DE3433101A1

DE3433101A1 - Abstandshalter fuer ein brennelement

Info

Publication number: DE3433101A1
Application number: DE19843433101
Authority: DE
Inventors: Eric Bertil Johansson; Bruce San Jose Calif. Matzner
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-09-26
Filing date: 1984-09-08
Publication date: 1985-04-11
Also published as: ES296424Y; DE3433101C2; SE458404B; US4571324A; SE8404731D0; IT8422657A0; IT1176706B; SE8404731L; JPS6122290A; ES296424U; JPH0257680B2

Description

Zirkoniumlegierung, gebildet sind und Uranoxid und/oder Plutoniumoxid als Kernbrennstoff enthalten, wie es beispielsweise aus der US-PS 3 365 371 bekannt ist. Eine Anzahl von solchen Brennstoffstäben bildet zusammengefaßt und in einem offenendigen rohrförmigen Strömungskanal untergebracht ein gesondert entnehmbares Brennelement oder -bündel, wie es beispielsweise in der US-PS 3 431 170 beschrieben ist. Eine ausreichende Anzahl von Brennelementen wird in einer Matrix angeordnet, welche einem aufrechten Kreiszylinder angenähert ist, und bildet den Reaktorkern, welcher zu einer sich selbst aufrechterhaltenden Spaltungsreaktion in der Lage ist. Der Kern wird in einem Fluid, wie beispielsweise Leichtwasser, untergetaucht, das sowohl als Kühlmittel als auch als Neutronenmoderator dient.

Ein typisches Brennelement wird durch eine Anordnung von gegenseitigen Abstand aufweisenden Brennstoffstäben gebildet, die zwischen einer oberen und einer unteren Ankerplatte abgestützt sind, eine Länge haben, die ein Vielfaches von 30 cm (several feet) ist, einen Durchmesser in der Größenordnung von 12,7 mm (one-half inch) und einen gegenseitigen Abstand von einigen Millimetern ( a fraction of an inch) haben.Damit das Kühlmittel richtig an den Brennstoffstäben vorbeiströmen kann, ist es wichtig, die Brennstoffstäbe während des Reaktorbetriebes in gegenseitigem Abstand zu halten und sie am Durchbiegen und Schwingen zu hindern. Mehrere Brennstoffstababstandshalter sind in Abständen über die Länge des Brennelements verteilt für diesen Zweck vorgesehen.

Konstruktionsüberlegungen bei solchen Brennstoffstababstandshaltern sind u.a. folgende: Aufrechterhaltung des gegenseitigen Abstands der Brennstoffstäbe; Aufrechterhaltung der Form des Brennelements; Zulassen der BrennstoffStabwärmeausdehnung; Begrenzung der Brennstoffstabvibration; Einfachheit des Zusammenbaus des Brennele-

ments; Minimierung der Berührungsflächen zwischen dem Abstandshalter und den Brennstoffstäben; Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität des Abstandshalters unter normalen und anomalen (z.B. seismischen) Belastungen; Minimierung der Störung und Drosselung der Reaktorkühlmittelströmung; Maximierung der thermischen Grenzwerte; Minimierung der parasitären Neutronenabsorption; Minimierung der Fertigungskosten einschließlich der Anpassung an die automatische Produktion. Die Notwendigkeit der Schaffung von solchen Brennstoffstababstandshaltern erzeugt somit mehrere beträchtliche Probleme.

Jeder Werkstoff, der zusätzlich zu dem Kernbrennstoff bei der Konstruktion des Reaktorkerns benutzt werden muß, absorbiert unproduktiv Neutronen und reduziert dadurch die Reaktivität, mit dem Ergebnis, daß eine zusätzliche Kompensationsmenge an Brennstoff vorgesehen werden muß. Das Ausmaß dieser parasitären Neutronenabsorption ist von der Menge an Nichtbrennstoffmaterial, von dessen Neutronenabsorptionseigenschaften, d.h. dessen Neutronenabsorptionsquerschnitt, und von der Neutronenflußdichte,welcher es ausgesetzt ist, abhängig.

