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Abstandshalter für Kernreaktortrennelemente nie Brennelemente heterogener
Kernreaktoren enthalten normalerweise eine Anzahl von einzelnen Prennstäben, deren
Eigenstabilität insbesondere bei den während nies Reaktorbetriebes herrschenden
erhöhten Temperaturen verhältnismäßig gering ist. Sie müssen daher durch besondere
Bauelemente - Abstandshalter - in ihrer Sollage festgehalten werden, damit wesentliche
Änderungen der Durchflußverhältnisse für das Kühlmittel und Überhitzungen an einzelnen
Punkten der Brennstäbe mit Sicherheit vermieden
werden. Es ist dabei
wichtig, daß das Material der Abatandshalter selbst möglichst wenig Neutronen absorbiert
und daß diese Abstandshalter nur linsen- oder punktförmig an den einzelnen Brennstäben
anliegen, damit die Kühlverhältnisse an der Brennstaboberfläche verhältnismäßig
wenig geändert werden. Weiterhin ist es wichtig, daß die Halterung nicht absolut
starr, sondern etwas federnd ist, damit ein Ausgleich der Brennstabtoleranzen und
unterschiedlichen thermischen Ausdehnuxigen möglich ist. Auf die Konstruktion dieser
Abstandshalter muß daher insbesondere bei größeren Brennelementen, wie z.B. kastenförmigen,
eine besonders große Au!'merksamkeit gelegt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente in Kastenform mit vorzugsweise
für den Durchtritt des Kühlmittels durchtrochenem äußeren Mantel aus Strukturmaterial,
bei dem die 'lielzahl der Brennstäbe an starren und federnden, ein Maschenwerk tildenden
Stegen und Bändern anliegen. Für derartige Brennelemente sind rasterförmige Abstandahalter
bekannt geworden, bei denen aus den sich kreuzenden Raster-Stegen Vorsprünge und
federnde Anlagepunkte @ür die Brennstäbe herausgearbeitet sind. Aus neutronenphysikalischen
Gründen eignen sich insbesondere Zirkon und Zirkonlegierungen für derartige Abatandshalter.
Diese Stoffe sind jedoch weniger gut geeignet für die Ausbildung federnder Anlagestellen
an den
Brennstäben. Dafür wären austenitischer Stahl
oder auch hoch-warmfeste Nickellegierungen mit hoher Korrosionsbeständigkeit
vorteilhafter. Letztere Werkstoffe haben jedoch einen erhöhten Absorptionsquerschnitt
gegenüber thermischen Neutronen. Durch geschickte Verwendung beider Materialien
in einem Abstandshaltes sollen sich aber mechanische Stabilität und ausreichende
Federeigenschaften bei gleichzeitig erträglicher geringer Neutronenabsorption
erzielen lassen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß je vier
Brenn-stäbe in rechtwinkliger Anordnung die Maschen. eines Gitters
aus Strukturmaterialstegen-durchsetzen, daß die parallelen Stege einer
Richtung in jeder Masche zwei feste Anschlagpunkte bzw. in axialer Richtung
orientierte Punktpaare in Gestalt von Ausprägungen, Abwinklungen des Stegmaterials
u.dgl. besitzen und daß parallel zu diesen Stegen ein verwundenes federndes Band
das Maschenwerk derartig durchsetzt, daß jeder der vier eine Masche durchsetzenden
Brennstäbe an einem festen Anschlagpunkt bzw. Punktpaar und an zwei federnden Punkten
des verwundenen Bandes anliegt. Die das Maschengitter tildenden Stege sind in an
sich bekannter Weise miteinander verzahnt und haken auch Aussparungen zur Aufnahme
der verwundenen Bänder. :'las Oteggitter testeht dabei aus Zirkon oder einer anderen
geeigneten "irkonlegierung, während die verwundenen Bänder aus nochwarmfestec, federelastischen
Material
bestehen. Das Wesen der vorliegenden Anmeldung sei an einem Beispiel an Hand der
Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
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Figur 1 zeigt einen ausschnittsweisen@Querachnitt aus einem kastenförmigen
Brennelement. Darin sind die Brennstäbe mit 1 .bezeichnet, die jeweils zu viert
ein Gitterwerk aus Strukturmaterialstegen 3 bzw. 4 durchsetzen. Dieses Gitterwerk
wird umrahmt durch die Stege 42 und 43. Zwischen den.vier eine Masche eine Rastergitters
durchsetzenden Brennstäben ist ein , gewundenes Band 2 derart angeordnet, dafl jeder
Brennstab an zwei Punkten von diesem in sich verwundenen Band gehaltert ist. An
einem dritten Punkt wird jeder Brennstab durch aus dem Steg 4 herausgearbeitete
Anlagestellen gehaltert. Es iet also jeder Brennstab an drei Punkten festgehalten,
wobei die verwundenen Bänder 2 als elastische Halterung dienen, die eine Wärmedehnung
der Brennstäbe 1 in radialer und gegen die Federkraft auch in axialer Richtung zulassen,
