DE2253674A1

DE2253674A1 - Abstandsrost fuer brennstaebe

Info

Publication number: DE2253674A1
Application number: DE2253674A
Authority: DE
Inventors: Jean Dewandeleer; Jean Van Miegroet; Francois De Waegh
Original assignee: Belgonucleaire SA
Current assignee: Belgonucleaire SA
Priority date: 1971-11-04
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1973-05-10
Also published as: NL7116979A; FR2158437A1; BE774911A; FR2158437B1; GB1357055A; DE2253674C2

Description

Abstandsrost für Brennstäbe.

Die Erfindung betrifft einen Abstandsrost zum Halten der Brennstäbe eines Brennelements für einen Kernreaktor mit schnellen Neutronen in einer vorbestimmten Lage.

Die Brennelemente bestehen im allgemeinen aus einem Brennelementkasten, in den ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe oder Brennstoffstäbe eingesetzt ist, welche durch in regelmäßigen Abständen über die Länge des Brennstabbündels verteilt angeordnete Abstandsroste in einer vorgegebenen Lage gehalten werden. Bei Brennelementen bekannter Ausführung sind die Abstandsroste auf mechanische Weise entweder an dem äußeren Brennelementkasten oder an in Brennstabstellen befindlichen Stangen befestigt.

Die Brennelemente für mit schnellen Neutronen arbeitende Reaktoren sind bei der Bestrahlung häufig sehr hohen Kraftflußdichten schneller Neutronen ausgesetzt, wodurch es zu einem Anschwellen der Werkstoffstruktur kommt, d.h. sowohl des Brennelementkastens als auch der Roste, sowie der ggf. vorhandenen Stangen und Hüllrohre der Brennstoffstäbe. In schnellen Leistungsreaktoren kann diese räumliche Werkstoffanschwellung eine Volumenzunahme bis zu 10 % zur Folge haben, wodurch erhebliche Änderungen in der Geometrie der einzelnen

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Brennelementbauteile auftreten.

Dieses Anschwellen hängt außerdem stark von der Temperatur der der Strahlung ausgesetzten Werkstoffe ab, wodurch sich ungleichförmige Änderungen in der Geometrie der einzelnen Brennelementbauteile in Abhängigkeit von der effektiven Temperatur dieser Bauteile ergeben. Insbesondere die Außenabmessungen der Abstandsroste können in bezug auf die Innenabmessungen des Brennelementkastens in ein und derselben Querschnittsebene des Brennelements mehr oder weniger stark zunehmen. Aufgrund der Änderungen der gegenseitigen Abmessungen von Abstandsrosten und Brennelementkasten sind bei Brennelementen bekannter Ausführung folgende Erscheinungen zu beobachten:

Erhebliche Änderungen der Abmessungen der am Umfang des Brennstabbündels befindlichen Kühlmitteldurchlässe, wodurch starke Ober- oder Unterkühlungen der am Umfang angeordneten Brennstoff stäbe auftreten, und

hohe Spannungen in den Halterungen für die Abstandsroste an dem Brennelementkasten und/oder an den Stangen, wobei dies^e Spannungen um so größer sind je ungleichförmiger die Temperaturverteilung in einer Querschnittsebene des Brennelements ist.

Die aufgrund dieser Erscheinungen auftretenden Beanspruchungen der Roste und der Brennstoffstäbe führen zu Verformungen der Brennelemente, so daß diese ggf. vorzeitig aus dem Reaktor herausgenommen werden müssen.

Durch die Erfindung soll daher ein Abstandsrost geschaffen werden, der so beschaffen ist, daß bei Einbau einer entsprechenden Anzahl derartiger Abstandsroste in ein Brennelement die vorgenannten Nachteile und insbesondere die beschrie-

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nen Beanspruchungen vermieden werden und die Kühlung der am Umfang des Brennelements befindlichen Brennstoffstäbe keinen großen Abweichungen unterliegt.

Der zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Abstandsrost zum Halten der Brennstäbe eines Brennelements für einen » Kernreaktor mit schnellen Neutronen in einer vorgegebenen Lage, wobei das Brennelement einen ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe enthaltenden Brennelementkasten aufweist, ist erfindungsgemäß· dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsrost wenigstens in einem Teilabschnitt mit einem umlaufenden, sich erweiternden Randflansch versehen ist, der an seinem freien Ende in Berührung mit der Innenwand des Brennelementkastens steht.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Randflansch nur an einer oder an zwei Seiten des Rostes ausgebildet sein und besteht vorzugsweise aus einer dünnen Metallplatte, die insbesondere aus dem gleichen Werkstoff wie der Abstandsrost hergestellt ist. Der Randflansch muß jedoch nicht unbedingt aus demselben Werkstoff wie der Rost hergestellt sein und kann für einen aus rostfreiem Stahl bestehenden Abstandsrost beispielsweise aus Inconel hergestellt, und schließlich können auch beide Werkstoffe miteinander vertauscht sein.

Der erfindungsgemäße Abstandsrost wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Abstandsrost im Aufriß.

Fig. 2 ist ein teilweiser Aufrißquerschnitt durch eine Ausführungsform eines Abstandsrostes nach der Erfindung.

