzteren Fall können die Bügelfedern an ihren Verbindungsstellen über die Halteringe Schlaufen bilden. In der Längsmitte dieser Stelle können die Halteringe einwärts versenkt sein, um einen festen Rückanschlag zu bilden, der die Ablenkung der Bügelfeder begrenzt. Alternativ kann eine Doppelbügelfeder oder Doppeleinspannfeder an geschlitzten Teilen der Halteringe befestigt sein und in jedem Fall wirkt die Feder in einem Sinn gegen ein Paar in gleicher Ebene fester Anschläge und verläuft zwischen diesen.

In allen Fällen liegt die Kraftlinie des Federfesthaltegliedes innerhalb des Halteringes.

Eine Erhöhung der Wärmeübertragung zwischen dem über die durch die Halteringe distanzierten Kernbrennstoffstäbe strömenden Kühlmittel und dem Brennstoff kann durch Bildung von der Turbulenz Vorschub leistenden Lappen an den Rändern der Halteringe auf der Ausgangsseite des Gitters erreicht werden. Die Wirkung dieser Lappen kann durch Ablenkorgane erhöht werden, die an den Rändern der Halteringe auf der stromaufwärtigen Seite des Gitters liegen und das Kühlmittel ablenken, damit es bevorzugt eher durch die Halteringe als durch Spalte zwischen den Hal- teringen fliesst.

Ablenkorgane, welche unter einem Winkel von zwischen 45 und 90 zu der Achse der Halteringe liegen können, können auch als Mittel zum Einstellen des Gesamtdruckabfalls in dem durch das Gitter hindurchgehenden Kühlmittel dienen, indem der Winkel, unter dem die Ablenkorgane der vorkommenden Strömung ausgesetzt sind, passend gewählt wird.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung be schrieben, in welcher
Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform eines Abstandsgitters ist,
Fig. 2 ein Längsschnitt nach der Linie Il-II der Fig. list,
Fig. 3 ein Grundriss in Richtung des Pfeiles III in Fig. 1 ist,
Fig. 4 eine Einzelheit eines Halteringes der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist,
Fig. 5 ein Längsschnitt durch ein Paar aneinandergefügte Halteringe ähnlich der Fig. 2 jedoch einer alternativen Konstruktion ist,
Fig. 6 und 7 Ansichten im Aufriss der voneinander getrennten Halteringe der Fig. 5 sind,
Fig. 8 ein Längsschnitt eines alternativen Paares von aneinandergefügten Halteringen ist,
Fig. 9 und 10 Ansichten der voneinander getrennten Hal- teringe der Fig. 8 sind,
Fig.

11 ein Querschnitt nach der Linie XI-XI der Fig. 8 ist, und
Fig. 12 und 13 Querschnitte nach den Linien XII-XII in Fig. 13, bzw. XIII-XIII in Fig. 12 sind und einen Teil eines typischen Brennstoffelementes zeigen.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist ein Teil eines Abstandsgitters 5 für eine Kernreaktor-Brennstoffelementanordnung gezeigt.

Das Abstandgitter 5 weist eine Anordnung von aneinandergefügten rohrförmigen Halteringen 6 auf. Die Halteringe sind in einer quadratischen Reihenanordnung angeordnet, und es sind Seitenplatten 7 längs jeder der vier Seiten befestigt.

Die Halteringe 6 und die Seitenplatten 7 bestehen z. B. aus einem Material, wie Zirkaloy , und das Gebilde ist durch Schweissen oder Löten zwischen den Berührungsstellen der Halteringe 6 und zwischen den Halteringen und Seitenplatten 7 verbunden, wobei die äusseren Halteringe geschlitzt sein können, um die Platten aufzunehmen. Im Betrieb verläuft ein Brennstoffstab durch jeden Haltering 6 und ist seitlich gegen starre Anschlagglieder 9, die vom Haltering 6 nach innen gerichtet sind, durch ein Federfesthalteglied 10 festgehalten, das aus Inconel oder ähnlichem Federmaterial hoher Festigkeit besteht. In diesem Beispiel sind zwei Anschlagglieder 9 vorhanden, die auf der Innenseite jedes Halteringes 6 gebildet sind.

