DE1276225B

DE1276225B - Fuel element for liquid or gas-cooled nuclear reactors

Info

Publication number: DE1276225B
Application number: DES74698A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Stehle; Dipl-Ing Walter Zeller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-07-07
Filing date: 1961-07-07
Publication date: 1968-08-29

Description

Brennelement für flüssigkeits- bzw. gasgekühlte Atomreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für flüssigkeits- bzw. gasgekühlte Atomreaktoren mit in mehreren Etagen angeordneten und mit Kühlmittelzutrittsöffnungen versehenen Halteplatten für die glatten Brennstäbe und mit Strömungsleiteinrichtungen zur Verwirbelung des Kühlmediums. In Brennelementen für flüssigkeitsgekühlte und insbesondere für gasgekühlte Reaktoren, die konstruktiv als Stabbündel aufgebaut sind, muß für eine gute Durchmischung des Kühlmittels gesorgt werden, da sonst mit ungleichen Oberflächentemperaturen der einzelnen Brennstäbe gerechnet werden muß. Derartige Ungleichmäßigkeiten sind sehr ungünstig, da durch sie eine ungleiche thermische Ausdehnung der Brennstäbe und damit ein Verbiegen derselben hervorgerufen werden kann, ganz abgesehen von den ungünstigen Auswirkungen der ungleichmäßigen Wärmeabfuhr auf den eigentlichen Kernbrennstoff innerhalb der Hüllrohre der Brennstäbe.Fuel element for liquid or gas-cooled nuclear reactors Die The invention relates to a fuel assembly for liquid- or gas-cooled nuclear reactors with arranged in several floors and provided with coolant access openings Holding plates for the smooth fuel rods and with flow guide devices for swirling of the cooling medium. In fuel assemblies for liquid-cooled and especially for Gas-cooled reactors, which are constructed as a bundle of rods, must for a thorough mixing of the coolant must be ensured, otherwise the surface temperatures will be unequal of the individual fuel rods must be taken into account. Such irregularities are very unfavorable because they cause uneven thermal expansion of the fuel rods and so that a bending of the same can be caused, quite apart from the adverse effects of uneven heat dissipation on the actual Nuclear fuel within the cladding tubes of the fuel rods.

Es ist üblich, die Brennstäbe des Elements innerhalb von Leitrohren mit Hilfe von Stabhalteplatten zu befestigen. Diese Stabhalteplatten sind für den Durchtritt der Kühlmittelströmung mit einer größtmöglichen Anzahl von Bohrungen versehen. Es läßt sich aber nicht vermeiden, daß die Kühlmittelströmung in verschiedenen Bezirken des Brennelementquerschnitts unterschiedlich groß ist, was insbesondere auch für kreisförmige Führungsrohre, in denen die einzelnen Brennstäbe mit ihren Mittelpunkten auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind, gilt. Es ist bekannt, die einzelnen Brennstäbe zur Vermeidung dieser unterschiedlichen Strömungsverhältnisse mit schraubenförmigen Rippen zu versehen, die eine gute Durchwirbelung des Kühlmittels sicherstellen. Diese Methode stößt jedoch bei sehr dünnen Brennstabhüllen, insbesondere wenn sie aus Stahl sind, aus technologischen und neutronenökonomischen Gründen auf große Schwierigkeiten.It is common to place the element's fuel rods inside guide tubes to be attached with the help of rod holding plates. These rod holding plates are for the Passage of the coolant flow with the largest possible number of holes Mistake. But it cannot be avoided that the coolant flow in different Districts of the fuel assembly cross-section is different, which in particular also for circular guide tubes in which the individual fuel rods with their Centers are arranged on concentric circles, applies. It is known, the individual fuel rods to avoid these different flow conditions to be provided with helical ribs, which a good turbulence of the coolant to ensure. However, this method hits very thin fuel rod cladding, especially if they are made of steel, for technological and neutron economic reasons great difficulties.

Es ist weiterhin bekanntgeworden, zwischen den einzelnen Brennstäben gleichzeitig der Verwirbelung dienende Dampfabscheideeinrichtungen anzuordnen, was jedoch mit einer Erhöhung des Anteils von Strukturmaterial in der aktiven Zone des Reaktorkernes verbunden ist.It has also become known between the individual fuel rods at the same time to arrange the swirling steam separating devices, what but with an increase in the proportion of structural material in the active zone of the Reactor core is connected.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auch bei Brennelementen mit glatten, rippenfreien Brennstabhüllrohren bereits beim Eintritt des Kühlmittels in das Brennelement eine Verwirbelung desselben zur Vergleichmäßigung der Wärmeabfuhr zu erzielen.The invention is therefore based on the object, also in the case of fuel assemblies with smooth, rib-free fuel rod cladding tubes as soon as the coolant enters a turbulence in the fuel assembly to equalize the heat dissipation to achieve.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an sich bekannte Strömungsleiteinrichtungen innerhalb der Kühlmitteldurchtrittsöffnungen der Stabhalteplatten angeordnet und befestigt sind oder im Bereich dieser Öffnungen an den Stabhalteplatten befestigt sind.This object is achieved according to the invention in that per se known flow guide devices within the coolant passage openings the rod holding plates are arranged and fastened or in the area of these openings are attached to the rod holding plates.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen schematisch das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung, dabei sind das Führungsrohr mit 2, die glatten runden Brennstäbe mit 3 und die Stabhalteplatten mit 4 bezeichnet.The F i g. 1 to 3 schematically show the basic principle of the present Invention, the guide tube with 2, the smooth round fuel rods with 3 and the rod holding plates are denoted by 4.

