DE1806432B2 - Abstandhaltegitter fuer ein kernreaktor-brennstoffelement - Google Patents

Description

)ie Erliiulung bcirilTi ein Abstandhaliegitier für ein nreaktor Brennstoffelement, mil einem Bündel von hen aus Spall oder Bmtmalerial. da·, in ein Gehäuse jchiiiii und veil ,"IU¹I Main.·!! Lndrosten gehalten ist, >ei ein die Stäbe umgehender Rahmen vorhanden ist. in seiner F.bene zumindest eine I .agc von zueinander alleleii Federn träjM,die an den Stäben anliefen, !ermvakinr liivnpMullelemenie mn AbsiaiulhalU' gittern der oben erwähnten Art sind in der DT-A! !0 87 285 und in der FR-PS 14 56 400 beschrieben. Be diesen bekannten Abstandhaltegittern bestehen dii Federelemente aus wellenförmigen Stegen bzw. au zickzackartig abgebogenen Drähten, die zwischen di( einzelnen Brennstoffstäbe eingelegt sind und stellenwei se daran anliegen, wobei die Anlagepunkte zwischet Abstandhaltegitter und Brennstoffstäben jeweils an der Abbiegungen der Federelemente liegen, bei derer ίο elastischer Formänderung im Reaktorbetrieb alsc ständigen Änderungen unterliegen.

Damit ergibt sich zum einen keine Gleichförmigkei für den Durchtritt des Kühlmediums zwischen der einzelnen Brennstoffstäben, wie sie für den Reaktorbe ■ 5 trieb als optimal anzustreben ist, und auch dei Strömungswiderstand für das Kühlmedium als Ganze; bleibt nicht konstant. Darüber hinaus verlangt die spezielle Formgebung der Federelemente der bekannten Abstandhaltegitter ebenso wie ihr Einbau einer erheblichen Arbeitsaufwand bei Herstellung und Montage der Abstandhaltegitier. und schließlich erweist sich auch das hederverhaiten der bekannten Abstandhaltegitter im praktischen Reaktorbetrieb als nicht voll ausreichend für die Unterdrückung aller Schwingungen der einzelnen Brennstoffstäbe, wobei insbesondere auch ein Bruch einzelner Federelemente den Zusammenhalt des gesamten Gitters in Frage stellen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abstandhaltegitter der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß es bei einfacher Herstellung und robustem Betriebsverhalten eine völlige Gleichförmigkeit und eine ausreichende innere Schwingungsdämpfung für das Netz der Brennsioffstäbo zu gewährleisten vermag.

Die eestfllto λ·.!—,]^ _wi_rci crlindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Federn als Schraubenfedern ausgebildet sind.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Ausbildung der Federelemente des Abstandhaltcgitters als Schraubenfedern führt zu einem einfachen und in sich stabilen Gebilde, innerhalb dessen jede Feder den anderen voll und ganz entspricht, und es ergibt sich insgesamt ein Federsystem für die Halterung der Brennstoffstäbc, das gleichzeitig deren gleichförmige Verteilung und eine weitgehende Schwingungsdämpfung bewirkt, wobei die elastischen Kräfte und Spannungen innerhalb des Netzes der Brcnnstoffstäbc an allen Stellen gleich groß werden, was wiederum unerwünschte Lageänderungen innerhalb des Brcnnstoffslabnetzcs in für den praktisehen Betrieb ausreichendem Maße verhindert. Hervorzuheben ist dabei auch, daß es selbst bei einem Bruch ein/einer Schraubenfedern zu einer Selbstjusticrung der betroffenen Brennstoffstäbc kommt, so daß auch ein solcher Schadensfall das einwandfreie Arbeiten der Brennstoffelemente als ganzes nicht beeinträchtigen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unleranspri'ichen im einzelnen gekennzeichnet.

'Ό In der Zeichnung isl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele veranschaulicht;es zeigen

I·' i g. I dii.i Gehäuse eines Kernreaktor-Brennstoffelementes mit den darin angeordneten Abstandhaltegiltern für die Brennsloffstäbc in einer teilweise aufgcbro-

''S ehenen Seitenansicht.

F i g. 2 das Gehäuse von Fig. I in einer leilweise aufgebrochenen Draufsicht.

I · l\. S ein ''in/eines Absiandhalleiriiter aus F i tr. I in

einer schematisch gehaltenen Draufsicht,

Fig. 4 das Abstandhaltegitter von F i g. 3 in einer Seitenansicht und

F i g. 5 verschiedene Varianten für die Anordnung der Schraubenfedern der Abstandhaltegitter zwischen den einzelnen Brennstoffstäben.

