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Stützgitter für Kernreaktor-Brennstoffelemente Die Erfindung bezieht
sich auf Stützgitter für Kernreaktor-Brennstoffelemente mit konzentrisch zur Brennstoffelementachse
liegenden Tragringen und radial angeordneten, die Tragringe verbindenden Stegen,
wobei die Tragringe auf dem Umfang gleichmäßig verteilte Bohrungen zur Aufnahme
der Brennstabenden aufweisen.
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Zur Gewährleistung eines reibungslosen Betriebes von Kernreaktoren
werden an die Abstützung der Stäbe eines Brennstoffelementes bestimmte Anforderungen
gestellt. Von wesentlicher Bedeutung dabei ist die genaue Positionierung der Stäbe
und eine hohe Stabilität gegenüber mechanischen und/oder Strömungskräften. Die Abstützung
soll auch eine gute Warmfestigkeit und entsprechend gute Eigenschaften gegen Korrosion
besitzen. Erforderlich ist ferner ein Strömungswiderstand, d. h. ein geringer Druckverlust
an den überlastungsstellen zwischen zwei in einem Brennstoffkanal befindlichen Elementen.
Dies ist besonders wichtig, da andernfalls der Druckverlust für das Kühlmittel bzw.
die für das Umwälzen des Kühlmittels erforderliche Leistung beträchtlich ansteigt.
Schließlich ist auch noch die Forderung einer geringen Absorption von Neutronen
von Wichtigkeit.
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Aus der obigen Darlegung ergibt sich im wesentlichen bereits die Aufgabenstellung
der vorliegenden Erfindung, nämlich die Schaffung eines Stützgitters für Brennstoffelemente,
welches bei geringstem Materialaufwand den oben gestellten Anforderungen entspricht.
Die Erfüllung dieser verschiedenen Anforderungen läßt sich nicht ohne weiteres ermöglichen.
Es sind bereits Abstandshalterungen bekannt, die aber im wesentlichen nur eine seitliche
Abstützung der Stäbe gegeneinander bewirken. Ferner ist eine Halterung für Stäbe
in Brennstoffelementen bekannt, wobei die Stäbe an ihren Enden von Muffen gehalten
werden, die mit entsprechenden Zwischengliedern auf einem Stützrost aufliegen. Ein
Hilfsrost am oberen Ende jedes Brennstoffelementes legt die einzelnen Stäbe untereinander
fest. Der konstruktive Aufwand dafür ist recht beträchtlich und bedingt eine komplizierte
Bauart, da mehrere Gitter, die jeweils eine Verengung des Querschnitts zur Folge
haben, in kurzen Abständen erforderlich sind. Von wesentlichem Nachteil ist ferner
hierbei, daß die Elemente in Bezug zueinander nur in einer ganz bestimmten Stellung
in den Brennstoffkanal eingebracht werden dürfen, was naturgemäß die Beschickung
eines Reaktors verzögert und erschwert.
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Die Erfindung bezweckt gegenüber den bekannten Konstruktionen eine
Verbesserung der Halterung für die Brennstoffstäbe, die den oben gestellten Anforderungen
entspricht und die Nachteile der geschilderten komplizierten Bauart vermeidet. Die
Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß die Trab ringe des Stützgitters
doppelt sphärisch ausgebildet sind und die sich entsprechenden Tragringe aufeinanderfolgender
Brennstoffelemente eine stromlinienförmige Einheit bilden. Diese Tragringe sind
aus sehr dünnem Blech gefertigt und ergeben bei ihrer doppelt sphärischen Krümmung
nicht nur eine gute Stabilität, sondern auch eine stromlinienförmige Gestaltung
dieser Ringe. Dies kommt der Forderung des geringsten Strömungswiderstandes in vorteilhafter
Weise entgegen. Da ferner jeweils zwei Ringe an den Anschlußstellen der Brennstoffelemente
kongruent übereinanderliegen, ist die Verwirbelung der Strömung auf ein Mindestmaß
beschränkt. Ferner ist dadurch erreicht, daß ein Verdrehen der Elemente gegeneinander
im Brennstoffkanal im Gegensatz zu der bekannten Konstruktion keine Rolle spielt,
was eine bedeutende Verbesserung bei der Beschickung des Reaktors darstellt. Da
der Anschluß der Stäbe an das Gitter nach aerodynamischen Gesichtspunkten erfolgt,
werden durch die gleichzeitige Verjüngung des Stabquerschnittes und die Vergrößerung
der Ringquerschnitte Beschleunigungen und Verzögerungen der Strömung vermieden.
