DE2918112B2

DE2918112B2 - Vorrichtung zur Querhalterung der Brennstäbe eines Brennelementbündels für einen Kernreaktor

Info

Publication number: DE2918112B2
Application number: DE2918112A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1979-05-04
Publication date: 1981-07-09
Also published as: FR2426312A1; SE431268B; BE876368A; IE790943L; GB2022310B; GB2022310A; ZA792372B; DE2918112C3; ES480693A1; SU884591A3; NL7903069A; IT1118608B; JPS5933863B2; BR7903046A; IT7967990A0; JPS54152783A; DE2918112A1; FR2426312B1; IE48230B1; SE7904157L

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem

ι ο Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einem Brennelementbündel für einen Kernreaktor sind die Brennstäbe parallel als Bündel angeordnet, indem sie zur Ermöglichung des Durchtritts des Kühlmittels regelmäßig angeordnet gehalten sind.

Im Betrieb sind die Brennstäbe durch die Strömung des Kühlmittels bedingten Schwingungen, Wärmedehnungen und strahlungsbedingten Verdickungen unterworfen. Die Brennstäbe werden dabei durch eine Anzahl von Querhaltevorrichtungen, als regelmäßige Bündel gehalten. Die Querhaltevorrichtungen bilden Verstrebungen und sind als im wesentlichen regelmäßig längs des Bündels im Abstand verteilte Gitter ausgebildet.

Die von einem derartigen Gitter zu erfüllenden wesentlichen Funktionen sind die folgenden:

— Halten der Brennstäbe in einem genauen und regelmäßigen Quernetz selbst unter der Wirkung von Querkräften,

_Jn — Ermöglichen einer axialen Ausdehnung der Brennstäbe,

— Halten der Brennstäbe mit einer ausreichenden Querkraft zur Begrenzung ihrer Schwingungen unter der Wirkung des um sie herum strömenden

_J5 Kühlmittels.

Die Gitter sollen ferner einen möglichst kleinen Widerstand gegen den Durchtritt der Kühlmittel-Strömung und eine geringe Masse aufweisen. Um andererseits den Neutronenfluß möglichst wenig zu stören,

■»ο müssen b;i der Konstruktion der Gitter Materialien mit hoher Neutronenabsorption vermieden werden.

Hierzu wurden Gitter zum Halten von Brennstäben in Brennelementbündeln für Kernreaktoren entworfen, die für die Brennstäbe Halte- oder Verkeilungsteile

"»5 aufweisen, die innerhalb der Zellen des Gitters angebracht oder aus dem die Wand der Zellen bildenden Material ausgeschnitten sind.

So zeigt die DE-OS 15 64 434 einen Abstandshalter für Brennelemente mit einer Vielzahl von Brennstäben, bei dem zwischen einem unteren und oberen Gitterrost quadratische Rohrabschnitte vorgesehen sind, die mit Biegefedern versehen und über Stege miteinander verbunden sind. Dabei sitzen die quadratischen Rohrabschnitte zwischen je vier benachbarten Brennstäben.

^r'5 Die Biegefäden sind aus den seitlichen Flächen der Rohrabschnitte ausgestanzt.

In ähnlicher Weise betrifft die DE-OS 22 33 051 ein Abstandsgitter für Brennstäbe, bestehend aus einem oberen und unteren Gitterrost, wobei einerseits die Gitterroste selbst Lokalisierungsanschläge aufweisen und andererseits die oberen und unteren Roste durch, steckschuhartige Distanzstücke miteinander verbunden sind, die ihrerseits Bogenfedern aufweisen, mit denen sie an den Brennstäben anliegen.

Die DE-OS 26 02 487 betrifft einen Gitterrost für einen Kernreaktor, der sich schneidende, durch Federn gehaltene Leisten zur Bildung einer Mehrzahl von Öffnungen zur Aufnahme der Brennstäbe und eine

Mehrzahl von Mischflügeln aufweist Die federnden Leisten haben dabei im wesentlichen die Aufgabe, für eine gute Mischung des Kühlmittelstroms ohne Strömungsverluste zu sorgen, sie bilden η·ΐχ nebenbei eine federnde Halterung für die Brennstäbe. s

