DE102012221287A1

DE102012221287A1 - Spacer arrangement for holding fuel rods in preset position, has spacer including notches provided in cylinder surface, and fuel rods adjacent to cylinder arranged such that fuel rod surface of fuel rods completely lies in notches

Info

Publication number: DE102012221287A1
Application number: DE201210221287
Authority: DE
Inventors: Nikolay Kolev
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-05-22

Abstract

The arrangement has a spacer including notches (6) provided in a cylinder surface (5) of a cylinder (4). The cylinder is connected with an adjacent cylinder by a connector (7). Fuel rods (1) adjacent to the cylinder are arranged such that a fuel rod surface (2) of the fuel rods completely lies in the notches at the cylinder surface. A swirl plate (9) i.e. helical twisted metal plate, is arranged in the cylinder and welded with the cylinder. The metal plate has an inclination of approximately 45 degrees.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstandshalteranordnung umfassend eine Mehrzahl von Brennstäben mit einer äußeren Brennstabsoberfläche, wobei die Brennstäbe in definiertem Abstand von einander angeordnet sind. The invention relates to a spacer arrangement comprising a plurality of fuel rods with an outer fuel rod surface, wherein the fuel rods are arranged at a defined distance from each other.

Brennstabbündel schließen eine Matrix paralleler und abgedichteter Brennstäbe ein. Die Brennstäbe werden durch eine untere Gitterplatte, welche zum Abstützen und zum beabstanden der Brennstäbe dient, und durch eine obere Gitterplatte, welche zum Abstützen zum beabstanden der Brennstäbe dient, zusammengehalten. Jeder Brennstab ist von seinem benachbarten Brennstab beabstandet. Während des Betriebs tritt Kühlmittel, beispielsweise Wasser, durch die untere Gitterplatte ein und wird durch die Brennstäbe erhitzt. Dieses Kühlmittel kann zudem verdampfen. Das Kühlmittel strömt vertikal von der unteren Gitterplatte zu der oberen Gitterplatte. Abstandshalter von Brennstäben haben die Funktion, den Abstand der einzelnen Brennstäbe zu halten, indem sie die Bewegung der einzelnen Stäbe verhindern und die Brennstoffstäbe bei Vibrationen festhalten. Die Abstandshalter können jedoch einen Druckverlust in der Kühlmittelströmung hervorrufen. Der Druckverlust reduziert jedoch den Wirkungsgrad. Kommt es nämlich zu einem Mangel an flüssigem Kühlmittel auf der äußeren Oberfläche des Brennstabes, so kann es zum Filmsieden kommen. Filmsieden ist eine Form der Verdampfung von Flüssigkeiten bei sehr hohen Wärmestromdichten. Es bildet sich auf der Heizfläche ein durchgehender Dampffilm, der eine hohe wärmeisolierende Wirkung hat. Der Brennstab ist dadurch nur Dampf ausgesetzt und die Wärmeübertragung vom Inneren des Brennstabes auf das Kühlmittel ist verringert. Dies hat zur Folge, dass bei gleichbleibender Wärmestromdichte auch die Brennstaboberflächentemperatur deutlich ansteigt. Fuel bundles include a matrix of parallel and sealed fuel rods. The fuel rods are held together by a lower grid plate which serves to support and space the fuel rods, and an upper grid plate which serves to support the fuel rods to space them. Each fuel rod is spaced from its adjacent fuel rod. During operation, coolant, such as water, enters through the lower grid plate and is heated by the fuel rods. This coolant can also evaporate. The coolant flows vertically from the lower grid plate to the upper grid plate. Fuel rod spacers function to maintain the spacing of the individual fuel rods by preventing movement of the individual rods and holding the fuel rods in vibration. However, the spacers can cause a pressure loss in the coolant flow. However, the pressure loss reduces the efficiency. If there is a lack of liquid coolant on the outer surface of the fuel rod, so it can come to film boiling. Film boiling is a form of evaporation of liquids at very high heat flux densities. It forms on the heating surface, a continuous vapor film, which has a high heat insulating effect. The fuel rod is thereby exposed only to steam and the heat transfer from the interior of the fuel rod to the coolant is reduced. This has the consequence that at a constant heat flux density and the fuel rod surface temperature increases significantly.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Abstandshalteranordnung, welche die oben genannten Probleme vermindert oder gar vermeidet. The object of the invention is to specify a spacer arrangement which reduces or even avoids the above-mentioned problems.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Angabe einer Abstandshalteranordnung nach Anspruch 1. The object is achieved by the specification of a spacer arrangement according to claim 1.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in der hohen Steifigkeit der Abstandshalteranordnung verbunden mit besonders geringem Druckverlust. Durch Einbuchtungen werden die Brennstoffstäbe an Abstandshaltern fixiert. Ein Herausrutschen der Brennstoffstäbe bei Vibration, auch bei sehr starker Vibration, ist daher nicht möglich. Das Bindeglied zwischen den einzelnen, benachbarten Zylindern sorgt für die notwendige Steifigkeit der Abstandshalteranordnung. The particular advantage of the invention lies in the high rigidity of the spacer assembly associated with particularly low pressure loss. By indentations, the fuel rods are fixed to spacers. Slipping out of the fuel rods during vibration, even with very strong vibration, is therefore not possible. The link between the individual adjacent cylinders provides the necessary rigidity of the spacer assembly.

