DE2609120A1 - Abstandshalter fuer kernreaktor- brennstoffstaebe - Google Patents

Description

Abstandshalter für Kernreaktor-Brennstoffstäbe

Die Freisetzung großer Energiemengen bei Kernspaltungsreaktionen ist bekannt. Im allgemeinen absorbiert dabei ein spaltbares Atom,

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wie M ^J-⁾ _i \3 ^JJ, ?n^jy oder Pu ein Neutron in seinem Kern und unterliegt einem Kernzerfa-11. Dies führt im Durchschnitt zu zwei Spaltprodukten geringeren Atomgewichtes und hoher kinetischer Energie und mehreren Spaltneutronen ebenfalls hoher Energie.

Die kinetische Energie der Spaltprodukte wird in dem Kernbrennstoff rasch als Wärme verteilt. Wenn nach dieser Wärmeerzeugung

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mindestens ein Neutron netto verbleibt, das eine nachfolgende Spaltung induziert, dann erhält'sich die Spaltungsreaktion selbst und die Wärmeerzeugung wird kontinuierlich. Die Wärme wird durch ein im Wärmeaustausch mit dem Brennstoff stehendes Kühlmittel entfernt. Die Reaktion kann fortgesetzt werden, solange ausreichend spaltbares Material in dem Brennstoff vorhanden ist, um die Wirkungen der Spaltprodukte und anderer, möglicherweise auch vorhandener Neutronenabsorber zu überwinden.

Um eine solche Spaltungsreaktion mit einer Geschwindigkeit aufrechterhalten zu können, die brauchbare Mengen thermische Energie zu erzeugen gestattet, werden derzeit Kernreaktoren entworfen, konstruiert und betrieben, in denen das spaltbare Material (Kernbrennstoff) in Brennstoffelementen enthalten ist, die verschiedene Gestalt haben können, wie Platten, Rohre oder Stäbe. Der Bequemlichkeit halber werden diese Brennstoffelemente nachfolgend als Brennstoffstäbe bezeichnet. Diese Brennstoffstäbe sind auf ihren äußeren Oberflächen üblicherweise mit einer korrosionsbeständigen nicht-reaktiven Umhüllung versehen. Die Brennstoffstäbe sind als Brennstoffeinheit oder Bündel in festen Abständen zueinander in einem Strömungskanal oder einer Strömungsregion eines Kühlmittels angeordnet. Eine ausreichende Zahl von Brennstoffeinheiten ist unter Bildung eines Kernreaktorkernes so angeordnet, daß sie die oben genannte sich selbst aufrechterhaltene Spaltungsreaktion ermöglichen.

Eine typische Brennstoffeinheit wird z. B. aus einer 8 χ 8-Anordnung im Abstand voneinander festgelegter Brennstoffstäbe gebildet, wobei die Stäbe mehrere 30 cm Länge aufweisen, etwa 1/2 Zoll Durchmesser und einen Bruchteil eines Zolls im Abstand voneinander angeordnet sind. Um solche langgestreckten Stäbe an der gegenseitigen Berührung zu hindern, etwa durch Biegen und Vibration während des Reaktorbetriebes, ist es erforderlich, die Stäbe mit Hilfe einer Vielzahl von Abstandshaltern, die über die Länge der Brennstoffstäbe verteilt sind, im Abstand voneinander zu halten.

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Eine Vielzahl von Abstandshaltern für Brennstoffstäbe ist vorgeschlagen und verwendet worden. So sind z. B. solche Abstandshalter in den US-PS 3 350 275 und 3 65^ 077 der Anmelderin beschrieben. Obwohl die in diesen PS beschriebenen Abstandshalter wie beabsichtigt funktionieren, 1st es für den Fachmann klar, daß die Abstands-Charakteristika und die thermisch-hydraulische Leistungsfähigkeit des Abstandshalters verbesserungsbedürftig sind. Während des Reaktorbetriebes wird der Strömungskanal aufgrund eines Druckunterschiedes zwischen innen und außen nach außen deformiert. Durch diese nach außen gehende Verformung kann sich der Abstand zwischen dem an der Ecke befindlichen Brennstoff stab und dem Strömungskanal verringern.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung diese Abstandsverringerung zu verhindern.

Auch wird die Wärme- oder Energieerzeugungsfähigkeit des Brennstoffes durch die Fähigkeit des Kühlmittels, die Hitze von den Brennstoffstäben wirksam zu entfernen, begrenzt. Die Wärmeleitfähigkeit wird wiederum durch die Geometrie der Abstandshalter beeinflußt.

