CH672558A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

In bekannten Typen von Kernreaktoren, beispielsweise in einem Siedewasserreaktor, wie er in dem Kernkraftwerk in Dresden in der Nähe von Chicago, Illinois, benutzt wird, weist der Reaktorkern mehrere mit Abstand voneinander angeordnete Brennelemente auf, die in einer Matrix angeordnet sind, welche zu einer sich selbst aufrechterhaltenden Kernspaltungsreaktion in der Lage ist. Der Kern ist in einem Druckbehälter enthalten, in welchem er in ein Arbeitsfluid, wie beispielsweise leichtes Wasser, untergetaucht ist, das sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient. Jedes Brennelement weist einen herausnehmbaren rohrförmigen Durchflusskanal auf, der typisch einen ungefähr quadratischen Querschnitt hat und eine Matrix aus langgestreckten, umhüllten Brennstoffstäben umgibt, die einen geeigneten Brennstoff, wie beispielsweise Uranoder Plutoniumoxid, enthalten und zwischen einer oberen und einer unteren Ankerplatte gehaltert sind. Die Brennelemente sind in einer Matrix mit gegenseitigem Abstand in dem Druckbehälter zwischen einem oberen Kerngitter und einem unteren Kernträger gehaltert. Die untere Ankerplatte jedes Brennelements ist mit einem Nasenstück versehen, das in eine Haltebuchse zur Verbindung mit einer Versorgungskammer für unter Druck stehendes Kühlmittel passt. Das Nasenstück ist mit Öffnungen versehen, durch die das unter Druck stehende Kühlmittel aufwärts durch die Brennelementdurchlusskanäle strömt, um Wärme aus den Brennstoffstäben abzuleiten. Ein typisches Brennelement dieses Typs ist beispielsweise in der US-PS 3 689 358 beschrieben. Ein Beispiel eines Brennstoffstabes ist in der US-PS 3 378 458 beschrieben.

Weitere Information über Kernreaktoren findet sich beispielsweise in «Nuclear Power Engineering», M. M. El-Wakil, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1962.

Ein typisches Brennelement wird beispielsweise durch eine Matrix von gegenseitigen Abstand aufweisenden Brennstoffstäben gebildet, die zwischen einer oberen und einer unteren Ankerplatte gehaltert sind, wobei die Stäbe mehrere Fuss lang sind, einen Durchmesser in der Grössenordnung von 12,7 mm (one-half inch) haben und einen gegenseitigen Abstand von einigen Millimetern aufweisen. Zum Erzeugen einer richtigen Kühlmittelströmung vorbei an den Brennstoffstäben ist es wichtig, die Brennstoffstäbe in festem Abstand zu halten und sie am Biegen und Vibrieren während des Reaktorbetriebes zu hindern. Mehrere Brennstoffstababstandshalter, die in gegenseitigem Abstand über der Länge des Brennelements positioniert sind, sind für diesen Zweck vorgesehen. Diese Abstandshalter sind beispielsweise in der US-PS 4 508 679 beschrieben.

In einem typischen Siedewasserreaktor haben die Brennelemente gegenseitigen Abstand, wie es beispielsweise in der US-PS 3 802 995 beschrieben ist. Dadurch verbleiben Spalte oder Kanäle zwischen den Brennelementen, die mit relativ kühlem

Wasser-Moderator gefüllt sind. Die peripheren Brennstoffstäbe der Brennelemente sind daher Neutronen relativ niedriger thermischer Energie ausgesetzt, die wahrscheinlicher eine Spaltung in dem Brennstoff verursachen, wogegen die Brennstoffstäbe in dem inneren Bereich der Brennelemente Neutronen mit höherer thermischer Energie ausgesetzt sind.

Ausserdem wird durch Sieden in dem oberen Teil des Siedewasserreaktorkerns die Neutronenmoderation in den oberen Bereich der Brennelemente reduziert.

Die peripheren Brennstoffstäbe tendieren, weil sie einer relativ grösseren Menge an thermischen Neutronen niedriger Energie ausgesetzt sind, zum Erzeugen von relativ mehr Leistung und haben daher einen höheren Wärmefluss als die Brennstoffstäbe in dem inneren Bereich. Zum Unterstützen der Kühlung der peripheren Brennstoffstäbe und zum Vermischen der durch das Brennelement hindurchgehenden Wasserströmung können nach innen gebogene Strömungsablenklappen dem peripheren Halteband der Brennstoffstababstandshalter hinzugefügt werden. Solche Leitbleche sind beispielsweise in der US-PS 4 061 536 beschrieben.

Ein ungleiches Moderator/Brennstoff-Verhältnis kann durch die Verwendung von «Teillänge»-Brennstoffstäben gemildert werden, die sich nur über den unteren (blasenfreien) Bereich des Brennelements erstrecken, wie es beispielsweise in der US-PS 2 998 367 beschrieben ist.

Zum Mildern der ungleichen Neutronenmoderation, die durch die Wasserkanäle verursacht wird, welche jedes Brennelement umgeben, und durch das Sieden in dem oberen Bereich des Reaktorkerns, können ein oder mehrere zentrale Brennstoffstäbe durch wasserführende Rohre ersetzt werden, die blasenfreies Wasser zu dem oberen Bereich des Brennelements transportieren. Solche Anordnungen sind beispielsweise-in den vorerwähnten US-Patentschriften 3 802 995 und 4 420 458 beschrieben. Gemäss diesen beiden US-Patentschriften haben die Wasserrohre etwa denselben Durchmesser wie die Brennstoffstäbe.

