DE2043313A1

DE2043313A1 - Abstandsglied

Info

Publication number: DE2043313A1
Application number: DE19702043313
Authority: DE
Inventors: John Pierre Northridge Cahf. Thorel (V.StA.)
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1969-08-25
Filing date: 1970-08-25
Publication date: 1971-07-22
Also published as: FR2059139A5; SE347135B

Description

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North American Rockwell Corporation, El Segundo/California (USA)

Abstandsglied

Gegenstand der Erfindung ist ein Abstandsglied zum Aufrechterhalten eines bestimmten Abstandes eines langgestreckten Gliedes von einer Anzahl weiterer langgestreckter Glieder. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit dem Abstand zwischen Brennelementen von Kernreaktoren beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt.

Bei Gefäßen oder Einrichtungen, bei denen ein Bündel langgestreckter Glieder verwendet wird, an denen ein Temperaturgefälle auftritt, z.B. bei den Brennstäben in Kernreaktoren, Eohrbündeln in Wärmeaustauschern usw., müssen Vorkehrungen für die Abstandshaltung und/oder für die Abstützung dieser Glieder getroffen werden. Wegen der bei diesen Gliedern auftretenden außerordentlich hohen Temperaturen können Beschädigungen verursacht werden durch Verbiegen, Vibrationen oder anderen Effekten, die von den Bedingungen in der Umgebung induziert werden. Eine genaue Halterung dieser Glieder ist daher außerordentlich wichtig.

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Ein Brennelement für einen Kernreaktor kann aus einem verhältnismäßig starkwandigen Gehäuse bestehen, das mehrere gleiche langgestreckte Brennstäbe enthält, die in einer geeigneten Halterung angeordnet sind, die zwischen den Brennstäben einen bestimmten Abstand aufrechterhält. Die Brennstäbe bestehen im allgemeinen aus dünnwandigen Umhüllungsrohren, die ein spaltbares Material, wie angereichertes Uran enthalten. Da die Brennstäbe im Vergleich zu ihrem Durchmesser außerordentlich lang sind, so ist es erwünscht, zwischen benachbarten Brennstäben über deren gesamte Länge hinweg einen Abstand aufrechtzuerhalten, bei d em für das die Hitze abführende Kühlmittel die größte Zugangsmöglichkeit geschaffen wird.

Es sind Abstandsanordnungen für Brennstäbe bekanntgeworden, die einen quadratischen, kreisrunden und sechseckigen, gitterartigen Aufbau aufweisen, ferner gewendelte Rippen, die mit den Brennstäben eine Einheit bilden, Peder- und Einspannanordnungen mit zahlreichen Einzelteilen. Jedoch konnte mit diesen Mitteln nicht der ordnungsgemäße Abstand innerhalb der gesamten Länge der Brennstäbe aufrechterhalten werden, der jedoch für erforderlich gehalten wird, um ein übermäßig starkes Verbiegen der Brennstäbe zu verhindern sowie möglicherweise ein Zusammenschmelzen von benachbarten Umhüllungsflächen oder Rippen bei der entwickelten großen Hitze. Die von den bekannten Abstandsgliedern für Brennstäbe eingeführten zusätzlichen Bauteile bewirken eine größere Neutronenabsorption, die bei gewissen Kernreaktoranlagen unerwünscht ist,und ferner wird die Strömung des Kühlmittels durch die Brennstäbe im Brennelement berhindert. Um Platz für die zusätzlichen Bauteile der genannten Abstandsanordnungen zu schaffen, wurden im Brennelement Brennstäbe mit einem kleineren Durchmesser bei einem größeren Abstand von einander benutzt· Um den erforderlichen Wärmeaustausch wirksam durchführen zu können, wurde ein größeres Volumen des Kühlmittels und eine größere Pumpleistung bei einem höheren Druckabfall benötigt.

