DE1464452A1

DE1464452A1 - Abstandhalter fuer stabfoermige Kernbrennstoffelemente

Info

Publication number: DE1464452A1
Application number: DE19631464452
Authority: DE
Inventors: Leirvik Raymond Melvin
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1962-08-23
Filing date: 1963-08-20
Publication date: 1969-01-23
Also published as: FR1366575A; SE306376B; US3255090A; BE636550A; GB968321A; NL297054A; CH413140A

Description

A 39063 ' 20. August 1963

THE BABCOCK & WILCOX COMPANY, 161 East 42nd Street,

New York 17, N. Y.

Abstandhalter für stabförmige Kernbrennstoffelemente

Die Erfindung bezieht ,sich auf Kernbrennstoff-Anlagen für Kernreaktoren und sie betrifft insbesondere einen Abstandhalter für Brennstoffstäbe einer Brennstoffanordnung.

Beim Bau von Kernkraftwerken betrifft eine der wesentlichsten Erwägungen die Anordnung des Brennstoffs in der Reaktor-Spaltzone. Der Brennstoff muß so angeordnet sein, daß aus der Spaltzone eine optimale Leistung abgenommen werden kann. Zur Erreichung einer optimalen Leistung müssen mehrere Paktoren betreffend die Anordnung des Brennstoffs in der Spaltzone berücksichtigt werden. Einer dieser Paktoren ist die Gestalt der den Brennstoff enthaltenden Elemente, die so sein muß,.daß ein hoher Oberfläche/Volumen-Wert erreicht wird,

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um eine maximale Abgabe der erzeugten Wärme zu erreichen. Eine bevorzugte Gestalt der den Brennstoff enthaltenden Elemente ist die Stangen- oder Stabform, bei welchem der Kernbrennstoff innerhalb eines relativ dünnwandigen Rohres kreisrunden Querschnitts aus Umkleidungsmaterial eingeschlossen ist. Die Brennstäbe sind jedoch im allgemeinen im Vergleich zu ihrem Durchmesser sehr lang und aufgrund die-

ser schlanken Gestalt stellen die Mittel zum Einhalten des erforderlichen Abstands und zum Pesthalten der Brennstäbe in der Brenneranordnung einen weiteren in Betracht zu ziehenden Paktor dar. In Bezug auf das Einhalten der Abstände zwischen den Brennstäben muß noch ein weiterer Paktor beachtet werden, nämlich derjenige, der sich bei der Anordnung der Brennerstäbe im Brenner addierenden Toleranzen. Die Querdimensionen der Brennereiemente müssen demzufolge in engen Grenzen gehalten werden und die einzelnen Brennstoffstäbe

, und deren Abstandhalter dürfen nicht zu wesentlichen, sich addierenden Toleranzen führen.

Bei einer Brenneranordnung ist es von Bedeutung, daß die Abstandhalter für die Brennstoffstäbe die folgenden Merkmale aufweisen: (1) hohe mechanische Stabilität, (2) minimale Berührungsflächen zwischen den Abstandhaltern und den

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Brennstoff stäben, um so eine maximale Wärmeabgabe zu er·» reichen und das Auftreten von Brennflecken infolge ungenügender KUhlung zu vermeiden, (5) minimale Behinderung des Kühlmittel-Durchflusses, so daß der Druckabfall des Kühlmittels in der Spaltzone des Reaktors auf einem minimalen Wert gehalten wird, und (k) einen einfachen Aufbau zur Erleichterung der Herstellung eines Stabbündels oder Brennerelementes aus den einzelnen Brennstoffstäben.

Hauptziel der Erfindung ist eine elastische Abstandhalter-Anordnung für die Brennstoffelemente einer Brenner anordnung. Bisher wurden in der Reaktortechnik die verschiedensten Abstandhalter für die Brennstoffelemente verwendet. Im allgemeinen werden diese bekannten Abstandhalter starr ausgebildet, so daß sie bei Berührung mit den Brennstoff elementen keine Anpassungsbewegungen durchführen können. Zusätzlich sind diese bekannten Abstandhalter mit den Brennstoffelementen verbunden oder auf andere Weise an diesen befestigt, in einer Weise, daß eine Bewegung verhindert wird. Im Gegensatz dazμ wird mit der Erfindung ein Abstandhalter geschaffen, der sich zu verbiegen vermag und so sich den Brennstoffelementen anpasst und diese auf elastische Weise in der gewünschten Stellung festhält, und der außerdem sicherstellt, daß eine Relativbewegung der Brennstoff-

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elemente gegenüber den Abstandhaltern in der Brenneranordnung nicht unterbrunden wird.