Die Idee, ein grosses Wasserrohr zu benutzen (z.B. eines, das vier Brennstoffstäbe ersetzt), ist beispielsweise auch aus der US-PS 3 132 076 (Fig. 5) und aus der US-PS 3 808 098 bekannt.

Die Verwendung eines solchen grossen Wasserrohres bringt jedoch Probleme mit sich, die im Stand der Technik weder angesprochen noch gelöst sind. Ein so grosses Wasserrohr ist von Haus aus ziemlich steif (im Vergleich zu den Brennstoffstäben kleineren Durchmessers). Wenn ein so grosses Wasserrohr an der unteren Ankerplatte befestigt wird, stellt es daher ein relativ starres Teil dar, das das Brennelement durch die Durchlässe in den Brennstoffstababstandhaltern durchquert.

Wenn das Brennelement Querbelastungen ausgesetzt ist, beispielsweise während eines Erdbebens, ist im allgemeinen davon auszugehen, dass die untere Ankerplatte und das Nasenstück des Brennelements ihren Sitz in ihrer Haltebuchse behalten, wogegen der obere Teil des Brennelements eine Quer Verlagerung erfahren kann. In einem solchen Fall kann das relativ steife grosse Wasserrohr die Brennstoffstababstandshalter Querbelastungen aussetzen, die die Belastbarkeit der Abstandshalter (insbesondere der untersten Abstandshalter) übersteigen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines gegenüber bestehenden Ausführungen verbesserten Kernreaktor-Brennele-ments, das bestrebt ist, die Neutronenmoderation auszugleichen, die Wärmeübertragung zu verbessern und den Kühlmitteldruckabfall zu minimieren.

Dabei soll eine Befestigungsanordnung für ein Wasserrohr geschaffen werden, die übermässige Querbelastungen an den Brennstoffstababstandshaltern vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des ersten Anspruches gelöst.

Das dabei geschaffene Befestigungsteil gestattet eine seitli5

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che Verlagerung des oberen Endes des Wasserrohres, ohne dass übermässige Kräfte auf die Brennstoffstababstandshalter ausgeübt werden. Das Wasserrohr ist oberhalb und unterhalb jedes Abstandshalters mit sich radial erstreckenden Nasen versehen, um die Abstandshalter in ihren axialen Positionen zu halten.

Das Befestigungsteil kann an seinem unteren Ende an der unteren Ankerplatte befestigt sein, das Wasserrohr an oder nahe beim oberen Ende der Brennstoffzone enden, und der Bereich der oberen Ankerplatte kann oberhalb des Wasserrohres offen sein, um den Kühlmitteldruckabfall zu verringern.

Ferner kann das Wasserrohr zwischen der oberen und unteren Ankerplatte gehaltert sein. Das flexible Befestigungsteil hat in dieser Ausführung die Form eines Rohres, das Öffnungen nahe dem unteren Ende des Brennelements aufweist, in die un-terkühltes Wasser einströmen und dann aufwärts in das Wasserrohr strömen kann, das Wasseraustrittsöffnungen an oder nahe dem oberen Ende der Brennstoffzone hat. Ein oberes Halteteil oder ein Fortsatz kleineren Durchmessers, der an dem oberen Ende des Wasserrohres angebracht ist, erfasst einen Haltehohlraum in der oberen Ankerplatte.

Es können ferner zwingenartige Brennstoffstababstandshalter für einen niedrigen Kühlmitteldruckabfall, Kühlmittelströ-mungsablenkrohre an dem peripheren Halteband der Abstandshalter für die Kühlmittel Vermischung und eine verbesserte Wärmeübertragung von den Oberflächen der peripheren Brennstoffstäbe aus und Teillänge-Brennstoffstäbe vorgesehen werden, die bestrebt sind, das Moderator/Brennstoff-Verhältnis auszugleichen sowie den Kühlmitteldruckabfall in dem Brennelement zu verringern.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig, 1 einen Längsschnitt durch ein Brennelement mit einer Befestigungsvorrichtung für ein Wasserrohr,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Seitenkraft, die durch das Wasserrohr auf den Brennstoffstababstandshalter ausgeübt wird,

Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt der Befestigungsvorrichtung für das Wasserrohr in der Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die obere Ankerplatte des Brennelements nach Fig. 1,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Befestigungsvorrichtung, welche die Verringerung der Seitenkräfte an dem Brennstoffstababstandshalter veranschaulicht,

Fig. 6 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Variante der Befestigungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch ein Brennelement mit einer weiteren Ausführungsform der Befestigungsanordnung,

Fig. 8A und 8B eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt der Befestigungsanordnung nach Fig. 7, und

Fig. 9 eine Draufsicht eines Brennstoffstababstandshalters zur Aufnahme des Wasserrohres.

Gemäss der Darstellung in Fig. 1 weist ein Brennelement 21 mehrere in gegenseitigem Abstand angeordnete Brennstoffstäbe 22 auf, die zwischen einer oberen Ankerplatte 23 und einer unteren Ankerplatte 24 gehaltert sind. (Eine 8x8 — Matrix ist dargestellt, der "Übersichtlichkeit halber sind aber nur einige der Brerinstoffstäbe 22 gezeigt.) Die Brennstoffstäbe 22 sind durch mehrere Brennstoffstababstandshalter 26 (von denen nur einer in Fig. 1 gezeigt ist) hindurchgeführt, die eine Zwischenhalte-rung bilden, um die langgestreckten Brennstoffstäbe in gegenseitigem Abstand zu halten und an seitlicher Vibration zu hindern.