Die Erfindung sieht ein Abstandsglied vor, mit dem ein langgestrecktes Glied von mehreren gleichen langgestreokten Gliedern auf Abstand gehalten werden kann, an denen ein Temperaturgefälle auftritt, welches Abstandeglied gekennzeichnet ist durch ein

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Abstandselement, das am Umfang eines langgestreckten Gliedes angeordnet ist, zwischen langgestreckten Gliedern in einem 'bestimmten Bezirk einen Abstand aufrechterhält, und das dem Abstandselement Elastizität verleiht, so dass die langgestreckten Glieder sich ausdehnen und zusammenziehen können, durch Mittel zum Verbessern der Wärmeaustauschfähigkeit des Abstandseleiaentes, äo dass eine Erhitzung an einzelnen Stellen im wesentlichen vermieden wird, und durch Mittel zum Befestigen des Abstandselementes an auf Abstand stehenden Stellen des langgestreckten Gliedesο

Das erfindungsgemäße Abstandsglied ist mechanisch stabil jedoch genügend elastisch, um zwischen benachbarten langgestreckten Gliedern einen bestimmten Abstand aufrechterhalten zu können, während das langgestreckte Glied in der gesamten Länge mit Sicherheit abgestützt wird, und ferner erfolgt eine nur sehr geringe Behinderung der Kühlmittelströmung zwischen den auf Abstand gehaltenen langgestreckten Gliedern«,

Das erfindungsgemäße Abstandsglied ermöglicht z.B. die Verwendung von Brennstäben mit einem größeren Durchmesser, so dass pro Brennelement ein größeres Volumen an Brennstoff zur Verfügung steht.

Die Erfindung sieht ein verbessertes Abstandsglied vor, mit dem langgestreckte und aus einem hohlen rohrförmigen Glied bestehende Glieder elastisch auf Abstand gehalten werden können, welches Abstandsglied um ein langgestrecktes Glied über dessen ganze Länge hinweg wendelartig herumgewunden ist. Eine Elastizität wird erzielt mittels einer langgestreckten öffnung an einem Abschnitt des Wandungsteiles, der allgemein längs des Abstandsgliedes verläuft und sich im wesentlichen parallel zur Längsachse des Abstandegliedes erstreckt. Dieses Abstandsglied stellt eine kräftige und «inen bestimmten Abstand aufrechterhaltende Anordnung dar, die Jedoch genügend elastisch ist, um eine relative Bewegung benachbarter langgestreckter Glieder bei einer durch Hitze bewirkten Ausdehnung zuzulassen. Die langgestreckte öffnung des Abstandsgliedes erhökt die Geschwindigkeit der Kühlmittels trömung bei verbessertem Wärmeaustausch bei einer

gegebenen Strömungsgeschwindigkeit.

Die Elastizität des Abstandsgiiedes innerhalb der gesamten Länge eines Brennstabes für Kernreaktoren vermindert wesentlich die Gefahr, dass die Brennstäbe sich durch die Erhitzung stark verbiegen mit der Folge, dass sich berührende Umkleidungen mit einander verschmelzen, oder es treten die Wirkungen heißer Kanäle und/oder Sperrungen der Kühlmittelkanäle auf. Das Abstandsglied erfordert nur einen geringen konstruktiven Aufwand, und es werden keine zahlreichen Bauteile benötigt, während das Abstandsglied andererseits elastisch ist. Es werden dßher vom Abstandsglied nach der Erfindung nur sehr wenige Neutronen absorbiert, und ferner wird die Kühlmittelströmung im Brennelement nur wenig behindert. Das erfindungsgemäße Abstandsglied ermöglicht die Verwendung von Brennstäben mit einem größeren Durchmesser, die daher pro Volumeneinheit mehr Brennstoff enthalten können. Ferner ist für den Wärmeaustausch eine kleinere Kühlmittelmenge und eine geringere Pumpleistung erforderlich, so dass die Wirtschaftlichkeit im Betrieb erhöht wird.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der beiliegenden Zeichnung ist die

Fig.1 ein Ausschnitt aus einem Querschnitt durch ein Brennelement, bei dem das Abstandsglied nach der Erfindung verwendet worden ist,

Figp2 eine Seitenansicht von zwei benachbarten Brennstäben des in der Fig.1 dargestellten Brennelementes, die von Abstandsgliedern nach der Erfindung von einander entfernt gehalten werden, und die

Pig«3 ein Querschnitt durch einen Brennstab und ein Abstandsglied nach der Linie 3-3 in der Fig.2.