Diese bekannten Vorrichtungen sind kompliziert aufgebaut Man benötigt eine große Zahl von federnden Elementen, um die Halterung der Brennstäbe sicherzustellen, wobei eine geometrische exakte Lage der Stäbe nicht sichergestellt ist Eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Brennstäbe soll aber angestrebt werden. Durch die Ausbiegungen oder Ausstanzungen können keine gleichmäßigen Anpreßkräfte erreicht werden. Außerdem darf die Anpreßkraft einer Feder nur innerhalb einer bestimmten Größe liegen, um nicht die Umhüllung der Brennstäbe zu beschädigen. Andererseits muß aber die Halterung der Brennstäbe ausreichend fest sein, um Vibrationen im Betrieb zu vermeiden.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Vorrichtung zur Querhalterung der Brennstäbe zu schaffen, die unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Halterungen bei einfachem Aufbau zur Begrenzung der Schwingungen der Brennstäbe eine genau vorbestimmbare und völlig gleichmäßige Intensitat von Querkräften ermöglicht, dabei außerdem eine geringe Masse und eine leichte Herstellbarkei· sowie einen günstigen Strömungswiderstand aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Anspruch 1 · gekennzeichneten Merkmale. jo

Vorteilhafte weitere Ausbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer Querhalterung für Brennstäbe werden eine Reihe von wesentlichen Vorteilen erzielt: _r>

— Die Kontakt-Oberfläche zwischen den Brennstäben und dem Gitterrost ist beträchtlich im Gegensatz zu den Federkontakten der bekannten Ausführungen;

— dadurch kann die spezifische Pressung an den Brennstäben vermindert werden, wodurch das Risiko einer Beschädigung der Umhüllung der Brennstäbe kleiner wird;

— die seitlichen Anpreßkräfte können dank des mittleren elastischen Gitterrostes genau erfaßt werden und sind absolut konstant, sie sind nur von der gewählten Versetzung des mittleren Gitters abhängig.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele beschrieben. Darin zeigen:

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einiger Zellen von drei Gittern;

Fig.2 eine Draufsicht einer ein Brennelement umschließenden Zelle eines der Endgitter;

F i g. 3 eine Draufsicht einer Variante, bei der die Vorrichtung vier identische Teile aufweist;

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht von Einzelheiten gemäß einer weiteren Ausführungsform;

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht von Einzelheiten gemäß einer weiteren Ausführungsform.

F i g. 1 zeigt einen Teil einer Querhaltevorrichtung nach der Erfindung mit einem durch ein Gitter mit quadratischen Zellen 10 gebildetes Endgitter 1, mit einem mit dem Endgitter 1 identischen Endgitter 2 und mit einem mittleren Gitter 5, gebildet durch ein Gitter mit quadratischen Zellen 11 derselben Abmessung wie die Zeilen 10, jedoch von geringerer Höhe als die die Endgitter 1 und 2 der Vorrichtung bildenden Gitter. Die drei Gitteranordnungen 1 2 und 5 bilden eine Querhaltevorrichtung für Rohre, wobei die Abmessungen der Zellen 10 ausreichend für den Durchtritt eines Brennstabes 6 durch die Zellen 10,11 in Längsrichtung des Brennelementbündels, d. h. senkrecht in F i g. 1.

Die Endgitter 1 und 2 sind an ihren seitlichen Enden an einer Metallplatte 3 befestigt, die ihre Halterung in einem gewissen Längsabstand zwischen den Endgittern f und 2 ermöglicht

Die Endgitter 1 und 2 bestehen aus Metallplatten 12, 13, die senkrecht zueinander und starr so zusammengebaut sind, daß sie ein Netz bilden, von dem in F i g.! nur ein Teil sichtbar ist

Dieses Netz enthält einen Anzahl von Maschen oder Zellen, deren Anzahl größer als die Anzahl der Brerinstäbe im Brennelementbündel ist, da bestimmte Zellen anstelle von Brennstäben von Halterohren für das Brennelementbündel durchquert werden.

Die Metallplatten 12,13, die zum Beispiel Platten aus nur wenig absorbierendem Material (wie z. B. unter dem Handelsnamen Zircaloy bekannt), bestehen können, sind miteinander durch Schweißen verbunden zur Bildung eines starren Gitters mit genauen Seiten für eine genaue Positionierung der Brennstäbe des Brennelementbündels.

Das mittlere Gitter 5 besteht aus elastischen Metallplatten 14 mit geringerer Breite als die Metallplatten 12, 13, wobei das durch die Metallplatten 14 gebildete Netz im wesentlichen identisch mit dem Netz der Metallplatten 12,13 ist.

Am Unterteil der Metallplatten 12, 13 des oberen Endgitters 1 und am Oberteil der Metallplatten 12, 13 des unteren Endgitters 2 sind Kerben 15 ausgebildet. Diese Kerben gestatten die Anbringung des mittleren Gitters 5 zwischen dem oberen und dem unteren Endgitter 1 bzw. 7. in der Weise, daß das mittlere Gitter 5 ein wenig in Querrichtung gegenüber den Endgittern 1, 2 versetzt ist (vgl. F i g. 1 und 2).

