DE1564023B2

DE1564023B2 - Abstandshalter fuer brennelemente eines brennstoffstabbuendels fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE1564023B2
Application number: DE1966G0047751
Authority: DE
Inventors: James Lloyd; Venier Dominic Ambrose; San Jose Calif. Lass (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-06-07
Filing date: 1966-08-25
Publication date: 1976-08-12
Also published as: DE1564023A1; USRE27173E; IL25812A; BE682191A; FI45387C; GB1147144A; GB1147145A; US3338791A; NL6607890A; GB1153743A; DE1564009A1; DK121525B; CH467502A; FI45387B; NO123578B; DE1564009B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abstandshalter für Brennelemente, bestehend aus einem Brennstoffstabbündel, das eine Anzahl von mit einem äußeren Trägerband verbundene Unterteilungsvorrichtungen aufweist, die zur Halterung eines jeden Brennstoffstabes des Bündels mindestens eine Klemmfeder enthalten, wobei die Klemmfeder die Form eines in sich geschlossenen elastischen Bandes aufweist, das auf die Unterteilungsvorrichtung aufgezogen ist und gegen die äußere Oberfläche mindestens eines Brennstoffstabes tangential anliegt.

Die kinetische Energie der bei der Kernspaltung erzeugten Spaltprodukte wird im nuklearen Brennstoff schnell als Wärme verbraucht. Wenn nach der Wärmeerzeugung noch mindestens ein Neutron übrig geblieben ist, welches eine weitere Spaltung hervorruft, dann erhält sich die Reaktion von selbst, und die Wärmeerzeugung ist kontinuierlich. Die Wärme wird abgeführt, indem man ein Kühlmittel mit dem Brennstoff in Wärmeaustausch treten läßt. Die Kernreaktion kann so lange fortgeführt werden, wie ausreichend spaltbares Material im Brennstoff zur Verfügung steht, das die Wirkung der Spaltprodukte oder anderer möglicherweise vorhandener Neutronenabsorber überdeckt.

Zur Aufrechterhaltung von Spaltungsreaktionen mit einer zur Herstellung von thermischer Energie ausreichenden Ausbeute werden heute Kernreaktoren gebaut und betrieben, in denen das spaltbare Material oder der Kernbrennstoff in Form von Brennelementen verwendet wird, die verschiedenartiges Aussehen haben können und beispielsweise als Platten, Rohre oder Stäbe ausgebildet sind. Die Brennelemente sind im allgemeinen auf ihrer äußeren Oberfläche mit einer korrosionsbeständigen und nicht reaktionsfähigen Umhüllung versehen, die kein spaltbares oder ergiebiges Material enthält. Die Brennelemente werden mit festen Abständen zueinander in Gruppen zusammengefaßt und in Form eines Brennstoffstabbündels in einem Kühlmittelkanal angeordnet. Mehrere derartiger Brennstoffstabbündel bilden zusammen den Reaktorkern, in dem sich die Spaltungsreaktion von selbst erhält. Der Reaktorkern ist gewöhnlich von einem Reaktorgefäß umgeben.

Eine der Schwierigkeiten beim Betrieb von Kernreaktoren ist das strukturelle Versagen oder Durchbrennen der Brennelemente. Dies wird oftmals dadurch verursacht, daß die Abstandshalter für die Brennelemente das Durchströmen von Kühlmittel und daher die Wärmeableitung von gewissen äußeren Oberflächen des Brennelements verhindern. Die an diese Oberflächen grenzenden Umhüllungen werden . dadurch auf zu hohe Temperaturen aufgeheizt und zerstört oder geschmolzen. Dadurch werden Risse

ίο* oder Öffnungen in der Umhüllung erzeugt, so daß der Brennstoff und gasförmige Spaltprodukte, die in den Brennelementen enthalten sind, unmittelbar dem Reaktorkühlmittel ausgesetzt sind. Die Brennelemente müssen in solchen Fällen nicht nur ausgetauscht werden, wozu der Reaktor abgeschaltet werden muß, sondern das Kühlmittel enthält auch radioaktives Material und verschmutzt die verschiedenen Teile des Reaktor- und Kühlmittelkreislaufes.

Es sind beträchtliche Anstrengungen unternommen worden, um ein Gerät zu entwickeln, mit dem die Brennelemente eines Bündels in festen Abständen zueinander gehalten werden können, wie es aus physikalischen Gründen erforderlich ist, und das trotzdem eine ausreichende Wärmeableitung zuläßt, damit die Brennelemente nicht zerstört werden oder durchbrennen. Derartige Geräte bestehen z.B. in starren Befestigungsmitteln und mechanischen Verbindungen mit relativ großen Oberflächen. Sie werden jedoch leicht zerstört, da die Wärmeableitung von den Brennelementen verhindert wird.

Während einerseits Abstandshalter benötigt werden, mit denen das Problem der Wärmeableitung gelöst werden kann, sind andererseits auch Abstandshalter erwünscht, mit denen der parasitäre Einfang möglichst verhindert wird, damit sich der Wirkungsgrad des Kernreaktors erhöht. Das ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn einige hundert dieser Geräte in einem einzigen Reaktorkern verwendet werden. Weiterhin sind Abstandshalter erwünscht, die ein leichtes Laden gestatten, die ausreichend mechanisch stabil sind, um während des Betriebs der Umgebung des Reaktorkerns standzuhalten, die ferner nicht gegen die Brennelemente schwingen oder hohe Spannungen in ihnen erzeugen und die schließlich eine Iineare Ausdehnung oder Verkleinerung der Brennelemente zulassen.