Die Brennstoffelemente zahlreicher Kernreaktoren und insbesondere die der Kernreaktoren mit Flüssigkeitskühlung enthalten innerhalb eines Gehäuses 1 (Fig. I) ein Bündel von Stäben 2. die einen atomaren Brennstoff, spaltbares oder Brutmateril entahlten und in zwei Endrosten 4 und 6 festgelegt sind. Das Gehäuse 1 begrenzt um die Stäbe herum eine Strömungsführung für ein Kühlmedium. Das Gehäuse ist an seinem einen Ende über den Tragrost 4 hinaus durch einen kegelstumpfmanielförmigen Ansatz 12 verlängert, durch den das Kühlmedium eintritt.

Jeder der Trag- oder Stützroste 4 und 6 ist mit einer gewissen Anzahl von Durchbrüchen 8 für das Hindurchfließen des Kühl- oder Wärmeiransporimediums versehen: zwischen diesen in regelmäßiger Anordnung vorgesehenen Durchbrüchen sind jeweils Ausnehmungen oder Bohrungen 10 zum Halten oder Einsetzen der Enden der Breniistoffstäbe 2 angeordnet; die Durchbrüche 8 haben — wie dies aus I'ig. 2 ersichtlich ist — einen genügend großen Durchmesser, so daß sie das F.intreten des Kühlmediums in einen Saum zwischen jeweils mehreren Stäben 2 gestatten.

Der kegelstumpfförmige. an den unteren Rost 4 angeschweißte Ansatz 12 erlaubt das Festlegen des Brennstoffelements in einer nicht dargestellten Sockelplatte des Reaktorkerns, die mit Öffnungen für das Einführen des wärmeaufnehmenden Mediums in die Brennstoffelemente versehen ist.

Aiii anderen F.ndc des Brennstoffelements hat der Kost 6 seitliche Stützvorsprünge 7 /um Abstützen des Gehäuses I und trägt außerdem unterschiedliche Organe, wie einen Tragbügcl 14 /um Handhaben des Elements und Zenirierfedern Ifi für das Zentrieren dieses Elements in einer Gleitführung im Reaktorkern.

Innerhalb des Gehäuses 1 sind in regelmäßigen Abständen /wischen den Brennstoffstäben 2 Abstandhaltegitter 18 derart eingebaut, daß sie den gleichmäßigen Abstand /wischen den Brennstoffstäbcn aufrechterhalten, sowi-.! Vibrationen und Verformungen unterbinden. die sonst auftreten könnten. Diese Abstandhaltegitter sind durch Abstandgitter-Tragröhren 20 in ihren jeweiligen Einbaulagen gehalten.

Im Inneren des Gehäuses 1 (vgl. F i g. J) hat jedes der Abstandhaltegitter 18 einen Rahmen mit einem Querschnitt, der dem des Gehäuses 1 angepaßt ist. d. h. bei dem ausgewählten Ausführungsbeispiel die Form eines im Querschnitt quadratischen Rahmens, der aus vier paarweise einander gegenüber angeordneten Platten 22 und 23 besteht, die mit axial oder quer 5.s gerichteten Durchlntlsöffnungeii 24(1·'ig. 4) versehen sind, durch welche das wärmeabführende Medium hindurchlielcn kann. Die vier Platten 22, 23 des Rahmens sind durch ,lach außen abgerundete Eckprofile 26 zusammengehalten. (w

Die jeweils einander gegenüberliegenden Platten 22 oder 23 nagen zumindest cine I.agc von Sehrauhenledern 28, 29, die parallel zueinander verlaufen und die Stäbe 2. /wischen denen sie hindurchgefühlt sind, berühren. Die beiden Lagen des Abstandhaltegilters, die <vs auf diese Weise gebildet werden, bestehen demnach aus I .ageii /ueiiianiler senkrechter Schraubenfeder!!.

Die Schraubenfeder!! sind außerdem in l.äiu'srichtung der Stäbe 2 derart gegeneinander versetzt, daß sie stets einen freien Abstand voneinander haben

Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. S hat die Schraubenlinie jeder Schraubenfeder 28, 29 eine Ganghöhe, die gleich dem Abstand zwischen den Achsen zweier benachbarter Stäbe 2 ist; die Schraubenfeder ist derart zwischen die Reihen von Stäben eingefügt, daß sie mit einem Gangbogen jeweils an den Stäben einer Reihe und der benachbarten Reihe in zwei symmetrischen Punkten tangential anliegt, [eder Stab ist auf diese Weise mit jeder Schicht von Schraubenfedern in drei Punkten in Berührung.