Die Glieder 9 sind von aerodynamischer Form in bezug auf das axial durch den Haltering strömende Fluidum, und sie können dadurch gebildet werden, dass die Seitenwand des Halteringes einwärts eingebogen wird. Alternativ kann eine grössere Anzahl von festen Anschlägen vorhanden sein.

Die Federfesthalteglieder 10 sind von zusammengesetzter Form, indem jedes für das Festhalten der Brennstoffstäbe von zwei benachbarten Halteringen 6 der Anordnung vorgesehen ist. Jedes der Federfesthalteglieder 10 weist zwei Bügelfedern 11 auf, welche an ihren Enden durch gewölbte Endteile 12 verbunden sind, die über die Halteringe 6 passen. Abflachungen (nicht gezeigt) können an den Rändern der Halteringe vorgesehen sein, um das Festlegen der Federn 11 zu erleichtern. Feste Anschläge 18 sind an den Halteringen hinter den Federn 11 vorgesehen, welche Anschläge in diesem Beispiel dadurch gebildet sind, dass Versenkungen in der Längsmitte von benachbarten Halteringen an ihrer Berührungslinie eingepresst sind.

Der Anschlag 18 begrenzt die Auswärtsablenkung des Federfesthaltegliedes 10, dessen Kraftlinie radial einwärts gegen die Längsachse des Halteringes gerichtet ist, während seine Lage in dem Haltering relativ zum Anschlagglied 9 so ist, dass es zwischen diesen Anschlaggliedern verläuft und ein Brennstoffstab daher zwischen den starren Anschlaggliedern und dem Federfesthalteglied, im wesentlichen zentral festgehalten wird. Somit kann im Betrieb Kühlmittel axial über den Brennstoffstab fliessen und durch das Abstandgit- ter hindurchgehen, innerhalb welchem ein Teil des Kühlmittels durch die Halteringe und ein Teil zwischen ihnen hindurchgeht.

Der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und den Brennstoffstäben wird erhöht, erstens durch Vorsehen eines Ablenklappens 16 auf den Kühlmitteleintrittsseiten von abwechselnden Halteringen 6, um Strömung in den Haltering bevorzugt zu Strömung durch die Spalte zwischen Halteringen zu unterstützen, und zweitens durch Anbringen von Lap pen 13 an dem Rand jedes Halteringes auf der Kühlmittelaustrittsseite, um der Turbulenz im strömenden Kühlmittel Vorschub zu leisten. Obschon von den Lappen 16 und 13 jeder den Wärmeaustausch für sich günstig beeinflusst, ergibt ihre kombinierte Anwendung eine kumulative Wirkung.

Vorteilhaft sind die Ablenklappen 16 so angeordnet, dass sie in einer Ebene liegen, welche die Halteringachse unter 45 schneidet. Ähnliche Ablenklappen 16a sind an den Seiten platten 7 vorgesehen. Die Turbulenzlappen 13 sind hier als Kronierungen um den Rand des Halteringes gezeigt, gebildet durch Erzeugen von distanzierten axialen Einschnitten in den Rand und Biegen des Blechmaterials zwischen benach barten Paaren von Einschnitten abwechselnd einwärts und auswärts. Die Lappen 13 erzeugen Wirbel, wodurch ein Mischen des Fluidums erhalten und das Abstreifen von Blasen von den Brennstoffstäben in den Halteringen gefördert wird.

Somit wird die Wärmeleistung des Brennstoffelementes erhöht.

Eine Anzahl von speziellen Halteringen 17 in jedem Abstandsgitter 5 ermöglicht das Festhalten der Abstandgitter in bezug auf Zirkaloy -Führungsrohre (nicht gezeigt), welche längs zwischen oberen und unteren Endfassungen der ganzen Brennstoffelementanordnung verlaufen. Die Halteringe 17 können mit der Paarbildung der Federhalteglieder in die Quere kommen und in solchen Fällen kann eine einzelne Feder vorgesehen sein.