Zum Ableiten der Wärme aus dem Kernbrennstoff wird unter Druck gesetztes Kühlmittel durch die Brennelemente des Reaktorkerns gedrückt. Die Brennstoffstababstandshalter dienen in den Brennelementen als Kühlmittelströmungsdrosselstellen und bewirken einen unerwünschten, aber unvermeidlichen Kühlmittelströmungsdruckabfall. Zum Aufrechterhalten der richtigen Kühlung der Brennstoffstäbe auf deren gesamter Länge und zum Minimieren der erforderlichen Kühlmittelpumpleistung ist es erwünscht, den Kühlmittelströmungswiderstand der Abstandshalter zu minimieren. Der Strömungswiderstand eines Abstandshalters ist stark von dessen projezierter Fläche abhängig. Deshalb kann der Strömungswiderstand eines Abstandshalters mini-

miert werden, indem die projizierte Fläche der Struktur des Abstandshalters minimiert wird. Tests haben gezeigt, daß Abstandshalter, bei denen eine minimierte projizierte Fläche benutzt wird, auch die höchsten thermischen Grenzwerte haben.

Der Kühlmittelströmungswiderstand eines Abstandshalters ist außerdem stark von der Oberfläche oder "benetzten" Fläche des Abstandshalters abhängig/ und zwar wegen der Fluidströmungsreibung zwischen den Abstandshalteroberflachen und dem hindurchströmenden Kühlmittel. Deshalb kann der Strömungswiderstand eines Abstandshalters minimiert werden, indem die Höhe des Abstandshalters reduziert wird.

Der Wunsch, sowohl die parasitäre Neutronenabsorption als auch die Kühlmittelströmungsdrosselung zu minimieren, bringt in der Praxis einen Konflikt bei der Brennstoffstababstandshalterkonstruktion mit sich.

Zum Minimieren der KühlmittelStrömungsdrosselungen sollten die Abstandshalterteile dünn sein und einen minimalen Querschnitt haben. Sehr dünne Teile müßten jedoch aus hochfestem Werkstoff hergestellt werden, damit sich eine ausreichende Abstandshalterfestigkeit ergibt. Außerdem muß hochfester Werkstoff mit geeigneten Federungseigenschaften für jedes Federteil des Abstandshalters benutzt werden. Es hat sich gezeigt, daß solche geeigneten Werkstoffe relativ gute Neutronenabsorptionseigenschaften haben.

Andererseits hat es sich gezeigt, daß Werkstoffe mit erwünschtermaßen schlechten Neutronenabsorptionseigenschaften eine relativ geringe Festigkeit aufweisen, schwierig formbar sind und nicht die gewünschte Elastizität für die Federteile des Abstandshalters haben.

Eine Möglichkeit der Lösung des vorgenannten Konstruktions-

Konflikts ist ein "Verbund"-Abstandshalter, bei dem die strukturellen Teile aus einem Werkstoff hergestellt sind, das einen niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitt hat, und die Federteile gesondert aus geeignet federndem Werkstoff gebildet sind, wodurch die Menge an Werkstoff mit großem Neutronenabsorptionsquerschnitt minimiert wird.

Verschiedene derartige Brennstoffstababstandshalter sind bereits vorgeschlagen und benutzt worden. Ein Beispiel ist in der US-PS 3 654 077 beschrieben. Der darin gezeigte Abstandshalter (insbesondere die Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6) ist lange in Gebrauch gewesen. Bei diesem Abstandshalter sind das Umfangshalteteil und die Unterteilungsteile aus einem Werkstoff mit niedrigem Neutronenabsorptionsquerschnitt, wie z.B. Zirkoniumlegierung, hergestellt. Die Unterteilungsteile sind skelettartig ^aus~ gebildet, d.h. mit Ausschnitten versehen, um den Neutronenverlust weiter zu reduzieren. Zum Minimieren der Menge an Federmaterial mit großem . Neutronenabsorptionsquerschnitt steht bei dem Abstandshalter ein einzelnes Federteil in jeden Brennstoff Stabdurchlaß vor, und die Federn haben die Form von vierseitigen Vorrichtungen.

Ein weiteres Beispiel einer Abstandshalterkonstruktion ist in der US-PS 3 886 038 beschrieben.

Ein weiteres Beispiel einer Abstandshalterkonstruktion ist ein Abstandshalter, der als Zwinge ausgebildet ist (ein Abstandshalter, der aus einer Anordnung von miteinander verbundenen rohrförmigen Ringen oder Zwingen gebildet ist) und den Gegenstand der älteren DE-OS 33 25 bildet.

Bislang wurden Brennelemente für eine Verweilzeit in dem Kern in der Größenordnung von vier Jahren ausgelegt. Jün-

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gere Trends zu einem längeren Brennstoffabbrand erfordern Brennelementverweilzeiten in der Größenordnung von sechs Jahren oder mehr.

