DE1464839C - Abstandshaltersystem fur gebündelte Kernbrennstoffstabe - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Abstandshaltersystem für Kernbrennstoffstäbe, die in konzentrischer Ringanordnung um einen mittleren Brennstoffstab zu einem Brennstoffelement für Kernreaktoren gebündelt sind, mit einer bestimmten Anzahl von je einen Stab ringförmig umgebenden Abstandshaltern, die mit Abstandsflügeln versehen sind, von denen ein Teil sich gleichzeitig gegen drei Brennstoffstäbe abstützt, und wobei mindestens die zum äußeren Ring, jedoch nicht die zu verschiedenen Ringen gehörenden Abstandshalter untereinander verschweißt sind. Derartige Brennstoffelemente werden im Reaktor durch ein wärmeübertragendes Medium gekühlt.

Das Bestreben, von einem Kernbrennstoffelement mehr Wärme abzuführen, um die Energieausbeute zu erhöhen, führt natürlicherweise zu einer möglichsten Vergrößerung der durch das wärmeübertragende Medium gekühlten Oberfläche. Dafür sind die aus einer Gruppierung von nebeneinanderliegenden Brennstäben gebündelten Kernbrennstoffelemente ein Beispiel. Wenn man identische Brennstäbe in Betracht zieht, umfassen die dichtest gepackten Bündel, die aus aufeinanderfolgenden Kränzen zusammengesetzt sind, 7,19 usw. ... Brennstäbe.

Wenn man jedoch möglichst befriedigende Eigenschaften erzielen will, müssen eine Anzahl Bedingungen beachtet werden, die unter anderem je nach der Art des Kühlmediüms, Druckwasser, Siedewasser oder Gas unter Druck, verschieden sein können. Ein gebündeltes Brennstoffelement wird durch Zusammenbau von Einzelbrennstäben gebildet, und diese Anordnung ist bestimmten mechanischen Beanspruchungen unterworfen, die von der Handhabung des Brennstoffs im Kanal, den Spannungen infolge des Druckabfalls, der Reibung des Kühlmediums, Schwingungen und Wärme sowie von den Strahlungswirkungen (Spaltprodukten) herrühren.

Offensichtlich wird von dem Brennstoffelement verlangt, diesen verschiedenen Banspruchungen während der vorgesehenen Brenndauer zu widerstehen und eine möglichst geringe Neutronenabsorption aufzuweisen. Im Hinblick auf Neutronenverluste ist vorzuziehen, möglichst lange Brennstäbe zu verwenden, um einerseits die Masse des zur Herstellung der Endabschnitte (Stopfen, Haltegitter) verwendeten Werkstoffs möglichst gering zu halten und andererseits Unter im übrigen gleichen Umständen die Höchstmenge von Spaltmaterial unterzubringen.

LJm jedoch günstige Eigenschaften zu erzielen, muß eine Höchstmenge von Kalorien pro Volumeinheit des Brennstoffs abgegeben werden, was sehr starke Wärmegradienten in seinem Inneren und eine gute Wirksamkeit des wärmeübertragenden Mediums voraussetzt. Diese für die Wirtschaftlichkeit des Reaktors wesentliche Bedingung hat jedoch zur Folge:

1. Eine Wärmeinstabilität des Brennstabs. Wenn sich der Brennstab leicht krümmt, verringert sich die für das Kühlmedium gelassene Durchtrittsöffnung, der längste Abschnitt der Hülle wird am wenigsten gekühlt, und die Erscheinung beschleunigtsich hinsichtlich Temperatur und Verformung bei örtlichem Schmelzen der Hülle.

2. Einen erheblichen Druckabfall. Da das Kühlmedium mit großer Geschwindigkeit strömt, erfordern die Druckverluste erhöhte Pumpenbzw. Gebläseleistungen zum Nachteil der Wirtschaftlichkeit des Reaktors; dieser Punkt wird rasch sehr kritisch.