Es ist daher weiter die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abstandshalter mit verbesserter thermischer Leistungsfähigkeit zu schaffen.

Kurz gesagt wird durch die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt ein Abstandshalter· geschaffen, um mindestens die vier Eckbrennstoffstäbe innerhalb des ringförmigen Strömungskanales eines Kernreaktors festzulegen. Im spezifischen schließt der verbesserte Abstandshalter das Stützteil ein, das vier Seitenbänder umfaßt, die durch vier Eckbänder zu einer starren einheitlichen Struktur verbunden sind. Jedes der Seitenbänder weist einen allgemein L-förmigen Lappen benachbart jedem seiner Enden auf, wobei ein Schenkel jedes Lappens sich bis zum benachbarten Ende seines Seitenbandes erstreckt. Jedes der Eckbänder ist

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schmaler als die Seitenbänder und ist so versetzt, daß es sich im Abstand von dem einen Schenkel jedes der Lappen befindet.

eine

Bei dieser Anordnung ist der,Schenkel jedes der Lappen so positioniert, daß er mit dem ringförmigen Strömungskanal in Eingriff steht, um den richtigen Abstand zwischen dem Strömungskanal und dem benachbarten Eckbrennstoffstab aufrechtzuerhalten.

Bei einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der andere Schenkel jedes Lappens mit einem Zwischenbrennstoff stab ausgerichtet, um einen Kühlmittelströmungspfad um diesen Brennstoffstab zu begrenzen.

Der L-förmige Lappen trägt auch zu einer optimaleren Verteilung des Kühlmittels bei, wo^--durch die hydraulischen Eigenschaften des Abstandshalters verbessert sind.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen;

Figur 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Brennstoffeinheit mit den erfindungsgemäßen Brennstoff stab-Abstandshaltern,

Figur 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Brennst offstab-AbStandshalters nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des Brennstoffstab-Abstandshalters der Figur 2,

Figuren *i, 5 und 6 Brennstoffstab-Abstandshalter des Standes der Technik,

Figur 7 eine fragmentarische Seitenansicht der Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung, verglichen mit dem Stand der Technik.

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2 B'j 9 120

In Figur 1 ist eine Brennstoffeinheit 10 gezeigt, die einen rohrförmigen Strömungskanal 11 mit offenen Enden und eine Vielzahl langgestreckter Stäbe 12 aufweist, die zwischen einer unteren Befestigungsplatte 13 und einer oberen Befestigungsplatte I¹I abgestützt sind. Die Brennstoffstäbe 12 verlaufen durch eine Vielzahl von Brennstoffstab-Abstandshaltern 15, die mit Zwischenabstützung versehen sind, um die langgestreckten Stäbe im Abstand voneinander und zum Strömungskanal 11 zu halten und die Brennstoffs täbe 12 an einer seitlichen Vibration zu hindern. Eine Vielzahl von Brennstoffeinheiten 10 kann in einem Gitter angeordnet werden, um einen (nicht-dargestellten) Reaktorkern zu bilden, in dem eine untere öffnung 16 jeder Brennstoffeinheit in Verbindung steht mit einem Zuführungsraum, der ein Kühlmittel enthält, wie Wasser unter Druck. Das Kühlmittel strömt so durch die öffnung 16 und an den Brennstoffstäben 12 vorbei nach oben.

In den Figuren 2 und 3 ist der Brennstoffstab-Abstandshalter 15 detaillierter dargestellt. Dieser Brennstoffstab-Abstandshalter 15 ist aus einem peripheren Stützband 17 gebildet, das vier Seitenbänder 18, 19, 20 und 21 umfaßt, die durch vier Eckbänder 22, 23, 2k und 25 verbunden sind und eine starre einheitliche im allgemeinen rechteckförmige Struktur bilden. Innerhalb dieses peripheren Stützbandes 17 ist eine Vielzahl von blattförmigen Tellungsgliedern 26 und eine Vielzahl von blattförmigen Teilungsstäben 27 vorgesehen. Die Glieder 26 und die Stäbe 27 sind starr zwischen gegenüberliegenden Seitenbändern befestigt.