Bevorzugt ist im Zylinder zumindest eine Drallplatte angeordnet. Bevorzugt ist die zumindest eine Drallplatte eine schraubenförmig verdrehte Metallplatte. Diese kann eine Steigung von ungefähr 45 Grad aufweisen. Durch die schraubenförmig verdrehte Metallplatte wird dem Kühlmittel ein Drall aufgeprägt, der auch nach Passieren des Zylinders anhält. Das Kühlmittel erhält somit eine Strömungsrichtung, welche quer zur ursprünglichen Strömungsrichtung ist. Sozusagen erhält das Kühlmittel eine horizontale Geschwindigkeitskomponente bei einer vertikalen Anordnung der Brennstäbe, welche bei einer Steigung von 45 Grad besonders gut in Verbindung mit einem niedrigen Druckverlust ist. Dadurch trifft das noch nicht verdampfte Kühlmittel auf eine Brennstabsoberfläche, wo es Wärme durch Verdampfen abführt. Ein Filmsieden kann somit insbesondere im Bereich der Strömung mit weniger Flüssigkeit, verglichen mit dem Fall ohne Drall, vermieden werden. Bevorzugt ist die zumindest eine Drallplatte mit dem Zylinder verschweißt. Dadurch ergibt sich eine hohe Festigkeit der Konstruktion bei Vibrationen. At least one swirl plate is preferably arranged in the cylinder. Preferably, the at least one swirl plate is a helically twisted metal plate. This may have a slope of about 45 degrees. Due to the helically twisted metal plate, a swirl is imparted to the coolant, which stops even after passing through the cylinder. The coolant thus receives a flow direction, which is transverse to the original flow direction. So to speak, the coolant maintains a horizontal velocity component with a vertical arrangement of the fuel rods, which is particularly good at a 45 degree slope in conjunction with a low pressure drop. As a result, the unevaporated coolant hits a fuel rod surface where it dissipates heat by evaporation. Film boiling can thus be avoided, especially in the area of flow with less liquid compared to the case without swirl. Preferably, the at least one swirl plate is welded to the cylinder. This results in a high strength of the construction during vibration.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Darin zeigt schematisch: Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figure. In it shows schematically:

1: ausschnittsweise einen Querschnitt von vier Brennstäben mit einer erfindungsgemäßen Abstandshalteranordnung, 1 1 shows a detail of a cross section of four fuel rods with a spacer arrangement according to the invention,