Aus den GB-PSn 969131 und 972101 sind bereits Abstandshalter für Brennstoffstäbe von Kernreaktoren bekannt, die aus einer Anzahl von mit einem äußeren Trägerband verbundenen Unterteilungsvorrichtungen bestehen, wobei jede Unterteilungsvorrichtung zur Halterung mindestens eines Brennstoffstabes mindestens eine Klemmfeder oder einen Unterteilungsstreifen enthält. Da die Klemmfedern jedoch entweder Halbrohre sind, die achsenparallel zu den Brennstoffstäben verlaufen oder gar nichtfedernde Unterteilungssteifen verwendet werden, deren sämtliche Verlaufsebenen ebenfalls parallel zur Achse der Brennstoffstäbe angeordnet sind, ergeben sich vielfältige Lineinberührungen mit dem Umfang der Brennstoff stäbe, wodurch das Vorbeiströmen des die Reaktorwärme abführenden Kühlmittels erschwert und die Bildung von heißen Stellen begünstigt wird.

Gegenstand des älteren deutschen Patents

1514110 sind Abstandshalter der obengenannten allgemeinen Art, jedoch mit Klemmfedern, die die Form eines in sich geschlossenen oder einseitig offenen Bandes aufweisen, das auf eine Unterteilungsvorrich-

tung aufgezogen ist und gegen die äußere Oberfläche mindestens eines Brennstoffstabes tangential anliegt. Diese Klemmfedern besitzen jedoch verhältnismäßig große Krümmungsradien, so daß, wie weiter unten im Zusammenhang mit F i g. 9 und 9 A erläutert ist, ebenfalls beträchtliche Flächen- oder Linienberührungen mit den Brennstoffstäben auftreten und häufig unsymmetrisch verteilte Kräfte auf die einzelnen Brennelemente ausgeübt werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung von möglichst vielen Punktkontakten an Stelle der flächen- und linienförmigen Berührungszonen zwischen Abstandshalterteilen und Brennelementen sowie von Klemmfedern möglichst einfacher Bauart.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Abstandshalter erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Band den Längsschnitt einer Raute aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt, der den Scheitel des stumpfen Winkels der Raute bildet, dem Brennstoffstab anliegt.

Durch den erfindungsgemäßen Abstandshalter wird erreicht, daß praktisch keinerlei flächen- oder linienförmige Berührungen zwischen Klemmfeder und Brennelement auftreten und die Kraftverteilung auf Halterungsdrähte und Brennelemente völlig symmetrisch ist. Das Kühlmittel kann ungehindert an den Brennelementen vorbeiströmen, so daß eine gleichmäßig gute Wärmeableitung gewährleistet und die Bildung heißer Stellen verhindert werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Brennstoffbündel, teilweise im Schnitt, mit Abstandshaltern nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Abstandshalter nach der Erfindung in perspektivischer Ansicht, . .

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Abstandshalter nach der Erfindung,

Fig. 4 eine teilweise längs der Linie 4-4 geschnittene Seitenansicht der Fig. 3,

Fig. 5 eine Unterteilungsvorrichtung eines Abstandshalters als Schnitt längs der Linie 5-5 durch die Fig. 3,

Fig. 5 A eine Endansicht der Fig. 5,

Fig. 6 eine kammartige Platte der Unterteilungsvorrichtung nach der Fig. 5,

Fig. 7 einen Verbindungssteg der Unterteilungsvorrichtung nach Fig. 5,

Fig. 8 ein dreidimensionales Diagramm, in dem die Kräfte eingezeichnet sind, die auf ein Brennelement und die damit verbundene Gitterzelle nach Fig. 3 wirken,

Fig. 9 eine Klemmfeder des Standes der Technik mit großem Krümmungsradius für Brennelemente in der Ruhestellung,

Fig. 9 A die Klemmfeder der Fig. 9 in einem durch die Brennelemente vorgespannten Zustand, Fig. 10 eine Klemmfeder nach der Erfindung und

Fig. 1OA die Klemmfeder der Fig. 10 in einem durch die Brennelemente vorgespannten Zustand.

Die Fig. 1 zeigt ein Brennstoff stabbündel mit einem Abstandshalter nach der Erfindung. Das Brennstoffstabbündel 10 enthält einen rohrförmigen Kanal 12 mit offenen Enden, Brennelemente 14, eine untere Einspannplatte 16, eine obere Einspannplatte 18 und Abstandshalter 20. Der rohrförmige Kanal 12 hat einen nahezu quadratischen Querschnitt und besitzt am oberen Ende Winkelstücke 22, die den Kanal tragen, wenn er über die Brennelemente gezogen ist. Die Brennelemente 14 werden in mehrere Abstandshalter 20 eingesetzt, die an der Innenwand des Kanals 12 anliegen und werden von diesen auf Abstand gehalten. Die Abstandshalter sind in Längsrichtung der Bündel um ein vorgewähltes Stück voneinander getrennt, z. B. um 45 cm und zur Verhinderung von Längsbewegungen mit einem oder mehreren Brennelementen verbunden.