Wie in der Fig.1 dargestellt, kann das Abstandsglied nach der Erfindung für ein Brennelement 10 eines Kernreaktors benutzt werden· Das Brennelement weist ein Gehäuse 12 mit einem sechseckigen Querschnitt auf und enthält gleiche Brennstäbe 14, zwischen denen von den Abstandsgliedern 16 nach der Erfindung ein bestimmter Abstand aufrechterhalten wird.

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Jeder Brennstab 14 weist ein Hüllrohr 18 auf, das ein spaltbares Material, wie angereichertes Uran 20 umhüllt, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Die Hüllrohre 18 sind an den entgegengesetzten Enden von geeigneten Fittings 22 und 24 verschlossen, die vorzugsweise angeschweißt werden· Das Brennelement 10 mit den in diesem enthaltenen Brennstäben 14 erzeugt aufgrund der Kernspaltung des spaltbaren Materials 20 Hitze, die durch die Wandung des Hüllrohres 18 hindurch auf ein nicht dargestelltes Kühlmittel übertragen wird, das durch gleiche wendelförmige Strömungskanäle 26 zwischen den Brennstäben 14 und durch äußere Strömungskanäle 28 zwischen den Brennstäben 14 und dem Gehäuse 12 strömt.

Das er.findungsgemäße Abstandsglied 16 weist vorzugsweise die Form eines gespaltenen Rohres mit einem kreisrunden Querschnitt auf, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, dessen Rohrwandung 30 eine einen Innenraum 34 umschließende Wandungsfläche 32 und eine Außenwandungsfläche 36 aufweist. Durch einen Teil der Rohrwandung 30 verläuft eine langgestreckte Öffnung in Form eines Schlitzes 38, der mit dem Innenraum 34 in Verbindung steht.

V/ie aus den Figuren 2 und 3 zu ersehen ist, verläuft das Abstandsglied 16 in Form einer Wendel um das Hüllrohr 18 herum und erstreckt sich über die gesamte Länge eines jeden Brennstabes 14· Das Abstandsglied könnte natürlich auch nur an bestimmten Brennstäben vorgesehen werden, wobei an benachbarten Brennstäben kein Abstandsglied vorgesehen ist. Der Längsschlitz 38 bewirkt, dass das Abstandsglied 16 elastisch ist, welcher Schlitz durch einen Abschnitt der Rohrwandung 30 und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Abstandsgliedes über dessen gesamte Länge hinweg verläuft. Je nach dem gewünschten Elastizitätsgrad und dem Ausmaß der zwischen benachbarten Brennstäben zuzulassenden relativen Bewegung kann der Schlitz 38 verschieden weit bemessen werden. Das Abstandsglied 16 wirkt daher in der gesamten Länge wie eine Feder und gibt unzulässigen örtlichen Beanspruchungen als folge der Expansion nach, die von der auftretenden Hitze verursacht wird. Der Innenraum 34 und der Schlitz 38 des Abstandagliedes 16 ermöglichen eine zusätzliche Kühlmitteletrömung, so dass der Wärmeaustausch gefördert und die Gefahr vermindert wird,

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dass heiße Stellen und/oder die Effekte heißer Kanäle im Brennelement auftreten, während der Reaktor in Betrieb ist.

Das Abstandsglied 16 kann in der dargestellten Ausführung inder Weise hergestellt werden, dass das Abstandsglied um einen nicht dargestellten Dorn schraubenförmig aufgewunden wird, der den geeigneten Durchmesser und eine der Länge des Brennstabes 14 entsprechende Länge aufweist. Während des Aufwickeins wird der Schlitz 38 vorzugsweise so angeordnet, dass er im wesentlichen parallel zu den zusammenstoßenden Tangentialflachen 40 des Abstandsgliedes 16 und des Dorns verläuft, so dass das Abstandsglied nach dem Anbringen an einem Brennstab den höchsten Grad von Elastizität aufweist. Das Abstandsglied 16 wird dann vom Dorn entfernt und an der Außenseite eines Brennstabes 14 angebracht, wobei das eine Ende am Pitting 22 angeschweißt wird. Das herumgewundene Abstandsglied 16 wird dann etwas gereckt, so dass es unter Druck an der Außenseite des Hüllrohres 18 anliegt. Das Abstandsglied wird an das entgegengesetzte fitting 24 angeschweißt oder an anderen Berührungsstellen, um eine axiale Bewegung und eine Vibration gering zu halten, die z.B. von der Kühlmittelströmung im Betrieb verursacht werden könnte. Alle Abstandsglieder können mit dem gleichen Steigungswinkel aufgewickelt werden, und nach dem Einsetzen der Brennstäbe in das Brennelement können die Brennstäbe um 90 bis 180° gedreht werden, so dass alle Brennstäbe im Brennelement den gleichen Abstand von einander aufweisenund ein gegenseitiger Kontakt der Abstandsglieder vermieden wird.