Diese längere Verweilzeit in dem Kern führt zu einem weiteren Abstandshalterentwurfsproblem, nämlich zu einer Zunahme der Menge an Wasserstoff, die durch den Abstandshalter aus der Umgebung des Kerns aufgenommen wird bis zu einem Ausmaß, das die Hydridkonzentration in dem Werkstoff des Abstandshalters eine Versprödung desselben und demzufolge eine Verringerung von dessen Festigkeit verursachen kann. Wenn die Hydridkonzentration zu groß wird, besteht die Möglichkeit, daß der Abstandshalter versagt.

Die Menge an Wasserstoff, die durch den Abstandshalter aufgenommen wird, ist zu dem Inhalt der Oberfläche des Abstandshalters, die dem Kühlmittel ausgesetzt ist, das heißt zu der "benetzten" Oberfläche proportional. Die Geschwindig keit der Wasserstoffdiffusion in die relativ dünnen Abstandshalterteile reicht aus, um zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Hydridkonzentration in dem gesamten Volumen des Abstandshalterwerkstoffes zu führen. Deshalb ist die Hydridkonzentration proportional zu dem Verhältnis des Flächeninhalts der benetzten Oberfläche zu dem Volumen des Abstandshalterwerkstoffes.

Die Hydridkonzentration kann daher reduziert werden, indem die Querschnittsfläche der Abstandshalterteile durch eine Vergrößerung von deren Breite oder Dicke vergrößert wird.

Wie erwähnt ist der Kühlmittelströmungswiderstand eines Abstandshalters sowohl von der Querschnittsfläche als auch von der Höhe der Abstandshalterteile abhängig, weshalb zum Aufrechterhalten eines erwünschtermaßen niedrigen Kühlmittelströmungswiderstandes jede Vergrößerung der Dicke der Abstandshalterteile durch eine Verringerung der Höhe der Abstandshalterteile kompensiert werden muß.

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Daher ist zum Minimieren der Hydridkonzentration ein Abstandshalter minimaler Höhe angezeigt.

Bei vielen Abstandshalterkonstruktionen wird die minimale Höhe durch die Ausbildung der Abstandshalterfedern begrenzt. Bei Abstandshaltern, bei denen die Federn vertikal (axial) ausgerichtet sind, wie es in der erwähnten älteren Patentanmeldung gezeigt ist, wird die minimale Höhe des Abstandhalters durch die Federlänge diktiert, welche für die erforderliche Federflexibilität und -kraft benötigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brennelementabstandshalter mit Abstandshalterteilen zu schaffen, die einen ausreichenden Querschnitt haben, um die Hydridkonzentrationen darin über einer längeren Verweilzeit des Abstandshalters in einem Reaktorkern auf geeigneten Werten zu halten.

Weiter soll die Höhe eines Abstandshalters minimiert werden, um den Kühlmittelströmungswiderstand zu minimieren.

Die Erfindung verwendet ein seitlich oder horizontal ausgerichtetes Federteil für den Abstandshalter, so daß die erforderliche Federlänge nicht die Mindesthöhe des Abstandshalters diktiert.

Weiter wird eine seitliche Abstandshalterfeder vorgesehen, die zwei benachbarte Brennstoffstabdurchlässe überspannt , um die Brennstoffstäbe, welche sich durch die Durchlässe erstrekken, seitlich abzustützen.

Erfindungsgemäß wird eine seitliche Abstandshalterfeder vorgesehen, die durch horizontale Schlitze in den Abstandshalterteilen festgehalten wird, wodurch sich ein wesentlicher Teil der Feder in dem "Schatten" der Abstandshalterteile befindet, so daß der Beitrag der Feder zu dem Kühlmittelströmungswiderstand minimal ist.

Außerdem wird eine seitliche Abstandshalterfeder verwendet, bei der die Spannungsverteilung so ist, daß der Federwerkstoff wirksam ausgenutzt wird, wodurch die Menge an Federwerkstoff in dem Abstandshalter minimiert wird.

Schließlich wird ein Abstandshalter geschaffen, der aus einer Anordnung von miteinander verbundenen Ringen oder Zwingen (ferrules) besteht, wobei diese Ringe äußere Oberflächen von achteckiger Form und innere Oberflächen von Kreisform haben.