Die Verbindung kann auf verschiedene Weise erfolgen, z.B. können die Brennstoffstäbe in den vorgewählten Abständen mit Befestigungselementen versehen sein. Jedes Befestigungselement kann einen quadratischen Halsabschnitt aufweisen, der an die äußere Oberfläche des Brennelements geschweißt ist.

¹S Der Halsabschnitt ist dann mit einer konzentrischen Öffnung versehen, deren Durchmesser etwas größer als der der Brennelemente ist, damit er über sie gezogen und an Ort und Stelle festgeschweißt werden kann. Außerdem sind die Außendurchmesser der Halsabschnitte etwas kleiner als die anschließend beschriebenen Zellen der Abstandshalter. Eine ringförmige Kerbe rund um den Umfang der quadratischen Halsabschnitte dient zum Aufnehmen von Halterungsdrähten der Abstandshalter. Nach dem Einsetzen eines Brennelements in die ausgerichteten Zellen der beabstandeten Abstandshalter und nach dem Ausrichten der Kerben der Halsabschnitte mit den entsprechenden Halterungsdrähten wird das Brennelement um 45° gedreht, damit die Halterungsdrähte in die Kerben greifen. Es ist wichtig, daß in der Befestigungsvorrichtung keine Dampftaschen erzeugt werden, die in den Brennelementen zu unerwünschten, heißen Stellen führen können, und daß sie dem im Kanal strömenden Kühlmittel nur geringstmöglichen Widerstand entgegensetzt.

Jedes Brennelement 14 enthält ein längliches Rohr mit spaltbarem Material, z.B. Uran. Das Brennstoffmaterial liegt z.B. in Form von Pillen vor, die Ende gegen Ende im Rohr angeordnet sind, es kann jedoch auch in Pulverform oder in Partikelform vorliegen. Die beiden Rohrenden sind verschlossen, damit das Kühlmittel nicht mit dem Brennstoff in Berührung kommt und die gasförmigen Spaltprodukte nicht aus dem Brennelement entweichen.

Die unteren Enden der Brennelemente werden von der unteren Einspannplatte 16 gehalten und stecken in Ausnehmungen 28, die sich durch einen Teil der Einspannplatte erstrecken. Neben den Ausnehmungen 28 sind Öffnungen 24 vorgesehen, die direkt mit dem unteren Einlaß 26 des Kanals 12 in Verbindung stehen. Das obere Ende der Einspannplatte ist im Querschnitt quadratisch, so daß es vom Kanal 12 aufgenommen werden kann. Das untere Ende der Einspannplatte ist abgeschrägt und wird durch die innere Struktur des Reaktors gehaltert. Wenn das Brennstoffstabbündel in den Reaktor eingebaut ist, dann steht der untere Einlaß 26 mit einer Kühlmittelquelle, die z.B. Wasser zuführt, in Verbindung. Einige der Ausnehmungen, z.B. die Ausnehmungen 30 in den Ecken, sind mit Gewinden versehen, so daß mit Gewinden versehene Brennelemente eingeschraubt werden können.

Die obere Einspannplatte 18 ist durch Schrauben, z.B. die Schrauben 32, mit den gleichen eingeschraubten Brennelementen befestigt, die auf die mit Gewinde versehenen Enden aufgeschraubt sind. Öffnungen 34 in der oberen Einspannplatte 18 dienen zur Verbindung des Innenraums der Brennstoffstab-

bündel mit der Abzugsleitung für das Kühlmittel. Ausnehmungen 36, die sich teilweise durch die Einspannplatte erstrecken, sind nach innen offen und dienen der Halterung der Brennelemente. Sie nehmen die oberen Enden der Brennelemente auf und sind genügend tief, um deren Ausdehnung in Längsrichtung zu gestatten. Druckfedern 38 dienen zur Aufrechterhaltung einer Vorspannung zwischen der oberen Einspannplatte 18 und der oberen Schulter der Brennelemente 14, die sich aus dem auf die Muttern 32 ausgeübten Drehmoment ergibt. Der Kanal 12 wird durch Schrauben 40 festgehalten, die durch Öffnungen in den Winkelstücken 22 eingeführt werden und mit einem Gewindeteil 42 an der oberen Einspannplatte 18 zusammenwirken. Die Einspannplatte 18 ist außerdem mit einem Handgriff 44 versehen, mit dem das Brennstoffstabbündel 10 im Reaktorkern gehoben und gesenkt werden kann.

Obwohl die beschriebenen Brennstoffstabbündel bei verschiedenen Reaktortypen verwendet werden können, sind sie insbesondere für Siedewasserreaktoren mit Moderatorkühlmitteln geeignet. Während des Betriebs eines Siedewasserreaktors, in dem das Brennstoff stabbündel verwendet wird, strömt das Kühlmittel von der Kühlmittelquelle durch den Einlaß 26 und die Öffnungen 24 innerhalb des Kanals 12 nach oben und in Längsrichtung an den Außenflächen der Brennelemente vorbei. Während es nach oben strömt, nimmt es von den Brennelementen Wärme auf und erhöht dadurch seine Temperatur, bis es schließlich in Naßdampf umgewandelt wird, dessen Güte z.B. 10% beträgt. Der Naßdampf strömt anschließend durch die öffnungen 34 in der oberen Einspannplatte 18, die in die Abzugsleitung des Reaktors mündet. Die Abzugsleitung nimmt den Dampf aus einer Anzahl von Brennstoffstabbündeln, die zusammen den Reaktorkern bilden, auf. Der Naßdampf in der Abzugsleitung wird dann getrocknet oder zu einem Dampf verbrauchenden Gerät, z. B. zu einer Turbine, geleitet. Der kondensierte Dampf aus derartigen Geräten kann dann zurück zur Kühlmittelquelle geführt werden.