. Die thermische Instabilität erfordert die Anwesenheit von Abstandshaltern in einer bestimmten Höhe der Brennstäbe (im allgemeinen in der Mitte), um • einen gleichbleibenden Abstand aufrechtzuerhalten, d. h. den Querschnitt der Durchtrittsöffnung für das Kühlmedium zwischen den Brennstäben gleichbleibend zu halten. Diese Abstandshalter verleihen dem Bündel außerdem eine bestimmte mechanische Widerstandsfähigkeit. Leider erhöhen sie die Druck-Verluste und müssen daher so gebaut werden, daß der Druckabfall möglichst gering ist.

Es sind nun aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1769065 Abstandshalter für Kernbrennstoffelemente bekannt, die die Brennstoffstäbe ringförmig umgeben

is und mit Abstandsflügeln versehen sind. Diese Abstandshalter sind so ausgebildet, daß sich ein Stab gleichzeitig gegen drei benachbarte Stäbe abstützt. Hierbei verlaufen die Flügel der Abstandshalter längs den Verbindungsgeraden der Stabachsen. Wenn sich

ao drei Stäbe gegeneinander abstützen, entstehen auf diese Weise Dreiecksmaschen. Wenn man die Mindestanzahl der Abstandsflügel annimmt, die nötig ist, um jeden Stab gegen mindestens drei benachbarte Stäbe abzustützen, beanspruchen diese bekannten Abstandshalter einen verhältnismäßig großen Anteil der Querschnittsfläche der Zwischenräume zwischen den Brennstoffstäben, durch die das wärmeübertragende Medium strömt. Diese Abstandshalter sind auch nicht in der Lage, die Brennstäbe gegen eine Verdrehung ihrer Achsen zu sichern, da bei einer Drehung eines Stabes die Abstandsflügel an den benachbarten Stäben einfach tangential wegrutschen würden, also einer Drehung nahezu keinen Widerstand entgegensetzen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Abstandshalter zu beheben und ein den Erfordernissen der Praxis entsprechendes System von Abstandshaltern zu schaffen, die bei geringsten Druckverlusten des wärmeübertragenden Mediums dem Brennstoffelement die größtmögliche Stabilität auch gegen Verdrehung der einzelnen Brennstäbe verleihen.

Diese Aufgabe wird bei einem Abstandshaltersystem für Kernbrennstoffstäbe, die in konzentrischer Ringahordnung um einen mittleren Brennstoffstab zu einem Brennstoffelement für Kernreaktoren gebündelt sind, mit einer bestimmten Anzahl von je einen Stab ringförmig umgebenden Abstandshaltern, die mit Abstandsflügeln versehen sind, von denen ein Teil sich gleichzeitig gegen drei Brennstoffstäbe abstützt, und wobei mindestens die zum äußeren Ring, doch nicht die zu verschiedenen Ringen gehörenden Abstandshalter untereinander verschweißt sind, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Teil der Abstandsflügel als Y-förmige Knotenpunkte ausgebildet sind oder sich mit den Abstandsflügeln benachbarter Abstandshalter zu solchen Y-förmigen Knotenpunkten ergänzen, durch die ein Brennstoffstab gleichzeitig gegen zwei benachbarte Brennstoffstäbe abgestützt wird.

Vorzugsweise stützt Sich jeder Stab eines Ringes mit einem Y-förmigen Knotenpunkt gegen zwei Stäbe des nächstäußeren Ringes ab.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn mindestens einige der Knotenpunkte durch je einen sich Y-förmig verzweigenden Abstandsflügel eines Abstandshalters oder ,durch je zwei aneinanderstoßende Abstandsflügel zweier benachbarter Abstandshalter oder auch

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durch je drei aneinanderstoßende Abstandsflügel In einer ersten -Ausführungsform eines in den

dreier benachbarter Abstandshalter gebildet werden, Fig. 2 und 3 dargestellten Satzes von Abstandswobei im letztgenannten Fall alle Abstandshalter haltern trägt der um den mittleren Stab angeordnete

vorteilhafterweise identisch ausgebildet sein können. Abstandshalter 11 einen einfachen Kragen.

Die Abstandshalter werden maschinell mittels 5 Die an den Stäben des Kranzes, der den mittleren.

