DE2642220A1

DE2642220A1 - Abstandshalter fuer kernreaktorbrennelemente

Info

Publication number: DE2642220A1
Application number: DE19762642220
Authority: DE
Inventors: Hans Kroepfl
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1976-09-20
Filing date: 1976-09-20
Publication date: 1978-03-23
Also published as: BE858840A; ES462486A1; GB1539365A; SE7710090L; FR2365182A1

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

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Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente, bei denen eine Vielzahl von Brennstäben, vorzugsweise in quadratischen Maschen eines Gitters aus hochkant angeordneten und ineinandergreifenden Stegen durch diagonal verlaufende Anlageelemente gehaltert ist. Solche Abstandshalter sind beispielsweise aus der amerikanischen Patentschrift 3 928 131 bekannt geworden. Die Maschenwände der dort gezeigten Abstandshalter bestehen aus zick-zack-förmigen Blechbändern, die ineinandergreifen und in Höhe der Maschenmitte mit Vorsprüngen zur Anlage an dem zu halternden Brennstab versehen sind. Jede "Maschenwand" des Abstandshaltergitters wird dabei aus zwei sich kreuzenden diagonalen Blechstegen gebildet, wobei der eine durch Lötung oder Schweißung an den senkrechten Teilen des zick-zack-förmigen Bandes befestigt ist. Diese Konstruktion hat den Vorteil eines recht geringen Verbrauchs an Strukturmaterial, jedoch den großen Nachteil, daß die Maschen in sich nachgiebig sind und somit an einem Brennstab auftretende Biegekräfte auch auf die benachbarten Maschen übertragen werden, wodurch die Gefahr der einseitigen Überlastung und damit Defornation gegeben ist.

Es stellte sich daher die Aufgäbe,unter Beibehaltung diagonal angeordneter Anlageelemente sowie möglichst geringen Materialverbrauchs eine Abstandshalterkonstruktion zu finden, die eine möglichst hohe mechanische Festigkeit, insbesondere auch im

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Mü 21 / Ant 10.8.1976

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Hinblick auf Querbelastungen aufweist, bei der eine Kräfteübertragung in benachbarte Maschen bzw. Federn praktisch nicht möglich ist und die rationell herzustellen sowie auch einfacher zu montieren ist.

Diese Aufgabe wird erfisdungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens zwei Maschenwände mit diagonal angeordneten federnden,in den Maschenraum hinein vorgewölbten Stegen versehen sind und wenigstens zwei Maschenwände mit jeweils wenigstens einer starren Noppe ausgerüstet sind. Die Gitteraaschen dieses Abstandshalters sind also in sich starr und enthalten neben den diagonal angeordneten federnden Elementen auch starre Anlageelemente oder Noppen, die in Achsrichtung des Brennelementes gesehen, vorzugsweise ober- und unterhalb dieses federnden Elementes am Brennstabhüllrohr anliegen. Dieses Aufbauprinzip gestattet eine Vielzahl von unterschiedlichen konstruktiven Möglichkeiten. Die Figuren zeigen zur Erläuterung desselben eine kleine Auswahl solcher Möglichkeiten.

Zunächst sei auf die Fig. 1 und 2 verwiesen. Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch den Druckkessel 1 eines Kernreaktors, dessen wärmeerzeugender Teil aus parallel angeordneten Brennelementen 2 besteht.

Fig. 2 zeigt ein solches Brennelement in perspektivischer Darstellung. Es besteht nach diesem Beispiel aus je einem Kopf- und Fußsttick 4, den diese Teile verbindenden Regelstabführungsrohre 5» den in Abständen mit diesen Führungsrohren 5 verbundenen Abstandshaltergittern 3 sowie den die Abstandshaltergittermaschen durchsetzenden Brennstäben, die der Übersichtlichkeit halber hier in dieser Darstellung nicht eingezeichnet sind. Selbstverständlich sind auch noch andere Brennelementformen möglich, wie ja auch das hier dargestellte Abstandshalterprinzip unabhängig ist von der Anzahl von Brennstäben innerhalb eines Brennelementes, sowie auch deren spezieller Dimensionierung.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein solches Abstandshaltergitter 3. Dieses ist aus senkrecht zueinander verlaufenden Stegen 31 und 32 aufgebaut, in den von diesen Stegen gebildeten Maschen befindet sich jeweils ein Brennstab 20. Zur Zentrierung und Halterung desselben sind federnde Anlageelemente 6 sowie starre Anlageelemente 7, sogenannte Noppen, vorgesehen. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich, stehen sich federnde und starre Anlageelemente jeweils einander gegenüber.