Bei der Erfindung wird ein kurzes Rohrstück konzentrisch um jedes der Brennstoffelemente vorgesehen. Die Wände des Rollstückes sind mit einer Mehrfachvertiefung versehen, die bildlich als mit einer Einkörnung versehene Eintiefung bezeichnet werden kann. Die Wände springen zunächst nach innen gegen das von ihnen umgebene Brennstoffelement vor, ohne jedoch damit in Berührung zu kommen. Dies stellt die Eintiefung dar. Dann springt ein relativ kleiner Flächenbereich der ursprünglichen Eintiefung noch stärker nach innen vor, so daß er die Oberfläche des Brennstoffelementes berührt, welcher Bereich <3e Einkörnung der Vertiefung bildet. Durch Bilden von zumindest drei derartigen nach innen vorspringenden Flächen an raumsymmetrischen Stellen des Abstandhalters wird eine federnde Halterung für das Brennstoffeleajent geschaffen.

Zusätzlich zur Vertiefung der Oberfläche des Abstandhalters sind die Ecken teilweise weggeschnitten oder geschlitzt. Das Sehlitzen der Ecken erlaubt eine verbesserte und unabhängige Biegemöglichkeit für die einzelnen nach innen vorspringenden Wandflachen des Abstandhalters.

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Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil einer Brenneranordnung nach der Erfindung,

Pig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abstandhalters, gemäss Fig. 1,

Fig. > eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf den Abstandhalter von Fig. 2, wobei der Teilschnitt entlang der Linie III - III von Fig. 3A verläuft,

Fig.JA eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt entlang der Linie j5A - JA von Fig. 3,

Fig. 4 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt entlang der Linie IV - IV von Fig. 4A, auf eine weitere Ausführungsform der Abstandhalteranordnung nach der Erfindung,

Fig. 4A eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt entlang der Linie 4 A - 4 A von Fig. 4,

Fig. 5 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt entlang der Linie 5-5 von Fig. 5A, auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Abstandhalters, und

Fig.5A eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt entlang der Linie 5A- 5A von Fig. 5.

Sich entsprechende Teile der beschriebenen und auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sind mit ähn-

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lichen Bezugszeichen versehen, d. h. mit Bezugszeichen, die sich lediglich durch die erste Stelle (Hunderterstelle) unterscheiden.

Auf. Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Teil einer Brenneranordnung 100 gezeigt, die aus einer Vielzahl von Brennstoffelementen 102 in Form von Stangen oder Stäben besteht, die in geometrisch regelmässiger Reihe angeordnet sind und voneinander mit Hilfe eines Abstandhaltergitters 104 getrennt sind, das aus einer Anzahl von einzelnen Abstandhalter-Rohrstücken 106 besteht. Bei der gesamten Brenneranordnung 100 ist eine Anzahl derartiger Abstandhaltergitter 104 vorgesehen, die in Zwischenstellungen entlang der Länge der Anordnung angeordnet sind, wobei ein typischer Zentrum-Abstand der Gitter 12 Inch (30,5 cm) beträgt.

Wie auf den Fig. 2, J und ^A gezeigt, besteht das Abstandhalterrohr 106 aus einem kurzen Rohrabschnitt 108 quadratischen Querschnitts. Die vier Eekenkanten des Abstandhalterrohres 106 sind im mittleren Längsabschnitts weggeschnitten, so daß Schlitze 110 entstehen. Umfangsgieich zu den Schlitzen sind die Mittelteile der Wände des Rohres nach innen versetzt und bilden ebene Flächen 112, derart, daß bezüglich

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ihrer Höhe öle versetzten Teile einen Querschnitt gleich-' massiger Flache aufweisen. In der Mitte jeder dieser nach innen vorspringenden ebenen Flächen 112 ist ein weiterer, kugelkalottenföriniger Vorsprung 114 vorgesehen, der vorausgehend als Einkörnung bezeichnet worden ist. Gemäss Flg. 1 stehen die Einköraungen 114 in Punktberührung mit den Brennstoffelementen 102» und zwar an Stellen, die gegeneinander um 9/0° versetzt sind.