2: zeigt beispielhaft eine Drallplatte 2 : shows an example of a swirl plate

1 zeigt ausschnittsweise einen Querschnitt von vier Brennstäben 1 (Brennstabbündel) mit einer Brennstabsoberfläche 2, die in einer den Brennstabbündel umgebenden Wand 11 eingeschlossen sind. Dabei ist die Wand 11 nur teilweise gezeigt. Unterhalb und oberhalb der Brennstäbe 1 ist eine Gitterplatte (nicht gezeigt) vorhanden, in welchen die Brennstäbe 1 in ihrer Position gehalten werden. Die Brennstäbe 1 sind in definiertem gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet, also beispielsweise in einer quadratischen, dreieckigen oder anderen Matrix. Die Brennstäbe 1 sind jedoch sehr lang gestreckt, teilweise um die 4m und dünn. Zudem sind die Brennstäbe 1 zumeist flexibel. Die Brennstäbe 1 können daher aufgrund der Vibrationen, welche beispielsweise durch die Strömung des Kühlmittels verursacht werden, aus ihrer vorgesehenen Position heraus biegen und miteinander in schleifenden Kontakt kommen. Um dies zu vermeiden, wird die erfindungsgemäße Abstandshalteranordnung eingesetzt. Diese umfasst mehrere Abstandshalter. Dabei umfasst jeder Abstandshalter einen Zylinder 4 mit einer Zylinderfläche 5. Der Zylinder 4 entspricht im Wesentlichen einem deformierten Kreiszylinder. Die Brennstäbe 1 sind um den Zylinder 4 angeordnet, und zwar so, dass die Zylinderfläche 5 Einbuchtungen 6 aufweist, in denen die Brennstäbe 1, welche den Zylinder 4 umgeben, anliegen. Alle den Zylinder 4 umgebenden Brennstäbe 1 liegen somit an der Zylinderfläche 5 an. Bei Vibrationen durch die Strömung werden die Brennstäbe 1 daher lediglich gegen diese Einbuchtungen 6 gestoßen. Durch diese Einbuchten 6 werden die Brennstäbe 1 an den vorgesehenen Positionen fixiert. Die Brennstoffstäbe 1 können auch durch diese Einbuchtungen 6 vorgespannt werden (Federeffekt). Der Zylinder 4 ist mit einem jeweils benachbarten Zylinder 4 durch ein Bindeglied 7 miteinander verbunden. Dadurch ergibt sich eine hohe Steifigkeit und die Brennstäbe 1 werden auch bei starken Vibrationen auf ihrer vorbestimmten Position gehalten. Sind die Brennstäbe 1 durch diese Einbuchtungen 6 vorgespannt, so werden die Brennstäbe 1 auch bei sehr großen Vibrationen in den Einbuchten 6 gehalten. Somit kann ein schleifender Kontakt der Brennstäbe 1 untereinander vermieden werden. Da die Zylinder 4 eine kleine Querschnittsversperrung bieten, bleibt die Strömung des Kühlmittels weitestgehend ungestört. Daraus ergibt sich lediglich ein geringer Druckverlust. 1 shows a detail of a cross section of four fuel rods 1 (Fuel rod bundle) with a fuel rod surface 2 in a wall surrounding the fuel assembly 11 are included. Here is the wall 11 only partially shown. Below and above the fuel rods 1 There is a grid plate (not shown) in which the fuel rods 1 be held in their position. The fuel rods 1 are arranged at a defined uniform distance from each other, so for example in a square, triangular or other matrix. The fuel rods 1 However, they are stretched very long, partly around 4m and thin. In addition, the fuel rods 1 mostly flexible. The fuel rods 1 Therefore, due to the vibrations caused by, for example, the flow of the coolant, they may bend out of their intended position and come into sliding contact with each other. To avoid this, the spacer assembly according to the invention is used. This includes several spacers. Each spacer comprises a cylinder 4 with a cylindrical surface 5 , The cylinder 4 essentially corresponds to a deformed circular cylinder. The fuel rods 1 are around the cylinder 4 arranged, in such a way that the cylindrical surface 5 indentations 6 in which the fuel rods 1 which the cylinder 4 surround, abut. All the cylinder 4 surrounding fuel rods 1 thus lie on the cylindrical surface 5 at. With vibrations by the flow become the fuel rods 1 therefore only against these indentations 6 encountered. Through these Einbuchten 6 become the fuel rods 1 fixed at the intended positions. The fuel rods 1 can also through these indentations 6 be biased (spring effect). The cylinder 4 is with a respective adjacent cylinder 4 through a link 7 connected with each other. This results in a high rigidity and the fuel rods 1 are kept at their predetermined position even with strong vibrations. Are the fuel rods 1 through these indentations 6 biased, so are the fuel rods 1 even with very large vibrations in the bays 6 held. Thus, a sliding contact of the fuel rods 1 be avoided with each other. Because the cylinders 4 provide a small Querschnittsversperrung, the flow of the coolant remains largely undisturbed. This results in only a slight pressure loss.