Jeder Brennstoffstab 22 besteht aus einem langgestreckten Rohr, das eine Säule von Kernbrennstoff 27 enthält. Ein Sammelraum an dem oberen Ende des Brennstoffstabes 22 enthält eine Feder 25, die die Brennstoffsäule in ihrer Position hält.

Die Brennstoffstäbe 22 sind durch einen oberen Endstopfen 28 und einen unteren Endstopfen 29 verschlossen. Die unteren Endstopfen 29 sind mit einem Konus versehen zur Halterung und Abstützung in Hohlräumen 31 in der unteren Ankerplatte 24. Die oberen Endstopfen 28 sind mit Fortsätzen 32 versehen, deren obere Enden in Haltehohlräume in der oberen Ankerplatte 23 passen.

Von den Haltehohlräumen 31 in der unteren Ankerplatte 24 sind mehrere (z.B. ausgewählte periphere Hohlräume) mit Gewinde zur Aufnahme der Endstopfen von Verankerungsbrennstoffstäben 22' versehen, die mit Gewinde versehene Endstopfenschäfte 29' haben. Fortsätze 32' der Endstopfen 28 derselben Brennstoffstäbe sind langgestreckt, so dass sie durch die Hohlräume in der oberen Ankerplatte 23 hindurchführbar sind, und sind mit Gewinde zur Aufnahme von Haltemuttern 33 versehen. Auf den Fortsätzen 32 sind zwischen den oberen Endstopfen 28 und der oberen Ankerplatte 23 Ausdehnungsfedern 34 angeordnet. Auf diese Weise sind die obere und die untere Ankerplatte und die Brennstoffstäbe zu einem einstückigen Gebilde vereinigt.

Das Brennelement 21 weist weiter einen am Ende offenen, dünnwandigen, rohrförmigen Durchflusskanal 36 auf, der einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt hat und so bemessen ist, dass er über den Aussenseiten der oberen Ankerplatte 23 und der unteren Ankerplatte 24 und der Abstandshalter 26 einen Gleitsitz hat, so dass der Kanal 36 leicht montiert und entfernt werden kann. An der oberen Ecke des Kanals 36 ist ein Lappen 37 befestigt, durch den der Kanal 36 an einem Pfosten 38 der oberen Ankerplatte 23 durch eine Schraube 39 befestigt ist. Da der Kanal 36 nicht an der unteren Ankerplatte 24 befestigt ist, kann sich das obere Ende des Kanals 36 in be-zug auf die untere Ankerplatte 24 im Falle einer Bewegung des oberen Endes des Brennelements 21 frei bewegen.

Die untere Ankerplatte 24 ist mit einem sich nach unten erstreckenden Nasenstück 41 versehen, das konisch ausgebildet ist, um eine Brennelementhaltebuchse (nicht dargestellt) zu erfassen. Das untere Ende des Nasenstücks 41 ist mit einer Öffnung 42 zum Aufnehmen von Druckwasser (als Kühlmittel/Moderator) versehen, so dass dieses aufwärts zwischen den Brennstoffstäben strömen kann.

Die Brennstoffstababstandshalter 26 sind vorzugsweise als rohrförmige Zwingen ausgebildet, und zwar wegen ihres günstigen niedrigen Kühlmitteldruckabfalls, wie es in der oben erwähnten US-PS 4 508 679 gezeigt und im einzelnen beschrieben ist. Darüber hinaus ist das periphere Halteband 44 des Abstandshalters 26 vorteilhafterweise mit sich nach oben erstrek-kenden und nach innen gebogenen Kühlmittelströmungsablenk-lappen 46 versehen (vgl. auch Fig. 9). Die Strömungsablenklappen 46 sind bestrebt, das relativ kühlere Wasser, das sich längs der inneren Oberfläche des Durchflusskanals 36 nach oben bewegt, nach innen auf die Oberfläche der äusseren oder peripheren Brennstoffstäbe 22 abzulenken. Das unterstützt die Kühlung und die Wärmeübertragung von diesen Brennstoffstäben aus und erlaubt eine grössere Wärmeproduktion derselben, ohne dass thermische Grenzwerte überschritten werden.

Zum Unterstützen des Ausgleichens der Neutronenmoderation ist das Brennelement 21 mit einem grossen Wasserrohr 47 zum Transportieren relativ kalten Wassers aufwärts durch den zentralen Bereich des Brennelements versehen. Gemäss der Darstellung in Fig. 1 (vgl. auch Fig. 9) nimmt das grosse Wasserrohr 47 den Raum von vier Brennstoffstäben ein. Wie oben bereits kurz erläutert ist es ein Problem bei der Verwendung eines grossen Wasserrohres, eine Befestigungsvorrichtung zu schaffen, die eine Überlastung der Abstandshalter durch das grosse Wasserrohr im Falle einer seitlichen Verlagerung des Brennelements 21, beispielsweise während eines Erdbebens, verhindert.

Bevor die Befestigungsvorrichtung für das grosse Wasserrohr beschrieben wird, wird zur weiteren Erläuterung des Pro5

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blems auf Fig. 2 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt schematisch eine untere Ankerplatte 241, an der ein grosses Wasserrohr 471 starr befestigt ist, das durch einen Abstandshalter 261 hin-durchgeführt ist, welcher in einem Abstand L von der unteren Ankerplatte 241 angeordnet ist.

