DE1514559A1 - Abstandshalter fuer Kernreaktorbrennelemente - Google Patents

Description

• Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente Die Brennelemente von heterogenen Kernreaktoren bestehen meistens aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstäben. Diese haben einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 bis 2 cm und eine Länge in der Größenordnung von Metern. Sie stellen daher Gebilde dar, die unter dem Einfluß von Temperatur und Strömungskräften leicht zu Verbiegungen neigen. Derartige Verformungen können aber innerhalb eines Brennelementes nicht zugelassen werden, da sonst die Strömungsverhältnisse des Kühlmittels und damit die Wärmeabfuhr gestört würden. Dies wäre gleichbedeutend mit dem Auftreten von stellenweise unzulässig hohen Temperaturen an den Brennstäben. Da es nicht möglich ist, den langen Brennstäben eine genügende Eigenstabilität zu geben, war man gezwungen, den Abstand der einzelnen Brennstäbe untereinander durch sogenannte Abstandshalter zu gewährleisten. Diese zusätzlichen Bauelemente müssen dabei so konstruiert sein, daß sie die Wärmeabfuhr von den Brennstäben praktisch nicht behindern, also keine schädliche Störung der Kühlmittelströmung verursachen. Bis zu einem gewissen Grad müssen sie ,jedoch eine thermische Ausdehnung der Brennstäbe zulassen und Toleranzen ausgleichen. Sie bestehen daher vielfach auch aus elatischen Teilen. Die spezielle Form der Abstandshalter richtet sich weitgene:id nach der Form des Brennelementes. Bei Brennelementen mit kreisförmigen Querschnitten sind andere Ausbildungsformen notwendig als bei solchen mit rechteckigem Querschnitt. Letztere sind vielfach noch von einer äußeren Hülle umgeben, die zum Zwecke des Kühlmittelausgleiches mit einer Vielzahl von Bohrungen versehen ist. Derartige kastenfhrmige Brennelemente bestehen normalerweise aus eine r. wesentlich größeren Anzahl von Einzelbrennstäben als jene mit kreisförmigem Querschnitt, so daß auch hier an die Abstandshalterelemente besonders hohe Anforderungen zu stellen sind. :>o ist es z.B. schon bekannt ge- worden, die Brennstäbe eines derartigen Brennelementes innerhalb eines Stegrasters zu haltern und zwar durch Noppen und Vorsprünge, die von den die Abstandshaltermaschen bildenden Stegeeiten abgewinkelt und gebogen sind. Die Abstandshalterelenente sollen federnde Eigenschaften haben, sollen aber auch möglichst wenig Neutronen absorbieren. Sie müssen also aus einem dementsprechenden Material bestehen, die verwendete Materialmenge muß auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Da aber beide Forderungen nicht zur gleichen Zeit optimal erfüllt werden können, ist es meistens notwendig, dazu einen Kompromiß zu schließen.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Abetandahalter für Kernreaktorbrennelemente in Kastenform und vorzugsweise durchbrochenen äußeren Mantel aus Strukturmaterial, bei dem die Vielzahl der Brennstäbe an gewellten Bändern anliegt. Diese Abstandshalter sollten bei einwandfreier technischer Funktion mit einem Minimum an stärker neutronenabsorbi.erenden Materialien auskommen. Erfindungsgemäß sind die in an sich bekannter Weise in einem Viereckgiter angeordneten Brennstäbe , von denen jeder eine Masche eines Stegrasters aus teilweise kammartig ausgebildeten Strukturmaterialbändern durchsetzt, an vier Punkten innerhalb eines Maschenraumes von in das Stegraster eingesetzten gewellten Bändern zentriert. Das Stegraster besteht dabei aus neutronenphysikalisch sehr günstigem Strukturwerkstoff, wie z.B. Zirkonlegierungen, die gewellten Bänder dagegen aus einem Federeigenschaften besitzen-den Material, wie z.B. rostfreiem Stahl oder hochwarmfesten und korrosionsbeständigen Nickellegierungen. Diese Materialien haben eine wesentlich höhere Neutronenabsorption als das Zirkon. Sie stellen jedoch nur einen geringen Anteil innerhalb des Abstandshalters dar, so daß diese Abstandshalterkonstruktion im Vergleich zur erzielten Stabilität eine nur sehr geringe Neutronenabsorption aufweist. Zur besseren Veranschaulichung , dieses Abstandshalterprinzips sei auf die Zeichnungen ver-wiesen. Figur 1 zeigt eine derartige Abstandshalterkonstruktion in einem Querschnitt in der Nähe einer Ecke des Brennelementes. Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Möglichkeit zur gegenseitigen Halterung der Einzelteile des Ab-standshaltersysteme. Die Brennstäbe sind dabei mit 1 bezeichnet, die federnden Bänder, die an denselben anliegen mit 2 und 3. Die parallel zu diesen gewellten Bändern verlaufenden Rasterstege sind mit 7 und 8, die senkrecht zu diesen verlaufenden mit 5 und 6 bezeichnet. Alle gewellten federnden Bänder sind gleich geformt, lediglich die die eine Halterung der Brennstäbe gegenüber dem der Brennelementaußenwand bewirken, haben andere Krümmungsradien und sind mit 4 bezeichnet. Sie bestehen jedoch aus dem gleichen Material wie die normalen gewellten Bänder 2 und 3. Das Abstandshaltergitter ist an seinem Umfang durch die Stege 9 zusammengefaßt und in geeigneter Weise,2.B. über Buckelschweißungen 91, mit dem äußeren Mantel dieser kastenförmigen Brennelemente verbunden. Im Inneren des Abstandshaltergitters selbst sind keine geschweißten oder gelöteten Verbindungen notwendig. Selbstverständlich ist es jedoch möglich und je nach der Größe der Brennelemente vielleicht auch zweckmäßig, das Stegraster an einzelnen Stellen z.B. durch einige Schweißpunkte zusammenzuhalten. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß jeder einzelne Brennstab eine Masche, die durch die Stege 5/6 bzw. 7/8 gebildet wird, durchsetzt. Innerhalb dieser Maschen ist er federnd gehalten durch die sich überkreuzenden Wellenbänder 2 und 3. Da diese Wellenbänder durch die dazwischenliegenden Brennstäbe unter Spannung,atehen, würden sie normalerweise einen Druck in ihrer Längsrichtung auf die Wand des Brennelementes ausüben. Dies wird verhindert durch die Stegteile 7/8, die als Zuganker wirken und beiderseits mit dem Brennelementmantel z.B. über die Außenstege 9 verbunden sind. In diesen Außenstegen 9 sind auch die gewellten Bänder durch entsprechendes kammartiges Ineinandergreifen gehaltert und gelagert. Insbesondere aus Figur 2 ist ersichtlich, wie eine derartige Konstruktion aufgebaut sein kann. Daraus ist auch zu ersehen, daß das,Abstandshaltergitter in einzelnen Lagen zusammengesetzt ist, so sind z.B. die senkrecht zu den gewellten Bändern verlaufenden Gitterstege aus zwei Teilen 6 und 5 zusammengesetzt, so daB damit die in den Schlitzen 'dieser Stege 5/6 geführten gewellten Bänder 2,bzw. 3 bei aller für ihre Federwirkung notwendigen Freiheit doch sicher gelagert sind. In gleicher Weise sind auch die anderen senkrecht dazu verlaufenden Rasterstege doppelt vorgesehen (7 und 8). Sie können selbstverständlich auch breiter als in der Figur 2 dargestellt ausgeführt sein r und sich"ghnlich wie die Stege 5 und 6 stirnseitig berühren:. Es sei in diesem Zusammenhang darauf' hingewiesen, daß die federnden Wellenbänder 2 und 3 selbstverständlich auch z.B. aus Drahtmaterial bestehen können. In allen Fällen ist dabei jedoch stets eine punkt-,bzw. linienförmige Berührung zwischen den federnden Elementen 2 und 3 sowie den Brennstäben 1 gegeben. Dadurch daß jeweils zwei konvexe Kurven einander berühren, ist auch eine ausreichende Kühlung dieser Berührungsstellen gewährleistet, so daß die Entstehung unzulässig hoher Temperaturen mit Sicherheit vermieden wird. Diese Konstruktion gibt die Gewähr für eine ausreichend sichere spielfreie Halterung bei gleichzeitiger Ermöglichung axialer Ausdehnung der Brennstäbe>und eines Ausgleichs der Toleranzen. Für die praktische Ausführung: dieser Wellenbänder 2 und 3 ist es zweckmäßig, die Wellenkanten leicht abzubiegen, so da.ß beim Einführen der Brennstäbe keine Kratzriefen und damit Stellen verminderter Wandstärke in den Hüllrohren derselben entstehen können. Solche Stellen müssen mit Sicherheit vermieden werden, da diese während des Betriebes zur Hüllrohrbrüchen und damit zum Ausfall. des gesamten Reaktors Veranlassung geben könnten. Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform stellt lediglich eiirr Beispiel dar,. auch sind die Abmessungen der Einzelteile nicht maßetäblich zu werten. Unter Zugrundelegung des Prinzips der `vorliegenden Erfindung sind vielmehr noch mannigfach abgewandelte Ausführungsformen der Einzelteile aber auch ihres Verbandes im Brennelement, insbesondere auch ihre Befestigung gegenüber dem Brennelementmantel, denkbar.