Demgemäß schafft die Erfindung einen Abstandshalter aus einer Anordnung von miteinander verbundenen rohrförmigen Ringen, wobei jeder Ring einen Kanal oder eine Zelle für einen Brennstoffstab oder ein anderes langgestrecktes Element des Brennelements bildet. Ein Umfangsband kann vorgesehen sein.

Die miteinander verschweißten Ringe ergeben ein Gebilde von hoher baulicher Festigkeit, wodurch die Dicke des Metalls, das zum Herstellen der Ringe (und des Umfangsbandes) benutzt wird, minimiert werden kann, um den Kühlmittelströmungswiderstand und die parasitäre Neutronenabsorption zu reduzieren.

Die Neutronenabsorption wird weiter dadurch verringert, daß die Ringe und das Halteband aus einem Werkstoff mit kleinem Neutronenguerschnitt hergestellt werden.

Die Brennstoffstäbe oder Elemente, die sich durch die Ringe erstrecken, werden darin zwischen starren Anschlägen und federnden Teilen zentriert und seitlich abgestützt. Die starren Vorsprünge können die Form von gebogenen Teilen der Wände der Ringe haben.

Zum Begrenzen der Hydridkonzentration in dem Abstandshal-

terwerkstoff, welche aus einer fortgesetzten Wasserstoffaufnahme während der langen Verweilzeit des Abstandshalters in dem Reaktorkern resultiert, wird das Verhältnis des Oberflächeninhalts zu der Querschnittsfläche der Abstandshalterteile reduziert, indem die Dicke der Abstandshalterteile im Vergleich zu den Teilen eines Abstandshalters, der für eine kürzere Verweilzeit vorgesehen ist, vergrößert wird. Zum Kompensieren der Vergrößerung des KühlmittelStrömungswiderstands, die sich ergeben würde, wenn nur die Dicke der Abstandshalterteile vergrößert würde, wird die Höhe der Abstandshalterteile reduziert. Die reduzierte vertikale Höhe begrenzt die Länge, welche für die federnden Teile oder Abstandshalter federn verfügbar ist.

Deshalb haben gemäß der Erfindung die federnden Teile oder Abstandshalterfedern die Form von seitlich oder horizontal ausgerichteten Blattfedern, die zwei benachbarte Ringe des Abstandshalters überspannen, um die beiden Brennstoffstäbe oder anderen Elemente, welche sich durch diese Ringe erstrekken, zu erfassen und seitlich abzustützen.

Die Abstandshalterfedern sind so ausgebildet, daß sich eine Spannungsverteilung in ihnen ergibt, welche zu einer wirksamen Ausnutzung des Federwerkstoffes führt, wodurch die Menge an Federwerkstoff in dem Abstandshalter minimiert wird.

Die horizontalen Abstandshalterfedern werden in Ausschnitten in den beiden benachbarten Ringen festgehalten. Ein wesentlicher Teil der Feder befindet sich innerhalb des Querschnitts oder Schattens der Ringwände, wodurch dieser Teil nicht zu dem Kühlmittelströmungswiderstand beiträgt. Da die horizontalen Abstandshalterfedern der Kühlmittelströmung nur ihren schmalen Rand darbieten, wird ihr Beitrag zu dem gesamten Abstandshalterguerschnitt oder zur projezierten Fläche desselben minimiert und somit ihr Beitrag zum Kühlmittelströmungswiderstand minimiert.

Die Abstandshalterfedern sind mit Ausbauchungen an ihren Kon-

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taktpunkten mit den Brennstoffstäben oder anderen Elementen versehen, um die Kontaktfläche zu minimieren.

Die inneren und die äußeren Oberflächen der Ringe des Abstandshalters können zwar eine kreisförmige, eine achtekkige oder eine andere Form haben, in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch die Innenoberfläche kreisförmig, wohingegen die Außenoberfläche achteckförmig ist.

Im Vergleich zu einem Ring mit derselben minimalen Wanddicke, aber mit kreisförmiger innerer und äußerer Oberfläche ergibt der zusätzliche Werkstoff eines Ringes mit einer achteckigen äußeren Oberfläche eine starke Zunahme der Festigkeit und der Steifigkeit des Abstandshalters. Außerdem befindet sich dieser zusätzliche Werkstoff in Gebieten relativ geringer Kühlmittelströmung (an den Oberflächen der Ringaußenwände), wodurch der Beitrag des zusätzlichen Werkstoffes zu dem Kühlmittelströmungswiderstand minimal ist.