ohne eine Deformation der Hüllrohre derselben zu bewirken. Auch Toleranzen der Brennstäbe
werden dadurch kompensiert. Die fester. Anschlagstellen 41 können dabei durch
Ausprägung oder Abwinkelung des Stegmaterials oder nach ähnlichen Methoden hergestellt
sein. Wie auch aus Figur 2 näher zu ersehen ist. sind die Strukturmaterialstege
3 und 4 durch gegenseitige Schlitzung miteinander verbunden, wobei die Stege
3 zweiteilig ausgeführt sind und an ihren aufeinanderstoßenden Kanten Aussparungen
30 zur Aufnahme der gewundenen Bänder 2 enthalten. Durch diese Teilung
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.der
Stege 3 ist der Zusammenbau dieses Abstandshaltergitters besonders einfach. Wie
in Figur 3 an einem Querschnitt des gesamten Brennelementes angedeutet, können die
Verwindungsrichtungen der-Bänder 2 unterschiedlich sein, siehe die Figurenteile
a und b. Dadurch ergibt sich innerhalb des gesamten Brennelementes eine Komponente
der.Kdhlmittelströmung, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung steht. Diese Komponenten
sind durch Pfeile angedeutet. Während die dadurch hervorgerufene Wirbelströmung
nach Figur 3a .in allen Rasterelementen gleichförmig verläuft, ergeben sich aus
der in Figur 3b dargestellten unterschiedlichen 'y'erdrehungsrichtung der gewellten
Bänder 2 gegensätzliche Wirbelströmungen .über den Brenne@lementquerschnitt gesehen.
Natürlich können durch entsprechende Richtung der Verwindung der Stäbe und Bänder
2 auch noch andere Modifikationen der Wirbelstrcimungskomponenten der gesamten Kühlmittelströmung.erzielt
werden. So ermöglichen nach Figur 3a angeordnete Bänder 2 einen stufenweisen Kühlmittelaustausch
über Brennelementquerschnitt und Länge gesehen, wenn die übereinanderliegenden Bänder
jeweils um 110o gegeneinander verdreht angeordnet werden.
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Aus der Figur 3 ist weiter zu ersehen, daß auch Fingerregel-Stäbe
11 innerhalb dieses Brennelementes untergebracht werden können. Diese haben zwar
einen etwas größeren Durchmesser als .die einze'.nen Brennstäbe 1. Durch die dargestellte
leichte Verformung der verwundenen Bänder 2 können die Führungsrohre
dieser
Regelstäbe 1 jedoch ohne besondere Schwierigkeiten in diesem Abstandßhaltergitter
aufgenommen werden.
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Figur 4 zeigt einen. Längsschnitt durch eine Abstandshaltereinrichtung
nach Figur 3. Anstelle eines festen Anschlagpunktes 4' je Brennstab 1 ist hier jedoch
ein axial orientiertes Punktpaar 45 vorgesehen. Der federnde Anlagepunkt greift
also - in axialer Richtung gesehen - zwischen den Einzelanschlägen der Punktpaare
45 an, so daß Biegemomente auf die Brennstäbe durch die als Torsionsfeder wirkenden
gewellten Bänder 2 mit Sicherheit vermieden werden. An diesem Beispiel wurde dargestellt,
daß es a;:ch bei einem quadratischen Brennstabgitter mit verhältnismäßig einfachen
Grundelementen möglich ist, eine Drei-Punkt-Halterung der ein-
| zelnen Brennstäbe bei gleichzeitiger günstiger wührang des |
| /einem |
| Kühlmittels mit recht stabilen Abstandshaltergitter aufzubauen. |
Es wird dabei jeweils das Kühlmit.el aus einem Unterkanal in den danebenliegenden
umgeleitet, wobei sich in den engen Stabzwischenräumen aufbauende heißere ;')trömungs:'äderi
verhindert werden. Lediglich die gewundenen Bänder 2 bestehen aus einem federnden
Material, das einen erhöhten Nelatronenabsorptionsquerschnitt aufweist. Der Gesamtmaterialbedarf
hierfür ist aber verhältnismäßig gering, so daß während des Reaktorbetriebes in
Verbindung mit den auch verhältnismäßig sparsam verwendeten geradlinigen Rasterstegen
aus neutronenphysikalischem günstigeren, beispielsweise Zirkonmaterial, insgesamt
nur
eine ganz geringe Neutronenabsorption durch diese zusätzlichen, aber notwendigen
Abstandhaltereinbauten stattfindet.
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Abschließend sei erwähnt, daß die geradlinigen Rasterstege 3 und
4 mit der äußeren Ummantelung des Brennelementes, die für den Durchtritt
des Kühlmittels mit Öffnungen versehen sein kann, durch Lötung oder SchweiBung fest
verbunden ist und damit zur,Erhöhung der Gesdmtatabilität des Brennelementes beiträgt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dieses Grundprinzip der Anwendung in sich
verdrehter Bänder, die punktförmig an Brennatabhüllrohren anliegen, auch bei arideren
Brennelementquerschnitten und bei anderer Brennstabgeometrie anzuwenden.