Bei der beschriebenen Anordnung des Federhaltegliedes 10 kann das Abstandgitter zusammengebaut (wenn erforderlich durch Hartlöten) und geprüft werden, bevor die Federn eingesetzt werden. Wenn der Zusammenbau der Halteringe 6 fertig ist, werden die an einem Ende verschweissten Federn 11 über die Bänder eingesetzt und am anderen Ende verschweisst. Bei einer alternativen Anordnung werden die Federfesthalteglieder durch Biegen an einem Ende aus einem Stück gebildet und am anderen Ende verschweisst. In beiden Fällen sind die Federn so angeordnet, dass sie die Bänder nur an den Rändern berühren.

Bei einer weiteren in den Fig. 5, 6 und 7 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die gleiche Anordnung von der Turbulenz Vorschub leistenden Lappen vorgesehen, jedoch liegt das Federfesthalteglied ganz innerhalb dem Paar benachbarter Halteringe.

Die Federhalteglieder 20 sind von zusammengesetzter Form, indem jedes für das Festhalten der Brennstoffstäbe 1 von zwei benachbarten Halteringen 6 der Anordnung dient.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass jedes der Federfesthalteglieder 20 zwei Bügelfedern 21 aufweist, welche an ihren Enden durch gewölbte Endteile 22 verbunden sind. Ein Haltering 6a jedes Paares besitzt einen Längsschlitz 23 und der andere Haltering 6b des Paares hat einen entsprechenden Längsschlitz 24. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist der Schlitz 23 in dem einen Haltering 6a des Paares von grösserer Breite als der Schlitz 24 in dem anderen Haltering 6b. Ein Zungenglied 25 verläuft von einer Längskante des Schlitzes 23 in dem einen Haltering 6b gegen die andere Längskante des Schlitzes 23. Das Zungenglied 25 ist von der gleichen Breite wie die Breite des Schlitzes 24 in dem anderen Haltering 6b, und es besteht ein Spalt zwischen der Längskante des Zungenglie des 25 und der gegenüberliegenden Längskante des Schlitzes 23.

Wie durch die gestrichelten Umreisslinien in Fig. 6 ge zeigt ist, liegt der Schlitz 24 in dem Haltering 6b über dem Schlitz 23 in dem Haltering 6a, so dass das Zungenglied 25 in dem Schlitz 24 des Halteringes 6b liegt. Das Federfesthalteglied 20 passt um das Zungenglied 25, wobei die Endverbindungsteile 22 des Federfesthaltegliedes 20 durch die entsprechenden offenen Enden der Schlitze 23 und 24 in den Halteringen 6a und 6b hindurchgehen.

Das Federfesthalteglied 20 ist mit jedem zugeordneten Paar von Halteringen 6a und 6b zusammengebaut, indem zuerst das Federfesthalteglied 20 auf das Zungenglied 25 in dem Haltering 6a durch den Spalt zwischen der Kante des Zungengliedes 25 und der Kante des Schlitzes 23 in dem Haltering 6a wird dann an den Haltering 6b hart angelötet oder angeschweisst, wobei das Zungenglied 25 in den Schlitz 24 im Haltering 6b passt, was das Federfesthalteglied 20 zwischen den Halteringen 6a und 6b in der in Fig. 5 gezeigten Lage fasst. Sonst ist das Brennstoffabstandgitter der Fig. 5-7 gleich dem in bezug auf Fig. 1-4 beschriebenem. Die starren Anschlagglieder 9 sind so geformt, dass sie die Strömungsbehinderung des Kühlmittels über die Brennstoffstäbe 1 durch die Halteringe 6 auf ein Minimum herabsetzen.

Ein Haltering 6 von jedem Paar von Hal- teringen besitzt ein Ablenkorgan 16, das an der Kühlmitteleintrittsseite des Halteringes 6 gebildet ist, um Kühlmittelfluss in die Halteringe 6 bevorzugt zum Kühlmittelfluss durch die Spalte zwischen den Halteringen 6 zu begünstigen. Die Ablenkorgane 16 sind vorteilhaft unter 45 zur Längs achse der Halteringe 6 angeordnet. Der obere Rand der Hal- teringe ist kronenförmig oder gerippt, um Wirbel zu erzeugen, so dass das Fluidum gemischt und somit die Wärmeleistung des Brennstoffelementes erhöht wird.