In den Fig. 2 und 3 sind die wesentlichen Teile eines Abstandshalters 20 gezeigt. Er enthält ein äußeres Trägerband 50, Unterteilungsvorrichtungen 52, Klemmfedern 54 für die Brennelemente (die auch als Teil der Unterteilungsvorrichtung 52 angesehen werden können) und Halterungsdrähte 56. Das Trägerband 50 trägt die Enden der Unterteilungsvorrichtung 52 und die Enden der Halterungsdrähte 56.

Es sind zwei Sätze von Unterteilungsvorrichtungen 52 vorgesehen. Jeder Satz besteht aus drei gleich beabstandeten und nahezu parallelen Unterteilungsvorrichtungen. Die Unterteilungsvorrichtungen beider Sätze sind senkrecht zueinander angeordnet und an ihren Schnittlinien derart verbunden, daß sich ein eierbehälterartiges Gebilde ergibt. Das Trägerband 50 und die Unterteilungsvorrichtungen 52 bilden zusammen vier mittlere Quader 60, acht Seitenquader 62 und vier Eckquader 64.

Weiterhin sind vier Sätze von Halterungsdrähten 56 vorgesehen, wobei jeder Satz aus fünf gleich beabstandeten und nahezu parallelen Halterungsdrähten besteht. Zwei Sätze sind unter den Unterteilungsvorrichtungen angebracht, und die Halterungsdrähte beider Sätze sind senkrecht zueinander angeordnet. Die anderen beiden Sätze sind über den Unterteilungsvorrichtungen angebracht und ihre Halterungsdrähte sind ebenfalls senkrecht zueinander angeordnet. Alle Halterungsdrähte zusammen bilden vier Zellen in jedem der mittleren Quader 60, zwei Zellen in jedem Seitenquader 62 und eine Zelle in jedem Eckquader 64.

Es entstehen auf diese Weise also 36 Zellen, die von je einem Brennelement 14 besetzt sind.

Jede Unterteilungsvorrichtung enthält außerdem sechs Klemmfedern 54 für die Brennelemente, die derart um ein vorgewähltes Stück beabstandet sind,

ίο daß jedes Brennelement in einer Zelle durch jeweils zwei Klemmfedern 54 gehaltert wird. Außerdem zeichnet sich jede Unterteilungsvorrichtung durch geringen parasitären Einfang aus, was durch eine mit Öffnungen 58 versehene Gitterstruktur zustande kommt.

Die Halterungsdrähte 56 dienen dazu, jedes Brennelement außer in den Eck- und Seitenzellen fest gegen die Klemmfedern 54 zu drücken, da in diesen das Trägerband 50 für eine später beschriebene HaI-terung sorgt. Die Halterungsdrähte besitzen gerade Endabschnitte 66, die an das Trägerband 50 angeschweißt sind. Zur weiteren Halterung können sie auch an ihren Schnittpunkten verschweißt sein. Zwischen den Endabschnitten jedes Halterungsdrahtes sind mehrere nach außen bzw. innen gekrümmte Abschnitte 68 bzw. 72 vorgesehen, die durch dazwischenliegende gerade Abschnitte 70 verbunden sind. Die gekrümmten Abschnitte liegen gegenüber den Klemmfedern, damit die Brennelemente gehaltert werden. Diejenigen Halterungsdrähte, die in Längsrichtung mit den Unterteilungsvorrichtungen verlaufen, sind mit den Brennelementen nicht in Berührung und können daher auch gerade sein oder ganz fehlen. Sie sind jedoch in gleicher Weise wie die anderen HaI-terungsdrähte ausgebildet, damit die Brennelemente auch in dem Fall gehaltert werden, wenn sie schnellen Seitwärtsbewegungen ausgesetzt sind, die z.B. auftreten können, wenn extreme Zwischenzustände auftreten oder wenn ein oder mehrere Klemmfedern zerstört werden.

Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, besteht das äußere Trägerband 50 aus vier identischen Abschnitten 75, die durch gekrümmte Abschnitte 76 verbunden sind, so daß im wesentlichen ein Quadrat entsteht.

Die Endabschnitte von fünf Halterungsdrähten sind in obere Löcher 77 zweier gegenüberliegender Abschnitte 75 eingesetzt. Die Endabschnitte der anderen fünf Halterungsdrähte sind in die oberen Löcher 77 der anderen beiden, ebenfalls gegenüberliegenden Abschnitte 75 eingesetzt. Die beiden Sätze von je fünf nahezu parallel angeordneten Halterungsdrähten stehen senkrecht auseinander und liegen nahezu in einer gemeinsamen Ebene. Die Halterungsdrähte, die in untere Löcher 78 eingesetzt werden, liegen direkt unterhalb der Halterungsdrähte in den oberen Löchern 77. Auch sie liegen nahezu in einer Ebene, doch sind sie bezüglich der Halterungsdrähte, die in den Löchern 77 angeordnet sind, um 180° verdreht. Daher sind die Brennelemente 14 in den mittleren Quadern 60 an vier Stellen a, b, c und d durch zwei nach außen gekrümmte Abschnitte 68 (α und c) der oberen Halterungsdrähte und durch zwei nach innen gekrümmte Abschnitte 72 (b und d) der unteren Halterungsdrähte gehaltert. Außerdem wird das Brennelement 14 noch an den Punkten e und / von Klemmfedern 54 gehalten, die um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Bedeutung dieser beiden Unterstützungsstellungen und die Art der Klemmfedern wird

an Hand der Fig. 8 und 1OA erläutert.

