DE3433101C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abstandshalter der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Konstruktionsüberlegungen bei Abstandshaltern für Brennelemen­ te umfassen folgende Gesichtspunkte: Aufrechterhaltung des gegenseitigen Abstands der Brennstäbe; Aufrechterhaltung der Form des Brennelements; Zulassen der Brennstabwärmeausdehnung; Begrenzung der Brenn­ stabvibration; Einfachheit des Zusammenbaus des Brennele­ ments; Minimierung der Berührungsflächen zwischen dem Abstandshalter und den Brennstäben; Aufrechter­ haltung der strukturellen Integrität des Abstandshal­ ters unter normalen und anomalen (z. B. seismischen) Belastungen; Minimierung der Korrosionsanfälligkeit des Abstandshalters; Minimierung der Störung und Drosselung der Reaktorkühlmittelströmung; Maximierung der ther­ mischen Grenzwerte; Minimierung der parasitären Neu­ tronenabsorption; Minimierung der Fertigungskosten ein­ schließlich der Anpassung an die automatische Produktion.

Ein gattungsgemäßer Abstandshalter ist in der GB-PS 13 82 471 beschrieben. Dieser Abstandshalter ist aus Ringen aufgebaut, die jeweils zwischen zwei benachbarten Ringen eine sich axial erstreckende Blattfeder halten. Die Ringe sind aus einem Material, das die Neutronen nur schwach absorbiert, während die Blattfedern aus einem guten Federmaterial bestehen, das die Neutronen stark absorbiert.

In der GB-PS 11 90 046 ist ein Abstandshalter für ein Brennelement beschrieben, der rohrförmige Ringe mit sehr geringer Längserstrec­ kung und axial ausgerichteten Federteilen umfaßt. Mit diesem Aufbau soll eine gute Wärmeabfuhr von den Brennstäben und eine Minimierung des Kühlmittelströmungswiderstandes erreicht werden.

In der US-PS 33 98 053 ist ein aus Gitterstegen aufgebauter Abstandshalter mit seitlich orientierten Blattfedern beschrieben, die an ihren Enden frei sind und in ihrem Zentrum permanent belastet sind, was dazu führt, daß mehr neutronenabsorbierendes Material für die Federteile benötigt wird.

Der Abstandshalter nach der US-PS 33 14 860 weist seitlich angeordnete Blattfedern auf, die aus dem gleichen Material bestehen wie die Gitterstege und von diesen in jeden der sechs­ eckigen Durchgänge abgebogen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abstandshalter für ein Brenn­ element der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Teile einen ausreichenden Querschnitt haben, um eine hinreichende Festigkeit des Abstandshalters trotz der aufgrund einen längeren Verweilzeit im Reak­ torkern geringeren Hydridkonzentrationen zu erhalten, und dessen Höhe minimiert ist, um den Kühlmittelströmungswiderstand gering zu halten.

Diese Aufgane wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zum Begrenzen des relativen Hydridanteils in dem Abstandshal­ terwerkstoff, welcher aus einer fortgesetzten Wasserstoff­ aufnahme während der langen Verweilzeit des Abstandshalters in dem Reaktorkern resultiert, ist die Dicke der Ringe des Abstandshalters im Vergleich zu einem Abstandshalter, der für eine kürzere Verweilzeit vorgesehen ist, vergrößert. Zum Kompensieren der Vergrößerung des Kühlmittelströmungswi­ derstands, die sich ergeben würde, wenn nur die Dicke der Ab­ standshalterteile vergrößert würde, ist die Höhe der Ab­ standshalterteile reduziert.

Durch die erfindungsgemäße seitliche Ausrichtung der Blattfedern wird erreicht, daß die erforderliche Federlänge nicht die Min­ desthöhe des Abstandshalters diktiert. Außerdem befindet sich durch das Vorsehen der Öffnungen, z. B. in Form von horizontalen Schlitzen, in denen die Enden der Blattfedern festgehalten sind, ein we­ sentlicher Teil der Blattfeder fluchtend mit den Abstandshalterteilen, so daß der Beitrag der Blattfeder zum Kühlmittelströmungswiderstand minimal ist.

