DE3131398A1

DE3131398A1 - "brennstabhaltegitter fuer kernbrennelemente"

Info

Publication number: DE3131398A1
Application number: DE19813131398
Authority: DE
Inventors: Richard M. Media Pa. Lee
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-08-11
Filing date: 1981-08-07
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE3131398C2; GB2081961B; FR2488435B1; FR2488435A1; JPS5754894A; US4389369A; GB2081961A; JPS6331067B2; ES280859U; ES280859Y

Description

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Augsburg, den 4. August I98I Anw.Aktenz.: W.IO68

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222. V.St.A.

Brennstabhaltegitter für Kernbrennelemente

Die Erfindung betrifft ein Brennstabhaltegitter für Kernbrennelemente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei kommerziellen Kernreaktoren zur Erzeugung elektrischer Energie ist der Reaktorkern aus einer Vielzahl von Brennelementen aufgebaut, welche die dann in elektrische Energie umgesetzte Wärme erzeugen. Jedes Brennelement besteht aus einer Anordnung von Brennstäben und Steuerstab-Führungsrohren, die mittels einer Anzahl längs des Brennelements verteilter, eierkistenartig ausgebildeter Haltegitter in ihrer vorgesehenen Relativlage mit gegenseitigen Abständen gehalten werden. Da die Brennstäbe jeweils nur etwa 1,'d'j cm Durchmesser und eine Länge von etwa 4 m haben, sind zu ihror sicheren Halterung mehrere, entlang ihrer Länge verteilte Ib Haltegitter notwendig. Jedes Haltegitter besteht aus ineinandergreifenden Blechstreifen aus Inconel oder Zircaloy, die miteinander eine Vielzahl von Gitterzellen bilden, die jeweils an zwei aneinandergrenzenden Zellenwänden mit Federn

J ι j I j ο ö

und an den beiden anderen Zellenwänden mit jeweils zwei Noppen ausgestattet sind. Die Federn üben seitliche Haltekräfte auf jeden Brennstab des Brennelements aus.

Obwohl sich diese Konstruktion der Brennelemente eines Kernreaktors außerordentlich gut bewährt hat, haftet der Ausbildung der Haltegitter noch der Nachteil- an, daß die in die Gitterzellen hineinragenden Federn und Noppen beim Einschieben der Brennstäbe in die Haltegitter des betreffenden Brennelements gelegentlich die Brennstaboberfläche durch Scheuern oder Kratzen beschädigen. Während des Einführens der Brennstäbe werden die Haltegitter fest in ihrer Lage gehalten, während der betreffende Brennstab mittels eines an seinem einen Ende befestigten Stahlstabes axial durch die miteinander fluchtenden Gitterzellen der Haltegitter des betreffenden Brennelements hindurchgezogen wird. Wenn der Brennstab dabei mit den Federn und Noppen in den Gitterzellen in Berührung kommt, können die Kanten der Federn und Noppen in manchen Fällen so tiefe Kratzer in der verhältnismäßig weichen Oberfläche des sich durch die Haltegitter bewegenden Brennstabs verursachen, daß der Brennstab aus dem Toleranzbereich der geltenden Oberflächenspezifikationen für Brennstäbe herausfällt.

λ",) Außerdem hat das Material, aus welchem die Gitterstreifen mit den Federn und Noppen hergestellt werden, einen großen Neutroneneinfangquerschnitt, insbesondere wenn es sich um Inconel handelt. Obwohl geglühtes Zircaloy in dieser Beziehung nicht so schädlich ist, beeinträchtigt es in gewissem Maße Leistung und Wirkungsgrad des Reaktors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstabhaltegitter der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß es bei verhältnismäßig geringem Neutroneneinfangquer-5'j !jctmitt I¹JUtCJ Stützeigenschaften besitzt und noch kostengünstiger herstellbar als herkömmliche iialtegitter ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Dabei kann die Gitterhühe durch Wegfall der bisher jeweils in der Mitte der Gitterstreifen befindlichen Federelemente reduziert werden.

Ein Ausführurigsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen, in welchen gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ■ ein Brennelement mit Haltegittern nach

der Erfindung,

■.

die Fig. 2A und 2B jeweils einen der ineinandersteckbaren

Gitterstreifen des unteren Gitterteils,

die Fig. 3A und 3B jeweils einen der ineinanderstockbaren Lütterstreifen deu oberen Ui

Fig. 4 einen der Umfassungsstreifen eines

Haltegittersj

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V

in Fig. 4,

Fig. 6 eine ausschnittsweise Draufsicht eines

Haltegitters, das die relative An-Ordnung von Gitterstreifen, Federn und

Moppen zur Halterung der Brennstäbe zeigt,

Fig. 7 in Seitenansicht eine der in Pig.

sichtbaren Federn, und

Pig. 8 die Feder nach Pig. 7 in Draufsicht.