Die Brennelemente in den Eckquadern 64 des Abstandshalters 20 werden jeweils durch zwei Klemmfedern und durch zwei Vertiefungen 80 gehaltert, die in den gekrümmten Abschnitten 76 des Trägerbandes 50 ausgebildet sind. Die Vertiefungen liegen gegenüber den Berührungspunkten der Klemmfedern 54 und können eine kugelförmige Oberfläche besitzen, so daß mit der äußeren Oberfläche der Brennelemente nur ein Berührungspunkt gebildet wird. Auf diese Art ist ein guter Fluß des Kühlmittels an diesen Berührungspunkten vorbei gewährleistet, und die Bildung heißer Stellen in den Brennelementen wird vermieden.

Die Brennelemente in den Seitenquadern 62 des Abstandshalters werden jeweils durch zwei Klemmfedern 54, einen Satz aus oberem und unterem Halterungsdraht 56 und von zwei Berührungszonen 84 im Trägerband 50 gehaltert. Der Satz aus oberen und unteren Halterungsdrähten 56 ist gegenüber einer Fe- a° der angeordnet und wirkt in gleicher Weise mit der Feder zusammen, wie es oben in Verbindung mit einem mittleren Quader beschrieben ist. Die beiden Berührungszonen 84 sind gegenüber der anderen Klemmfeder angeordnet. Die obere Berührungszone liegt etwa in der gleichen Ebene wie die oberen Halterungsdrähte und die untere Berührungszone etwa in der gleichen Ebene wie die unteren Halterungsdrähte. Die Form der Berührungszonen 84 wird noch beschrieben. Sie bilden mit den Brennelementen nur kurze Berührungslinien, die die Bildung heißer Stellen verhindern.

Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß jeder der vier Abschnitte 75 des Trägerbandes 50 zwei äußere bzw. zwei innere Vertiefungen 86 bzw. 88 aufweist. Jede äußere Vertiefung 86 hat eine Höhe H, die größer als die entsprechende Höhe H' der inneren Vertiefungen 88 ist. Aber auch andere Anordnungen sind möglich. Wenn beispielsweise alle Vertiefungen die gleiche Höhe aufweisen, dann sind sie alle mit der inneren ebenen Oberfläche des Kanals 12 in Berührung, wenn ein Abstandshalter 20 in diesen eingeführt wird. Um eine Berührung mit allen vier Vertiefungen sicherzustellen, wäre es notwendig, sehr enge Toleranzen für ihre Höhen einzuhalten. Dies ist jedoch schwierig und teuer, und daher werden die inneren Vertiefungen mit einer kleineren Höhe als die äußeren ausgestattet. So sind enge Toleranzen unnötig und die äußeren Vertiefungen 86 sind allein mit der inneren Oberfläche des Kanals 12 in Berührung. Die inneren Vertiefungen sind aus diesem Grunde zwar scheinbar überflüssig, doch ist das nicht der Fall, weil der flache Bereich, aus dem sie gebildet werden, andernfalls eine breite Berührungszone mit dem Brennelement darstellen würde. Das ist aber unerwünscht, da der Kühlmittelstrom nicht den stromabwärts gelegenen Teil dieser Berührungszone berühren könnte, und infolgedessen heiße Stellen gebildet würden. An Stelle von Vertiefungen 88 könnte auch das Material, aus dem diese bestehen, entfernt werden, so daß öffnungen verbleiben, die ebenfalls keine Berührungszonen mit den Brennelementen darstellen würden. Eine solche Anordnung ist jedoch ebenfalls unerwünscht, weil sich in den unteren Teilen dieser öffnungen Dampftasehen ausbilden, die eine Wärmeableitung verhindern und daher zum Durchbrennen des äußeren Trägerbandes führen können. Die peripheren Ränder der Vertiefungen 86 und 88 sind gekrümmt und abgeschrägt, damit die Bildung von Dampf taschen vermieden wird.

Am Rand des äußeren Trägerbandes 50 und unmittelbar über jeder Vertiefung 86 und 88 sind weitere Vertiefungen 90 vorgesehen, die am besten in den Fig. 3 und 4 erkennbar sind. Sie erfüllen zwei Funktionen. Erstens bilden sie eine glatte Oberfläche, durch die die Brennelemente in die Seitenquader 62 eingeführt werden können, ohne daß mit dem scharfen oberen Rand des Trägerbandes 50 ihre äußere Oberfläche verschrammt oder verkratzt würde. Zweitens dienen sie zur Bildung der äußeren Grenzen (Punkte m) der Berührungszonen 84. Die inneren Grenzen (Punkte ή) der Berührungszonen 84 werden durch die äußeren Ränder der Vertiefungen 86 und 88 gebildet.

In den Fig. 5 und 5 A ist eine Unterteilungsvorrichtung 52 gezeigt, die eine kammartige Platte 96, einen Verbindungssteg 98 und Klemmfedern 54 für die Brennelemente enthält, deren Einzelheiten in den Fig. 6, 7 und 10 dargestellt sind. Die Unterteilungsvorrichtungen dienen u.a. zur Unterteilung des Abstandshalters 20 in verschiedene Quader, zur Erhöhung seiner mechanischen Stabilität und zur Halterung der Klemmfedern 54 für die Brennelemente in der richtigen Stellung.