Fig. 8 zeigt eine alternative Form des Federfesthaltegliedes 10, welches zwei doppelte freitragende Federn 32 aufweist, die mit einem mittleren Brückenteil 33 verbunden sind. Wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, haben die zwei Halteringe 6 jedes Paares Längsschlitze 34. Wenn das Paar von Halteringen 6 miteinander verbunden ist, überlappen sich die inneren Enden des Schlitzes 34, um eine Mittelöffnung zu belassen, welche den mittleren Brückenteil 33 des Federfesthaltegliedes 10 aufnimmt. Die Schlitze 34 in den Halteringen 6 sind für das Einsetzen der freitragenden Federn 32 des Federfesthaltegliedes 10 durch die Schlitze 34 während dem Zusammenbau des Federfesthaltegliedes 10 mit den Hal- teringen 6 von genügender Länge hergestellt.

Es ist bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zu beachten, dass die Benutzung von einzelnen zylindrischen Halteringen mit zylindrischen Brennstoffstäben im allgemeinen einen gleichmässigen Strömungsbereich für Kühlmittel um jeden Stab dort gewährleistet, wo der Stab durch das Gitter hindurchgeht. Bei dieser gleichmässigen Strömung wird der ganze Nutzen der Turbulenz hervorrufenden Lappen und stromaufwärtigen Strömungsablenkorganen am besten ausgenützt.

Fig. 11 zeigt, dass beide Federn und der Brückenteil aus einem einfachen Metallstreifen gebildet sind. Der Brückenteil ist kastenförmig gefaltet und wirkt mit der Unterkante eines Schlitzes und der Oberkante des anderen zusammen.

Die Konstruktion gestattet es auch, das ganze Gitter aus Zirkalloy herzustellen, wobei die Federfesthalteglieder aus Nickellegierung hoher Festigkeit bestehen.

Als Alternative zu der Benutzung von Seitenplatten 7 können Eckplatten benutzt werden, welche an ihren Aussenflächen Vorsprünge tragen können, die als Abstandsglieder wirken, um die Brennstoffanordnung von anderen Anordnungen zu distanzieren. Die Seitenplatten 7, oder Winkelplatten können erhaltene Bügel aus dem Plattenmaterial haben, in welche ein Arm einer Doppelbiegefeder festgelegt sein kann, um die Feder mit ihrem anderen nach aussen vorstehenden Arm zu halten, welcher mit dem benachbarten, die Wand des Kühlkanals bildenden Teil zusammenwirkt. Eine solche Feder ist z. B. bei 60 in Fig. 1 gezeigt.

In Fig. 12 und 13 ist ein Teil einer Kernreaktor-Brennstoffelementanordnung gezeigt, welche eine Mehrzahl von zylindrischen Brennstoffstäben 41 aufweist, die parallel zueinander in einem Bündel angeordnet sind. Die Brennstoffstäbe 41 sind durch Abstandsgitter 45 im Abstand längs nebeneinander im Bündel angeordnet. Eines der Abstandsgitter ist teil weise in Fig. 12 und 13 gezeigt Jedes Abstandsgitter 45 um fasst eine Anordnung von aneinandergefügten rohrförmigen
Halteringen 46 mit Seitenplatten 57 und Querversteifungsstreben 48. Die Halteringe 46, die Seitenplatten 47 und die Ver steifungsstreben 48 bestehen z. B. aus einem Material, wie Zirkaloy und das Gebilde ist durch Schweissen oder Hartlöten zwischen den Berührungsstellen der Halteringe 46, der Platten 47 und der Versteifungsstreben 48 verbunden.