Wenn das Brennelement, zu dem diese Teile gehören, an seinem oberen Ende seitlich verlagert wird und das grosse Wasserrohr 471 von seiner Mittellinie aus um eine Strecke d (gemessen in der axialen Mittellinie des Abstandshalters 261) verlagert wird, dann wird das grosse Wasserrohr um einen Winkel A gebogen, mit dem Ergebnis, dass eine Kraft Fi auf den Abstandshalter 261 ausgeübt wird.

Die sich ergebende Seitenbelastung Fi des Abstandshalters wird durch folgende Beziehung bestimmt:

12 EI LA

Fi= (d ) (1)

L3 2

wobei:

E der Elastizitätsmodul des Rohres 471 ist,

I das Widerstandsmoment des Rohres 471 ist,

L der Abstand von der Ankerplatte 241 zu der axialen Mittellinie des Abstandshalters 261 ist,

d die seitliche Verlagerung des Rohres 471 gegenüber seiner normalen Mittellinie (gemessen in der axialen Mittellinie des untersten Abstandshalters 261) ist, und A der Ablenkwinkel ist.

Bei einem grossen Wasserrohr 471 aus Zirkoniumlegierung mit einem Aussendurchmesser von etwa 3,4 cm (1,35 Zoll) und einer Wanddicke von etwa 1 mm (0,04 Zoll) ergibt eine Ablenkung d von etwa 1,3 cm (0,5 Zoll) bei einer Länge L von etwa 50,8 cm (20 Zoll) eine Abstandshalterseitenbelastung Fi von etwa 73 kp (160 Ibs). Das übersteigt stark die normale Entwurfsbelastbarkeit des Abstandshalters 261, die in der Grossenordnung von maximal 6,8 kp (15 lbs) liegt.

Zum Vermeiden von solchen übermässigen Belastungen der Abstandshalter 26 wird das grosse Wasserrohr 47 gemäss der Erfindung an der unteren Ankerplatte 24 unter Verwendung eines relativ flexiblen Befestigungsteils 48 befestigt, das in Fig. 1 und ausführlicher in Fig. 3 gezeigt ist. In dieser Version hat das Teil 48 die Form einer Stange, die einen vergrösserten oder mit Flansch versehenen unteren Endteil 49 hat, welcher an seinem unteren Ende konisch und in einen ähnlich konischen Hohlraum 50 in der unteren Ankerplatte 24 eingesetzt ist. Der mit Flansch versehene Endteil 49 ist mit einer Gewindebohrung zur Aufnahme einer Schraube 52 versehen, mittels welcher das Befestigungsteil 48 an der Ankerplatte 24 befestigt wird.

An seinem oberen Ende ist das Teil 48 mit einem oberen, mit Flansch versehenen Teil 53 versehen, der eine äussere Oberfläche hat, die spanabhebend bearbeitet worden ist, um das untere Ende des grossen Wasserrohres 47 aufzunehmen, an welchem es durch Schweissen oder dgl. befestigt ist. Der mit Flansch versehene Teil 53 weist Durchlässe 54 zum Einleiten von Wasser in das Rohr 47 auf. Die untere äussere Oberfläche des mit Flansch versehenen Teils 53 ist spanabhebend bearbeitet worden, um eine sich nach unten erstreckende rohrförmige Einfassung 56 aufzunehmen, die an ihm durch Schweissen oder dgl. befestigt ist. Die Einfassung 56 gewährleistet, dass nur Wasser nahe dem unteren Ende des Brennelements, wo es relativ klein ist, in das grosse Wasserrohr 47 eingelassen wird.

In der axialen Position jedes Abstandshalters 26 ist das Wasserrohr 47 mit zwei gegenseitigen Abstand aufweisenden und sich radial erstreckenden Nasen 57 versehen, die die axiale Bewegung der Abstandshalter 26 begrenzen und diese so in der richtigen axialen Position halten. (Die Art der Befestigung der Abstandshalter 26 an dem Wasserrohr 47 ist weiter unten noch ausführlicher erläutert.)

Gemäss der Darstellung in Fig. 1 erstreckt sich das grosse Wasserrohr 47 nur bis etwa zu dem oberen Ende des Brennstoffes 27 in den Brennstoffstäben 22, da blasenfreies Wasser zur zusätzlichen Neutronenmoderation oberhalb dieses Punktes nicht benötigt wird. Ausserdem sind gemäss der Darstellung in Fig. 4 die Stege und Augen, die für die vier Brennstoffstäbe benötigt würden, welche das grosse Wasserrohr 47 ersetzt, bei der oberen Ankerplatte 23 weggelassen worden, um eine grosse Öffnung 58 für den Austritt von Dampf und Wasser aus dem Brennelement zu schaffen. Das Ende des Wasserrohres 47 am oberen Ende der Brennstoffsäule und die Öffnung 58 in der oberen Ankerplatte 23 tragen beide zur Verringerung des Kühlmitteldruckabfalls bei dem Durchgang des Kühlmittels durch das Brennelement 21 bei.

Fig. 5 veranschaulicht schematisch die Wirkung des flexiblen Befestigungsteils 48 beim Verhindern von übermässigen Seitenkräften an den Abstandshaltern 26. Da das Befestigungsteil 48 so ausgelegt ist, dass es sich viel leichter biegt als das Wasserrohr 47, kann davon ausgegangen werden, dass das Teil 48 die gesamte Biegebelastung aufnimmt.

