DE10122489A1

DE10122489A1 - Abstandhalter in einem Brennelement für einen Kernreaktor

Info

Publication number: DE10122489A1
Application number: DE10122489A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dresel; Norbert Schmidt
Original assignee: Framatome ANP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2002-11-28

Abstract

Abstandshalter von Brennelementen für Kernkraftwerke führen und halten mit Kernbrennstoff gefüllte Brennstäbe. Zu diesem Zweck dienen Gitter (9) aus parallel zu ihren Achsen starr miteinander verbundenen Hülsen (10), die mindestens eine in einen Kühlmittelstrom hineinragende Fahne (13) tragen. Dabei darf die Hülle der Brennstäbe durch die Haltekräfte nicht beschädigt werden und muss im Kühlmittelstrom ein ausreichender Drall erzeugt werden. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß optimiert, indem je Hülse (10) mindestens drei federnde zungenförmige Ausprägungen (18) über eine linienförmige Auflage einen Brennstab (4) stützen und indem auf dem ersten Gitter (9) ein zweites Gitter (11) aus sich kreuzenden Stegen mit einer Fahne (13) zur Drallerzeugung liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abstandhalter für ein Bündel von mit Kernbrennstoff gefüllten Brennstäben in einem Brennelement für einen Kernreaktor in dem ein zur Führung der Brennstäbe dienendes Gitter aus parallel zu ihren Achsen starr miteinander verbundenen Hülsen besteht und in dem einem durch einen Kühlka nal zwischen den Brennstäben fließenden Kühlmittelstrom durch eine Fahne ein Drall aufgezwungen ist.

Kernbrennstoff zum Einsatz in Kernreaktoren ist üblicherweise tablettiert in Brenn stäben angeordnet. Jeweils etwa 80 bis 400 von diesen Brennstäben sind zu ei nem Bündel zusammengefasst und in einem meist im Querschnitt quadratischen Brennelement angeordnet.

Brennelemente für Siedewasserreaktoren sind auf ihrer ganzen Länge von einem nach unten und nach oben offenen Brennelementkasten umhüllt und enthalten meist im Zentrum des Bündels aus Brennstäben noch einen praktisch unbeheiz ten Wasserkanal, durch den Wasser direkt in den oberen Bereich des Brennele ments gefördert wird. Steuerstäbe zur Steuerung eines Neutronenflusses sind bei dieser Anordnung zwischen benachbarten Brennelementen außerhalb des Brenn elementkastens vorgesehen und werden von unten in Spalte zwischen den Bren nelementkästen geschoben.

In Druckwasserreaktoren stehen die Bündel einander benachbarter Brennele mente direkt nebeneinander im Kühlmittelstrom. Steuerstäbe zur Steuerung des Neutronenflusses tauchen bei dieser Anordnung von oben in die Brennelemente selbst ein. Dabei gleiten die Steuerstäbe in Führungsrohren, die in einigen Posi tionen des Bündels anstelle von Brennstäben angeordnet sind.

Sowohl bei Siedewasserreaktoren als auch bei Druckwasserreaktoren sind die Brennstäbe durch Abstandhalter geführt und gestützt, wobei innerhalb des Bün dels aus Brennstäben Kühlkanäle mit kreuzartigem Querschnitt für Kühlwasser ströme freigehalten sind.

Die EP 0 517 750 B1 zeigt in ihren Fig. 3, 4 und 5 sowie dem zugehörigen Be schreibungsteil für Brennelemente eines Siedewasserreaktors Abstandhalter aus rechtwinklig ineinander geschachtelten Stegen. Die Stege bilden im Querschnitt quadratische Zellen zur Aufnahme von je einem Brennstab. Innerhalb der Zellen sind die Brennstäbe quer zu ihrer Längsachse zwischen Noppen und/oder einge hängten Federn eingespannt. Durch sehr kleine, annähernd punktförmige Aufla gen der Brennstäbe an den Noppen und/oder Federn ist die auftretende Flächen pressung relativ hoch und kann insbesondere beim Auftreten von möglichen Querschwingungen der Brennstäbe durch Fretting deren Lebensdauer beein trächtigt sein. Die Stege tragen bei diesen bekannten Abstandhaltern in Kühlka näle zwischen die Brennstäbe hineingebogene Fahnen, durch die in einem Kühl mittelstrom ein Drall erzeugt ist. Dieser Drall gewährleistet, dass auf jeden Fall spezifisch schwerere Bestandteile des Kühlmittels an die Brennstäbe geschleu dert werden. Dies sind im Falle von Siedewasserreaktoren vor allem ein noch nicht verdampfter, also noch flüssiger Anteil des Kühlmittels und im Falle von Druckwasserreaktoren ein bis dahin weniger stark aufgeheizter Anteil des flüssi gen Kühlmittels.