Jeder
Brennstoffstab 41 verläuft durch einen Haltering 46 und ist seitlich gegen starre Anschlagglieder 49, die auf der Innenseite der Halteringe 46 vorstehen, durch ein Federfesthalteglied 50 gehalten, das aus Inconel oder ähnlichem Federmaterial hoher Festigkeit besteht. Es sind zwei Anschlagzylinder 48 auf der Innenseite jedes Halteringes 46 gebildet und in in Umfangsrichtung distanzierten Lagen angeordnet. Die Federfesthalteglieder 50 sind von zusammengesetzter Form, wie in Fig. 5 gezeigt ist, und jedes bewirkt die Festlegung der Brennstoffstäbe 41 von zwei benachbarten Halterungen 46 der Anordnung.

Eine Anzahl von Halteringen 46 in jedem Abstandgitter 45 dient zum Festhalten der Abstandgitter mit Führungsrohren 52, welche in Längsrichtung zwischen oberen und unteren Endteilen 43 und 44 in der Brennstoffelementanordnung verlaufen. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, sind solche Führungsrohr-Halteringe 46 mit Lappen 51 an jedem Ende versehen.

Diese Lappen 51 sind an die Führungsrohre 52 angelötet oder angeschweisst. Die Führungsrohre 52 weisen eine Endkappe 58 aus Zirkaloy an ihrem unteren Ende auf. Diese Endkappe 58 ist mit einem Zapfen 59 aus rostfreiem Stahl versehen, welcher in eine Bohrung 54 im unteren Endteil 44 eingepasst und punktgeschweisst ist. An ihren oberen Enden sind die Führungsrohre 52 in Öffnungen 55 im oberen Endteil 43 eingezogen. Die Führungsrohre 52 können den Paarungen der Federhaltglieder in die Quere kommen und in solchen Fällen ist eine einfache Feder vorgesehen.

Claims

PATENTANSPRUCH

Abstandgitter für eine Kernbrennstoffelementanordnung mit einer Mehrzahl aneinandergefügter, zylindrischer Halteringe (6), von denen jeder mindestens zwei in Umfangsrichtung distanzierte, starre Anschlagglieder (9) hat, die vom Hal- tering nach innen vorstehen, und jedem dieser Halteringe ein Federfesthalteglied (10; 20) zugeordnet ist, welches vom Haltering nach innen vorsteht und zwar in einem solchen Umfangsabstand relativ zu den starren Anschlaggliedern, dass die Wirkungslinie der Federkraft des Federfesthaltegliedes (10; 20) zwischen den starren Anschlaggliedern verläuft, die in einer gemeinsamen Durchmesserebene liegen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der zylindrischen Halteringe einen Rand mit aus der Fläche der zylindrischen Wand herausragenden Teilen (13) besitzen zur Erzielung einer Turbulenz im durch das Gitter strömenden Fluidum.

UNTERANSPRÜCHE 1. Abstandsgitter nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teile (13) an den oberen Rändern der Halteringe befinden und als Lappen (13) ausgebildet sind.

2. Abstandsgitter nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die unteren Ränder der Halteringe je ein nach aussen gebogenes Ablenkorgan besitzen, um das Kühlmittel in die Halteringe abzulenken.

3. Abstandsgitter nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Federfesthalteglied als Doppelbügelfeder (20) ausgebildet ist, welche über je zwei untereinander verbundene Halteringe (6) geführt ist und mit den Teilen (13) zusammenwirkt.

4. Abstandsgitter nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Federfesthalteglied (10) eine doppelte freitragende Feder ist, die mit ihrem Mittelteil (33) in je zwei Halteringe (6) eingesetzt ist und je zwei Enden in jeden Haltering hineinragt.

5. Abstandsgitter nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkorgan eine Metallzunge (16) ist, die vom Rand des Halteringes (6) unter einem Winkel von zwischen 45 und 90 Grad zur Halteringachse verläuft.

6. Abstandsgitter nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch an den Halteringen (6) angebrachte Seitenplatten (7), welche die äussere Begrenzung des Gitters bilden und durch Federmittel (60), welche von den Seitenplatten nach aussen vorstehen, und zum Abstützen des Abstandgitters an benachbarten Bauteilen, wie der Innenwand eines Kühlmittelkanals, dienen.