Die Verwendung von Ringen mit achteckiger Form der äußeren Oberfläche reduziert außerdem die Gesamtoberfläche des Abstandshalters, die dem Kühlmittel ausgesetzt ist, und zwar wegen der relativ großen Kontaktoberfläche zwischen benachbarten Ringen. Das hilft, die Wasserstoffaufnähme durch den Abstandshalterwerkstoff zu minimieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht von zwei benach

barten Ringen eines Abstandshalters nach der Erfindung, wobei das Federteil nach der Erfindung darin befestigt ist,

Fig. 2 eine Querschnittansicht der Ab-

standshalterringanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Arms

des Federteils nach der Erfindung,

Fig. 4 in Draufsicht den Arm des Feder

teiles nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines teil

weise weggebrochenen Ringes nach der Erfindung, die einen starren Anschlag zeigt, welcher an diesem vorgesehen ist,

Fig. 6 eine Seitenansicht von zwei be

nachbarten Ringen eines Abstandshalters nach der Erfindung,wobei die Ringe eine achteckige äußere Form haben, und

Fig. 7 eine Querschnittansicht der Ab-

standshalterringanordnung nach Fig. 6.

Zwei benachbarte und aneinander anliegende Ringe 11 sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt, wobei die aneinander anliegenden Wände der Ringe durch Schweißungen 12 an ihren oberen und unteren Enden miteinander verbunden sind.

Jede gewünschte Anzahl von Ringen 11 kann in gegenseitiger Anlage vorgesehen und zu einem Abstandshalter miteinander verbunden werden (bei Bedarf einschließlich eines ümfangsbandes), so daß sich die erforderliche Anzahl von Brennstoff stabkanälen ergibt, wie es ausführlicher in der oben

erwähnten älteren Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben ist.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 haben der obere und der untere Endteil 13 bzw. 14 der Ringe 11 einen größeren Außendurchmesser als die Hauptteile 16. Das ergibt einen kleinen Spalt oder Zwischenraum 17 zwischen benachbarten Ringen 11, der etwas Kühlmittelzirkulation gestattet, um das Ansammeln von Verunreinigungen und eine mögliche Spaltkorrosion zwischen den Ringen zu verhindern. Eine Alternative zu dem Spalt 17 wäre die Verwendung von Ringen mit gleichmäßigem Außendurchmesser, die auf ihrer gesamten Länge (Höhe) miteinander verschweißt oder durch Hartlöten miteinander verbunden sind.

Zum Begrenzen der Hydridkonzentration in den Ringen 11 wird das Verhältnis der Oberfläche zur Querschnittsfläche der Ringe durch eine Vergrößerung von deren Wanddikke reduziert. Zum Verhindern des erhöhten Kühlmittelströmungswiderstands, der sich sonst aufgrund der größeren Dicke ergeben würde, ist die Höhe der Ringe reduziert.

Zum Schaffen der erwünschten Federeigenschaften bei einem Abstandshalter von begrenzter Höhe ist ein horizontal ausgerichtetes Federteil 18 in Ausschnitte 19 und 21 der Ringe 11 eingepaßt, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Das Federteil 18 ist außerdem gesondert in seiner entspannten Form in Seitenansicht und in Draufsicht in den Fig. 3 bzw. 4 gezeigt. Da das Federteil 18 links und rechts von seiner Mitte symmetrisch ist, ist in den Fig. 3 und 4 nur sein linker Arm gezeigt.

Das Federteil 18 hat einen relativ großen V-förmigen Mittelteil 22, der einen Scheitel 23 hat, welcher sich innen zwischen benachbarten Ringen 11 erstreckt. (Die Funktion des V-förmigen Mittelteils 22 ist im folgenden näher beschrieben.) Jeder Arm des Federteils 18 außerhalb von dem Mittelteil 22 hat einen langen Mittelteil 24, einen kür-

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zeren Endteil 26, der zu den Ringen 11 hin abgewinkelt ist und einen Spitzenteil oder Lappen 27 mit reduzierter Höhe.

In der Position der Berührung des Federteils 18 mit einem Brennstoffstab oder anderen Element 28 (in Fig. 2 mit unterbrochenen Linien gezeigt), das sich durch die Ringe 11 erstreckt, ist der Mittelteil 24 des Federteils 18 mit einem Vorsprung oder einer Ausbauchung 29 versehen, um die Kontaktfläche zwischen dem Element 28 und dem Federteil 18 zu begrenzen.