Schließlich weist die seitlich ausgerichtete Feder eine Spannungsverteilung auf, die eine Minimierung des Federwerkstoffs erlaubt.

Die Abstandshalterfedern sind mit Ausbauchungen an ihren Kontakt­ punkten mit den Brennstäben oder anderen Elementen versehen, um die Kontaktfläche zu minimieren.

Die inneren und die äußeren Oberflächen der Ringe des Abstands­ halters können zwar eine kreisförmige, eine achteckige oder eine andere Form haben, in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist jedoch die Innenoberfläche kreisförmig, wohingegen die Außenoberfläche achteckförmig ist.

Im Vergleich zu einem Ring mit derselben minimalen Wand­ dicke, aber mit kreisförmiger innerer und äußerer Oberflä­ che ergibt der zusätzliche Werkstoff eines Ringes mit einer achteckigen äußeren Oberfläche eine starke Zunahme der Fe­ stigkeit und der Steifigkeit des Abstandshalters. Außerdem befindet sich dieser zusätzliche Werkstoff in Gebieten re­ lativ geringer Kühlmittelströmung (an den Oberflächen der Ringaußenwände), wodurch der Beitrag des zusätzlichen Werk­ stoffes zu dem Kühlmittelströmungswiderstand minimal ist.

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

Die Brennstäbe, sie sich durch die Ringe erstrecken, werden darin zwischen starren Anschlägen und den Blattfedern zentriert und seitlich abgestützt. Die starren Vorsprünge können die Form von gebogenen Teilen der Wände der Ringe haben.

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,

Fig. 2 eine Querschnittansicht der Ab­ standshalterringanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Arms des Federteils,

Fig. 4 in Draufsicht den Arm des Feder­ teiles nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines teil­ weise weggebrochenen Ringes, die einen starren Anschlag zeigt, welcher an diesem vorgesehen ist,

Fig. 6 eine Seitenansicht von zwei be­ nachbarten Ringen eines Abstands­ halters nach der Erfindung, wobei die Ringe eine achteckige äußere Form haben, und

Fig. 7 eine Querschnittsansicht 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 Schweißung 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 Umfangs­ bandes, so daß sich die erforderliche Anzahl Durchlässen für Brennstäbe ergibt.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 haben der obere und der untere Endteil 13 bzw. 14 der Ringe 11 einen grö­ ßeren Außendurchmesser als die Hauptteile 16. Das ergibt einen kleinen Spalt oder Zwischenraum 17 zwischen benach­ barten Ringen 11, der etwas Kühlmittelzirkulation gestat­ tet, um das Ansammeln von Verunreinigungen und eine mög­ liche 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 miteinander verschweißt oder durch Hartlöten miteinander verbunden sind.

Zum Begrenzen des relativen Hydridanteils in den Ringen 11 wird durch eine Vergrößerung der Wanddic­ ke der Ringe erreicht. Zum Verhindern des erhöhten Kühlmittelströ­ mungswiderstands, 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 eine horizon­ tal ausgerichtete Battfeder 18 in Öffnungen 19 und 21 der Ringe 11 eingepaßt, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Die Blattfeder 18 ist außerdem gesondert in ihrer entspannten Form in Seitenansicht und in Draufsicht in den Fig. 3 bzw. 4 gezeigt. Da die Blattfeder 18 links und rechts von ihrer Mitte symmetrisch ist, ist in den Fig. 3 und 4 nur ihr linker Arm gezeigt.

Die Blattfeder 18 hat einen relativ großen V-förmigen Mit­ telteil 22, der einen Scheitel 23 hat, welcher sich innen zwischen benachbarten Ringen 11 erstreckt. Jeder Arm der Blattfeder 18 außerhalb von dem Mittelteil 22 hat einen langen Mittelteil 24, einen kür­ zeren Endteil 26, der zu den Ringen 11 hin abgewinkelt ist und ein Ende 27 mit reduzierter Höhe.

Für die Berührung der Blattfeder 18 mit einem Brennstab 28, der in der Fig. 2 mit unterbroche­ nen Linien gezeigt ist, ist der Mittelteil 24 der Blattfeder 18 mit einer Vorsprüngen 29 versehen, um die Kontaktflächen zwischen dem Brennstab 28 und der Blattfeder 18 zu begrenzen.