F i g. 2 zeigt einen Brennstab 6 innerhalb einer Zelle 10 des oberen Endgitters 1. Dieser Brennstab 6 wird in der Zelle 10 durch die Metallplatten 14 des mittleren Gitters 5 gehalten, die mit dem Brennelement längs zweier Mantellinien 16 in Berührung stehen. Der Brennstab 6 steht längs Mantellinien 17 mit den Metallplatten 12,13 der Zelle des oberen Endgitters 2 in Berührung.

Die Metallplatten 14 des mittleren Gitters 5 sind elastisch, was die Ausübung einer Kraft auf den Brennstab 6 ermöglicht, wenn das mittlere Gitter 5 um einen bestimmten Betrag in Querrichtung gegenüber den Endgittern 1 und 2 versetzt ist Das elastische Gitter 5 wird aus einem Material hergestellt, dessen Elastizität unter Bestrahlung unverändert bleibt, wie z. B. unter dem Handelsnamen Inconel bekannt ist.

Der Brennstab 6 wird längs der Mantellinien 17 gehalten und steht ebenfalls in Berührung mit den Wänden 12, 13 der Zelle des Endgitters 2, das genau senkrecht zur Zelle des Endgitters 1 angeordnet ist (vgl. F ig. 2).

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist einfach aufgebaut und ermöglicht eine optimale Erfüllung der Funktionen, die ein Haltegitter für die Brennstäbe eines Brennelementbündels erfüllen so'l. Die Endgitter 1, 2 ermöglichen das Halten der Brennstäbe 6 gemäß einem vollständig definierten Netz und bilden eine steife Halterung, die den Querkräften ohne Verformung widerstehen kann. Die durch die beiden Endgitter 1, 2 und die seitlichen Verstrebungsplatten gebildete Anord-

nung ist vollkommen steif.

Die von dem mittleren Gitter 5 ausgeübte Kraft kann in Abhängigkeit von der Versetzung des mittleren Gitters 5 gegenüber den Endgittern 1, 2 eingestellt werden, was eine Begrenzung der Schwingungen der Brennelemente unter der Strömungswirkung des Kühlmittels gestattet. Diese Befestigungsart gestattet außerdem die axialen Ausdehnungen der Brennstäbe während deren Erhitzung.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Fall erfolgt die Versetzung des mittleren Gitters 5 gegenüber den Endgittern 1, 2 längs der Diagonalen des den Querschnitt einer Zelle bildenden Quadrats, d. h. um einen identischen Betrag in den Richtungen der Zeüenwände. !rs diesem Fall erfolgt die Verteilung der Kräfte vollkommen symmetrisch.

Die Versetzung des mittleren Gitters 5 kann durch jedes Mittel erfolgen, wobei die Kraftausübung durch dieses Gitter auf die Brennelemente durch eine Anlage des Gitters 5 an einem der beiden Endgitter 1,2 oder an diesen beiden Gittern erfolgt.

Fig.3 zeigt eine besondere Ausführungsform der Haltevorrichtung nach der Erfindung, bei der das mittlere Gitter 5 in vier von den Symmetrieachsen des Gitters begrenzten Sektoren unterteilt ist Jeder Sektor ist zur Innenseite des Gitters 5 hin durch doppelte Wände begrenzt, die durch die miteinander verschweißten Metallplatten 14 gebildet werden. Die Versetzungen der Gitter 5 sind in jedem Sektor unterschiedlich und symmetrisch zu den Symmetrieachsen des Gitters 5.

Eine derartige Konstruktion hat den Vorteil, die auf die Brennstäbe 6 vom Gitter 5 ausgeübten Kräfte auszugleichen. Das Gitter 5 ist gegenüber den Endgittern 1, 2 in den Grenzen des in den Kerben 15 vorgesehenen Spiels beweglich. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht im Ausgleich der auf eine

Anordnung von vier quadratisch angeordneten Zellen ausgeübten Kräfte.

F i g. 4 zeigt die Metallplatten 12,13 zweier senkrecht übereinander angeordneter Zellen 10, die jeweils zum Endgitter 1 bzw. 2 gehören. An den Metallplatten 12,13 der Endgitter 1 bzw. 2 sind jeweils Vorsprünge 19, 20 bzw. 19', 20' in der Weise vorgesehen, daß die Berührung des Brennstabs 6 mit den Metallplatten 12 und 13 jeweils längs der Vorsprünge 19, 19', 20, 20' erfolgt, die auf derselben Senkrechten angeordnet sind. Diese Vorsprünge können durch Ausschneiden oder Zurückziehen des Metalls der Metallplatten 12 und 13 hergestellt werden.