BIe Endflachen bzw* nicht-vertief ten Flächen 116 und 118 der Rohrstücke berühren «He entsprechenden Flächen der anliegenden Abstandhalterrohre 106, derart, daS die Rohrstücke aneinander anliegen und ein Gitter bilden. Die einzelnen Rohretücke können miteinander auf verschiedenste Welse verbunden sein, ^beispielsweise dtirch Verlöten der Beröfarongaflächen, durch Punkt schweißen entlang der oberen und unteren Kanten der Rohstück« oder durch Zusammenbündeln mit Hilfe eines Bandstreifens, der um den Umfang der einzelnen Rohrstücke des Gitters beruajgelegt wird.

Auf den Flg. 4 und 4A 1st als weitere AusfOhruogef orm ein Abetaafiialfcerrofar 206 dargestellt, das ähnliche Ekkenschlitze 210 «ad Abecfcnitte 216 und 218 aufweist wie das

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Abstandhalterrohr 106 von Pig. 2. Der Unterschied zwischen diesen beiden Abstandhalterrohren liegt in der Gestalt der zwischen den Enden 216 und 218 nach innen vorspringenden Flächen. Beim Abstandhalterrohr 206 sind die Mittelteile der Wände nach innen vertieft und bilden dabei eine gekrümmte Fläche 212, wie aus Fig. 4A zu ersehen und unterscMden sich damit von den ebenen Vertiefungsflächen 112 des Rohres 106. Die Fläche 212 ist also gekrümmt, und zwar nur in Querebene gesehen, jedoch nicht bei Betrachtung in Längsebene. Der zusätzliche kugelkalottenförmige Vorsprung 214 entspricht demjenigen von Fig. J5.

Auf den Fig. 5 und 5A ist eine weitere Ausführungsform eines Abstandhalterrohres 506 dargestellt, bei welcher die gleiche Vertiefung wie bei den Rohren I06 und 206 vorhanden ist. Der Unterschied beim Rohr 506 liegt darin, daß seine Eckenkanten nicht geschlitzt und die nach innen vorspringenden Flächen 312 bezüglich beider Achsen des Abstandhalterrohres, d. h. bezüglich der Längs- und der Quera-ctxe, gekrümmt sind, während die kugelkalottenförmige Einkörnung J514 gleich ist. Die vorspringenden Flächen der Rohre 10 6 und 206 weisen eine Fläche konstanten Querschnitts durch ihre Höhe auf, wohingegen die vorspringenden Flächen 5I2 und 314 eine Querschnittsfläche besitzen, die sich über die Höhe

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der Flächen verändert.

Bei jeder Äusführungsform sind die Einkörnungen in den vorspringenden Flächen, welche die Brennstoffelemente berühren, in gleichen Entfernungen voneinander angeordnet. Wenn auch bei allen Ausführungsbeispielen ein Rohr quadratischen Querschnitts dargestellt ist, so wäre es auch möglich, Rohre mit rundem Querschnitt oder anderem mehrseitigem Querschnitt zu verwenden. Weiterhin ist es möglich, Brennstoffelemente mit nicht kreisrundem Querschnitt zu verwenden und die Abstandhalterrohre so zu vertiefen,daß sie sich der Gestalt dieser Elemente anpassen.

Die Abstandhalterrohre nach den verschiedenen Figuren zeigen vorspringende Flächen, die um 90° versetzt um die Brennstoffelemente angeordnet sind. Es wäre jedoch auch möglich, weniger als vier Vertiefungen zu verwenden und zusätzlich äquivalente Mittel zum Festhalten der Brennstoffelemente. Je nach der Gestalt der Abstandhalterrohre und der Brennstoffelentente können auch mehr als vier vorspringende Flächen vorgesehen sein, um die Brennstoffelemerte geeignet festzuhalten. Obwohl vorzugsweise alle vorspringenden Flächen die Font von doppelten Vertiefungen aufweisen, kann

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auch eine Kombination von Flächen mit doppelter Vertiefung und solchen mit nur einer einfachen Einkörnung verwendet werden.