Pig. 1 zeigt ein Kernbrennelement 10, bestehend aus einer Anordnung von Brennstäben 12, die mittels entlang der Krc-mnelernentenlänge verteilter Haltegitter 14 mit gegenseitigen Abständen gehalten werden. Jedes Haltegitter weist einen oberen Teil Ib, einen unteren Teil 18 und eine Umfassung 20 auf.

Eines der Haltegitter 14 ist in den Pig. 2 bis 6 mehr im einzelnen dargestellt. Der obere Teil 16 und der untere Teil 18 jedes Haltegitters 14 besteht jeweils aus einer Anzahl von zu einer eierkistenartigen Anordnung ineinandergesteckten Gitterstreifen 22, 23 bzw. 29, 30 aus Zircaloy, Inconel oder einem anderen geeigneten Werkstoff. Die auf diese Weise sowohl im oberen Teil 16 als auch im unteren Teil 18 gebildeten quadratischen üitteröffnungen 24 fluchten vertikal miteinander und

;}o bilden gemeinsam jeweils eine Gitterzelle, die im Hinblick auf die Aufnahme jeweils eines der ßrennstäbe 12 oder eines Steuerstab-Führungsrohres 25 bemessen ist.

Der untere Gitterteil 18 besteht aus ineinandergesteckten Gitterstreifen 22 und 23 (Fig. 2A und 2B), die mit das rechtwinklige Zusammenstecken ermöglichenden Schlitzen 25 bzw. ausgestattet sind. Außerdem sind die Gitterstreifen in der dargestellten Weise jeweils mit itfoppen 27 versehen, wobei in jedem einer Gitterzelle zugeordneten Streifenabschnitt ein Noppen vorgesehen ist. Von herkömmlichen Gitterstreifenkonstruktionen unterscheiden sich die dargestellten Gitterstreifen dadurch, daß sie an ihrem oberen Rand jeweils mit Schlitzen 28 versehen sind, die der Aufnahme einer Feder in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise dienen.

Der obere Teil 16 des Gitters l4 besteht aus ähnlichen uitterstreifen 29 und 30 (Fig. 3A und 3B), die mit ihr

Zusammenstecken ermöglichenden Schlitzen 31 und 32 sowie in der oben beschriebenen Weise mit Noppen 27 versehen sind. An ihren oberen Rändern sind die Gitterstreifen 29 und jeweils mit Kühlmitte1-Leitfahnen 33 herkömmlicher Ausbildung versehen.

Die Gitterstreifen 22, 23 und 29, 30 des unteren Gitterteils 18 und des oberen Gitterteils 16 werden gesondert jeweils zu einer Gitteranordnung zusammengesteckt, wonach der obere Gitterteil l6 auf den unteren Gitterteil 18 so aufgesetzt wird, daß die Gitterstreifen beider Gitterteile direkt übereinander verlaufen und zwischen sich die Gitterzellen 24 bilden.

Die beiden oberen und unteren Gitterteile 16 und 18 werden durch die Gitterumfassung 20 zusammengehalten, welche die beiden aufeinandergesetzten Gitterteile umschließt. Die Gitterstreifen der beiden Gitterteile greifen mit kurzen Laschen 36, die jeweils an den Streifenenden angeordnet sind und in Streifenlängsrichtung davon wegragen, in entsprechende Ausstanzungen 38 der Gitterumfassung 20. Nach dem Einstecken ■ der Gitterstreifen mit ihren Laschen 36 in die Ausstanzun^en der Umfassung und Verschweißen der Gitterstreifen mit der Umfassung sind die beiden oberen und unteren Gitterteile und 18 aneinanderstoßend oder mit beliebig wählbarem vertikalem Abstand fixiert und sind nicht mehr relativ zueinander verschiebbar. Die beiden Gitterteile werden dadurch also zu einem einheitlichen Gitterkörper vereinigt, der dann die Punktion eines einzigen Haltegitters erfüllt.

■

Beim Zusammenbau eines Brennelements wird eine Anzahl von Steuerstab-Führungsrohren 25 (Fig. 1), in welchen oteuerstäbe 40 verschiebbar sind, in bestimmte Gitterzellen der Haltegitter eingesetzt und sodann mit Gitterlaschen oder

4ü mit den Gitter streif en verschweißt, so daß ei ic; st;

Führungsrotire zusammen mit den Brennstabhaltegittern das Skelett des Brennelements bilden. Die Enden der Steuerstab-Führungsrohre werden in üblicher Weise mit einem Kopfteil 42 und einem Sockelteil 44 verbunden.