F i g. 5 zeigt ein mittleres Gitter 5, dessen Platten die Wände der Zellen bilden und kleine Vorspränge oder Ablenkungen 21, 22 und 2Γ, 22' aufweisen, die die Verbindung zwischen den Wänden des Gitters 5 und den Wänden der Endgitter 1, 2 herstellen. Diese Ablenkungen erleichtern das Einführen der Brennstäbe 6 während des Zusammenbaus.

Die oberen und unteren Ränder der Zellenwände des Gitters 5 können ebenfalls Abschrägungen aufweisen, die dieselbe Aufgabe wie die Ablenkungen 21, 22 und 21', 22'haben.

Eine besonders interessante Ausführungsform der Erfindung besteht in der Herstellung der Endgitter 1, 2 einerseits und des Gitters 5 andererseits aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Man erhält dann eine Verspannung der Brennstäbe, die bei Wärme größer als bei Kälte ist, was das Einsetzen der Brennstäbe beim Zusammenbau erleichtert und beim Heißbetrieb eine ausreichende Kraft ergibt.

Dies kann im Fall der Ausführung nach Fig.3 beispielsweise erreicht werden, wenn das mittlere Gitter 5 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Endglieder 1,2 hat.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Querhalterung der Brennstäbe eines Brennelementbündels für einen Kernreaktor, dessen zueinander parallele Brennstäbe ein Bündel bilden, in dem sie durch Querverstrebungen regelmäßig gehalten werden, die als Haltevorrichtungen ausgebildet sind zur Ausübung von Querkräften auf die Brennstäbe zur Begrenzung der Schwingungen unter Zulassung einer Axialen Ausdehnung der Brennstäbe, bestehend aus zwei Endgittern aus Metallplatten, die gemäß einem regelmäßigen Netz angeordnet sind, das Zellen begrenzt, durch die die Brennstäbe hindurchtreten und die als zur Längsachse des Brennelementbündels parallele Seitenflächen die quer zum Brennelemeiitbündel angeordneten Metallplatten derart aufweisen, daß deren Breite die Dicke der Endgitter in Längsrichtung bildet, wobei die beiden Endgitter identisch und in einem bestimmten Längsabstand übereinander entlang den Brennstäben fluchtend miteinander verbunden angeordnet sind, gekennzeichnet durch ein mittleres, zwischen den beiden Endgittern (1,2) angeordnetes Gitter (5) aus elastischen Metallplatten (14) von geringerer Breite als die Breite der Metallplatten (12, 13) der beiden Endgitter (1, 2), das gemäß einem regelmäßigen Netz zwischen den beiden Endgittern (1,2) in einem Längsabstand zu ihnen entlang den Brennstäben (6) und in Querrichtung gegenüber den Endgittern (1,2) derart versetzt angeordnet ist, daß die elastischen Wände (14) der Zellen des mittleren Gitters (5) auf die Brennstäbe (6) Querkräfte ausüben, die die Brennstäbe (6) gegen bestimmte Metallplatten (12, 13) der Zellen (10) der Endgitter (1, 2) drücken, wobei sich das mittlere Gitter (5) an wenigstens einem der Endgitter (1,2) abstützt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Endgkter (1,2) an seinem in Berührung mit dem mittleren Gitter (5) stehenden Teil Kerben (15) aufweist zum Halten des mittleren Gitters (5) gegenüber den Endgittern (1,2) mit einer gewissen Möglichkeit einer Quereinstellung.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Gitter (5) durch eine Anordnung von Einzelgittern gebildet ist, die derart nebeneinander angeordnet sind, daß sie die gesamte Oberfläche des Brennelementbündels bedecken.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Brennstäben (6) in Berührung stehenden Innenwände (12,13, 12', 13') der Zellen (10) der Endgitter (1, 2) Vorsprünge (19, 20, 19', 20') für die Halterung der Brennstäbe (6) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der das mittlere Gitter (5) bildenden Metallplatten (14) zur Erleichterung der Führung der Brennstäbe während ihrer Einführung Vorsprünge oder Abschrägungen (22) aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Metallplatten (12, 13, 14) aus einem Neutronen nur gering absorbierenden Metall.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der das mittlere Gitter (5) bildenden Metallplatten (14) einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als die die Endgitter (1, 2) bildenden Meiallplatten (12, 13) aufweist