Gemäß den Fig. 5 und 6 erstreckt sich die aus einem Stück bestehende kammartige Platte 96 in Längsrichtung und enthält drei seitliche Ansätze 100 mit Schlitzen 102. Die Schlitze 102 haben eine Breite y, die etwas größer ist als die Stärke des Materials, aus dem die Platte 96 besteht, und eine Länge s, die etwas größer als die halbe Breite t der Platte ist. Dabei ist die Länge 5 um so viel größer als die halbe Breite t, daß eine genügende Toleranz besteht und der Zusammenbau einfach ist.

Längs der oberen Oberfläche der Platte 96 sind Einschnitte 104 angebracht, die zur Aufnahme der Klemmfedern 54 dienen, die, wie in Fig. 5 gezeigt, eingebaut werden. Am äußeren Ende der Platte 96 sind Ansätze 106 vorgesehen, die gemäß der Fig. 4 in obere Schlitze 108 im äußeren Trägerband eingeführt werden. Die Höhe der Ansätze 106 ist derart gewählt, daß diese etwas über die äußere Oberfläche des Abschnitts 75 des Trägerbandes 50 hinausragen und dann leicht z. B. durch Schweißen od. dgl. befestigt werden können. Abgeschrägte Kanten 110 dienen zur Erleichterung des Zusammenbaus und zur Vermeidung scharfer Kanten.

Die Verbindungsstege 98 enthalten nach den Fig. 5 und 7 einen sich in Längsrichtung erstreckenden Streifen mit einer Anzahl von Einschnitten 112 längs dessen unterer Kante und mit Ansätzen 114 an den beiden Enden. Die Einschnitte 112 dienen zur Halterung von Klemmfedern 54 und sind in Abständen zueinander angebracht, die denen zwischen den Einschnitten 104 in den Platten 96 entsprechen. Die Höhe der Ansätze 114 ist etwas größer als die Dicke der Abschnitte 75 des Trägerbandes 50, und sie werden in untere Schlitze 115 eingeführt und dort verschweißt. Wie an den Platten 96 sind abgeschrägte Kanten 116 vorgesehen, damit der Einbau erleichtert wird und keine scharfen Kanten vorhanden sind.

Der Zusammenbau der Unterteilungsvorrichtung 52 geschieht dadurch, daß zunächst die Klemmfedern in die Einschnitte 104 der Platte eingesetzt werden und anschließend die Verbindungsstege 98 durch die Klemmfederri gezogen und in die in der Fig. 5 ge-

609 523/7

zeigte Stellung gebracht werden. Die Platten 96 und die Verbindungsstege 98 werden dann z.B. durch Punktschweißung an den durch 118 bezeichneten Stellen verbunden. Die einzige Aufgabe der Schweißstellen besteht darin, die verschiedenen Teile der Unterteilungsvorrichtung 52 in festen relativen Stellungen zueinander zu halten, wenn sie anschließend in den Abstandshalter eingebaut werden. Die Schweißstellen brauchen jedoch nicht zur mechanischen Stabilität der Unterteilungsvorrichtung beizutragen, da diese, wenn sie in den Abstandshalter 20 eingebaut sind, sich selbst tragen. Aus den Fig. 5 und 5 A geht hervor, daß die Klemmfedern 54 derart von den Einschnitten 104 und 112 aufgenommen werden, daß der Abstand u zwischen der inneren Oberfläche der Einschnitte kleiner als die innere Länge ν der Klemmfedern in deren Ruhestellung ist. Diese Toleranz ist notwendig, damit die Stützfedern nicht gegen die inneren Oberflächen der Einschnitte anliegen und unerwünschte Spannungen hervorrufen.

Die Unterteilungsvorrichtungen 52 tragen sich selbst, wenn sie zusammen gemäß Fig. 2 und 3 in den Abstandshalter für die Brennelemente eingebaut sind. Die Unterteilungsvorrichtungen, die von links nach rechts verlaufen (in den Fig. 2 und 3), besitzen nach oben weisende Schlitze 102. Die Unterteilungsvorrichtungen dagegen, die von oben nach unten verlaufen, besitzen nach unten gerichtete Schlitze. Die Schlitze 102 befinden sich an den Kreuzungsstellen, und daher nimmt nach dem Zusammenbau jeder Schlitz den starren Abschnitt eines seitlichen Ansatzes 100 und den angrenzenden Abschnitt eines Verbindungssteges 98 auf. Auf diese Weise werden zwischen den einzelnen Unterteilungsvorrichtungen sich selbst tragende Verbindungen erhalten, ohne daß Schweißstellen oder andere zusätzliche Verbindungen notwendig sind.

Die kammartigen Platten 96 und die Verbindungsstege 98 bilden zusammen ein Gitter, das eine Anzahl von öffnungen 58 enthält, die zwischen den angrenzenden seitlichen Ansätzen 100 liegen. Diese öffnungen sind, wie schon erklärt wurde, sehr wichtig, da sie den parasitären Einfang der Abstandshalter 20 erniedrigen und damit den Wirkungsgrad des Kernreaktors, in den sie eingebaut werden, erhöhen.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Konstruktion der Klemmfedern 54 für die Brennelemente. Zum besseren Verständnis ihrer Wirkungsweise dient die Fig. 8, die dreidimensional die verschiedenen Kräfte und Berührungspunkte zwischen einem Brennelement 14 und den oberen bzw. unteren Halterungsdrähten 56 (Punkte α und c bzw. Punkte b und d) und den Klemmfedern 54 gemäß Fig. 3 zeigt.