Ebenfalls durch die EP 0 517 750 B1 ist in deren Fig. 6, 7,8 und 9 sowie dem zu gehörigen Beschreibungsteil ein Abstandhalter bekannt, bei dem anstelle von Stegen parallel zu ihren Längsachsen starr miteinander verbundene Hülsen vor gesehen sind, wobei in jedem Abstandhalter je Brennstab eine Hülse vorgesehen ist. Auch hierbei sind die Brennstäbe quer zu ihrer Achse durch Noppen und/oder eingehängte Federn eingespannt, so dass wiederum der oben beschriebene Nachteil auftreten kann. Bei dieser Lösung mit Hülsen anstelle von Stegen sind ebenfalls in die Kühlkanäle hineingebogene Fahnen vorgesehen, die vom oberen Rand der Hülse selbst getragen sind. Bei dieser Anordnung ist jedoch die Fertigung der Fahnen, insbesondere sobald eine besondere räumliche Form erforder lich ist, fertigungstechnisch unerwünscht aufwändig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abstandhalter zu schaffen, bei dem einerseits zur Halterung von Brennstäben erforderliche Haltekräfte mit einer deutlich geringeren als der maximal zulässigen Flächenpressung erreicht sind und bei dem andererseits zur Erzeugung eines Dralls im Kühlmittelstrom ge eignete Fahnen fertigungstechnisch einfach herstellbar sind.

Diese Aufgabe ist bei einem Abstandhalter der eingangs genannten Art erfin dungsgemäß gelöst, indem je Hülse mindestens drei quer zur Hülsenlängsachse federnde Zungen mit je einer achsparallelen Rippe über eine linienförmige Aufla ge einen Brennstab stützen und indem auf dem ersten Gitter aus Hülsen ein zweites Gitter aus sich rechtwinklig kreuzenden Stegen mit mindestens einer in einen Kühlkanal hineingebogenen Fahne liegt.

Durch die getrennte Herstellung zweier sich prinzipiell unterscheidender Gitter sind die unterschiedlichen Funktionen Einspannen der Brennstäbe und Steuern des Kühlmittelstroms überraschend einfach, sicher und wenig aufwändig zu ge währleisten. Dies trifft besonders dann zu, wenn gemäß den Ansprüchen 2 und 3 die beiden Gitter die gleiche Zellen- oder Maschenweite und Maschenanordnung aufweisen und lediglich durch äußere Rahmenbleche miteinander verbunden sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 bis 17 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Brennelement für einen Druckwasserreaktor in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Quadranten eines aus Hülsen zusammengesetzten Gitters für einen Abstandhalter eines Brennelements,

Fig. 3 einen Quadranten eines aus ineinander verschachtelten Stegen be stehenden Gitters für einen Abstandhalter eines Brennelements,

Fig. 4 einen Quadranten eines Abstandhalters für ein Brennelement,

Fig. 5 eine Hülse in Seitenansicht und Schnitt gemäß einer Linie III-III,

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Hülse entlang einer Linie I-I,

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Hülse entlang einer Linie II-II,

Fig. 8 eine Ansicht auf die Hülse in Richtung IV,

Fig. 9 eine Hülse mit dreieckigem Querschnitt in einer Draufsicht,

Fig. 10 einen Gitterausschnitt aus Hülsen gemäß Fig. 9,

Fig. 11 einen Gitterausschnitt aus verschachtelten Stegen mit im Quer schnitt sechseckigen Maschen und

Fig. 12 einen Gitterabschnitt aus verschachtelten Stegen mit im Querschnitt Rhomben bildenden Maschen.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszei chen versehen.