Dio Draufsicht nach.Fig. 6 zeigt die relative Anordnung von Brennstäben und Steuerstab-Führungsrohren und insbesondere die Halterung der Brennstäbe im Haltegitter in im xiresentliehen unbeweglicher Stellung. Jeder Steuerstab 12 wird mittels einer Feder 46 in Anlage an die in den Gitterstreifen gebildeten Noppen 27 angedrückt, die gemäß der Darstellung jeweils in die betreffende Gitterzelle hinein vorspringen. Diese Konstruktion dient dazu, eine axiale Verschiebung der Brennstäbe in den Haltegittern während eines Transports des Brennelements zu vermeiden. Die Noppen sind sowohl in den Gitterstreifen 22, 23 und 29, 30 als auch in der Umfassung 20 im Zuge der Gitterstreifenstanzung eingearbeitet. Nach dem richtigen Zusammenstecken der Gitterstreifen springen die Noppen jeweils an zwei benachbarten Zellenwänden in die

£.'0 betreffende Gitterzelle hinein vor, wie dargestellt, mit Ausnahme der ein Steuerstab-Führungsrohr enthaltenden Gitterzellen. Dabei sind die Noppen des unteren Gitterteils und des oberen Gitterteils vertikal miteinander fluchtend angeordnet, so daß in jeder Gitterzelle 24 an zwei aneinandergrenzenden Zellenwänden jeweils zwei Noppen 27 mit" gegenseitigem Abstand vertikal übereinander angeordnet sind.

Zur Erleichterung des Einbaus der diagonal durch das Haltegitter verlaufenden Federstreifen 46 sind die oberen Ränder der Gitterstreifen 22 und 23 des unteren Gitterteils mit iächlitaen 28 versehen, in welche die Federn gemäß dor Darstellung nach Fig. 6 eingesetzt werden, bevor der obere Gitterteil 16 auf den unteren Gitterteil 18 aufgesetzt wird. Damit die Federn in dem verhältnismäßig begrenzten Raum der Gitterzellen Platz finden, sind sie jeweils in die aus den Fig. 6 bis 8 ersichtliche Form gebogen. Nachdem

sämtliche Federn in die Schlitze eingesetzt worden sind, wird der obere Gitterteil 16 auf den unteren Gitterteil derart aufgesetzt, daß die quadratischen Gitteröffnungen beider Gitterteile axial miteinander fluchten und die Gitterzellen 24 bilden. Sodann wird die GitterUmfassung 20 um die Gitterteile herumgelegt, wobei die Laschen 36 der Gitterstreifen in die Ausstanzungen 38 eingesteckt und die Gitterstreifen dann mit der Umfassung verschweißt werden. Diese Maßnahme dient nicht nur zur Lagesicherung der Federn in den Gitterzellen, sondern auch zur festen Verbindung der Gitterstreifen mit der Umfassung zwecks Herstellung der gewünschten starren Konstruktion.

Aus Fig. 6 geht hervor, daß der jeweils in einer zugeordneten Gitterzelle liegende Federabschnitt mit seinem Bereich 50 an der Außenfläche des betreffenden Brennstabs anliegt und diesen gegen die Noppen 27 drückt, um ihn in seiner Lage zu halten. Mit dieser Anordnung wird eine Fünl'-punktabstützung jedes Brennstabs im Haltegitter erreicht, wobei vier AbStützungspunkte durch die jeweils zwei Übereinanderliegend an zwei benachbarten Zellenwänden, also mit einem Winkelversatz von 90 angeordneten Noppen und der fünfte Ab-Stützungspunkt durch die Anlage stelle der Feder gebildet sind, wobei die Anlagestelle der Feder höhenmäßig zwischen den oberen und unteren Noppen und in der Horizontalebene an der Spitze eines gleichseitigen Dreiecks liegt, dessen beide andere Ecken durch die Noppenanlagesteilen gebildet sind.

Die Federn 46 sind jeweils aus einem ursprünglich ebenen Blechstreifen in die aus den Fig. 6 und 8 ersichtliche Form gebogen und haben eine ausreichend große Federkonstantu, damit sie ständig mit jeweils mindestens einem Punkt an der Brennstabaußenfläche anliegen. Wenn eine Feder beim Einführen eines brennstabs in eine Gitterzelle 24 erstmals in ihre Spannstellung gebracht wird, greift zunächst der mittlre Bereich 50 des betreffenden FederabSchnitts am Brennstab an und hält diesen fest, wenn das Brennelement an eine andere

- AO.

Stelle transportiert wird. Nach Bestrahlung und wesentlicher Wärmeeinwirkung im Reaktorbetrieb lassen das Zircaloyraaterial der Streifen und das Inconelmaterial der federn in ihrer üjLKUiuuni;¹; nach, jedoch liegt der Federbereich ϊ>0 immer noch am Brennstab an und drückt diesen gegen die Noppen. Es ist klar, daß auch die Bereiche- 52 und/oder 54 beim Einbau der Brennstäbe in die Haltegitter zusätzlich zum Bereich 50 am Brennstab anliegen können.