Der Punkt e liegt dabei gegenüber einem Punkt g, und der Punkt g liegt auf der Hälfte der Strecke zwischen α und b. Die durch die Klemmfeder 54 auf den Punkt e des Brennelements 14 ausgeübte Kraft wird daher durch das Brennelement in eine Richtung durch den Punkt g übertragen, wie durch den doppelt gestrichelten Kraftvektor in Fig. 8 gezeigt ist. Die durch die Halterungsdrähte 56 an den Punkten α und b auf das Brennelement 14 ausgeübten Kräfte sind durch doppelt gestrichelte Kraftvektoren angezeigt. Sie sind beide entgegengesetzt zu der Kraft und im Betrag gleich der Hälfte der durch Punkt c ausgeübten Kraft. In ähnlicher Weise liegt der Punkt / gegenüber einem Punkt h, der auf der halben Strecke zwischen c und d liegt. Daher sind die an den Punkten c und d durch die Halterungsdrähte 56 ausgeübten und durch doppellinige Pfeile angedeuteten Kräfte beide entgegengesetzt zu der Kraft und im Betrag gleich der Hälfte der Kraft, die durch den Punkt / ausgeübt wird und ebenfalls durch einen doppellinigeri Kraftvektor angezeigt ist. Die Konstruktion jedes Halterungsdrahtes kann daher identisch sein, da sie alle durch die gleichen Kräfte belastet werden.

Es ist wichtig, diesen symmetrischen Kraftausgleich aufrechtzuerhalten, weil ungleiche Kräfte z.B. an den Punkten α und b zu einer frühzeitigen mechanischen Zerstörung der Brennelemente führen können. Bei unsymmetrischer Belastung wird einer der Berüh-

¹S rungspunkte eines Halterungsdrahtes weniger stark belastet, so daß er schwingen und gegen das Brennelement reiben kann. Der andere Berührungspunkt ist stärker belastet und führt zu einer übermäßigen Spannungsballung im Brennelement. Das ist von Bedeutung, obwohl die Größen und die Differenzen ungleicher Kräfte relativ gering sind, zumal die Halterungsdrähte und die Brennelemente während des Reaktorbetriebs vielen Millionen Schwingungen unterworfen werden.

^a5 Eine unsymmetrische Verteilung liegt beispielsweise vor, wenn die durch die Klemmfeder 54 ausgeübte Kraft nicht durch den Punkt e, sondern durch einen Punkt e' verläuft. Klemmfedern mit großen Krümmungsradien, wie sie z.B. in der Fig. 9 gezeigt sind, führen in Längsrichtung der Brennelemente zu einer beträchtlichen flächenhaften oder linienhaften Berührungszone, wie die Abschnitte A und B der Fig. 9 A zeigen. Das Ergebnis sind häufig unsymmetrisch verteilte Kräfte, wobei die durch eine Klemmfeder mit großem Krümmungsradius auf das Brennelement 14 ausgeübte Kraft durch den Punkt e' zu einem Punkt g' verläuft, wie durch den durchgezogenen Kraftvektor zwischen diesen Punkten gezeigt ist. Dadurch entstehen Kräfte an den Punkten α und b, die durch je einen durchgezogenen Kraftvektor i bzw. k angezeigt sind. Die Verschiebung des Punktes e' und der Unterschied zwischen den Kraftvektoren i und k sind hier stark übertrieben gezeigt.

Eine weitere Schwierigkeit, die bei der Verwendung von Klemmfedern mit großen Krümmungsradien auftritt, liegt darin, daß die relativ lange Berührungslinie zwischen der Klemmfeder und dem Brennelement den Kühlmittelstrom von dem stromabwärts von der Berührungslinie liegenden Abschnitt abhält. Da die durch das Brennelement erzeugte Wärme in diesem Gebiet nicht richtig abgeleitet wird, bilden sich unerwünschte heiße Stellen, und die Umhüllung des Brennelements wird zerstört.

In den Fig. 10 und 10 A ist deswegen eine Klemmfeder 54 nach der Erfindung gezeigt, die aus einem flachen, für Blattfedern verwendeten Material angefertigt ist und einen sehr kleinen Krümmungsradius R — 0,787 mm an der Berührungsstelle mit dem Brennelement besitzt, wodurch die obenerwähnten Schwierigkeiten bei den Klemmfedern mit großen Krümmungsradien im wesentlichen vermieden werden. Wenn die Klemmfedern 54 gegen das Brennelement 14 drücken, dann bildet sich nur eine sehr kurze Berührungslinie zwischen Brennelement und Klemm-

feder, wie die Abschnitte A-A und B-B in der Fig. 1OA zeigen. Durch die kurzen Berührungslinien ergeben sich zwei wesentliche Verbesserungen. Erstens ist die Kraftverteilung auf die Halterungsdrähte

11 12

symmetrisch, weil die Kraftvektoren durch die Breite des Klemmfederblattes

Punkte e und / in den Fig. 3 und 8 oder sehr nahe ( W², Fig. 3) 4,78 mm

an ihnen vorbeilaufen. Zweitens, und das ist besonders Kraft der Klemmfeder auf die

wichtig, erlauben die kurzen Berührungslinien ein ge- Brennelemente 1,63 bis 2,27 kg

eignetes Vorbeiströmen des Kühlmittels, so daß sich 5 Auslenkung ( W- W) 1,52 bis 3,05 mm

eine gute Wärmeableitung ergibt und die Bildung hei- Material Inconel

ßer Stellen vermieden wird.