Ein Brennelement 1 ist mit einer rohrartigen Verlängerung 2 unter seinem Brenn elementfuß 3 in einer nicht dargestellten unteren Lochplatte zentriert. Das im Querschnitt quadratische Brennelement 1 umfasst 16 × 16 Positionen für Brenn stäbe 4, wobei jedoch 4 × 5 dieser Positionen von Steuerstabführungsrohren 5 eingenommen sind. Die Brennstäbe 4 sind praktisch auf ihrer gesamten Länge mit tablettiertem Kernbrennstoff gefüllt und erstrecken sich um etwa 4,5 m vertikal nach oben bis an einen Brennelementkopf 6, der von einer ebenfalls nicht darge stellten oberen Lochplatte geführt ist und sich federnd an dieser abstützt.

Von den etwa 4,5 m langen Brennstäben 4 sind in Fig. 1 lediglich etwa das unter ste Achtel und die oberen Enden dargestellt. Die Brennstäbe 4 bestehen im We sentlichen aus von außen sichtbaren Hüllrohren mit einem Durchmesser von etwa 9 bis 11 mm und einer Wanddicke von weniger als 1 mm und aus dem von den Hüllrohren zusammengehaltenen in Tabletten gepressten Kernbrennstoff. Jeder einzelne Brennstab 4 ist aufgrund seiner geometrischen Abmessung je für sich allein quer zu seiner Längsachse relativ leicht verformbar. Die Brennstäbe 4 eines Brennelements 1 sind daher zu einem einzigen Bündel zusammengefasst, das durch Abstandhalter 7 zusammengehalten ist. Die Abstandhalter 7 sind im Ab stand von etwa 0,5 m übereinander angeordnet, so dass beim dargestellten Aus führungsbeispiel zehn Abstandhalter 7 vorgesehen sind, von denen allerdings nur drei in Fig. 1 zu sehen sind. Infolge der Führung und Stützung der Brennstäbe 4 durch die Abstandhalter 7 bilden diese einen in sich festen Block, der durch im Normalbetrieb auftretende Kräfte auch quer zu seiner Längsachse praktisch nicht verformbar ist.

Von dem Abstandhalter 7 sind in Fig. 1 lediglich äußere Rahmenbleche 8 zu se hen. Der Aufbau und die Gestalt der Abstandhalter 7 ist aus den Fig. 2 bis 12 er sichtlich.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht in vergrößertem Maßstab auf einen Quadranten eines ersten Gitters 9 aus Hülsen 10, die in Zeilen Z und Spalten Sp ein Raster mit qua dratischen Maschen bilden. Der dargestellte Quadrant ist der obere linke Teil ei nes vollständigen unteren Gitters 9, in dem je Quadrant fünf Positionen P von Hülsen 10 frei sind und zur Aufnahme von in Fig. 2 nicht dargestellten Führungs rohren für Steuerstäbe dienen. Die Hülsen 10 sind aus zylindrischen Abschnitten eines Rohres mit kreisrundem Querschnitt hergestellt und entlang von dabei nicht verformten achsparallelen Bereichen beispielsweise durch Verschweißen fest mit einander verbunden.

Fig. 3 zeigt im gleichen Maßstab wie Fig. 2 einen Quadranten eines zweiten Git ters 11 aus rechtwinklig miteinander verschachtelten Stegen 12. Dabei sind die äußersten Stegpositionen von den Rahmenblechen 8 eingenommen. Das Git ter 11 trägt nach oben frei in den Raum hineinragende Fahnen 13, die beim Aus schneiden der Stege 12 stehen bleiben und durch Biegen, Stanzen und/oder Zie hen ohne besondere Schwierigkeiten auch in eine verwickelte Form bringbar sind.

Diese Herstellung der Stege 12 ermöglicht je nach Bedarf die Anordnung von ein bis vier Fahnen 13 je Kreuzungspunkt. Die fertigen Stege 2 sind im Anschluss an ihre Verschachtelung an ihren Kreuzungspunkten 14 beispielsweise durch Schweißen fest miteinander verbunden.

Fig. 4 zeigt, dass die Gitter 9 und 11 gleiche Maschenweiten und -anordnungen aufweisen, so dass sie zur Aufnahme der durchgehenden Brennstäbe 4 und Steuerstabführungsrohre 5 geeignet sind. Dazu sind die gleichen Positionen P im Gitter 11 wie im Gitter 9 zur Aufnahme von Steuerstabführungsrohren 5 vorberei tet. Außerdem dienen dadurch die Rahmenbleche 8 gleichzeitig zur Einfassung je eines Gitters 9 mit darauf liegendem Gitter 11 und stellen eine zuverlässige starre Verbindung zwischen den jeweils von ihnen umfassten Gitterpaaren her.

