DE2918112C3 - Vorrichtung zur Querhalterung der Brennstäbe eines Brennelementbündels für einen Kernreaktor - Google Patents
Vorrichtung zur Querhalterung der Brennstäbe eines Brennelementbündels für einen KernreaktorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem 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,
— 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 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,
müssen bei 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 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 Rohrabschnittc vorgesehen sind, die mit
Biegefedern versehen und über Stege miteinander verbunden sind. Dabei sitzen die quadratischen Rohrabschnitte zwischen je vier benachbarten Brennstäben.
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 nur nebenbei
eine federnde Halterung für die Brennstäbe.
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 Herstellbarkeit 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:
— 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 4Ü
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;
Fig.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 U derselben Abmessung wie
die Zeilen 10, jedoch von geringerer Höhe als die die Endgitter 1 und 2 der Vorrichtung bildenden Gitter. Die
45 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 iO, 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
1 und 2 ermöglicht
Die Endgitter 1 und 2 bestehen aus Metallplattsn 12,
13, die senkrecht zueinander und starr so zusammengebaut sind, daß sie ein Netz bilden, von dem in F i g. 1 nur
ein Teil sichtbar ist
Dieses Netz enthält einen Anzahl von Maschen oder Zellen, deren Anzahl größer als die Anzahl der
Brennstäbe 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. 2 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 1 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.
Fig. 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 solL 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 Verstrebunesnlatten trehildete· AnnrH.
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 Fig.2 dargestellten Fall erfolgt die Versetzung des mittleren Gitters 5 gegenüber den
Endgittern I1 2 längs der Diagonalen des den
Querschnitt einer Zelle bildenden Quadrats, d.h. um einen identischen Betrag in den Richtungen der
Zellenwände. In 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 Giner 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'
in 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
is Wände der Zellen bilden und kleine Vorsprünge oder
Ablenkungen 21, 22 und 21', 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 Zellenwändle des Gitters S können ebenfalls Abschrägungen aufweisen,
die dieselbe Aufgabe wie die Ablenkungen 21, 23 und 21 ',22' haben.
2s 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 (7)
1. Vorrichtung zur Querhai tening der Brennstäbe
eines Brenneiementbündels für einen Kernreaktor,
dessen zueinander parallele Brennstäbe ein Bündel bilden, m 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 Bi ennelenrentbündel 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 (S) aus elastischen Metallpiatten (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 Endgitter (1,2) an 'to
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 so 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 Mietallplatten (12, 13) aufweist
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