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Es sind zwar bereits ähnliche Konstruktionen bekannt, jedoch ergibt
sich aus diesen nicht die optimale Formgebung, wie sie bei der Ausbildung des Gegenstandes
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. Eine bekannte Konstruktion offenbart
lediglich Brennstoffelemente mit radialen Stegen, die zudem
in
den einzelnen Elementen übereinander voneinander getrennt sind. Außerdem sind hierbei
die radialen Stege in ihrer Lage beim Einsetzen der Brennstoffelemente versetzt
zu denen der benachbart liegenden Brennstoffelemente. Die Folge dieser getrennt
angeordneten und zudem beim Einbau versetzt liegenden Stäbe ist ein entsprechender
Druckverlust beim Durchströmen der Brennstoffelemente. Demgegenüber weist der Gegenstand
der Erfindung konzentrische Ringe auf, die auch bei einer Verdrehung der Brennstoffelemente
beim Einsetzen ihre Lage nicht verändern und zudem mit den entsprechend geformten
Ringen der benachbarten Brennstoffelemente stromlinienförmige Einheiten bilden.
Ein wesentliches Merkmal ist hierbei, daß der Querschnitt aller Stäbe gleich dem
Querschnitt der Tragringe ist, so daß praktisch eine verlustfreie Strömung gegeben
ist. Auch bei einer anderen bekannten Konstruktion sind zwar konzentrisch zur Brennstoffelementachse
liegende Tragringe zu ersehen, jedoch sind diese Ringe nicht stromlinienförmig ausgebildet,
sondern sie weisen lediglich eine einfache seitliche Wölbung auf, und ihre Formgebung
ist durch die spezielle Aufgabe der Halterung bedingt. Die viertelkreisförmige Biegung
dieser Ringe stellt keine stromlinienförmige Ausbildung in bezug zur Strömungsrichtung
dar, sondern ist lediglich durch die Halterung bedingt. Daher werden diese konzentrischen
Ringe gleichfalls einen entsprechenden Druckverlust verursachen, so als wenn es
normale Ringe wären.
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Gegenüber diesen bekannten Konstruktionen weist das Stützgitter für
Brennstoffelemente gemäß der Erfindung eine Reihe von Vorteilen auf, die insbesondere
darin bestehen, daß sich die Brennstoffelemente im Brennstoffkanal absenken lassen,
ohne auf eine bestimmte Winkeleinstellung der Elemente zueinander achten zu müssen.
Im eingebauten Zustand ergibt sich für die Stäbe und die Ringe die gleiche Projektionsfläche,
wodurch eine praktisch verlustlose Strömung in einer ganzen Brennstoffsäule gesichert
ist. Fertigungstechnisch besteht ein großer Vorteil darin, daß sich die Tragringe
sehr leicht herstellen lassen und im zusammengebauten Zustand eine komplette Einheit
ergeben.
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Unter den Voraussetzungen der an das Stützgitter gestellten Anforderungen
eignet sich nur Stahl als Gitterbaustoff, der jedoch einen hohen Absorptionsquerschnitt
für thermische Neutronen besitzt, so daß die eingesetzte Stahlmenge für die Stützgitter
so gering wie möglich zu halten ist. Die Ringe werden daher aus sehr dünnem Blech
in einem Gesenk gepreßt, wodurch die Herstellung in großen Mengen vereinfacht und
verbilligt wird. An die konzentrisch liegenden Ringe werden die verbindenden Stege
angepunktet. Die Ringe selbst weisen kleine Bohra@ngen auf, in welchen die Stäbe
geführt und von der Rückseite durch Schweißen befestigt sind, so daß sie in einfacher
Weise eingebracht und entfernt werden können.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal des Gegenstandes der Erfindung besteht
darin, daß die oberen Tragringe der Brennstoffelemente so ausgebildet sind, daß
ein Greifer unterfassen kann. Auf diese Weise ist ohne konstruktiven Mehraufwand
ein einfaches und zuverlässiges Einsetzen und Entnehmen der Brennstoffelemente möglich.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung vereinfacht und beispielsweise
dargestellt. Es zeigt F f i. 1 einen Längsschnitt durch ein Brennstoffelement
mit den Stäben und Tragringen, F i g. 2 einen Querschnitt durch das Brennstoffelement
gemäß der Schnittlinie A -B der F i g. 1, F i g. 3 eine Anordnung der Tragringe
auf den Stegen des Stützgitters.
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Wie aus den F i g. 1 und 2 zu ersehen ist, sind innerhalb der Graphithülse
1 des Brennstoffelementes die Stäbe 2 in einer Anzahl von je sieben, neunzehn oder
entsprechend mehr konzentrisch auf den Ringen 3 angeordnet. Die verbindenden Stege
4 des Stützgitters sind mit den Ringen 3 durch die Schweißungen 5 verbunden. Die
Brennelementstäbe 2 werden in kleinen Bohrungen 6 der Ringe 3 geführt und von der
Rückseite durch Schweißen befestigt.
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In der F i g. 1 ist durch die strichlierten Linien gezeigt, wie die
einzelnen Brennstoffelemente im Brennstoffkanal übereinanderliegen. Dabei bilden
jeweils die äußeren und inneren Ringe von benachbarten Brennstoffelementen infolge
ihrer Form eine strömungstechnische Einheit, die einen geringen Widerstand bietet.
Zweckmäßigerweise wird das Gitter am Kopfende des Brennstoffelementes in Form eines
Tragringes 7 ausgebildet, unter den ein Greifer fassen kann.