Die Teilungsstäbe 27 sincTvvertikal im Abstand voneinander angeordneten Paaren verlegt, wobei jedes Paar einen oberen und einen unteren Stab einschließt und eine erste Gruppe von Teilungsstäben 27 zwischen den Seitenbändern 18 und 20 abgestützt ist und eine zweite Gruppe von Teilungsstäben 27 zwischen den Seitenwänden 19 und 21 abgestützt ist und die Teilungsstäbe in abwechselnd seitlich beabstandeter Beziehung zu den Teilungsgliedern 26 angeordnet sind. Die einander schneidenden Teilungsglieder und -stäbe sind mit Schlitzen versehen und an den Schnittstellen miteinander verriegelt. Diese Anordnung der sich schnei-

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denden Teilungsglieder und -stäbe schafft eine Vielzahl von Würfeln oder Brennstoffstab-Durchgängen. Die Teilungsglieder 26 und -stäbe 27 sind an ihren Schnittstellen vorzugsweise verschweißt, wie bei 28, um eine größere Starrheit des Brennstoffstab-Abstandshalters 15 zu gewährleisten.

An jeder Schnittstelle von zwei Teilungsstäben 27 ist eine vierseitige Federbaueinheit 29 abgestützt. Diese Pederbaueinheit 29 kann aus einem geeigneten Federmaterialj wie Inconel-x gebildet sein. Die Federbaueinheit 29 ist entlang jeder Ecke mit Schlitzen versehen und jede Seite ist nach außen gebogen und bildet so vier sich nach außen erstreckende Federglieder 30, die zwischen oberen und unteren Endteilen 31 und 32 abgestützt sind. Jede der vier Seiten jedes der Endteile 31 und 32 ist mit einem sich nach außen erstreckenden halbkugelförmigen Vorsprung 33 gebildet, der zur Begrenzung der Berührungsfläche mit dem benachbarten Brennstoffstab und der seitlichen Bewegung des benachbarten Brennstoff Stabes dient, falls das Federglied 30 versagen sollte. Wenn sie in dem Abstandshalter 15 zusammengebaut ist, nimmt die Federbaueinheit 29 die sich schneidenden Teilungsstäbt 27 durch Schlitze auf, die von den sich nach außen biegenden Federgliedern 30 gebildet werden. Auf diese Weise erstreckt sich ein elastisches Federglied 30 in eine diagonale Richtung in jeden der Würfel oder BrennstoffStabdurchgänge, und zwingt die einzelnen Brennstoffstäbe elastisch in Eingriff mit den starren Vorsprüngen 3²J, die sich von den Teilungsgliedern 26 in jeden Würfel erstrecken.

Jedes Seitenband ist mit einer Vielzahl sich nach außen erstrekkender Lappen 35 ausgebildet, wobei ein Lappen benachbart der Seite jedes der seitlichen Brennstoffstab-Durchgänge liegt. Diese Lappen gestatten die Strömung des Kühlmittels um die seitlichen Brennstoffstäbe herum und begrenzen den Kontaktbereich dieser Brennstoffstäbe mit den Seitenbändern. Die peripheren Kanten der Lappen sind gebogen und mit einer Neigung versehen, um die Bildung von Kühlmitteldampf-Taschen zu verhindern.

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2 es π 912 ο

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind L-förmig ausgebildete Lappen 36 benachbart den Ecken der Brennstoffstab-Abstandshalter 15 vorgesehen. Jeder Lappen 36 schließt die Schenkel 37 und 38 ein, wobei sich der Schenkel 38 zum Ende 39 des Seitenbandes erstreckt, in dem der L-förmige Lappen gebildet ist. Der Schenkel 37 des Lappens 36 ist benachbart dem Eckdurchgang mit dem Brennstoffstab -Durchgang ausgerichtet angeordnet, um den Kühlmittel-Strömungspfad um den Brennstoffstab in diesem Durchgang in ähnlicher Weise wie mit den Lappen 35 zu begrenzen.

Die genaue Funktion des L-förmigen Lappens 36 soll nun mit Bezug auf die Figuren 4, 5 und 6 näher beschrieben werden, in denen gewisse Charakteristika des Standes der Technik dargestellt sind. In den Figuren 4,5 und 6 wurden den Elementen Bezugszahlen gegeben, die jenen in den Figuren 2 und 3 entsprechen. Zusätzlich zu den in den Figuren 2 und 3 abgebildeten Elementen zeigen die Figuren 4 und 6 Brennstoffstäbe 40, die in den Brennstoffstab-Durchgängen angeordnet sind, und Figur 6 zeigt weiter einen Teil eines Strömungskanals 11 im Schnitt. Weiter zeigt die Figur 6 in etwas vergrößerter Form (zur Veranschaulichung) eine Verformung des Strömungskanals 11, die durch die besondere Konfiguration und Lage der Lappen 35 nach dem Stand der Technik bedingt ist. Die Dimension A zeigt den Abstand vom Brennstoffstab zum Kanal und die Dimension B zeigt die Verschiebung des Brennstoffstab-Abstandshalters, die durch den Stand der Technik gestattet ist.