Die in der Stabhalteplatte 4 befindlichen Bohrungen 5 dienen zur Aufnahme der Befestigungszapfen der Brennstäbe 3, die großen Bohrungen 6 ermöglichen den Durchtritt des Kühlmittels. Innerhalb dieser Bohrungen sind Strömungsleiteinrichtungen an sich bekannter Bauart befestigt und mit 7 bezeichnet.The holes 5 located in the rod holding plate 4 are used for receiving the fastening pin of the fuel rods 3, the large holes 6 allow the Passage of the coolant. Flow guiding devices are located within these bores Fastened in a known design and designated by 7.

Die F i g. 1 stellt einen Längsschnitt durch ein Brennelement dar. In bestimmten Abständen sind am Führungsrohr 2 die Stabhalteplatten 4 befestigt. Die zwischen ihnen angeordneten Brennstäbe 3 besitzen an ihren beiden Enden je einen Befestigungszapfen, der in die engen Bohrungen 5 der Stabhalteplatte eingreift.The F i g. 1 shows a longitudinal section through a fuel assembly. The rod holding plates 4 are attached to the guide tube 2 at certain intervals. The fuel rods 3 arranged between them each have one at their two ends Fastening pin that engages in the narrow bores 5 of the rod holding plate.

Es ist dabei Sorge zu tragen, daß die einzelnen Brennstäbe ein gewisses Längsspiel besitzen, damit die Längenausdehnung der Brennstäbe während des Betriebes ohne Behinderung vor sich gehen kann und damit mechanische Verbeulungen mit Sicherheit vermieden werden.Care must be taken that the individual fuel rods have a certain Have longitudinal play, so that the longitudinal expansion of the fuel rods during operation can go on without hindrance and with it mechanical dents with certainty be avoided.

In dieser schematischen F i g. 1 sind der übersichtlichkeit halber in einer Etage nur drei derartige Brennstäbe eingezeichnet. Die F i g. 2 gibt einen Überblick über die tatsächliche Anordnung der Brennstäbe in einem Brennelement mit kreisringförmigem Querschnitt. Darin sind die Brennstäbe 3 allerdings nur durch strichpunktierte Kreise angedeutet. Aus diesem Querschnitt ist aber auch zu ersehen, daß die Kühlmitteldurchtrittsöffnungen 6 aus konstruktiven Gründen unterschiedliche Größe haben. Die Anordnung dieser Öffnungen 6 ergibt jedoch noch kein zufriedenstellendes Kühlergebnis, es ist dazu noch erforderlich, der Längsströmung des Kühlmittels noch eine Querkomponente aufzuzwingen, d. h. das Kühlmittel zu durchwirbeln.In this schematic FIG. 1 are for the sake of clarity only three such fuel rods are shown on one floor. The F i g. 2 gives one Overview of the actual arrangement of the fuel rods in a fuel assembly with circular cross-section. In it, however, the fuel rods 3 are only through dash-dotted circles indicated. From this cross-section it can also be seen that that the coolant passage openings 6 different for structural reasons Have size. However, the arrangement of these openings 6 still results no satisfactory cooling result, it is also necessary, the longitudinal flow To force a cross component on the coolant, d. H. to swirl the coolant.

Zur Durchwirbelung von Kühhnittelströmungen sind bereits verschiedene Einrichtungen wie z. B. verdrillte Bänder oder schräge, schraubenartige verwundene Bleche bekanntgeworden. Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden solche Elemente 7 bzw. 72 in den Kühlmitteldurchtrittsöffungen 6 befestigt. Die erste Ausführungsform 7 zeigt die Gestalt von geschlitzten und schraubenförmig gebogenen Blechen (siehe F i g. 1 und 2), die z. B. durch Lötung, Schweißung oder auch Schraubung in der Öffnung 6 befestigt sind.There are already different ones for whirling through coolant flows Facilities such as B. twisted tapes or oblique, helical twisted Sheet metal became known. In accordance with the present invention, such elements 7 or 72 fastened in the coolant passage openings 6. The first embodiment 7 shows the shape of slotted and helically bent sheets (see F i g. 1 and 2), the z. B. by soldering, welding or screwing in the Opening 6 are attached.