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Fig. 3 ist ein waagerechter Schnitt in der Ebene A-A der Fig. 2.

Figuren 4 und 5 stellen zwei Weiterbildungen des Abstandsrostes nach der Erfindung dar.

Wie aus der schematischen Darstellung von Fig. 1 ersichtlich, weist der Abstandsrost 1 einen sich erweiternden Randflansch 2 auf, der an seinem Ende 3 die Innenwand des Brennelementkastens 4 berührt.

Wenn der Abstandsrost 1 eine stärkere Volumensvergrößerung erfährt als der Brennelementkasten 4, verringert sich der Zwischenraum oder das Spiel 6 zwischen dem Umfang 7 des Abstandsrostes 1 und der Innenwand des Brennelementkastens 4. Eine ständige Berührung zwischen dem Umfang 7 und der Innenwand des Brennelementkastens wird durch den sich erweiternden Randflansch 2 nicht zugelassen, indem dieser bei entsprechender Ausdehnung teilweise in Schließrichtung zusammengedrückt wird.

Wenn das Anschwellen, d.h. die Ausdehnung des Abstandsrostes geringer ist als die des Brennelementkastens 4, spreizt sich der Randflansch 2 nach außen auf, wobei er in Berührung mit der Innenwand des Brennelementkastens bleibt. In beiden Fällen wird der Kühlmitteldurchsatz (dessen Durchsatzrichtung in Fig. 1 durch die mit dem Bezugszeichen 5 bezeichneten Pfeile angedeutet ist) in den am Umfang des Bündels von Brennstäben 9 befindlichen Kühlmitteldurchlässen 8 durch Änderungen der gegenseitigen Lage von Abstandsrost zu Brennelementkasten aufgrund des durch den sich erweiternden Randflansch 2 gebildeten hydraulischen Widerstand nur wenig beeinflußt.

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Selbstverständlich sind die Abmessungen des Randflanschs 2 auf die des Abstandsrostes und des Brennelementkastens im Hinblick auf die durch Wärmeausdehnung und Anschwellen hervorgerufenen Höchstabweichungen abgestimmt.

Die ständige Berührung zwischen Randflansch und Innenwand des Brennelementkastens wird entweder durch elastische und/ oder die Spreizung des Randflanschs bewirkende hydraulische Kräfte oder durch Befestigung des Randflanschs an der Wand des Brennelementkastens bewirkt.

Wenn die Berührung auf Elastizitätskräften beruht, weist der umlaufende Randflansch vor dem Einführen in den Brennelementkasten etwas größere Außenabmessungen als die Innenabmessungen des Brennelementkastens auf. Beim Einführen des Brennstabbündels in den Brennelementkasten legt sich der Randflansch gegen die Innenwand des Kastens mit einer Kraft an, welche eine Funktion der Eigenelastizität des Werkstoffes ist, aus dem der Randflansch besteht.

Hydraulische Kräfte werden durch den zwischen den beiden Seiten des Abstandsrostes vorhandenen Druckunterschied des Kühlmittels hervorgerufen.. Wenn sich der Randflansch auf der Einlaßseite des Kühlmittels befindet, d.h. dieser zugewandt ist, wird er durch den sich beim Durchgang des Kühlmittels durch den Abstandsrost ergebenden Druckverlust oder Druckabfall stets in Richtung der Wand des Brennelementkastens beaufschlagt. Die dabei auftretenden statischen hydraulischen Kräfte können auch mit dynamischen Kräften kombiniert werden, welche beispielsweise durch den Strömungswiderstand bedingt sind.

Der Randflansch kann an der Innenwand des Brennelementkastens auf beliebige und bekannte Weise mechanisch befestigt sein,

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so z.B. durch Schweißung, Verschraubung usw. .

In den Figuren 2 und 3 ist ein Abstandsrost für im Querschnitt sechseckige (hexagonale) Brennelemente für natriumgekühlte Reaktoren für schnelle Neutronen teilweise dargestellt. Für gleiche Teile werden jeweils wieder die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der sechseckige Brennelementkasten 4 aus rostfreiem Stahl enthält ein Bündel zueinander paralleler Brennstoffstäbe 9, die durch in regelmäßigen gegenseitigen Abständen angeordnete und vermittels Metallstangen 14 miteinander verbundene Abstandsroste 1 in einer vorgegebenen Lage gehalten werden. Die Abstandsroste 1 bestehen ebenfalls aus rostfreiem Stahl und sind aus gebogenen und vermittels Schweißpunkten miteinander verbundenen Blechstreifen 11 hergestellt, welche ein wabenförmiges Gebilde aus im Inneren sechseckigen und am Umfang fünfeckigen Zellen bilden. Jede Zelle weist drei halbkugelige Vorsprünge oder Ausbauchungen 12 auf, die durch Tiefziehen in den Blechstreifen ausgeformt sind und in jeder Zelle unter 120° zueinander versetzte Berührungspunkte für die Brennstoffstäbe bilden. Sämtliche Blechstreifen 11 sind mit einem umlaufenden Randstreifen verschweißt, welcher einen senkrechten Umfangsabschnitt 7 von gleicher Höhe wie die Blechstreifen 11 bildet und einen sich nach außen erweiternden und den Randflansch 2 bildenden Abschnitt aufweist. Der Randflansch 2 wird vermittels der Kombination elastischer und hydraulischer Kräfte in Berührung mit der Innenwand des Brennelementkastens 4 gehalten. Gegenüber jedem Brennstoffstab 9 weist der Randflansch 2 Vorsprünge oder Ausbauchungen 13 auf, welche dazu dienen., jede versehentliche Berührung zwischen Randflansch 2 und Brennstoffstäben 9 beim Einsetzen oder Herausnehmen der Stäbe und bei Bestrahlung des Brennelements zu verhindern.