Zum Zentrieren und seitlichen Abstützen des Elements 28 in den Ringen 11 sind zwei in radialem Abstand voneinander angeordnete und nach innen vorstehende, relativ starre Anschläge 31 in jedem Ring 11 insgesamt gegenüber der berührenden Ausbauchung 29 des Federteils 18 vorgesehen.

Die Anschläge 31 sind vorzugsweise an den Wänden der Ringe angeformt. Gemäß Fig. 5 kann das erfolgen, indem zuerst zwei Schlitze 32 in gegenseitigem Abstand, welche die gewünschte Länge und Breite des Anschlags 31 festlegen, in der Wand des Ringes 11 gebildet werden. Der Werkstoff zwischen den Schlitzen 32 wird dann nach innen verformt, um den gekrümmten Anschlag 31 zu bilden.

Zum Herstellen der Baugruppe aus den beiden benachbarten Ringen 11 und dem Federteil 18 wird ein Arm des Federteils 18 in die Ausschnitte 19 und 21 eines der Ringe 11 eingesetzt, wobei der Lappen 27 durch den Ausschnitt 21 vorsteht (Schultern 33, die an dem äußeren Ende des Endteils 26 des Federteils 18 gebildet sind, berühren die Innenseite des Ausschnitts 21, um das Federteil 18 seitlich festzuhalten.) Der andere Arm des Federteils 18 wird dann in die Ausschnitte 19 und 21 des anderen Ringes 11 eingeführt, wenn dieser zu dem ersten Ring bewegt wird. Dann werden die Ringe 11, die aufeinander ausgerichtet sind und aneinander anstoßen, durch die Schweißungen 12 mitein-

ander verschweißt (Fig. 1).

Die Funktion des relativ großen V-förmigen Mittelteils 22 des Federteils 18 wird nun beschrieben. Zum Erzielen der gewünschten Federkraft, die auf die Elemente 28 dort ausgeübt wird, wo diese durch die Ringe 11 hindurchgeführt werden/ wird der ungespannte Umriß der Feder 18 (Fig. 4) so gewählt, daß bei Nichtvorhandensein einer Vorbelastung das Federteil 18 in die Ringe 11 hinein so weit vorstünde, daß das Einführen der Elemente 28 schwierig, wenn nicht gar unmöglich sein könnte. Außerdem wären Endlappen 27 übermäßiger Länge erforderlich, um die Feder 18 in Position zu halten.

Diese Probleme werden gemäß der Erfindung durch den V-förmigen Mittelteil 22 gelöst. Bei Nichtvorhandensein der Elemente 28, die sich durch die Ringe 11 erstrecken, berührt der Scheitel 23 des Mittelteils 22 die inneren vertikalen Ränder 34 der Ausschnitte 19 (Fig. 2), um das Federteil vorzuspannen und so das Ausmaß, in welchem es in die Ringe 11 hinein vorsteht, zu begrenzen.

Zu den Vorteilen der Konstruktion des Federteils 18 gehört die wirksame Ausnutzung des Federwerkstoffes. Zwischen den Kontaktpunkten, die durch die Ausbauchungen 29 gegeben sind, wird das Federteil gleichmäßig beansprucht, da das Biegemoment über seiner Spannweite konstant ist. Zwischen den Ausbauchungen 29 und dem anderen Ende jedes Arms, wo der Kontakt mit den Ausschnitten 21 besteht, fällt das Biegemoment linear auf null ab. Diese Spannungsverteilung ergibt eine sehr wirksame Ausnutzung des Werkstoffes, da der meiste Federwerkstoff in maximalem Ausmaß zur Flexibilität des Federteils beiträgt. Die Minimierung der Menge an Federwerkstoff ist wegen des relativ großen Neutroneneinfangguerschnitts dieses Materials wichtig.

Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Federanordnung ist, daß ein wesentlicher Teil des Federteils sich innerhalb

des Schattens oder der Querschnittsfläche der Wände der Ringe 11 befindet. Das hilft, einen niedrigen Kühlmittelströmung swider stand in dem Abstandshalter zu erzielen.

BEISPIEL

In einem Ausführungsbeispiel °^er Erfindung sind die

Ringe 11 etwa 1,52 cm hoch und haben einen Außendurchmesser von etwa 1,62 cm bei einer Wanddicke von etwa 0,76 mm. Die Ringe 11 werden vorzugsweise aus einem Werkstoff mit kleinem Neutronenabsorptionsquerschnitt hergestellt, z.B. aus einer Zirkoniumlegierung, wie beispielsweise Zircaloy-4.