Es ist dabei durchaus möglich, diese Einrichtungen z. B. mehrgängig zu machen und sie nach einer oder beiden Seiten aus der Öffnung 6 herausragen zu lassen.It is quite possible to use these facilities z. B. multi-thread to make and they protrude from the opening 6 on one or both sides permit.

Wie aus der F i g. 2 hervorgeht ist es selbstverständlich, diese Strömungsleiteinrichtungen, die natürlich auch andere Gestalt haben können, dem jeweiligen Durchmesser der Kühlmitteldurchtrittsöffnungen anzupassen.As shown in FIG. 2 it goes without saying that these flow guiding devices, which of course can also have a different shape, the respective diameter of the coolant passage openings adapt.

F i g. 3 zeigt eine spezielle Ausführung der Leiteinrichtung. Unter- bzw. und/oder oberhalb der eigentlichen Stabhalteplatten befindet sich eine Blechscheibe 41, die dieselben Bohrungen 5 wie die Stabhalteplatte aufweist.F i g. 3 shows a special embodiment of the guiding device. Under- or and / or a sheet metal disk is located above the actual rod holding plates 41, which has the same bores 5 as the rod holding plate.

An den Stellen der Kühhnitteldurchtrittsöffnungen sind diese Bleche jedoch nur teilweise durchgestanzt und die entstehenden Laschen 72 so abgebogen, daß eine wirkungsvolle lineare oder auch tangentiale Strömungsablenkung erfolgt. In diesem Fall erübrigen sich besondere Befestigungsverfahren, wie z. B. Schrauben, Löten.These sheets are at the locations of the coolant passage openings but only partially punched through and the resulting tabs 72 bent so that that an effective linear or tangential flow deflection takes place. In this case, there is no need for special fastening methods, such as B. screws, Soldering.

Je nach Anordnung der einzelnen Brennstäbe innerhalb des Brennelementes kann es zweckmäßig sein, die Wirbelrichtung sämtlicher Strömungsleiteinrichtungen, über das ganze Brennelement gesehen, gleich zu wählen, in anderen Fällen jedoch die Wirbelrichtung der Strömungsleiteinrichtungen, die in zueinander symmetrischen Zonen des Brennelementes angeordnet sind, entgegengesetzt einzustellen. Selbstverständlich kann es auch nützlich sein, in einem Brennelement verschiedene Systeme derartiger Strömungsleiteinrichtungen, den unterschiedlichen Strömungsquerschnitten entsprechend, einzubauen. Die durch diese Wirbeleinrichtungen entstehenden Kühlmittelströmungen sorgen nicht nur für eine gleichmäßige Kühlung der Brennstaboberflächen, es wird dadurch auch ein Austausch zwischen den inneren und äußeren Kühlmittelströmungsbereichen erzielt, wodurch sich die Abkühlungsverhältnisse und damit die Temperaturverhältnisse an den einzelnen Brennstäben noch weiter in günstiger Weise vergleichmäßigen.Depending on the arrangement of the individual fuel rods within the fuel assembly it may be useful to change the direction of the vortex of all flow guiding devices, Viewed over the entire fuel assembly, the same choice should be made, but in other cases the vortex direction of the flow guiding devices, which are symmetrical to one another Zones of the fuel assembly are arranged to set opposite. Of course It can also be useful to have different systems of this kind in one fuel assembly Flow guide devices, corresponding to the different flow cross-sections, to be built in. The coolant flows created by these vortex devices not only ensure even cooling of the fuel rod surfaces, it will thereby also an exchange between the inner and outer coolant flow areas achieved, whereby the cooling conditions and thus the temperature conditions on the individual fuel rods even further in a favorable manner.

Selbstverständlich können neben den angedeuteten speziellen Ausführungsformen für Strömungsleiteinrichtungen auch andere Bauformen gewählt werden.Of course, in addition to the indicated special embodiments other designs can also be selected for flow guide devices.

Claims

Claims: 1. Fuel element for liquid or gas-cooled nuclear reactors, with holding plates arranged in several floors and provided with coolant passage openings for the smooth fuel rods and with flow guiding devices for swirling the cooling medium, characterized in that flow guiding devices known per se are arranged and within the coolant passage openings of the rod holding plates are attached or are attached to the retaining plates in the area of these openings. z. Fuel element according to Claim 1, characterized in that all of its flow guide devices are arranged in such a way that the vortex direction is the same as viewed over the entire fuel element. 3. Fuel element according to claim 1, characterized in that its flow guide devices are arranged such that the vortex direction of all flow guide devices is opposite in mutually symmetrical zones of the fuel assembly. 4. Fuel element according to claim 1, characterized in that different systems of flow guide devices, corresponding to the different flow cross-sections, are installed in it. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1 043 529, 1068 822, 1075 231; Belgian Patent No. 571 145; French Patent No. 1214 056; British Patent No. 789 257.