Ein weiteres Merkmal der Klemmfedern 54 ist der Das Material, aus dem die einzelnen Glieder des

sehr kleine Krümmungsradius r= 0,381 mm am obe- Abstandshalters 20 bestehen, sollte korrosionsberen und unteren Ende der Klemmfeder. Hierdurch ¹⁰ ständig sein, einen geringen Absorptionsquerschnitt werden der Winkel α maximal und die Berührungsli- für thermische Neutronen aufweisen und geeignete nien A-A und B-B minimal, wenn die Klemmfeder mechanische Eigenschaften besitzen. Geeignet ist durch die Brennelemente zusammengedrückt wird. beispielsweise eine Zirkonlegierung. Da Zirkonlegie-Bei größerem Radius R würde der Winkel α kleiner rungen jedoch sehr teuer sind, kann z.B. auch rost- und der an das Brennelement angrenzende Teil fla- ^X5 freier Stahl verwendet werden. Die Erfindung erweist eher. Die Berührungsfläche würde daher in der Ar- sich daher als besonders vorteilhaft, wenn der Preis beitsstellung der Stützfeder größer sein. eine Rolle spielt, weil die Abstandshalter in Form ei-

Wenn die Klemmfeder durch die Brennelemente nes mit Öffnungen versehenen Gitters die Verwenzusammengedrückt wird, dann muß ihre Breite W dung von rostfreiem Stahl zulassen und trotzdem ei-(Fig. 10A) um so viel größer als die Breite A (Fig. 3) ²⁰ nen relativ geringen Absorptionsfaktor für Neutronen der Halterungsdrähte sein, daß die Brennelemente ergeben. Außerdem gestattet die Bauweise und Anwährend des normalen Betriebs nicht von den Halte- Ordnung der Unterteihrngsvorrichtungen, der rungsdrähten gestützt werden. Außerdem müssen die Klemmfeder und der Öffnungen die Verwendung mi-Kräfte und die Auslenkung W- W der Klemmfedern nimaler Mengen an rostfreiem Stahl, so daß auch hier-54 durch die Brennelemente sorgfältig ausgewählt ²5 durch die Neutronenabsorption sehr klein gehalten werden. Die Kraft muß ausreichen, um ein Schwingen wird.

der Halterungsdrähte gegen die Brennelemente zu Der Abstandshalter kann besonderen Wünschen

verhindern, sie darf aber nicht so groß sein, daß hohe angepaßt werden. Beispielsweise kann er zur Halteörtliche Spannungen in der Brennstoffstabumhüllung rung von mehr oder weniger Brennelementen ausgeunmittelbar neben der Berührungsstelle der Halte- 3<> legt sein. Zur Halterung weiterer Brennelemente ist rungsdrähte auftreten. Außerdem muß die Auslen- es beispielsweise nur notwendig, zusätzliche Klemmkung der Klemmfedern genügend klein sein, damit federn u.dgl. vorzusehen und die verschiedenen Baudie Berührungslinien A-A und B-B kleiner als ein einheiten derart abzuwandeln, daß die zusätzlichen vorgewählter Wert sind, so daß das Kühlmittel in ge- Glieder aufgenommen werden können. Außerdem eigneter Weise an den Berührungszonen vorbeiströ- 35 können die Form und die Dimensionen der einzelnen men und das Durchbrennen der Brennelemente ver- Teile verändert werden, mieden werden kann. Insbesondere können auch die Dimensionen des

Die folgende Tabelle gibt die Dimensionen für eine obengenannten Ausführungsbeispiels für die Klemm-Klemmfeder nach der Erfindung an: federn abgeändert werden. Die obigen Werte gelten

40 für Klemmfedern, die die Brennelemente in Abstän-

Länge (LL) 28,6 mm den von etwa 45 cm haltern, deren Durchmesser etwa

Breite (WO ⁶>^{09 mm 14}'^{2 mm und deren} Gewicht etwa 450 g/30 cm beRadius (/?) 0,787 mm trägt. Brennelemente mit anderen Abmessungen erRadius (/·) 0,381 mm fordern jedoch Klemmfedern aus anderem Material

Dicke (i) 0,25 mm 45 und mit anderen Längen, Breiten und Dicken.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Abstandshalter für Brennelemente, bestehend aus einem Brennstoffstabbündel, das eine Anzahl von mit einem äußeren Trägerband verbundene Unterteilungsvorrichtungen aufweist, die zur Halterung eines jeden Brennstoffstabes des Bündels mindestens eine Klemmfeder enthalten, wobei die Klemmfeder die Form eines in sich geschlossenen elastischen Bandes aufweist, das auf die Unterteilungsvorrichtung aufgezogen ist und gegen die äußere Oberfläche mindestens eines Brennstoffstabes tangential anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Band den Längsschnitt einer Raute aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt, der den Scheitel des stumpfen Winkels der Raute bildet, dem Brennstoffstab anliegt.