Die resultierende Abstandshalterseitenbelastung F2 wird dann durch folgende Beziehung bestimmt:

d-LiA

F2 =

(L2)3 (L,L22) (2)

■ +

3 (EI) 2 (EI)

wobei:

E der Elastizitätsmodul des Befestigungsteils 48 ist,

I das Widerstandsmoment des Befestigungsteils 48 ist,

d die postulierte Querverlagerung des Rohres 47, beispielsweise während eines Erdbebens, ab seiner normalen Mittellinie (gemessen in der axialen Mittellinie des untersten Abstandshalters 26) ist,

Li + L2 der Abstand ab der unteren Ankerplatte 24 bis zu der axialen Mittellinie des Abstandshalters 26 ist,

L2 die Länge des flexiblen Befestigungsteils 48 ist, und

A der Biegewinkel ist.

Unter Verwendung dieser Beziehung können verschiedene Material-, Durchmesser- und Längenkombinationen für das Befestigungsteil 48 berechnet werden, um eine praktische Kombination zu ermitteln, die die Seitenkraft F2 an dem Abstandshalter geeignet begrenzen wird. Beispielsweise wurde eine praktische Kombination gefunden aus einem Teil 48 aus Zirkoniumlegierung mit einem Durchmesser von etwa 0,6 cm (0,25 Zoll) und einer Länge von etwa 12,7 cm (5 Zoll). Für eine postulierte Verlagerung d von 1,27 cm (0,5 Zoll) begrenzt das die Seitenkraft an dem Abstandshalter 26 auf etwa 2,27 kp (5 lbs), was deutlich innerhalb der Abstandshalterentwurfsgrenzwerte liegt.

Eine alternative Ausführungsform des Wasserrohrbefestigungsteils ist in Fig. 6 gezeigt. In dieser Version hat ein flexibles Befestigungsteil 481 die Form eines Rohres und ist an seinem unteren Ende mit einem konischen Endstopfen 491 versehen, der durch die Schraube 52 an der unteren Ankerplatte 24 befestigt ist. An dem oberen Ende des Befestigungsteils 481 ist ein Durchmesserübergangsteil 531 befestigt, das seinerseits an seinem oberen Ende an dem grossen Wasserrohr 47 durch Schweissen oder dgl. befestigt ist.

In dem unteren Ende des Befestigungsteils 481 sind mehrere Löcher 59 zum Einleiten von Kühlmittel in das Befestigungsteil 481 und von da aus in einen Durchlass 61, der in das grosse Wasserrohr 47 führt, gebildet. Ein praktischer Durchmesser, eine praktische Wanddicke und eine praktische Länge, die eine Abstandshalterseitenbelastung innerhalb der Entwurfsgrenzwerte ergeben, können durch die Verwendung der Gleichung (2) bestimmt werden, die oben angegeben ist. Beispielsweise kann

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das rohrförmige Befestigungsteil 481 aus einer Zirkoniumlegierung mit einem Aussendurchmesser von etwa 1,5 cm (0,60 Zoll) und einer Wanddicke von etwa 0,76 mm (0,03 Zoll) und einer Länge in der Grössenordnung von 38 cm (15 Zoll) hergestellt werden.

Eine alternative Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung für ein grosses Wasserrohr ist in Fig. 7 und in den gemeinsam zu betrachtenden Fig. 8A und 8B gezeigt. (In diesen Figuren tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren.)

Ein Brennelement 211 dieser Ausführungsform gleicht dem zuvor beschriebenen Brennelement 21 nach Fig. 1, ausgenommen hinsichtlich der Befestigungsvorrichtung für das grosse Wasserrohr 471. An seinem unteren Ende ist das Wasserrohr 471 (vgl. Fig. 8B) auf der unteren Ankerplatte 241 durch ein rohrförmiges flexibles Tragteil 482 abgestützt, das im Entwurf und im Aufbau dem zuvor beschriebenen Befestigungsteil 481 nach Fig. 6 entspricht. Der Unterschied besteht darin, dass es nicht mit einer Schraube an der unteren Ankerplatte befestigt ist, sondern dass der untere Endstopfen 492 dieser Ausführungsform mit einem langgestreckten, sich nach unten erstrek-kenden Schaft 62 versehen ist, der in einen verlängerten, passenden Hohlraum 63 in der unteren Ankerplatte 241 eingepasst ist. Der Schaft 62 ist hier beispielshalber mit einem quadratischen Querschnitt versehen, und der Hohlraum 63 hat eine dazu passende Form, um eine Drehung des Wasserrohres zu verhindern, die das Lösen der Abstandshalterhaltenasen von dem Abstandshalter 26 verursachen könnte, was ausführlicher in der oben erwähnten US-PS 3 802 995 erläutert ist. Der Schaft 62 und der Hohlraum 63 sind im Vergleich zu den unteren Endstopfenschäften der Brennstoffstäbe 22 langgestreckt, um das Lösen aus der unteren Ankerplatte 241 im Falle einer unterschiedlichen axialen Ausdehnung in bezug auf die Brennstoffstäbe zu verhindern, was ausführlicher in der oben erwähnten US-PS 4 420 458 beschrieben ist.

Das Tragteil 482, das an seinem unteren Ende an dem Endstopfen 492 befestigt ist, ist an seinem oberen Ende an dem grossen Wasserrohr 471 mittels des Übergangsteils 531 befestigt, wobei die Löcher 59 und der Durchlass 61 Wasser in das Rohr 471 einlassen.