Das Federteil 18 wird aus einem Werkstoff hergestellt, der eine geeignete Festigkeit, eine geeignete Korrosionsbeständigkeit und geeignete Federungseigenschaften hat, wie beispielsweise eine Nickellegierung, wie z.B. Inconel. Beispielshalber hat ein Federteil 18 eine gesamte geformte Länge von etwa 2_r87 cm bei einer Höhe von etwa 0,38 mm und einer Dicke von etwa 0,036 mm.

Im Vergleich zu dem Ringabstandshalter, der in der älteren Patentanmeldung der Anmelderin gezeigt ist, ergibt ein Abstandshalter nach der Erfindung eine Verringerung des Verhältnisses der benetzten Oberfläche zu dem Volumen des Ringwerkstoffes und damit eine Verringerung der Hydridkonzentratxon von etwa 33 % bei einer bestimmten Verweilzeit in dem Reaktorkern.

In einer weiteren Ausführungsform, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, sind die Innenoberflächen von benachbarten Ringen 11" kreisförmig, wohingegen die Außenoberflächen achteckförmig sind. Das Federteil 18 und die starren Anschläge 31 können so wie oben beschrieben ausgebildet sein.

Die achteckige äußere Form hat mehrere Vorteile. Der zusätzliche Werkstoff der Ringe 11' trägt weniger zu dem Strömungswiderstand bei als dasselbe Werkstoffvolumen in Ringen mit

kreisförmiger äußerer Gestalt, weil der zusätzliche Werkstoff der achteckigen äußeren Gestalt keine Verringerung des Innendurchmessers des Ringes erfordert, wo zusätzlicher Werkstoff eine nachteiligere Auswirkung auf den Kühlmittelströmungswiderstand hat.

Bei Ringen 11' mit achteckiger äußerer Gestalt befindet sich ein größerer Teil des Federteils 18 innerhalb des Schattenbereiches der Ringwände, was zu einem niedrigeren Kühlmittelströmungswiderstand beiträgt.

Wegen des größeren Flächeninhalts der aneinander anliegenden Achteckseiten einer Anordnung der Ringe 11· wird die benetzte Oberfläche verringert, und ein daraus hergestellter Abstandshalter ist stabil und starr. Die großen aneinanderstoßenden Flächen ergeben zwar diese Vorteile, es ist jedoch wichtig, daß das Miteinanderverbinden von benachbarten Ringen 11' so erfolgt, daß die aneinanderstoßenden Flächen vor dem Eindringen von Kühlmittel geschützt werden, um eine mögliche Spaltkorrosion zu verhindern. Das kann erfolgen, indem die aneinander anstoßenden Flächen rundherum verschweißt werden oder, was vorzuziehen ist, durch Hartlöten miteinander verbunden werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 sind die Ringe 11' etwa 1,52 cm hoch und haben einen Innendurchmesser von etwa 1,52 cm.

Im Vergleich zu einem Abstandshalter, der aus Ringen hergestellt ist, die innen und außen kreisförmig sind und dieselbe Höhe, denselben Mittenabstand und dasselbe Volumen des Ringmaterials haben, ergibt ein aus den Ringen 11' hergestellter Abstandshalter eine Verringerung der Hydridkonzentration von etwa 48 % bei einer bestimmten Verweilzeit im Reaktorkern.

Claims

Ansprüche :

Abstandshalter für ein Brennelement eines Kernreaktors zum Festhalten von mehreren langgestreckten Elementen in seitlicher Position, gekennzeichnet durch: eine Anordnung von seitlich positionierten, miteinander verbundenen rohrförmigen Ringen (11, 11"), die jeweils einen Durchlaß für eines der Elemente (28) bilden; seitlich ausgerichtete Blattfederteile (18), die jeweils zwei benachbarte Ringe (11) überspannen, um die Elemente (28), welche sich durch die benachbarten Ringe erstrekken, zu erfassen und seitlich abzustützen, wobei einander zugewandte Seiten der benachbarten Ringe mit Ausschnitten (19, 19') zum Aufnehmen und Festhalten des Federteils (18) versehen sind und wobei die Seiten der Ringe, die zu den einander zugewandten Seiten entgegengesetzt sind, mit Öffnungen (21, 21') zum Aufnehmen und Festhalten der Enden (27) des Federteils (18) versehen sind.
2. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelteil (22) des Federteils (18) V-för-