Aus den Fig. 5, 6 und 7 sind Einzelheiten der Hülse 10 ersichtlich. Dabei ist durch eine dünne strichpunktierte Linie mit jeweils zwei Punkten zwischen zwei Strichen die kreisrunde Ausgangsform der Hülse 10 angedeutet. In die Hülse 10 sind je weils um 90° gegeneinander versetzt Vertiefungen 15 eingeprägt. Jede dieser Vertiefungen 15 ist an den Enden der Hülse 10 um etwa den achtzehnten Teil und ausgehend von der Mitte der Hülse 10 nach oben und nach unten über jeweils etwa ein Viertel der Länge der Hülse 10 um etwa den neunten Teil des Hülsen durchmessers in die Hülse 10 hineingedrückt. Im Grund jeder Vertiefung 15 ist ein Schlitz 16 vorgesehen, der an seinen Enden in runde Öffnungen 17 mündet. Die runden Öffnungen 17 haben einen Durchmesser, der etwa doppelt so groß ist wie der Schlitz 16 breit. Dadurch sind im Grund jeder Vertiefung 15 zwei sich symme trisch gegenüberliegende breite Zungen in Form einer bügelförmigen Ausprä gung 18 freigeschnitten, die beim Auftreten entsprechender Kräfte quer zur Längsachse der Hülse 10 federnd ausweichen. Die freien Enden der Zungen tra gen parallel zu ihrer Kante und zur Längsachse der Hülse 10 je eine von außen eingedrückte Sicke 19, die als achsparallele Rippe 20 in die Hülse 10 hinein vor steht. Die Rippen 20 liegen im Querschnitt der Hülse 10 auf einem Kreis, dessen Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Brennstäbe 4.

Ist eine derartige Hülse 10 auf einen Brennstab 4 geschoben, so weichen die mit ihren Rippen 20 auf das Hüllrohr des Brennstabes 4 aufgleitenden bügelförmigen Ausprägungen 18 federnd aus und legen sich mit ihrer ganzen Länge auf das Hüllrohr. Dabei bestimmt die bei der Herstellung der Hülse frei wählbare Länge der Ausprägung 18 und damit die Länge der Rippe 20 die Länge von deren Aufla ge auf dem Hüllrohr des Brennstabs 4. Somit ist die Flächenpressung für eine be stimmte Haltekraft zwischen Brennstab 4 und Hülse 10 auf eine fast beliebig klei ne, auf jeden Fall aber auf eine weit unter einem zulässigen Wert liegende Größe einstellbar. Prinzipiell genügen hierzu zwar schon drei Ausprägungen 18 in der Hülse 10, aber bei einer gewünschten Absenkung der Flächenpressung werden dann relativ früh unpraktikabel große Hülsenlängen erreicht, so dass die Auftei lung der Haltekraft auf 4 × 2 Rippen 20 günstiger ist.

Hülsen 10 gemäß Fig. 9 weisen zwar nur drei Seiten mit je einer Vertiefung 15 auf und haben je Brennstab nur 3 × 2 Rippen, sind aber in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft einsetzbar. Diese im Querschnitt dreieckigen Hülsen 10 sind, wie Fig. 10 zeigt, zu einer Art hexagonalem Gitter 9 zusammenfügbar. Ein hierzu pas sendes Gitter 11 aus sich kreuzenden Stegen 12 mit im Querschnitt sechseckigen Maschen trägt Fahnen 13 und ist in Fig. 11 dargestellt.

Fig. 12 zeigt ein Gitter 11 aus sich kreuzenden Stegen 12 mit Fahnen 13. Diese Ausführung des Gitters 11 bildet im Querschnitt Rhomben darstellende Maschen und ist anstelle des in Fig. 11 gezeigten Gitters 11 mit im Querschnitt sechsecki gen Maschen einsetzbar. Das Gitter 11 gemäß der Fig. 12 hat den fertigungs technisch großen Vorteil, aus lediglich zwei Gruppen von Stegen zusammmenge setzt zu sein.

Die Aufteilung der von einem Abstandhalter 7 in einem Brennelement 1 zu erfül lenden Funktionen auf je eines der Gitter 9 und 11 ermöglicht die Anpassung an sehr weit auseinander liegende Anforderungen und ist deshalb in verschiedensten Anwendungsbereichen sowohl bei Siedewasserreaktoren als auch bei Druckwas serreaktoren möglich und sinnvoll.