Die umgebende Wand 11 des Brennstabbündels ist möglichst offen um den Eintritt und den Austritt des Kühlmittels zu gestatten. Als Kühlmittel kann beispielsweise Wasser herangezogen werden, jedoch sind auch andere Kühlmittel vorstellbar. Kühlmittel z.B. Wasser tritt somit durch beispielsweise eine untere Gitterplatte (nicht gezeigt) ein, erhitzt sich und Kühlmittel, beispielsweise Wasser bzw. ein Kühlmitteldampf- z.B. ein Wasserdampf-Gemisch tritt durch beispielsweise eine obere Gitterplatte (nicht gezeigt) wieder aus. Jedoch hat der Dampf, beispielsweise der Wasserdampf entscheidende Nachteile: es ist weniger dicht als das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, und kann daher die Wärme der Brennstabsoberfläche 2 nicht mehr so gut aufnehmen. Daher kann in die Zylinder 4 zumindest eine Drallplatte 9 eingebaut werden. Dies kann zum Beispiel eine schraubenförmig verdrehte Metallplatte 9’ (2) sein. Durch die verdrehte Metallplatte 9’ (2) erfährt die Strömung eine Zentrifugalkraft. Die Abstandshalteranordnung scheidet dadurch mehr flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Wasser, von einer Kernströmung ab, welche auf die Brennstoffstäbe treffen. Dabei ist mit Kernströmung diejenige Strömung des Kühlmittels gemeint, welche nicht im Bereich der Wand 11 stattfindet. Die vermehrte Flüssigkeitsabscheidung wird durch die verdrehte Metallplatte 9’ (2) hervorgerufen, die innerhalb der Abstandshalter angeordnet ist. Die Flüssigkeit, beispielsweise das Wasser, bewegt sich aufgrund dieser Zentrifugalkraft in Richtung auf die Brennstäbe 1. The surrounding wall 11 of the fuel assembly is as open as possible to allow entry and exit of the coolant. As a coolant, for example, water can be used, but other refrigerants are conceivable. Coolant eg water thus enters through, for example, a lower grid plate (not shown), heats up and coolant, for example water or a coolant vapor eg a water vapor mixture exits through, for example, an upper grid plate (not shown). However, steam, such as water vapor, has significant disadvantages: it is less dense than the coolant, such as water, and therefore can absorb the heat of the fuel rod surface 2 do not take up so well anymore. Therefore, in the cylinder 4 at least one swirl plate 9 to be built in. This can be, for example, a helically twisted metal plate 9 ' ( 2 ) be. Through the twisted metal plate 9 ' ( 2 ) the flow experiences a centrifugal force. The spacer assembly thereby deposits more liquid coolant, such as water, from a core flow that hits the fuel rods. It is meant by core flow that flow of the coolant, which is not in the region of the wall 11 takes place. The increased liquid separation is due to the twisted metal plate 9 ' ( 2 ), which is disposed within the spacers. The liquid, for example the water, moves in the direction of the fuel rods due to this centrifugal force 1 ,