Das wesentlichste Merkmal des Abstandhalterrohres nach der Erfindung ist, daß es eine elastische Halterungsvorrichtung für die Brennstoffelemente darstellt. Insbesondere bei den Abstandhalterrohren 106 und 206, bei denen jede Eckenkante geschlitzt ist, kann sich jede Wandung unabhängig bewegen und federnd wirken. Aufgrund der unabhängigen Bewegung jeder Wand kann sich jede Wand gesondert den Toleranzen der Außendurchmesser der Brennstoffelemente anpassen, ohne daß die benachbarten vorspringenden Flächen davon beeinflusst werden. Zusätzlich wird durch die Möglichkeit der vorspringenden Flächen sich zu verbiegen verhindet, daß sich Toleranzabweichungen addieren. Jede Toleranzabweichung im Durchmesser oder Querschnitt der Brennstoffelemente wird durch entsprechende Anpassung der vorspringenden Flächen der Abstandhalterröhre ausgeglichen. Auf diese Weisen können sich Toleranzabweichungen der Brennstoffelemente nicht derart addieren, daß die Gesamtdimension der Brenneranordnung verändert wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Herstellungskosten für die Brennstoffelemente vermindert werden, da

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ein größerer Toleranzbereich für die Schutzumkleidung der Brennstoffelemente zulässig ist.

Ein weiteres Problem, das mit den Abstandhalterrohren nach der Erfindung überwunden wird, ist das Auftreten von Vibrationen. Infolge der Längenausdehnung der Brennstoffelemente im Vergleich mit ihrer Querschnittsfläche neigen diese, wenn sie vom Kühlmittel umströmt werden, zu Vibrationen. Diese Vibrationen können eine beträchtliche Abnützung zwischen den Brennstoffelementen und den Abstandhaiterii hervorrufen, was schließlich zu einem Bruch der Umkleidung der Brennstoffelemente oder zu einer Zerstörung der Abstandhalter führt. Mit der sicheren aber federnden Halterung der Brennstoffelemente gemäss der Erfindung mit Hilfe der nach innen vorspringenden Flächen der Abstandhalt erröhre jedwoch werden Vibrationen der Brennstoffelemente im Gebiet 4er Abstandhalter verhindert.

Ein weiterer Vorteil der Abstandhalterrohre nach der Erfindung ist, daß sie aus relativ dünnem Material gefertigt werden können, etwa Material einer Dicke von 10 mm, so daß sie den Durchfluß des Kühlmittels durch die Brenneranordnung kaum beeinflußen. Außerdem erbringt die Punktbe-

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rührung zwischen den Einkörnungeri und den Brennstoffelementen nur eine geringe Unterbrechung des Kühlmittelflusses, so daß so weitgehend wie möglich das Auftreten von
Brennflecken bzw. überheißen Stellen an den Kontaktpunkten vermieden wird.

Aufgrund dieser zahlreichen Vorteile schafft die

ψ Erfindung einen höchst wirksamen Abstandhalter, der einfach und kostensparend hergestellt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1J Abstandhalter für eine Vielzahl von in regelmässiger Reihe angeordneten Brennstoffelementen eines Reaktorbrenners, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand um jedes Brennstoffelement (102) ein Rohrstück (106) angeordnet ist, dessen Oberfläche an zumindest drei räumlich getrennten g

Stellen (112) nach innen gegen das Brennstoffelement, ohne dieses zu berühren, vorspringt, und daß relativ kleine Bereiche (114) dieser vorspringenden Flächen (112) noch weiter nach innen vorstehen und zum Zweck einer federnden Halterung die Brennstoffelemente im wesentlichen in Punkten berühren.

2. Abstandhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstücke (106) mehrseitig ausgebildet und in Seitenberührung aneinander angeordnet sind, derart, daß eine Gitterstruktur entsteht»

25. Abstandhalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrseite eine doppelte, nach innen vorspringende Vertiefung (112, 114) aufweist und daß die Rohrstücke (106) zum Zweck einer voneinander unabhängigen Bewegung der vorspringenden Flächen (112, 114) geschlitzt sind.

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4. Abstandhalter nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstücke (106) quadraitisch ausgebildet und Seite an Seite angeordnet sind, und daß jede Ekkenkante der Rohrstücke im bezüglich der Höhe Mittelbereich geschlitzt und jede Seite der Rohrstücke mit einer doppelten Vertiefung versehen ist, deren innerer Teil seitlich gekrümmte, elastische Kontaktflächen bildet, welche die Brennstoffelemente festhalten, ohne jedoch eine freie Axialbewegung dieser Elemente zu verhindern.

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