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mit ausgebildet ist und sich zu den aneinander anliegenden Seiten der benachbarten Ringe (11, 11') erstreckt, wodurch bei NichtVorhandensein von Elementen (28) in den benachbarten Ringen der Mittelteil die aneinander anliegen-j den Seiten berührt und das Federteil vorspannt und außer-' dem das Ausmaß, in welchem das Federteil in die Ringe hinein vorsteht, begrenzt.
3. Abstandshalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (24) des Federteile (18), welche die Elemente (28) berühren, die sich durch die benachbarten Ringe (11, 11') erstrecken, mit Ausbauchungen (29) versehen sind, um die Berührungsfläche zwischen dem Federteil und den Elementen zu begrenzen.
4. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile (27) des Federteils (18), die sich durch die öffnungen (21, 21') in den benachbarten Ringen (11, 11') erstrecken, eine reduzierte Höhe haben, wodurch die sich ergebenden Schultern an den Enden des Federteils die Innenoberfläche der Ringe an den öffnungen berühren, um das Federteil seitlich festzuhalten.
5. Abstandshalter nach einen» der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberflächen der Ringe (11·) eine achteckige Form haben.
6. Abstandshalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberflächen der Ringe (11, 11') kreisförmig sind.
7. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Ringe (11, 11') kleiner ist als der Innendurchmesser der Ringe.

ft
8. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da-

p durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Flächenin-

h halts der freiliegenden Oberfläche der Ringe (11, 11')

Ii,' zu dej

E liegt.

2 3

zu deren Volumen zwischen etwa 50 und etwa 70 cm /cm
9. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da-

λ durch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei seitlichen Ab-

ί stand aufweisende, relativ starre Ai.echläge (31) in jeden Ring (11, 11·) hinein insgesamt entgegengesetzt zu ! ( dem Federteil (18), das in den Ring hinein vorsteht, vor

ragen, wodurch das Element (28), welches sich durch den Ring (11, 11') erstreckt, darin zwischen einem Federteil (18) und wenigstens zwei starren Anschlägen (31) seitlich abgestützt ist.
10. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Anschläge (31) an den Ringen (11) angeformt worden sind, indem zuerst zwei Schlitze (32) in gegenseitigem Abstand in der Wand des Ringes gebildet und dann der Teil zwischen den Schlitzen nach innen zu dem starren Anschlag verformt worden ist.

* 11. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da

durch gekennzeichnet, daß das Federteil (18) einen insgesamt V-förmigen Mittelteil (22) aufweist, der einen Scheitel (23) hat, welcher sich nach innen zwischen die benachbarten Ringe (11, 11') erstreckt, und einen linken und einen rechten Arm, die sich von dem V-förmigen Mittelteil nach außen erstrecken, wobei jeder Arm einen relativ langen Mittelteil (24), einen kürzeren Endteil (26), der zu den Ringen hin abgewinkelt ist, und einen Lappen (27) mit reduzierter Höhe an dem Ende jedes Arms hat.

~ jo —

8. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Flächeninhalts der freiliegenden Oberfläche der Ringe (11, 11·) zu den
liegt.

2 zu deren Volumen zwischen etwa 50 und etwa 70 cm /cm

9. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei seitlichen Abstand aufweisende, relativ starre Anschläge (31) in jeden Ring (11, 11') hinein insgesamt entgegengesetzt zu dem Federteil (18), das in den Ring hinein vorsteht, vorragen/ wodurch das Element (28)/ welches sich durch den Ring (11, 11') erstreckt, darin zwischen einem Federteil (18) und wenigstens zwei starren Anschlägen (31) seitlich abgestützt ist.

10. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Anschläge (31) an den Ringen (11) angeformt worden sind, indem zuerst zwei Schlitze (32) in gegenseitigem Abstand in der Wand des Ringes gebildet und dann der Teil zwischen den Schlitzen nach innen zu dem starren Anschlag verformt worden ist.
11. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Federteil (18) einen insgesamt V-förmigen Mittelteil (22) aufweist, der einen Scheitel (23) hat/ welcher sich nach innen zwischen die benachbarten Ringe (11, 11') erstreckt, und einen linken und einen rechten Arm, die sich von dem V-förmigen Mittelteil nach außen erstrecken, wobei jeder Arm einen relativ langen Mittelteil (24), einen kürzeren Endteil (26), der zu den Ringen hin abgewinkelt ist, und einen Lappen (27) mit reduzierter Höhe an dem Ende jedes Arms hat.