Nach dem Passieren der verdrehten Metallplatte 9’ (2) bleibt diese Verwirbelung für eine gewisse Strecke vorhanden, da der Strömung durch die verdrehte Metallplatte 9’ (2) eine Drehkomponente aufgezwängt wird, indem die Strömung gezwungen wird, dem Pfad, welcher durch die verdrehte Metallplatte 9’ (2) gebildet wird, zu folgen. Die verdrehte Metallplatte 9’ (2) verwirbelt das Wasser, so dass Wassertröpfchen auf den Brennstäben 1 abgeschieden werden. Dort führen sie effektiv die Wärme der Brennstabsoberfläche 2 ab und verdampfen. Die Gefahr des Filmsiedens kann dadurch verringert oder gar vermieden werden. Die schraubenförmig verdrehte Platte 9’ (2) kann eine Steigung von 45 Grad aufweisen und insbesondere bloß eine Windung aufweisen. Hierdurch ist der Druckabfall besonders niedrig und die Verwirbelung der Strömung sehr gut. Die verdrehte schraubenförmige Metallplatte 9’ (2) kann mit dem Zylinder 4 verschweißt sein. Somit ist eine hohe Festigkeit der Abstandshalteranordnung gegeben. Da der Abstand von der Wand 11 bis zu den Brennstäben 1 keinen vollständigen Einbau des erfindungsgemäßen Zylinders 4 erlaubt, ist es hier möglich, nur einen Teilzylinder 8 in Form von einem Viertel oder einem Halben des ursprünglichen Zylinders 4 mit den oben genannten Merkmalen vorzusehen. Dieser kann dann zudem mit der Wand 11 verschweißt sein. Auf diese Weise ist die komplette Abstandshalteranordnung sehr steif in der Wand 11 befestigt. Selbstverständlich ist die Abstandshalteranordnung unabhängig von der Orientierung, beispielsweise einer horizontalen oder vertikalen Orientierung, des Stabbündels. After passing the twisted metal plate 9 ' ( 2 ) this turbulence remains present for a certain distance, as the flow through the twisted metal plate 9 ' ( 2 ) is forced a rotational component by the flow is forced, the path, which through the twisted metal plate 9 ' ( 2 ) is to follow. The twisted metal plate 9 ' ( 2 ) swirls the water, leaving water droplets on the fuel rods 1 be deposited. There, they effectively conduct the heat of the fuel rod surface 2 off and evaporate. The risk of film boiling can be reduced or even avoided. The helical twisted plate 9 ' ( 2 ) may have a pitch of 45 degrees and in particular have only one turn. As a result, the pressure drop is very low and the turbulence of the flow is very good. The twisted helical metal plate 9 ' ( 2 ) can with the cylinder 4 be welded. Thus, a high strength of the spacer assembly is given. Because the distance from the wall 11 up to the fuel rods 1 no complete installation of the cylinder according to the invention 4 allowed, it is possible here, only a part cylinder 8th in the form of a quarter or a half of the original cylinder 4 to provide with the above characteristics. This can then also with the wall 11 be welded. In this way, the complete spacer assembly is very stiff in the wall 11 attached. Of course, the spacer arrangement is independent of the orientation, for example a horizontal or vertical orientation, of the rod bundle.

Claims

Spacer arrangement for holding a plurality of fuel rods ( 1 ) with an outer fuel rod surface ( 2 ), whereby the fuel rods ( 1 ) are arranged at a defined distance from each other, wherein a plurality of spacers are provided, for holding the fuel rods ( 1 ) in their intended position, characterized in that the at least one spacer comprises: - a cylinder ( 4 ) with a cylindrical surface ( 5 ), - one or more recesses ( 6 ) in the cylinder surface ( 5 ), - at least one link ( 7 ), whereby the cylinder ( 4 ) with a respective adjacent cylinder ( 4 ), and at least one, to the cylinder ( 4 ) adjacent fuel rod ( 1 ) can be arranged in such a way that the fuel rod surface ( 2 ) of the fuel rod ( 1 ) in the indentation ( 6 ) on the cylindrical surface ( 5 ) is completely applied.

Spacer arrangement according to claim 1, characterized in that in the cylinder ( 4 ) at least one swirl plate ( 9 . 9 ' ) is arranged.

Spacer arrangement according to claim 2, characterized in that the at least one swirl plate ( 9 . 9 ' ) with the cylinder ( 4 ) is welded.

Spacer arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one swirl plate ( 9 . 9 ' ) a helically twisted metal plate ( 9 ' ).

Spacer arrangement according to claim 4, characterized in that the helically twisted metal plate ( 9 ' ) has a slope of about 45 degrees.