DE2253674C2 - Abstandsrost für Brennstäbe eines Brennelements für einen Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abstandsrost nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Schwellen von Brennelementen tritt bei thermischen Reaktoren und bei r.iit schnellen Neutronen arbeitenden Reaktoren auf. Bei schnellen Leistungsreaktoren kann die Volumenzunahme bis zu 10% betragen. Hierdurch ergeben sich erhebliche Änderung in der Geometrie der einzelnen Brennelementbauteile.

Das Schwellen hängt außerdem stark von der Temperatur der der Strahlung ausgesetzten Werkstoffe ab. Dabei können sich auch ungleichförmige Änderungen in der Geometrie der einzelnen Brennelementbauteile in Abhängigkeit von den tatsächlichen Temperaturen dieser Bauteile ergeben. Insbesondere die Außenabmessungen der Abstandsroste können gegenüber den Innenabmessungen des Brennelementskastens in der gleichen Ouerschnittsebene des Brennelements mehr oder weniger stark zunehmen. Aufgrund der Änderungen der gegenseitigen Abmessungen von Abstandsrosten und Brennelementkasten sind bei Brennelementen bekannter Ausführung (z.B. DE-OS 15 89 867 oder GB-PS11 37 62!) folgende Erscheingungen zu beobachten:

Es ergeben sich erhebliche Änderungen der Abmessungen der am Umfang des Brennstabbündels befindlichen Kühlmitteldurchlässe und hierdurch treten starke Über- oder Unterkühlungen der am Umfang angeordneten Brennstoffstäbe auf. Ferner ergeben sich hohe Spannungen in den Halterungen für die Abstandsroste an dem Brennelementkasten und/oder an den Stangen, welche die Abstandsroste halten. Diese Spannungen sind um so größer, je ungleichförmiger die Temperaturverteilung in einer Querschnittsebene des Brennelements ist

Die aufgrund dieser Erscheinungen auftretenden Beanspruchungen der Abstandsroste und der Brenn Stoffstäbe führen zu Verformungen der Brennelemente mit der Folge, daß diese ggf. vorzeitig aus dem Reaktor herausgenommen werden müssen.

ίο Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Abstandsrost der im Oberbegriff erwähnten Art so auszubilden, daß er die Nachteile der bekannten Abstandsroste vermeidet wobei insbesondere die beschriebenen Beanspruchungen vermieden werden sollen und die Kühlung der am Umfang des Brennelements befindlichen Brennstoffstäbe möglichst konstant gehalten werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Uriteransprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße Abstandsrost stellt sicher, daß das erwähnte Anschwellen des Aufbaus nicht zu den geschilderten nachteiligen Konsequenzen führt

Der erfindungsgemäße Abstandsrost wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen niher erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen Abstandsrost in teilweise geschnittener Seitenansicht

Fig.2 einen Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abstandsrostes,

Fig.3 einen waagerechten Schnitt entlang Ebene A-A gemäß F ig. 2,

Fig. 4 und 5 zwei weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen des Abstandsrostes.

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

Wenn iier Abstandsrost 1 eine stärkere Volumensvergrößerung erfährt als der Brennelementkasien 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 Brennelementkasteiis 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 F i g. 1 durch die mit dem Bezugszeichen 5 bezeichneten Pfeile angedeutet ist) ^;" 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.

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 Kj uft an, welche eine Funktion der Eigenelastizität des Werkr-ffes ist, aus dem der Randflansch besteht.

Hydraulische Kräfte werden durch den i-wii_.ien den is beiden Seiten des Abstandsrostes vorhang ' t.a Druckunterschied des Kühlmittels hervorv*;-jifci>_ Wenn sich der Randflansch auf der Emlzßsr'· -t des Kühlmittels befindet, d. h. dieser zugewan > ^ict, wird er durch den sich beim Durchgang des kt-^'.mittels 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, so z. B. durch Schweißung, Verschraubung usw.

In den F i g. 2 und 3 !st 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 1 ί hergestellt, welche ein wabenförmiges Gebilde aus im Inneren sechseckigen und am Umfang fünfeckigen Zeilen bilden. Jede Zelle weist drei halbkugelige Vorsprünge oder Ausbauchungen 12 auf, die durch Tiefziehen in den Blechstreifen 11 ausgeformt sind und in jeder Zelle unter 120° zueinander versetzte Berührungspunkte für die Brenn-Stoffstäbe 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 ode<- Herausnehmen der Stäbr und bei Bestrahlung des Brennelements zu verhindern.

In den sechs Ecken des sechseckigen Abstandsrostes ist der Randflansch über eine bestimmte Breite hinweg ausgeschnitten, 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 Kühlmitteidurchlässe ergeben sich für diese Stäbe besondere thermische und hydraulische Bedingungen.

Wie aus den Fig.2 und 3 ersichtlich, sind die drei Stangen 14 in innere Zellen des sechseckigen oder hexagonalen Wabengebildes symmetrisch, d. h. um 120° zueinander versetzt eingesetzt

Bei dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel ist der Abstandsrost an den Stangen 14 vermittels eines Sechskantstücks 15 befestigt, das in die zur Aufnahme der Stange bestimmte Zelle nach Beseitigung der in dieser ausgebi'deten Vorsprünge eingeschweißt ist Das Sechskantstück 15 ist mit einer mi* ;gen Bohrung versehen, durch welche die Stange 14 durchgeführt wird. Die Stange wird an dem Abstandsrost vermittels zweier Ringe 16 befestigt, welche auf beiden Seiten des Sechskantstücks 15 mit der Stange verschweißt werden. Zwischen benachbarten Abstandsrosten wird der Kühlmineldurchtritt 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 Hü^en 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 Fig.4 und 5 sind schematisch zwei weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abstandirostes dargestellt. Entsprechend F i g. 4 ist das Ende 3 des Randflansches 2 durch Schweißpunkte 19 an dem Brennelementkasten 4 befestigt

Diese Art der Verbindung läßt sich als feststehende Berührung bezeichnen. Entsprechend der ir· F i g. 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 Abstandsrestes auch abweichend von dem in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beschaffen sein. So ist beispielsv»e'se die Anzahl der zur Befestigung der Abstandsroste dienenden Stangen 14 beliebig, der Randflansch kann an den Ecken völlig geschlossen sein, wenn dies aus (heimischen oder hydraulischen Gründen erforderlich ist, und Formgebung und Abmessungen des Randflanschs sind jeweils auf die des Brennelementkastens abgestimmt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

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

Z Abstandsrost nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 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 (4) 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 (4) vsrbunc" ne Gleitführung (20) eingesetzt ist