Die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Verbesserung ist in Figur 7 gezeigt, in der die Dimensionen A und B, die durch die L-förmigen Lappen 36 erlaubt werden, grafisch dargestellt sind. Aus dem Vergleich zwischen den Dimensionen A uidB der Figur 6 auf der einen Seite und den Dimensionen A undB der Figur 7 auf der anderen Seite ergibt sich ohne weiteres, daß die verbesserten Lappen 36 der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Halten des Abstandes vom Brennstoffstab zum Kanal schaffen, ohne die Kühlmittelströmung um die Brennstoffstäbe 40 aufzugeben oder zu beeinträchtigen.

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2 B" 9 1 2 O

In der Figur 3, auf die nochmals Bezug genommen wird, kann gesehen werden, daß die Eckbänder 22, 23, 2k und 25 schmaler sind als die Seitenbänder 18, 19, 20 und 21. Wie durch das Eckband in Figur 3 veranschaulicht, sind die Eckbänder versetzt, um im Abstand vom Schenkel 38 des L-förmigen Lappens 36 zu liegen. Jedes der Eckbänder ist mit einem Paar von Vorsprüngen 41 versehen, welche den Berührungsbereich mit dem in der Ecke liegenden Brennstoffstab begrenzen, um die Beschränkung des Kühlmittelflusses zwischen dem Brennstoffstab und dem Eckband zu minimalisieren. Die Eckbänder können mit den Seitenbändern durch eine Schweißstelle verbunden werden.

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Claims (3)

2 b π 9 1 2 O Ansprüche

1.,Abstandshalter zum Pestlegen mindestens der vier Eckbrenn-— stoffstäbe innerhalb eines rohrförmigen Strömungskanals eines Kernreaktors, gekennzeichnet durch: ein Stützglied mit vier Seitenbändern, die durch vier Eckbänder unter Bildung einer starren, einheitlichen Struktur verbunden sind, wobei jedes der Seitenbänder benachbart jedem seiner Enden einen im allgemeinen L-förmigen Lappen aufweist, wobei sich ein Schenkel jedes L-förmigen Lappens zu dem benachbarten Ende seines Seitenbandes erstreckt, und jedes Eckband schmaler ist als die Seitenbänder und versetzt ist, damit von dem genannten einen Schenkel jedes der Lappen ein Abstand besteht und

jeder eine Schenkel jedes Lappens so festgelegt ist, daß er im Eingriff mit dem rohrförmigen Strömungskanal steht, um den richtigen Abstand zwischen dem Strömungskanal und dem benachbarten Eckbrennstoffstab aufrechtzuerhalten.

2. Abstandshalter zum Pestlegen der Brennstoffstäbe innerhalb eines rohrförmigen Strömungskanals eines Kernreaktors, wobei die Brennstoffstäbe mindestens vier Eckstäbe und mindestens vier Zwischenstäbe einschließen, gekennzeichnet durch:

ein Stützglied mit vier Seitenbändern, die durch vier Eckbänder unter Bildung einer starren einheitlichen Struktur verbunden sind,

wobei jedes der Seitenbänder benachbart seinen Enden einen im allgemeinen L-förmigen Lappen aufweist, dessen einer Schenkel sich zum benachbarten Ende seines Seitenbandes erstreckt und

der andere Schenkel des L-förmigen Lappens mit einem Zwischenbrennstoff stab ausgerichtet angeordnet ist, um einen Kühlmittelströmungspfad um den Brennstoffstab herum zu begrenzen und
jeder eine Schenkel jedes der genannten Lappen so festgelegt

6 0 9 8 3 8 / Π 3 Π 2

Ist, daß er Im Eingriff steht mit dem rohrförmigen Strömungskanal, um den richtigen Abstand zwischen dem Strömungskanal und dem benachbarten Eckbrennstoffstab aufrechtzuerhalten.

3. Abstandshalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Eckbänder schmaler sind als die Seitenbänder und versetzt liegen, um sich im Abstand von dem einen Schenkel jedes der Lappen befinden.

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