In den sechs Ecken des sechseckigen Abstandsrostes ist der Randflansch über eine bestimmte Breite hinweg ausgeschnitten,

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damit die in den'Ecken befindlichen Brennstoffstäbe 10 ausreichend gekühlt werden können. Aufgrund der besonderen Geometrie der die an den Ecken befindlichen Brennstoffstäbe 10 umgebenden Kühlmitteldurchlässe ergeben sich für diese Stäbe besondere'thermische und hydraulische Bedingungen.

Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich, sind die drei Stangen 11 in innere Zellen des sechseckigen oder hexagonalen Wabengebildes symmetrisch, d.h. um 120° zueinander versetzt , eingesetzt.

Bei dem hier betrachteten Ausfuhrungsbeispiel ist der Abstandsrost an den Stangen Ik vermittels eines Sechskantstücks 15 befestigt, das in die zur Aufnahme der Stange bestimmte Zelle nach Beseitigung der in dieser ausgebildeten Vorsprünge eingeschweißt ist. Das Sechskantstück 15 ist mit einer mittigen Bohrung versehen, durch welche die Stange IH durchgeführt wird. Die Stange wird an dem Abstandsrost vermittels zweier Ringe 16 befestigt, welche auf beiden Seiten des Sechskants.tücks 15 mit der Stange verschweißt werden. Zwischen benachbarten Abstandsrosten wird der Kühlmitteldurchtritt um die Stäbe herum jeweils vermittels einer Hülse 17 beeinflußt, welche sich an den Ringen 16 verengt und an diesen Stellen mit den Stäben verbunden ist. Der Durchmesser der Hülsen 17 ist so bemessen, daß die Temperatur des die Stange umströmenden Kühlmittels möglichst genau der Temperatur des die benachbarten Brennstoffstäbe umspülenden Kühlmittels entspricht. Die Hülse ist vorzugsweise an ihrem verengten Abschnitt mit Öffnungen 18 versehen, welche einen geringen Kühlmitteldurchsatz zwischen Hülse ,und Stange zulassen.

In den Figuren 4 und 5 sind schematisch zwei weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abstandsrostes dargestellt. Entsprechend Fig. 4 ist das Ende 3 des Randflansches 2 . durch Sehweißpunkte 19 an dem Brennelementkasten 4 befestigt.

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Diese Art der Verbindung läßt sich als feststehende Berührung bezeichnen. Entsprechend der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist das Ende 3 des Randflansches 2 in eine mit der Innenwand des Brennelementkastens verbundene Gleitführung 20 eingesetzt, welche Axialverlagerungen des Abstandsrostes zulässt.

Selbstverständlich können die Formgebung, der Aufbau und die einzelnen Bestandteile des Abstandsrostes auch abweichend von dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beschaffen sein. So ist beispielsweise die Anzahl der zur Befestigung der Abstandsroste dienenden Stangen Ik beliebig, der Randflansch kann an den Ecken völlig geschlossen sein, wenn dies aus thermischen oder hydraulischen Gründen erforderlich ist, und Formgebung und Abmessungen des Randflanschs sind jeweils auf die des Brennelementkastens abgestimmt.

- Patentansprüche: 30981 9/08^9

Claims

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Patentansprüche :

Abstandsrost zum Halten der Brennstäbe eines Brennelements für einen Kernreaktor mit schnellen Neutronen in einer vorgegebenen Lage, wobei das Brennelement einen ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe enthaltenden Brennelementkasten aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstandsrost (1) wenigstens in einem Teilabschnitt mit einem umlaufenden, sich erweiternden Randflansch (2) versehen ist, der an seinem freien Ende (3) in Berührung mit der Innenwand des Brennelementkästens (4) steht.
2. Abstandsrost nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

der Randflansch (2) aus einer dünnen Metallplatte besteht.
3. Abstandsrost nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Randflansch (2) aus dem gleichen Werkstoff wie der Abstandsrost (1) besteht.
4. Abstandsrost nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Randflansch (2) an den den einzelnen Brennstäben (9, 10) gegenüberliegenden Stellen mit VorSprüngen (13) versehen ist.
5. Abstandsrost nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (3) des Randflansches

(2) an der Innenwand des Brennelementkastens (H) befestigt ist.
6. Abstandsrost nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (3) des Randflansches (2) in eine mit der Innenwand des Brennelementkastens (¹O verbundene Gleitführung (20) eingesetzt ist.

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