Werkzeugmaschinen, gegebenenfalls nach vorherigem Stab unmittelbar umgibt, angeordneten Abstands-

Strangpressen-Ziehen, hergestellt. Sie werden an den halter 12 tragen außer einem Kragen entsprechend

Hüllen der Kernbrennstoffstäbe vorzugsweise durch dem obigen zwei Flügel 13 und 14, von denen der

Hartlöten, insbesondere unter Vakuum, befestigt. erste gegen den Kragen eines benachbarten Abstands-

Die Abstandshalter bestehen vorzugsweise aus io halters des gleichen Kranzes drückt und der zweite

einer Zinn-Eisen-Chrom-Nickel-Zirkonium- bzw. zwei Äüflageflächen aufweist, von denen die eine, 15,

Zinn-Eisen-Zirkonium-Legierung oder aus rostfreiem gegen den Kragen des anderen benachbarten Ab-

Stähl oder aus einer Nickel-Chrom-Legierung. Standshalters des gleichen Kranzes und die zweite, 16,

'Das Abstandshaltersystem gemäß der Erfindung gegen den Kragen des mittleren Stabs drückt. Alle

ermöglicht bei einfachem Aufbau und damit auch 15 Abstandshalter 12 dieses ersten Kranzes von Stäben

einfacher Herstellung eine verdrehungssichere Ab- sind identisch.

Stützung und nur relativ geringe Erhöhung des Im Gegensatz dazu sind die Abstandshalter des

Strömungswiderstandes des gebündelten Kernbrenn- folgenden Kranzes, der im beschriebenen Beispiel

Stoffelements. 1 der äußere Kranz ist, abwechselnd von verschiedener

Die Erfindung wird erläutert mit Bezug auf die ao Art 17 und 18. Die Abstandshalter 17 tragen an

folgende Beschreibung und die Zeichnungen. In den ihrem Kragen zwei Flügel 19 und 20, die beide gegen

Zeichnungen ist die Flügel von zwei benachbarten Abstandshaltern

F i g. 1 ein Axialschnitt eines erfindungsgemäßen des gleichen Kranzes drücken; die Abstandshalter 18

Kernbrennstoffelements, · tragen an ihrem Kragen zwei Flügel 21 und 22, die

Fig. 2 und 3 zwei Querschnitte einer ersten Aus- 35 gleichfalls gegen die Flügel der benachbarten Abführungsform einer Gruppe von erfindungsgemäßen Standshalter des gleichen Kranzes drücken, wobei Abstandshaltern, jeweils zusammengefügt und aus- der Flügel 22 außerdem noch eine Auflagefläche 23 einandergenommen dargestellt, aufweist, um mit dieser gegen einen Kragen eines

F i g. 4 und 5 zwei Querschnitte einer zweiten Aus- Abstandshalters des dazwischenliegenden Kranzes zu

führungsform einer Gruppe von erfindungsgemäßen 30 drücken.

Abstandshaltern, jeweils zusammengefügt und aus- Dieser Satz von Abstandshaltern, bestehend aus

einandergezogen dargestellt, vier verschiedenen Sorten von Abstandshaltern, ge-

F i g. 6 ein Querschnitt eines Rohlings zur Her- stattet, jedes Ausweichen von Stäben unter dem

stellung eines Abstandshalters gemäß der zweiten Einfluß von radialen Spannungen, die gegebenenfalls

Ausführungsform. 35 zu einer Drehung der Stäbe um sich selbst führen

Die erfindungsgemäßen Abstandshalter sind für könnten, zu vermeiden.