In jeder der Plattcngruppen 22, 23 eines Hallerahmens sind vorzugsweise noch Schraubenfedern einer zweiten Schraubenfederlage 30, 31 eingeschweißt, deren Schraubenlinien parallel zu den Schraubenlinien der ersten beiden Lagen aus den Schraubenfedern 28,29 sind, aber um eine halbe Ganghöhe in axialer Richtung versetzt. Jede dieser zweite*. Schraubenfederlagen mit den Federn 30, 31 ist also mit jedem Stab des Brennstoffelements in drei Punkten in Berührung, die den Berührungspunkten mit den ersten Schraubeni'ederlugen diametral gegenüberliegen, aber in Richtung der Länge des Stabes 2 einen Abstand \on den drei Punkten der ersten Lagen haben.

Die zueinander parallel ve. laufenden Lagen aus den Schraubenfeder!! 28 und 30 wechseln so mit zwei anderen Lagen aus den Schraubenfeder!·) 29 und 31 ab, die in senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen liegen, während sie relati\ zueinander in Umfangsrichtung der Stäbe 2 versetzt an diesen anliegen.

leder Stab 2 ist infolgedessen mit den Federn, die ihn halten, in vier achsparallelen Reihen von Berührungspunkten in Berulirunrs-Verbindung, die gleichmäßig über seine llinl'angsl'läche bzw. Mantelfläche verteil! sind.

Trotz ihrer großen Anzahl bilden die relativ dünndrähtigen Sehraubeniedern mit ihrem geringen Raumfüllfaktor zwischen den Stäben keinen nennenswerten Widerstand für die .Strömung ties Wärmetranspo..- oder Kühlmediiims. d.is durch die Absmiuihaltcgiiter hindiirchstiöiVit. Weilerhin haben die Scm aubenledern eine große Nachgiebigkeit und üben auf die Stäbe leichte, federnde Druckkräfte aus, was wesentlich zum Verhindern oder Dämpfen von Schwingunger, beiträgt, die durch den Strömungsmittelumlauf angeregt weiden könnten, und weiterhin eine wirksame Verhinderung von durch Strahlung bewirkbaren Deformationen gestattet.

Die Stäbe sind bei einer derartigen Abslandhaltegitter-Auslührung in ganz genau gleichen Abständen zueinander sicher gehalten, während das Kühl- oder Wärmet ransportmedium frei umläuft.

Die Anzahl und die Verteilung der Abstandhaliesiitter über die Länge der Brennstoffelemente lassen sieh leicht derart wählen, daß man eine ho'.ic Lebensdauer des Brennstoffelements erzielt.

Selbstverständlich könnten die Ganghöhe der Schraubenlinien und die Verteilung tier ScliraubL-nledem zwischen den Stäben jeweils entsprechend den gegebenen Bedingungen und ilen technischen '\nlorde Ringen geändert werden, denen (his Brennstoffelement genügen muß.

I Interschiedliehi Ausfühi iinfrsmöglichkeitcn sind beispielsweise schemalisch in der F i g. ^r> veranschaulicht:

Schraubenfeder!! 32 und 34 mit einer Ganghöhe gleich dem Abstand zwischen den Achsen der Stäbe können zwischen diesen Stäben derail angeordnet

werden, daß jede dieser Federn nur einen einzigen Berührungspunkt mit jedem Stab hat. Die Stäbe werden dann jeweils nur durch zwei Berührungs- oder Haltepunkte in jeder Sehraubenfederlagc gehalten. Eine abwechselnde Anordnung von Schraubenfederlagen mit senkrecht zu den Schraubenfedcrn der ersten gerichteten Srhraiibcnfedern und das Versetzen der Schraubenlinien um jeweils eine halbe Ganghöhe in den Lagen mit gleichsinnig angeordneten Schraubenfedern ergeben jedoch acht Berührungspunkte an jedem Stab, womit ein wirksames und einwandfreies Festhalten zu erzielen ist.

Man könnte außerdem Schraubenfedern verwenden, deren Ganghöhe doppelt so groß isl wie der Achsabsland zwischen zwei benachbarten Stäben.