In Fig. 4 ist nun eine derartige aus den Stegen 31 und 32 gebildete Äbstandshaltermasche perspektivisch dargestellt. In diesem Beispiel ist jede Maschenwand fensterförmig ausgeschnitten, wobei jeweils ein Diagonalsteg 6 verbleibt. Dieser ist durch Prägen in eine wellenförmige Gestalt 61 umgeformt und besitzt somit federnde Eigenschaften. Zwei dieser federnden Stege 6 ragen in den Innenraum einer Masche hinein, die beiden anderen federnden Stege jeweils in den Innenraum der benachbarten Masche. Aus den rahmenförmigen Teilen dieser Abstandshalterwände sind weiterhin starre Noppen 7 ausgeprägt, die selbstverständlich auch eine andere G_estalt aufweisen können, so z.B.

eine halbkugelige. Letztere Form hat den Vorteil einer geringeren Berührungsfläche mit dem Brennstabhüllrohr und gibt gleichzeitig auch eine zusätzliche Versteifung der Maschenwand. Dieser Aufbau einer Brennetabhalterung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil eines einfacheren Aufbaus, die Stege 31 und 32 können mit dem gleichen Werkzeug hergestellt werden. Ihr Zusammenbau geschieht durch einfaches Ineinanderstecken, wobei der Zusammenhalt in an sich bekannter Weise durch einen äußeren Bandagesteg gewährleistet wird. Durch diesen Aufbau ergibt sich weiterhin ein wesentlich geringerer Strömungswiderstand für das an den Brennstäben entlangströmende Reaktorkühlmittel, also z.B. leichtes Wasser,und somit auch ein geringeres Druckgefälle über die Höhe des Reaktorkernes gesehen. Dies bedeutet, daß die für <äie Umwälzung des Reaktorkühlmittels erforderlichen Kühlmittelpumpen für eine gegenüber dem Stand der Technik geringere Lei-

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stung ausgelegt zu werden brauchen. Dies geht letzten Endes dann wiederum in den Gesamtwirkungsgrad der Reaktoranlage ein.

Die Ausbildung des Federprofils 61 kann in an sich bekannter Weise vorgenommen werden, um die gewünschten Federkräfte und -kennlinien zu bekommen. Drei Möglichkeiten für den Bereich der Brennstabanliegestelle sind in den Fig. 5a, b und c dargestellt. Die Darstellung der Teilfigur a entspricht jener in Fig. 4. Hier wird der Kühlmittelströmung der geringste Widerstand entgegengesetzt, dafür ist die Anlagezone des Steges 6 am Brennstabhüllrohr verhältnismäßig groß. In Teilfigur b liegt die federnde Wellung 62 horizontal. Der Vorteil der auf ein kleinstmögliches Maß verringerten Berührungsflächen zwischen dem federnden Bauteil 6 und dem Brennstabhüllrohr wird hier mit einem etwas größeren Strömungswiderstand erkauft. Die Flg. 5c zeigt eine Wellung 63, die etwa unter 45° verläuft, eine ähnlich geringe Anlagefläche am Brennstab wie die Konstruktion b und wiederum einen etwas verringerten Strömungswiderstand hat, wobei noch darauf hingewiesen werden muß, daß durch die Schräglage dieser Wellung 63 eine Verwirbelung und Umlenkung des Kühlmittels eintritt, die zur Verbesserung der Kühlwirkung einerseits aber auch zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung innerhalb des Kühlmittelstromes beiträgt. Durchmischungsfahnen, wie sie aus anderen Abstandshalteranordnungen bekannt sind, können hierbei also entfallen.

Eine andere prinzipielle Möglichkeit zum Aufbau eines solchen erfindungsgemäßen Abstandshalters ist in den Fig. 6, 7, 8 und dargestellt. Die Fig. 6 zeigt wieder einen perspektivischen Ausschnitt aus nebeneinanderliegenden Abstandshaltermaschen. Die Maschenwände sind wieder mit 31 und 32 bezeichnet. Bei dieser Konstruktion sind die federnden Anlageelemente nicht mehr Teil der Maschenwände, sondern stellen gesonderte Bauteile 8 und 9 dar, die in den Kreuzungspunkten der Stege 31 und 32 in die dort verbreiterten Durchdringungsschlitze eingehängt sind. Eine metallurgische Verbindung ist nicht notwendig,

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so daß sich hier die Möglichkeit ergibt, die Federbänder 8 und 9 sowie die Stege 31 und 32 aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen. Die Stege 31 und 32 können also z.B. aus dem neutronenphysikalisch sehr günstigem Zirkon bzw. einer Zirkonlegierung bestehen und nur die federnden Anlageelemente aus dem neutronenphysikalisch etwas ungünstigerem, Jedoch durch seine mechanische Eigenschaften geeigneteren Werkstoff, wie z.B. Inconel, gefertigt sein.