ein gebündeltes Brennstoffelement der in F i g. 1 dar- Die Abstandshalter können aus rostfreiem Stahl gestellten Art bestimmt, das um einen mittleren oder aus einer Zinn-Eisen-Chrom-Nickel-Zirkonium-Brennstab 1 mehr als einen Kranz von Brennstäben, bzw. Zinn-Eisen-Zirkonium-Legierung bestehen, je wie 2 und 3, d. h. mehr als sieben Brennstäbe ent- 4° nachdem ob das wärmeübertragende Medium hält. Tatsächlich wird in diesem Fall, wenn man die Kohlendioxyd oder überhitzter Dampf ist. Sie können Abstände zwischen den Brennstäben konstant halten durch Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen hergestellt und jede Gefahr einer Relatiwerschiebung vermeiden und auf die Hülle des Brennstabs gelötet werden, will, die Zahl der zwischen den Brennstäben not- wenn Hülle und Abstandshalter aus rostfreiem Stahl wendigen Haltepunkte sehr groß, wobei gleichzeitig 45 bestehen, oder unter Vakuum aufgelötet werden, wenn die Druckverluste sehr rasch anwachsen. Die Brenn- es sich um eine Nickel-Chrom-Legierung handelt. Im stäbe, z. B. 1, 2 oder 3, sind an einem unteren Fall der¹V erwähnten Zirkoniumlegierungen kann Gitter 4 mittels Spitzen 5 befestigt; in einem oberen man eine Lötung vom Typ Zirkon—Beryllium mit Gitter 6 können sie sich mittels Spitzen 7 frei aus- 5% Beryllium verwenden. Die Lötung an jedem Stab dehnen, die beispielsweise um einige Millimeter in 5° kann leicht überwacht werden,
den ;Sitzen 8 gleiten. Die beiden Gitter 4 und 6 sind Beim' Zusammenbau des Satzes von Abstandsin der dargestellten Ausführungsform durch einen haltern^ die mit Bezug auf die F i g. 2 und 3 beschrie-Außenmäntel 9 zusammengehalten; es können aber ben wurden, beginnt man durch Aufbau des ersten auch Zugstangen verwendet werden, die einem Kranzes um den Mittelstab, wobei man alle Stäbe solchen gebündelten Brennstoffelement die notwen- 55 dieses Kranzes mit Bezug aufeinander frei läßt, dige axiale mechanische Widerstandsfähigkeit ver- Darauf wird der Kranz von äußeren Stäben zuleihen. In bestimmten Fällen kann man zu diesem sammengebaut, und man schweißt untereinander die Zweck den mittleren Stab verwenden, der dann kein Flügel der Abstandshalter dieses Kranzes zusam-Brennstab mehr ist. In einem solchen gebündelten men, um den Durchmesser des Bündels mecha-Brennstoffelement sind die Stäbe Bedingungen von 60 nisch aufrechtzuerhalten; diese Schweißungen wertheimischer Instabilität unterworfen, die zur Ver- den bei 24 und 25 durch Elektronenbeschuß voränderuhg des Abstandes zwischen ihren Achsen genommen.

führen. Deshalb sieht man im allgemeinen in der Diese Art des Zusammenbaus eines gebündelten Mitte ihrer Länge einen Satz Abstandshalter 10 vor, Brennstoffelements beseitigt die Probleme derSchwinum die Abstände zwischen den Stäben richtig zu 65 gungen zwischen den Stäben und macht es überhalten. Diese Abstandshalter 10, deren Platz und flüssig, sie durch einen weiteren Kragen zusammen^· Rolle- im folgenden beschrieben sind, stellen den zuhalten, der die Druckverluste stark erhöhen Gegenstand der Erfindung dar. würde.

Bei einer zweiten, in den F i g. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform eines Satzes von Abstandshaltern wurde eine Vereinfachung ihrer Herstellung ins Auge gefaßt.

In diesem Fall trägt der um den Mittelstab angeordnete Abstandshalter 26 drei Flügel 27, die um jeweils 120° versetzt, um seinen Kragen angeordnet sind; diese drei Flügel sind identisch.

Die Abstandshalter 28 des mittleren Kranzes sind jeweils spiegelsymmetrisch, d. h. durch einfaches Umdrehen identisch. Sie tragen jeder drei Flügel 29, 30 und 31, von denen der Flügel 29 gleichzeitig gegen einen Flügel eines benachbarten Abstandshalters des gleichen Kranzes und einen Flügel des Abstandshalters des Mittelstabs, der Flügel 30 gleichzeitig gegen zwei Flügel zweier benachbarter Abstandshalter des äußeren Kranzes und schließlich der Flügel 31 gegen einen Flügel des anderen benachbarten Abstandshalters des gleichen Kranzes drücken.