Bezugszeichenliste

1

Brennelement

2

Verlängerung

3

Brennelementfuß

4

Brennstab

5

Steuerstabführungsrohr

6

Brennelementkopf

7

Abstandhalter

8

Rahmenblech

9

Gitter, unteres

10

Hülse

11

Gitter, oberes

12

Steg

13

Fahne

14

Kreuzungspunkt

15

Vertiefung

16

Schlitz

17

Öffnung

18

Ausprägung

19

Sicke

20

Rippe
Z Zeile
Sp Spalte
P Position

Claims

1. Abstandhalter für ein Bündel von mit Kernbrennstoff gefüllten Brennstä ben (4) in einem Brennelement (1) für einen Kernreaktor, in dem ein zur Führung der Brennstäbe (4) dienendes Gitter (9) aus parallel zu ihren Ach sen starr miteinander verbundenen Hülsen (10) besteht und in dem einem durch einen Kühlkanal zwischen den Brennstäben (4) fließenden Kühlmit telstrom durch eine Fahne (13) ein Drall aufgezwungen ist, dadurch gekennzeichnet, dass je Hülse (10) mindestens drei quer zur Hülsenlängsachse federnde, bügelförmige Ausprägungen (18) mit je einer achsparallelen Rippe (20) über eine linienförmige Auflage einen Brennstab (4) stützen und dass auf dem ersten Gitter (9) aus Hülsen (10) ein zweites Gitter (11) aus sich kreu zenden Stegen (12) mit mindestens einer in den Kühlkanal hineingeboge nen Fahne (13) liegt.

2. Abstandhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Mittelpunkte der Maschen aus den beiden Gittern (9, 11) übereinander liegen.

3. Abstandhalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gitter (9, 11) durch äußere Rahmenbleche (8) starr mitein ander verbunden sind.

4. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt gleiche Maschen vorgesehen sind.

5. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschen im Querschnitt gleichseitige Drei-, Vier- oder Sechsecke darstellen.

6. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschen im Querschnitt Vielecke mit gleichen Innenwinkeln dar stellen.

7. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Gitter (11) aus sich kreuzenden Stegen in einem ausschließ lich von Brennstäben (4) flankierten Kühlkanal je Kreuzung mindestens ei ne Fahne (13) vorgesehen ist.

8. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Hülse (10) etwa gleich dem 2,5-fachen ihres Durch messers ist.

9. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass je Hülse (10) 4 × 2 federnde bügelförmige Ausprägungen (18) vorge sehen sind.

10. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei der federnden Ausprägungen (18) symmetrisch zu einem Schlitz (16) in der Hülsenwand angeordnet sind, wobei der Schlitz (16) mit tig zwischen zwei Verbindungslinien der Hülse (10) mit benachbarten Hül sen (10) vorgesehen ist.

11. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden jeweils den selben Schlitz (16) flankierenden federnden Ausprägungen (18) zusammen mit diesem in einer nach innen in die Hül se (10) hineingedrückten Vertiefung (15) liegen.

12. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (16) an beiden Enden in eine runde Öffnung (17) mündet.

13. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite der runden Öffnung (17) quer zum Schlitz (16) etwa gleich dessen doppelter Breite ist.

14. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die den Schlitz (16) und die federnden Ausprägungen (18) enthalten de Vertiefung (15) an den Enden der Hülse (10) um etwa den achtzehn ten Teil und ausgehend von der Mitte der Hülse (10) nach oben und nach unten über jeweils etwa ¼ der Länge der Hülse (10) um etwa den neunten Teil des Hülsendurchmessers in die Hülse (10) hineingedrückt ist.

15. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertiefung (15) in Umfangsrichtung der Hülse (10) über nahe zu 70 bis 90° erstreckt.

16. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass über einem Gitter (9) aus Hülsen (10) mit im Querschnitt dreieckigen Maschen ein Gitter (11) aus sich kreuzenden Stegen (12) mit im Quer schnitt sechseckigen Maschen liegt.

17. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass über einem Gitter (9) aus Hülsen (10) mit im Querschnitt dreieckigen Maschen ein Gitter (11) aus sich kreuzenden Stegen (12) mit im Quer schnitt einen Rhombus bildenden Maschen liegt.