^wie »us Fig. 7, die eine Draufsicht auf ein derartiges Abstandshaltergitter darstellt, ersichtlich ist, können dabei die federnden Anlageelemente 8 und 9 beiderseit s der eigentlichen Maschenwände 31 und 32 angeordnet werden. In diesem Beispiel ist Jeder zweite der parallel zueinander angeordneten Maschenwände mit solchen federnden Anlageeiementen versehen, die dazwischenliegenden Maschenwände tragen lediglich starre Noppen 71 und 72 bzw. 91 und 81. Diese können, wie aus der Fig. 6 ersichtlich, nach beiden Seiten der Maschenwände ausgeprägt werden, sie könnten Jedoch auch anders geformt sein, wie z.B. halbkugelig oder warzenförmig. Wie in den Fig. 9 und 9a dargestellt, könnten insbesondere auch schräg aus der Wandung ausgeprägte Sicken als starre Anlagenoppen dienen. Die Anlagestelle am Brennstab wird dadurch sehr klein gehalten, die Kühlung also nicht behindert. Außerdem wirken diese Sicken als Verwirbelung und Umlenkelemente für die Kühlmittelströmung, so daß die an sich bekannten und üblichen Durchmischungsfahnen an den Stegoberkanten entfallen können. In Anbetracht der Verlagerung dieser Elemente in den Maschenraum ergibt sich außerdem in diesem Bereich eine Verbesserung der Kühlung und damit auch eine Erhöhung der Sicherheit. Für die Richtung der Wellung der federnden Anlageelemente gilt praktisch das gleiche wie im vorhergegangenen Beispiel, siehe insbesondere Fig. 5.

Die eingehängten federnden Anlageelemente haben, wie aus Fig. 6 ersichtlich, eine zick-zack-förmige Gestalt, die in Jeder Masche verlaufenden Stege sind geradlinig bei Blickrichtung auf die

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Maschenwände, senkrecht dazu weisen sie aber eine Wellung auf, damit sie die entsprechende Federcharakteristik (ausreichend großen Federweg) erhalten und dadurch die Brennstäbe während der gesamten Brennelementeinsatzzeit bei allen Betriebszuständen mit ausreichender Kraft an die starren Anliegenoppen drücken.

Eine abgewandelte Form der federnden Anlageelemente zeigt Fig. 8, das Anlageelement ist hier mit 89 bezeichnet und hat mäanderförmige Gestalt, Mit den Teilen a ist dieses Anlageelement an den Kreuzungspunkten der Maschenwände 31 und 32 eingehängt. Die Teile b sind von den Teilen a leicht abgewinkelt, ragen in den Maschenraum hinein und besitzen dort ein horizontales Teilstück c. Dieses Stück c liegt dann an dem zu zentrierenden Brennstabhüllrohr an. Diese Konstruktion hat gegenüber dem vorgenannten den Vorteil einer leichteren Herstellbarkeit, was insbesondere für die Gestaltung der eigentlichen Federbereiche b und c gilt. Es sei außerdem noch darauf hingewiesen, daß die in bekannter Weise notwendigen Steckschlitze der Stege 31 und 32 abwechselnd von oben und unten angebracht sind und so eine leichte Montage des Steggitters ermöglichen.

Selbstverständlich gibt es noch andere konstruktive Möglichkeiten für den Aufbau eines Abstandshaltergitters, das den hier aufgezeigten Prinzipien entspricht. Insbesondere sind auch Kombinationen der hier dargestellten Möglichkeit denkbar. Auch ist es durchaus möglich, nur eine feste Anlagenoppe vorzusehen. Für eine bessere Kräfteverteilung entlang des jeweiligen Brennstabes kann es auch zweckmäßig sein, die übereinander angeordneten Abstandshaltergitter so anzuordnen, daß deren jeweilige Anlagekräfte gleichgerichtet so auf den Brennstab wirken, daß eine Biegebeanspruchung desselben ausgeschaltet wird.

6 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims

264222Π 76 P 9 3 7 5 BRD Patentansprüche

1. Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente, bei denen eine Vielzahl von Brennstäben, vorzugsweise in quadratischen Haschen eines Gitters aus hochkant angeordneten und ineinandergreifenden Stegen durch diagonal verlaufende Anlageelemente gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Maschenwände mit diagonal angeordneten federnden, in den Haschenraum hinein vorgewölbten Stegen versehen sind und wenigstens zwei Maschenwände mit jeweils wenigstens einer starren Noppe ausgerüstet sind.
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2. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den federnden Anlageelementen versehenen Maschenwände mit solchen fensterförmigen Ausschnitten versehen sind, daß im wesentlichen nur ein für den Steggitteraufbau benötigter Rahmen verbleibt und die Diagonalfedern aus die Ecken dieser Ausschnitte verbindenden Wandstegen ausgeprägt ist.

3. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Anlageelemente als von den Gitterstegen räumlich und evtl. auch materialmäßig unterschiedliche Bauteile vor die Maschenwänd© eingehängt werden.

4. Abstandshalter nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die diagonalen Federstege,auf die Maschenwand gesehen stufen- bzw. mäanderförmig geschnitten sind.

5. Abstandshalter nach den Ansprüchen 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen aus den die Federstege tragenden Haschenwänden ausgeformt sind.

6. Abstandshalter nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen aus denen Maschenwänden ausgeformt sind, die den diagonal angeordneten FederStegen gegenüberliegen.

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ORIGINAL INSPiCTEO