Ein praktischer Entwurf für das flexible Tragteil 482 (d.h. dessen Durchmesser, Wanddicke und Länge bei einem ausgewählten Material) kann durch die Verwendung der oben angegebenen Gleichung (2) ermittelt werden. In einem praktischen Beispiel besteht das Teil 482 aus einer Zirkoniumlegierung mit einem Aussendurchmesser von etwa 1,5 cm (0,60 Zoll), einer Wanddicke von etwa 0,76 mm (0,03 Zoll) und einer Länge von etwa 38 cm (15 Zoll).

Gemäss der Darstellung in Fig. 8A endet das grosse Wasserrohr 471 in dem Bereich des oberen Endes des Brennstoffes 27 (Fig. 7) und ist an seinem oberen Ende mit einem oberen Halteteil versehen, das ein Übergangsstück 64 aufweist, an dem es durch Schweissen oder dgl. befestigt ist. In dem oberen ende des Wasserrohres 471 sind mehrere Löcher 66 gebildet, die einen Auslass für das Wasser bilden, das darin nahe dem oberen Ende des Brennstoffes 27 strömt, da eine zusätzliche Neutronenmoderation oberhalb des Brennstoffes 27 nicht nötig ist und das Ende des grossen Wasserrohres 471 in dieser Höhe den Kühlmitteldruckabfall reduziert.

An dem oberen Ende des Übergangsstücks 64 ist ein oberes Halteteil oder ein Fortsatz 67 befestigt, der als ein Rohrabschnitt dargestellt ist, der vorzugsweise aus einer Zirkoniumlegierung besteht und einen Durchmesser hat, welcher dem der Brennstoffstäbe 22 oder des Tragteils 482 gleicht. (Löcher 68 in dem Verlängerungsrohr 67 befreien das Rohr von einer äusse-ren/inneren Druckdifferenz.) An seinem oberen Ende ist der Fortsatz 67 mit einem Endstopfen 69 versehen, der mit einem langgestreckten Schaft 71 versehen ist, welcher sich durch einen

Haltehohlraum in der oberen Ankerplatte 231 erstreckt. Auf dem Schaft 71 ist zwischen dem Endstopfen 69 und der oberen Ankerplatte 231 eine Ausdehnungsfeder 341 angeordnet. Der Schaft 71 erstreckt sich über die obere Ankerplatte hinaus, um ein Lösen von derselben im Falle einer unterschiedlichen Ausdehnung in bezug auf die Brennstoffstäbe zu verhindern, und die Feder 341 kann mit mehreren engen Abstand aufweisenden Windungen versehen sein, um die Aufwärtsbewegung des Wasserrohres zu begrenzen, wie es in der oben erwähnten US-PS 4 420 458 erläutert ist.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform der Befestigung des grossen Wasserrohres gemäss Fig. 7 (im Vergleich zu der Ausführungsform nach Fig. 1) ist, dass das grosse Wasserrohr eingebaut und entfernt werden kann, ohne dass die Unterseite der unteren Ankerplatte 241 zugänglich zu sein braucht.

Ausserdem ist in Fig. 7 die Verwendung von Teillänge-Brennstoffstäben 221 gezeigt. Die dicht verschlossenen Brennstoffstäbe 221 können etwa ein Drittel bis etwa zwei Drittel der Länge der normalen oder Vollänge-Brennstoffstäbe 22 haben, haben aber vorzugsweise etwa die Hälfte dieser Länge. Zum Befestigen der Brennstoffstäbe 221 in dem Brennelement 211 können die Schäfte der unteren Endstopfen 291 mit Gewinde versehen sein, die in mit Gewinde versehene Haltehohlräume in der unteren Ankerplatte 241 einfassen. Zur sicheren Befestigung können diese Gewinde mit einem Konus versehen sein.

Fig. 9 zeigt eine Draufsicht (in der einige Teile weggelassen sind) auf den Abstandshalter 26, die unter anderem eine bevorzugte radiale Lage der Teillänge-Brennstoffstäbe 221 zeigt. Vorzugsweise sind die Brennstoffstäbe 221 einwärts der peripheren Brennstoffstäbe angeordnet. In dem dargestellten Fall sind vier Teillänge-Brennstoffstäbe 221 unmittelbar einwärts von den Eckbrennstoffstäben 22 angeordnet.

Die Vorteile, die sich durch die Teillänge-Brennstoffstäbe ergeben, sind ausführlicher in der oben erwähnten US-PS 2 998 367 beschrieben. Die Vergrösserung des Kühlmitteldurchflussquerschnittes in dem oberen Teil des Brennelements verringert den Kühlmitteldruckabfall. Die Verringerung der Menge an Brennstoff in dem oberen Teil des Brennelements, wo die Kalt-abschaltreaktivität ihren Spitzenwert erreicht, vergrössert den Kaltabschaltreaktivitätsspielraum.

Weitere Merkmale, die in Fig. 9 dargestellt sind, sind die Kühlmittelströmungsablenklappen 46 und die Modifizierung des Abstandshalters 26 zur Aufnahme des grossen Wasserrohres 47/471. (Nur einige der Zwingen 51, in vereinfachter Form, die den Abstandshalter 26 bilden, sind in Fig. 9 gezeigt. Eine ausführlichere Beschreibung eines solchen Abstandshalters und dessen Einzelheiten finden sich in der oben erwähnten US-PS 4 508 679.)