Schließlich sind die Abstandshalter 32 und 33 des äußeren Kranzes ebenfalls spiegelsymmetrisch, d. h. durch Umdrehen identisch und tragen jeder zwei Flügel 34 und 35, von denen der Flügel 34 gegen einen Flügel eines benachbarten Abstandshalters des gleichen Kranzes und der Flügel 35 gleichzeitig gegen einen Flügel des anderen benachbarten Abstandshalters des gleichen Kranzes und einen Flügel eines Abstandshalters des dazwischenliegenden Kranzes drücken.

Wie aus den Figuren ersichtlich, gibt es in dieser Anordnung nur drei Arten von Abstandshaltern 26, 28 und 32, von denen der erste, nämlich der des Mittelstabs, nur einmal vorkommt und die beiden anderen auf wirtschaftliche Weise durch Strangpressen-Ziehen eines in F i g. 6 gezeigten Rohlings 36 hergestellt werden können, der anschließend nur abgeschnitten und bearbeitet zu werden braucht, um nach Belieben einen Abstandshalter 28 oder einen Abstandshalter 32 zu erhalten.

Zum Zusammenbau des mit Bezug auf die F i g. 4 und 5 beschriebenen Satzes von Abstandshaltern beginnt man mit dem Aufbau des ersten Kranzes um den Mittelstab herum, jedoch weist dieser erste Kranz im Gegensatz zu der Ausführungsform nach den F i g. 2 und 3 Schweißstellen an den Punkten 37 und 38 auf. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Anschweißen der Flügel des Abstandshalters des Mittelstabs vermieden wird. Darauf wird der Kranz von äußeren Stäben aufgebaut, und man verschweißt untereinander die Flügel dieses Kranzes an den Punkten 39 und 40. Es sei bemerkt, daß die verschiedenen Schweißpunkte 37, 38, 39 und 40 so angeordnet sind, daß sich die Kränze untereinander sowie bezüglich des Mittelstabs frei ausdehnen können.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Abstandshaltersystem für Kernbrennstoff stäbe, die in konzentrischer Ringanordnung um einen mittleren Brennstoffstab zu einem Brennstoffelement für Kernreaktoren gebündelt sind, mit einer bestimmten Anzahl von je einen Stab ringförmig umgebenden Abstandshaltern, die mit

ίο Abstandsflügeln versehen sind, von denen ein Teil sich gleichzeitig gegen drei Brennstoffstäbe abstützt, und wobei mindestens die zum äußeren Ring, jedoch nicht die zu verschiedenen Ringen gehörenden Abstandshalter untereinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Abstandsflügel als Y-förmige Knotenpunkte ausgebildet sind oder sich mit den Abstandsflügeln benachbarter Abstandshalter zu solchen Y-förmigen Knotenpunkten ergänzen,

ao durch die ein Brennstoffstab gleichzeitig gegen zwei benachbarte Brennstoffstäbe abgestützt wird.

2. Abstandshaltersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stab eines Ringes sich mit einem Y-förmigen Knotenpunkt gegen zwei Stäbe des nächstäußeren Ringes abstützt.

3. Abstandshaltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Knotenpunkte durch je einen sich Y-förmig verzweigenden Abstandsflügel eines Abstandshalters gebildet werden.

4. Abstandshaltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Knotenpunkte durch je zwei aneinanderstoßende Abstandsflügel zweier benachbarter Abstandshalter gebildet werden.

5. Abstandshaltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Knotenpunkte durch je drei aneinanderstoßende Abstandsflügel zweier benachbarter Abstandshalter gebildet werden.

6. Abstandshaltersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Abstandshalter identisch ausgebildet sind.

7. Abstandshaltersystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter an den Umhüllungen der Kernbrennstoffstäbe durch Hartlöten befestigt sind.

8. Abstandshaltersystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus einer Zinn-Eisen-Chrom-Nickel-Zirkonium- bzw. Zinn-Eisen-Zirkonium-Legierung oder aus rostfreiem Stahl oder aus einer Nickel-Chrom-Legierung bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen