DE2417326C3 - Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abstandshalter für eine Vielzahl von in einem Kernreaktorbrennelement zusammengefaßten Brennstäben, bestehend aus einem Gitter hochkant sngeordneter Blechstege, die zur Zentrierung der die Gittermaschen durchsetzenden Brennstäbe mit in die Maschenräume hineinragenden Vorsprüngen versehen sind, wobei die Vorsprünge als axial verlaufende Stege ausgebildet sind, die seitlich an auf den Brennstabhüllrohren angebrachten Stollen anliegen. Abstandshalter sind eine der wesentlichsten Strukturelemente innerhalb eines Kernreaktorbrennelementes, da von ihnen die Gleichmäßigkeit der Wärmeabfuhr aus den einzelnen Brennstäben gewährleistet werden muß. Für den Aufbau derselben sind bereits die verschiedensten Prinzipien bekannt geworden. Vielen ist dabei gemeinsam der Aufbau der Abstandshaltergitter aus sich kreuzenden hochkant gestellten Stegen, aus denen Vorsprünge starrer oder federnder Art zur Zentrierung der die Maschen durchsetzenden Brennstäbe herausgearbeitet sind. Wenn jedoch bei Brennstäben während des Reaktorbetriebes mit einem Schwellen derselben gerechnet werden muß, sind solche Lösungen nachteilig, da von den Zentrierelementen Druck auf das Hüllrohr der ausgeübt wird. Dieser kann dabei zur Beschädigung derselben führen.

. Weiterhin ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 14 457 ein Abstandshalter bekannt geworden, dessen Gittermaschen mit Vorsprüngen versehen sind, die auf dem Brennstab angebrachte Stollen umfassen. Bei einer Ausdehnung oder beim Schwellen der Brennstäbe gleiten die Stollen in radialer Richtung in ihren Führungen, so daß eine direkte mechanische Beanspruchung der Hüllrohrflächen theoretisch nicht stattfindet, ίο Diese Konstruktion hat jedoch den Nachteil, daß das Einführen der Brennstäbe mit großen mechanischen Schwierigkeiten verbunden ist und auch während des Betriebes leicht ein Verklemmen zwischen den Stollen auf den Hüllrohren und den. Führungen in den Gittermaschen stattfinden kann, was wiederum zu einer Spannungsbeanspruchung der Hüllrohre selbst führt.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Abstandshalterkonstruktion zu finden, die ein praktisch reibungsloses Schwellen der Brennstäbe erlaubt, eine leichte Einführung der Vielzahl von Brennstäben in die hintereinander angeordneten Abstandshaltergitter eines Brennelementes erlaubt und mit großer Sicherheit ein Fressen der Zentrierverbindung zwischen Brennstab und Zentrierelementen der Abstandshaltergitter während des Reaktorbetriebes vermeidet.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Vorsprünge an ihren axialen Enden abgerundet sind, an jeweils diagonal einander gegenüberliegenden Flanken der Stollen anliegen und daß jeder Stollen jeweils nur einseitig an einem Steg anliegt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Abstandshaltergitter horizontal zu teilen, so daß ein seitlicher Versatz dieser beiden Hälften ein erleichtern'* Einführen der Rrennstäbe ermöglicht. Zur weiteren Erläuterung der vOrliegenden Erfindung sei auf die Fig,l bis 6 verwiesen, in denen beispielsweise einige mögliche Konstruktionen näher dargc teilt sind.

F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kernreaktor? in einem Schnitt durch das Druckgefäß 1. Der eigentliche Reaktorkern bester" aus einer Vielzahl von Brennelementen 2. die dicht nebeneinander angeordnet sind und, wie durch Pfeile angedeutet, vom Kühlmittel durchströmt werden.

F i g. 2 /.eigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Brennelementes, wie es für Druckwasserreaktoren Verwendung findet. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf diese spezielle Bauform von Brennelementen beschränkt, vielmehr könnten diese auch kreisrunde oder sechseckige Querschnitte haben und für beliebige Reaktorsysteme Verwendung finden. Das hier dargestellte Brennelement 2 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstäben 5, die durch die Maschen der Abstandshaltergitter 3 auf konstantem Sollabstand gehalten werden. Die Abütandshaltergitter 3 werden durch nicht näher dargestellte Regelstabführungsrohre — diese befinden sich in Brennstabpositionen — verbunden und auf den gewünschten axialen Abstand eingestellt. Mit diesen Regelstabführungsrohren sind wiederum Endstücke 4 des Brennelementes 2 verbunden, die der Haltermg des ganzen Elementes im Kerngerüst des Reaktors sowie deren Handhabung dienen. Deren in F i g. 2 gezeigte Ausführur.jsform ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung, da diese sich lediglich auf die Halterung der Brennstäbe in den Maschen der Abstandshaltergitter 3 bezieht.

Die weiteren Fi g. 3 bis 6 zeigen nun die einzelnen Konstruktiionsbeispiele, wobei immer von einem Aufbau

der Abstandshaltergitter aus sich kreuzenden hochkant angeordneten Stegen ausgegangen wird. Als Material für diese Stege findet im allgemeinen, wie auch bei anderen Absiandshalterkonstruktionen. rostfreier Stahl oder eine Zirkonlegierung Verwendung. Die Herstel- s lung dieser Gitter kann dabei dur ■'■» Ineinandersiecken der entsprechend geschlitzten Stege und Verlötung bzw. Verschweißung derselben erfolgen, möglich wäre auch das Herausarbeiten aus dem VoHen durch z. B Funkenerosion. Bei letzterem Verfahren könnten dann auch gleichzeitig die von den Wänden der Abstandshaltermaschen ausgehenden Vorspränge mn herausgearbeitet werden, so daß damit auch die an die Genauigkeit und Maßhaltigkeit zu stellenden Anforderungen zuverlässig erfüllt werden können. Für die Anwendung dieses neuen Abstandshaltersysiems ist es erforderlich, daß die Brennstäbe mit axialen Stollen versehen sind, wie es auch schon von anderen Abstandshaherkonstruktionen her btkannt ist. Diese Stollen könnten sich dabei über die gesamte Länge des Brennstubcs erstrecken, vorzugsweise wird jedoch ihre Länge auf den Bereich der Abstandshalter beschränkt. Dadurch bleibt den ßrennstäben eine größere Elastizität erhalten, was für die Handhabung beim Einführen derselben \ on Bedeutung ist.

Wie bereits erwähnt und auch in Fig. 2 dargestellt, bestehen die Abstandshaltergitter 3 aus zwei Hälften 3? und 32, die übereinander angeordnet sind. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einige Maschen dieses Abst^ndshahergitters, eine einzelne Masche des oberen Gitters 31 ist ir. Fig. 3a und des unteren Gitters 32 in F i g. 3b dargestellt. Hieraus ist zu ersehen, daß der Brennstab mit vier Stollen 51 versehen ist, die seitlich an den Vorsnrüngen 35 des oberen Gitters 31 sowie 38 des unteren Gitters 32 anliegen. Das obere Gitter 31 ist dabei au;; den Stegen 33 und 34, das untere Gitter 32 aus den Stegen 36 und 37 zusammengesetzt.

F i g. 4 zeigt in einer Draufsicht, wie der Brennslab 5 mit seinem Stollen 51 durch die Vorsprünge 35 und 38 der übereinander angeordneten Abstandsgitterhälfien 31 und 32 gefaßt ist. Diese Stege bzw. Vorsprünge 38 und 35 liegen dabei an jeweils gegenüberliegenden Flanken der Stollen 51 an.

F i g 5 zeigt die gleiche Darstellung, jedoch mit c'.was diagonal verschobenem unteren Abst.indshahergitter. Daraus ist zu ersehen, daß durcn einen derartigen Versatz der Eingriff der Stege 38 und 35 soweit gelöst wird, daß sich die Brennstäbe 5 leicht durch die Abstandshaltergitter hindurchschieben lassen. Da die Brennstäbe oftmals eine erhebliche Länge von beispielsweise mehreren Metern aufweisen und, wie in Fig. 2 dargestellt, eine größere Anzahl von Abstandshaltergittern notwendig ist, muß dieser Erleichterung des tinführens für die Mon'age des gesamten Brennelementes große Bedeutung zugemessen werden. Bei der Montage eines solchen Brennelementes wird dann nach dem Einführen säriitlicher Drennstäbe lediglich jeweils die untere Abstandshalterhälf'e 32 — oder auch die obere — in die ursprüngliche Lage zurückgeschoben und damit die endgültige Fixierung der Brennsiäbe in den Abstandshaltergmermasehen erreicht. Durch nicht dargestellte Verbindungselemente an der Außenzone der beiden übereinander angeordneten Gitterhälften bzw. durch entsprechende Verbindungen mit den Regelstabführungsrohren, die das Skelett des Brennelementes bilden, werden diese beiden Abstandshalterebenen in ihrer räumlichen Zuordnung während des eigentlichen Reaktorbetriebes gesichert. Auch für das Zerlegen eines Brennelementes oder die Entnahme einzelner Brennstäbe ist eine gegenseitige Verschiebung der Abstandshalterhälften sehr vorteilhaft.