Zum Aufnehmen des grossen Wasserrohres 47 sind die vier zentralen Zwingen des Abstandshalters 26 weggelassen worden. Zwei Bügel 72, die mit einem insgesamt M-förmigen Querschnitt versehen sind und sich über die Länge der Zwingen erstrecken, sind jeweils an einer von zwei Abstand voneinander aufweisenden Zwingen 51, die das Wasserrohr 47 umgeben, befestigt (beispielsweise durch Schweissen). Die Bügel 72 dienen mehreren Zwecken. Sie verstärken den Abstandshalter 26. Sie dienen als relativ starre Anschläge zum seitlichen Festhalten des Wasserrohres 47, und einer der Bügel 72 wirkt mit den Abstandshalterhaltenasen 57 zusammen, um den Abstandshalter 26 in seiner richtigen axialen Lage zu halten.

Zum besseren Verdeutlichen der letztgenannten Funktion ist eine Haltenase 57 mit gestrichelten Linien in einer ersten radialen Position 73 zwischen den Bügeln 72 gezeigt. In dieser radialen Position kann das Wasserrohr 47 durch den Abstandshalter 26 hindurch eingeführt werden, bis sich der Abstandshalter zwischen zwei Haltenasen 57 befindet (vgl. z.B. Fig. 3). Nach dem Erreichen dieser axialen Position werden das Wasserrohr 47

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und der Abstandshalter 26 in bezug aufeinander gedreht (45°), bis einer der Bügel 72 sich zwischen dem Paar Nasen 57 in der radialen Position 74 befindet, in der die Nasen 57 nun den Bügel 72 erfassen können, um die axiale Verschiebung des Abstandshalters 26 zu begrenzen.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist das Wasserrohr 47 in seiner Abstandshalterhalteposition durch die Befestigungsschraube 52 befestigt. In der Ausführungsform nach Fig. 7

wird die Drehung des Wasserrohres 471 durch Einführen ihres geformten Endstopfenschafts 62 (Fig. 8B) in den geformten Hohlraum 63 der unteren Halteplatte 241 verhindert.

Entgegengesetzt zu den Bügeln 72 ist ein weiteres Paar Bü-5 gel 76 (die insgesamt U-förmig sind) zwischen benachbarten Zwingen 51 befestigt. An jedem Bügel 76 ist ein Federteil 77 befestigt, das Vibration verhindert, indem es das Wasserrohr 47 mit den Bügeln 72 in Kontakt hält.

4 Blätter Zeichnungen

Claims (18)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Kernreaktor-Brennelement, gekennzeichnet durch: mehrere langgestreckte Brennstoffstäbe (22), die jeweils eine

   Brennstoffsäule (27) enthalten;

   eine Halteeinrichtung, die mehrere Haltepositionen zum Festhalten der Brennstoffstäbe (22) in gegenseitigen Abständen in einer Matrix bildet, mit einer unteren Ankerplatte (24), die die unteren Enden der Brennstoffstäbe (22) erfasst;

   ein Nasenstück (41), das von der unteren Ankerplatte (24) aus vorsteht und eine Kühlmittelaufnahmekammer bildet;

   ein langgestrecktes Kühlmittelrohr (47), das sich aufwärts durch das Brennelement (21) erstreckt und den Raum von mehreren Brennstoffstäben (22) einnimmt, wobei das Kühlmittelrohr eine Öffnung an seinem unteren Ende zum Empfangen von Kühlmittel und eine Öffnung an seinem oberen Ende zum Abgeben von Kühlmittel hat;

   wenigstens einen Abstandshalter (26), der axial zwischen den oberen und unteren Enden der Brennstoffstäbe (22) angeordnet ist, zum seitlichen Haltern der Brennstoffstäbe und des Kühlmittelrohres (47); und ein Befestigungsteil (48) für das Kühlmittelrohr (47), wobei das untere Ende des Befestigungsteils (48) die untere Ankerplatte (24) erfasst und wobei das obere Ende des Befestigungsteils (48) an dem unteren Ende des Kühlmittelrohres (47) befestigt ist und wobei das Befestigungsteil (48) im Vergleich zum Kühlmittelrohr (47) relativ flexibel ist, wodurch im Falle einer seitlichen Verlagerung des oberen Endes des Kühlmittelrohres (47) übermässige Querkräfte an dem Abstandshalter (26) vermieden werden.
2. 2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsteil (48) mit einem vergrösserten konischen unteren Ende (49) versehen ist, das in einen konischen Haltehohlraum (50) in der unteren Ankerplatte (24) einfasst und an diesem mit einer Schraube (52) befestigt ist.
3. 3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsteil (48) mit einem vergrösserten oberen Ende (53) versehen ist, das an dem unteren Ende des Kühlmittelrohres (47) befestigt und mit wenigstens einem Durchlass (54) zum Einlassen von Kühlmittel in das Kühlmittelrohr (47) versehen ist.
4. 4. Brennelement nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine rohrförmige Einfassung (56), die an dem vergrösserten oberen Ende (53) des Befestigungsteils (48) befestigt ist und sich nach unten um das Befestigungsteil erstreckt, wodurch nur Kühlmittel nahe dem unteren Ende des Brennelements (21) in das Kühlmittelrohr (47) eingelassen wird.
5. 5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelrohr (47) an seinem oberen Ende offen ist und dass sich das obere Ende bis etwa in die Höhe des oberen Endes der Brennstoffsäule (27) in den Brennstoffstäben (22) erstreckt.
6. 6. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsteil (48) die Form einer Stange aus Zirkoniumlegierung mit einem Durchmesser von etwa 0,6 cm (0,25 Zoll) und einer Länge von etwa 12,7 cm (5 Zoll) hat.
7. 7. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsteil ein rohrförmiges Befestigungsteil (481) mit einem Aussendurchmesser von etwa 1,5 cm (0,60 Zoll),