Claims (3)

1. Patentansprüche Abstandshalter für Kernreaktorbrennelement in Kastenform und vorzugsweise durchbrochenem äußeren Mantel aus Strukturmaterial, hei dem die Vielzahl der Brennstäbe an gewellten Fändern anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die in an sich bekannter Weise in einem Viereckgitter angeordneten Brennstäbe, von denen jeder eine Masche eines Stegrasters aus teilweise kammartig ausgebildeten Strukturmaterialbändern durchsetzt, an vier Punkten innerhalb eines Maschenraumes von in das Stegraster eingesetzten gewellter. Bändern zentriert ist.
2. 2. Abs tandshal ter nach Anspruch ' , dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zu den gewellten Bändern -zur lührung derselben :erlaufenden Strukturmaterialbänder sowie die in Richtung der gewellten Bänder verlaufenden Rasterbänder kammartig ineinandergreifen und die Rasterbänder an dem äußeren Mantel.des Brennelementes, z.B. durch Buckelzchweißung, befestigt sind.
3. 3. Abstandshalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterbänder aus einem neutrenenphysikalisch sehr günstigen Strukturwerkstoff, wie z.B. Zirkon oder einerZirkoniegie-rung, bestehen, und die gewellten Bänder als einem Pedereigenschaften besitzenden Material, wie z.Pl rostfreiem-Stahl oder hochwarmfesten und korrosionstestAndiger: Nickellegierungen gefertigt sind.