Selbstverständlich können diese Abstandshaltergitterhälften 31 und 32 auch mit Abstand übereinander im Brennelement angeordnet werden.

Eine solche Situation ist in der F i g. 6 dargestellt, wobei zusätzlich — abweichend von dem vorbeschriebenen Beispiel — eine andere Anordnung der Siege gewählt worden ist. In diesem Beispiel besitz: jede Masche die Stege 39 und 40. siehe die Fi g. 6a u J. bb. die jeweils einer oberen Abstandshalterhälfte 31 b. u. einer unteren Abstandshalterhälfte 32 angehören und dabei symmetrisch auf je einer Flanke der auf den Brennstäben angebrachten Stollen 5i anliegen. Eine gegenseitige Verschiebung der beiden Abstandshalterhälften 31 und 32 ist für die Erleichterung des Einführens der Brennstäbe hierbei nicht erforderlich, es genügt neben der Elastizität der Brennstäbe der größere Abstand zwischen diesen Hälften 31 und 32.

Bei allen diesen Konstruktionen ist es wichtig, daß die axialen Stirnseilen der Stollen 51 einerseits und der Stege 35, 38, 39 und 40 andererseits abgerundet sind. damit diese Elemente beim Einführen der Brennstäbe leicht aneinander \orbei gleiten können.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß sich diese Konstruktionsprin/ipicn selbstverständlich auch für andere Abstandshalierkonfigurationen. z. B. mit dreiekkigen oder secnseckigen Abstandshaltergiuermaschcn anwenden iassen. Für diese Fälle müssen dann lediglich die Anordnungen der Stollen auf den Brennstäben und der Stege auf den Maschenwänden entsprechend geändert werden.

Für jene Fälle von Brennelementen, bei denen ein Schwellen der Brennstäbe nicht zu befürchten ist, könnte unter Umständen auch auf die Stollen 51 auf den Brennstäben 5 verzichtet werden und die Votsprünge von den Maschenwänden direk' auf den Hüllrohren selbst anliegen. Auch hier würde eine Aufteilung der Abstandshaltergitter in zwei Hälften und eine seitliche Verschiebung derselben das reibungsfreie Einführen der Brennstäbe in den Verband der Abstandshaltergitter ermöglichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Abstandshalter für eine Vielzahl von in einem Kernreaktorbrennelement zusammengefaßten Brennstäben, bestehend aus einem Gitter hochkant angeordneter Blechstege, die zur Zentrierung der die Gittermaschen durchsetzenden Brennstäbe mit in die Maschenräume hineinragenden Vorsprüngen versehen sind, wobei die Vorsprünge als axial verlaufende Stege ausgebildet sind, die seitlich an auf den Brennstabhüllrohren angebrachten Stollen anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (35 und 38) an ihren axialen Enden abgerundet sind, an jeweils diagonal einander gegenüberliegenden Flanken der Stollen (51) anliegen und daß jeder Stollen (51) jeweils nur einseitig an einem Steg (35 bzw. 38) anliegt.

2. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter aus zwei übereinander angeordneten Hälften (31 und 32) bestehen und jede Hälfte die gleiche Anzahl von derart angeordneten Vorsprüngen (35 bzw. 38) enthält und daß die auf den Hüllrohren (5) angebrachten Stollen (51) von diesen gefaßt sind.

3. Abstandshalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Hälfte (31 und 32) dieser Abstandshaltergitter (3) in Abständen übereinander angeordnet sind

4. Verfahren zum Einführen und Fixieren der Brennstäbe in einem Abstandshaltergitter nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Gitterhälften (31 und 32) zunächst gegeneinander seitlich versetzt sind, um das Einführen der Brennstäbe (5) in die Gittermaschen zu erleichtern und daß anschließend diese Hälften (31 und 32) so ausgerichtet werden, daß die Gittermr.schen übereinander liegen, so daß alle Vorsprünge (35 und 38) mit den Flanken der Stollen (51) in Eingriff stehen.