   einer Wanddicke von etwa 0,76 mm (0,03 Zoll) und einer Länge von etwa 38 cm (15 Zol) ist, das mit mehreren Löchern (59) nahe seinem unteren Ende zum Einlassen von Kühlmittel in das Befestigungsteil und von da aus in das Kühlmittelrohr (47) versehen ist.
8. 8. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine obere Ankerplatte (23), die die oberen Enden der Brennstoffstäbe (22) erfasst und eine Öffnung (58) oberhalb des Kühlmittelrohres (47) aufweist, die einen Querschnitt hat, der wenigstens gleich dem Querschnitt des Kühlmittelrohres (47) ist.
9. 9. Brennelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine obere Ankerplatte (23), die die oberen Enden der Brennstoffstäbe (22) erfasst, und durch ein Halteteil (67) für das Kühlmittelrohr (47), wobei das obere Ende des Halteteils (67) die obere Ankerplatte (23) erfasst und das untere Ende des Halteteils (67) an dem oberen Ende des Kühlmittelrohres (47) befestigt ist.
10. 10. Brennelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelrohr (47) in der Nähe des oberen Endes der Brennstoffsäule (27) in den Brennstoffstäbe (22) endigt und dass das Halteteil (67) einen Durchmesser hat, der wesentlich kleiner als der Durchmesser des Kühlmittelrohres (47) ist.
11. 11. Brennelement nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Durchmesserübergangsstück (64) an dem unteren Ende des Halteteils (67), das an dem oberen Ende des Kühlmittelrohres (471) befestigt ist, durch einen Endstopfen (69) an dem oberen Ende des Halteteils (67), wobei der Endstopfen mit einem verlängerten Schaft (71) reduzierten Durchmessers versehen ist, durch eine Ausdehnungsfeder (341), die auf dem verlängerten Schaft zwischen dem unteren Ende des Endstopfens und der oberen Ankerplatte (231) angeordnet ist, und durch mehrere Löcher (66), die in dem oberen Ende des Kühlmittelrohres (471) etwa in der Höhe des oberen Endes der Brennstoffsäule (27) in den Brennstoffstäben (22) gebildet sind.
12. 12. Brennelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsteil für das Kühlmittelrohr aufweist:

    einen Rohrabschnitt (482) mit einem Durchmesser, der wesentlich kleiner als der Durchmesser des Kühlmittelrohres (471) ist;

    ein Durchmesserübergangsstück (531), das an seinem oberen Ende an dem unteren Ende des Kühlmittelrohres (471) und an seinem unteren Ende an dem Rohrabschnitt (482) befestigt ist;

    einen Endstopfen (492), der an dem unteren Ende des Rohrabschnitts (482) befestigt ist und die untere Ankerplatte (241) erfasst, wobei der Endstopfen mit einem langgestreckten verlängerten Schaft (62) mit einem anderen kreisförmigen Querschnitt versehen ist, der in einen mit ihm zusammenpassenden Hohlraum (63) in der unteren Ankerplatte (241) eingepasst ist, wodurch eine Drehung des Befestigungsteils und des Kühlmittelrohres (471) aus einer vorbestimmten radialen Position verhindert wird;

    mehrere Löcher (59), die in dem unteren Ende des Rohrabschnitts (482) gebildet sind, um Kühlmittel in dieses einzulassen; und einen sich axial erstreckenden Durchlass (61), der in dem Durchmesserübergangsstück (531) gebildet ist, zum Durchlassen von Kühlmittel aus dem Rohrabschnitt (482) in das Kühlmittelrohr (471).
13. 13. Brennelement nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch zwei axialen Abstand aufweisende Abstandshalterhaltenasen (57), die an dem Kühlmittelrohr (471) befestigt sind und sich radial oberhalb und unterhalb des Abstandshalters (26) erstrecken, um dessen axiale Verschiebung zu begrenzen, wenn das Kühlmittelrohr (471) in der vorbestimmten radialen Position ist.
14. 14. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch zwei axialen Abstand voneinander aufweisende Abstandshalterhaltenasen (57), die an dem Kühlmittelrohr (47) befestigt sind und sich radial oberhalb und unterhalb des Abstandshalters (26) erstrecken, um dessen axiale Verlagerung zu begrenzen, wenn das Kühlmittelrohr (47) in einer vorbestimmten Radialposition ist.
15. 15. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (26) als Zwinge ausgebildet ist und ein peripheres Halteband (44) hat, das mit

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    sich nach oben erstreckenden und nach innen gebogenen Kühl-mittelströmungsablenklappen (46) versehen ist.
16. 16. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch wenigstens einen Teillänge-Brennstoffstab (221), der auf der unteren Ankerplatte (24) befestigt ist und sich zwischen einem Drittel und zwei Dritteln der Länge der Vollän-ge-Brennstoffstäbe (22) erstreckt.
17. 17. Brennelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Teillänge-Brennstoffstab (221) eine Länge von etwa der Hälfte der Vollänge-Brennstoffstäbe (22) hat.
18. 18. Brennelement nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch vier Teillänge-Brennstoffstäbe (221), die jeweils in einer Brennstoffstabposition unmittelbar einwärts der Eckbrennstoffstäbe (22) des Brennelements (21) angeordnet sind.