. Damit die Federn sich nicht aus ihren Schlitzen lösen und im Falle eines Bruches in das Reaktorkühlmittel gelangen können, haben die Federenden jeweils einen vergrößerten, T-förmigen Lappen 48, der größer als die, die Feder aufnehmenden Schlitze ist. Die Lappen 48 der in einem Eck des

l'j iialtegitters endigenden Federn verlaufen nicht durch die Umfassung hindurch, sondern bleiben innerhalb dea üiUtera und können an der Innenfläche des Umfassungsstreifens anliegen, wie im rechten unteren Eck der Fig. 6 sichtbar ist. In der diagonal gegenüberliegenden Eckzelle des Haltegitters endigt diese Feder in der gleichen Weise. Diejenigen Federn, die in der unteren linken und der oberen rechten Eekzelle des Haltegitters (auf die Darstellung nach Fig. 6 bezogen) liegen, verlaufend mit ihren Enden durch die angrenzenden Gitterstreifen hindurch, wie dargestellt, um sie in ihrer Lage zu sichern.

• AA.

Leerseite

Claims

10 Patentansprüche

1. Brennstabhaltegitter für Kernbrennelemente, bestehend aus rechtwinklig zusammengesteckten, quadratische Üitterzellen bildenden Gitterstreifen und einer Gitter-Streifenumfassung, mit der die Gitterstreifenenden fest verbunden sind, wobei zwei aneinandergrenzende Wände jeder Gitterzelle mit in die Gitterzelle hinein vorspringenden Noppen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltegitter aus zwei aufeinandergesetzten, jeweils aus sich kreuzenden Gitterstreifen (22, 23, 29, 30) bestehenden Gittcrteilen (16, 18) zusammengesetzt ist, deren miteinander fluchtende quadratische Gitteröffnungen (24) die Gitterzellen bilden, daß weiter die Noppen (27) in den Gitterstreifen sowohl des unteren Gitterteils als auch des oberen Gitterteils gebildet sind, so daß an den betreffenden Wänden jeder Gitterzelle des fertigen Haltegitters jeweils zwei übereinander liegende Noppen vorhanden sind, und daß in .'Jchlitac (,'!.}), die in den dem jeweils anderen Gitterteil zugewandten Gitterstreifenränderh mindestens eines Gitterteila (lö) gebildet sind, Pederstreifen (46) eingesetzt sind, die jeweils von einer Haltegitterseite zu einer anderen Haltegitterseite durch das Haltegitter hindurchverlaufen und den einzelnen Gitterzellen.zugeordnete, jeweils den Noppen gegenüberliegende Pederabschnitte (50) zum Andrücken des betreffenden Brennstabs (12) an die Noppen (27) haben.

2. Haltegitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden aufeinandergesetzten Gitterteile (16, 18) durch die mit den Gitterstreifen (22, 23, 29, 30) der beiden Gitterteile jeweils fest verbundene GitWrumfassung (20) relativ zueinander fixiert sind.

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3. iialtegitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die.Gitterstreifen (46) jeweils an beiden Enden mit Lappen (48) versehen sind, die größer als die, die Federstreifen aufnehmenden Schlitze (2 8) sind und die Federstreifen auch im Falle eines Bruches gegen Herausfallen sichern.

4. Haltegitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch κ;¹-⁴kennzeichnet, daü die jeweilu einer Gitterzolle (24) zugeordneten Federstreifenabschnitte jeweils zwei oder mehr Anlagebereiche (50, 52, 54) aufweisen, die an dem betreffenden ßrennstab (12) anliegen, daß weiter die Federkraft der Federabschnitte zur Halterung der Brennstäbe bei einem Transport des Brennelements ausreicht und die Federkonstante der Federstreifen so groß gewählt ist, daß auch nach einem Nachlassen der Spannkraft durch Bestrahlung und Wärmeeinwirkung im Reaktor die Federabschnitte noch mit mindestens einer Anlagestelle den betreffenden Brennstab an die Noppen (2) andrücken.

'j. Haltegitter nach einem der Ansprüche 1 bits 4, dadurch JO £\j luuin zu ichneb, daß die Gittei'umfassunks (20) eine beide Gitterteile (16, l8) überdeckende Höhe aufweist und mit jeweils von den Gitterstreifenenden wegragenden Laschen (36) verbunden ist.

6. Haltegitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstreifen (20, 22, 23, 29, 30) aus Zircaloy und die Federstreifen (46) aus Inconel hergestellt sind.