Die Schraubenfedern haben dann jeweils entsprechend ihrer Anordnung, beispielsweise in der Anordnung der Federn 36, einen einzigen Berührungspunkt mit jedem der Stäbe oder bei der Anordnung gemäß der Schraubenfeder 42 nur einen Berührungspunkt mit einem von jeweils zwei Stäben.

Die Schraubenfedern sind, wie in dem tali der F i g. 3, in vier übereinanderliegenden Lagen 36, 37, 38, 39 oder 42, 43, 44, 45 jeweils abwechselnd in zwei zueinander senkrechten Richtungen angeordnet und um eine halbe Ganghöhe verschoben; sie liefern damit eine große Anzahl von Halte· und Stützpunkten in gleichmäßig verteilten Richtungen. Bei dem am wenigsten günstigen Fall halten die Schraubenfedern 42, 43, 44 und 45 jeden Stab in vier in seinem Umfang und seiner Längsrichtung verteilten Punkten im Bereich jedes Abstandsgitter. Dies kann in gewissen Fällen zum wirksamen Dämplen der Schwingungen und Unterbinden der Deformationen

ίο genügen, zumal bei einer derartigen Ausführungsform die Strömungswiderstände oder Druckabfälle in der Kühlmittelslrömung auf einen sehr kleinen Wert verringert sind.

Fs dürfte für jeden Fachmann klar sein, daß andere abweichende Anordnungen ohne Verlassen des Rahmens der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden könnten; die Maß-Verhältnisse zwischen der Netzteilung der Brennstoffstäbc und der Ganghöhe der Schraubenfedern können jeweils entsprechend den Anforderungen des Einzelfalles geändert werden, ebenso die Anordnung der Sehraubenfedern relativ zu den Stäben und auch die Anzahl der Schichten oder Lagen in jedem Abstandhaltcgitlcr.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Abstandhaltegitter für ein Kernreaktor-Brennstoffelement, mit einem Bündel von Stäben aus Spalt- oder Brutmaterial, das in ein Gehäuse eingebaut und von zwei starren Endrosten gehalten ist, wobei ein die Stäbe umgebender Rahmen vorhanden ist, der in seiner Ebene zumindest eine Lage von zueinander parallelen Federn trägt, die an den Stäben anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn als Schraubenfcdcrn (28,29,30 oder 31) ausgebildet sind.

2. Abstandhaltegitter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere übereinander angeordnete Lagen von Schraubenfedern (28, 29, 30, 31), welche die Stäbe (2) berühren, wobei die Schraubenfedern aufeinanderfolgender Lagen abwechselnd in zwei zueinander senkrechten Richtungen verlaufen und die Schraubenwindungen in den Lagen gleicher Ausrichtung um eine halbe Ganghöhe gegeneinander versetzt sind.

3. Abstandhaltegitter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen seitliche Durchtrittsöffnungcn (24) für ein Kühlmedium aulweist.

4. Abstandhaltcgitter nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen aus vier gelochten Platten (22, 23) besieht, die durch abgerundete Winkelprofile (26) verbunden sind, und die zueinander parallelen Schraubenfedcrn (28, 30 bzw. 29, 31) in zwei einander gegenüberliegenden Platten festgelegt sind.

'). Abstandhaltegitter nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß es aus vier übereinanderliegenden Lagen von Federn besieht, von denen jeweils zwei (28, 30 b/w. 29, 31) in jp^?r J.^, ueiuen zueinander seni-:-.; Jueii Kichtungcn verlaufen.

ti. Abstandhaltegitier nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie jeder Feder (28. 29, 30, 31,32,34) eine Ganghöhe gleich dem Achsenabstand der Brennstoffstäbc (2) hai.

7. Abstandhallegitter nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie jeder Schraubenfeder eine Ganghöhe hai, die gleich dem doppellen Abstand zwischen benachbarten Brennstollstäben (2) ist.

8. Abstanclhaltegitter nach den Ansprüchen 5 und b. dadurch gekennzeichnet, daß jede Schraubenfeder (32, J4, M bis 39) an jedem der Stäbe (2) an einem Punkt anliegt und das Abstandlialiegitter insgesamt die Stäbe ;m jeweils acht Punkten berührt.

4. Absiandhaliegitter nach den Ansprüchen 5 und 7. dadurch gekennzeichnet, daß jede Lage von Schraubenfedern (28) jeden Stab (2) in drei Punkten berührt und das gesamte Abstandhallegiltcr die Stäbe infolgedessen in je zwölf Punkten berührt.