An der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung können Sachkundige Änderungen und Abwandlungen vornehmen, die im Rahmen des Erfindungsgedankens liegen. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Abstandsglied, mit dem zwischen gleichen langgestreckten Gliedern ein bestimmter Abstand aufrechterhalten werden kann, an denen ein Temperaturgefällt auftritt, gekennzeichnet durch ein Abstandselement, das am Umfang eines langgestreckten Gliedes angebracht wird und zwischen langgestreckten Gliedern in einem bestimmten Bezirk einen bestimmten Abstand aufrechterhält, durch ein Mittel, das dem Abstandselement Elastizität verleiht, so dass es eine Expansion und Kontraktion der langgestreckten Glieder zulässt, durch ein Mittel zum Verbessern der Wärmeaustauschfähigkeit des Abstandselementes, so dass das Auftreten heißer Stellen im wesentlichen vermieden wird, und durch Mittel zum Befestigen des Abstandselementes an von einander entfernten Stellen am langgestreckten Glied.

2. Abstandsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Verbessern der «ifärmeaustauschfähigkeit des Abstandselementes aus einem Mittel besteht, das dem Kühlmittel den größten Zugang zum Abstandsglied ermöglicht.

3· Abstandsglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement aus einem eine Längsachse aufweisenden hohlen Glied besteht.

4· Abstandeglied nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass das hohle Glied rohrförmig ausgestaltet ist und einen Wandungsteil aufweist.

5. Abstandsglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Wandungsteil des genannten hohlen und rohrförmigen Gliedes eine langgestreckte öffnung vorgesehen iet, die allgemein parallel zur genannten Längsachse verläuft.

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G₀ Ali;.· tandrgli ed nach An:ir:r"uoh ⁽j , dadurch gek ennze iclinet, dass die gi:nannte .1 an ,;·./: ι ^irt.ci te Ofinung ii. wesentlichen parallel zu den zuiM.amiemitol.kuideM Tangent j Mlfllichen des rohrförmigen Gliedes unu de a lances lreo:t en Glieder verläuft.

7, Abs tandsgl i ed nach Au.siJ-uch b oder 6, dadurch gekennzeichnet, (laus die genannte 1 angceiitrecl;tf; ijfi'nung dem roliri'nrtnigen Glied Elastizität verleiht, bo datss es eine Expan-Gion und Kontraktion der langgestreckten ulieder zulasst.

8c Abs! iuidsg.1 i ed nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dans die langgestreckte Öffnung eine "beetiihiute 'Weite aufweist, co dann der Grnd der Elastizität des Abstandselementes vorhcrbei-:1:iiuiiit ist.

9. Ab;.- lundRg] ied nach einen: der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das ιohrförmige Glied auf das langgestreckte Glied wendelartig aufgewunden istc

10. Abstandsglied nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass das langgestreckte Glied ein erstes und ein von diesem entfernt gelegenes zweites Ende aufweist, und dass das rohrförmige Glied vom ersten zum zweiten Ende um das langgestreckte Glied wendelartig herumgewunden ist.

11, Abstandsglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Glied mit dem ersten und dem zweiten Ende am langgestreckten Glied befestigt ist.

12, Abstandsglied nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeiclinet, dass die gem nnte langgestreckte öffnung ein Hindurchströmen des kühlmittels durch den Wandungsteil zulässt, so dar.8 das Kühlmittel mit der Innen- und Außenseite des Vi/andungsteiles in Berührung gelangt, wobei durch den Uärmeaustausch das Entstehen heißer Stellen im wesentlichen vermieden wird.

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