Zum Zentrieren und seitlichen Abstützen des Brennstabs 28 in den Ringen 11 sind zwei in radialem Abstand voneinan­ der angeordnete und nach innen vorstehende, relativ star­ re Anschläge 31 in jedem Ring 11 insgesamt gegenüber den Vorsprüngen 29 an der Blattfeder 18 vorgesehen.

Die Vorsprünge 31 sind vorzugsweise an den Wänden der Rin­ ge angeformt. Gemäß Fig. 5 kann das erfolgen, indem zu­ erst zwei Schlitze 32 in gegenseitigem Abstand, welche die gewünschte Länge und Breite des Anschlags 31 festle­ gen, in der Wand des Ringes 11 gebildet werden. Der Werk­ stoff zwischen den Schlitzen 32 wird dann nach innen ver­ formt, um den gekrümmten Anschlag 31 zu bilden.

Zum Herstellen der Baugruppe aus den beiden benachbarten Ringen 11 und der Blattfeder 18 wird ein Arm der Blattfeder 18 in die Öffnungen 19 und 21 eines der Ringe 11 einge­ setzt, wobei das Ende 27 durch den Ausschnitt 21 vor­ steht (Schultern 33, die an dem äußeren Ende des Endteils 26 des Federteils 18 gebildet sind, berühren die Innensei­ te des Ausschnitts 21, um die Blattfeder 18 seitlich fest­ zuhalten). Der andere Arm der Blattfeder 18 wird dann in die Öffnungen 19 und 21 des anderen Ringes 11 einge­ führt, wenn dieser zu dem ersten Ring bewegt wird. Dann erst werden die Ringe 11, die aufeinander ausgerichtet sind und aneinander anstoßen, durch die Schweißung 12 mitein­ ander verbunden (Fig. 1).

Die Funktion des relativ großen V-förmigen Mittelteils 22 der Blattfeder 18 wird nun beschrieben: Zum Erzielen der gewünschten Federkraft, die auf die Brennstäbe 28 dort aus­ geübt 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 die Blattfeder 18 in die Ringe 11 hinein vorsteht. Bevor die Brennstäbe 28 in die Ringe 11 eingesetzt werden, berührt der Scheitel 23 des Mittelteils 22 die inneren vertikalen Ränder 34 der Öffnungen 19 (Fig. 2), um die Blattfeder 18 vorzuspannen und so das Ausmaß, in welchem es in die Ringe 11 hinein vorsteht, zu begrenzen.

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

Beispiel 1

In einem Ausführungsbeispiel der 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 klei­ nem Neutronenabsorptionsquerschnitt hergestellt, z. B. aus einer Zirkoniumlegierung, wie beispielsweise Zircaloy-4.

Die Blattfeder 18 wird aus einem Werkstoff hergestellt, der eine geeignete Festigkeit, eine geeignete Korrosionsbestän­ digkeit und geeignete Federungseigenschaften hat, wie bei­ spielsweise eine Nickellegierung, wie z. B. Inconel. Bei­ spielshalber hat eine Blattfeder 18 eine gesamte geformte Län­ ge von etwa 2,87 cm bei einer Höhe von etwa 0,38 mm und einer Dicke von etwa 0,036 mm.

Solch ein Ab­ standshalter ergibt einer Verringerung des Ver­ hältnisses der benetzten Oberfläche zu dem Volumen des Ring­ werkstoffes und damit eine Verringerung des relativen Hydridanteils von etwa 33% im Vergleich zu herkömmlichen Abstandshaltern.

Beispiel 2

In einer weiteren Ausführungsform, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, sind die Innenoberflächen von benachbarten Rin­ gen 11′ kreisförmig, wohingehen die Außenoberflächen achteck­ förmig sind. Die Blattfeder 18 und die starren Anschläge 31 können so wie oben beschrieben ausgebildet sein.

Die achteckige äußere Form hat mehrere Vorteile. Der zusätz­ liche Werkstoff der Ringe 11′ trägt weniger zu dem Strömungs­ widerstand bei als dasselbe Werkstoffvolumen in Ringen mit kreisförmiger äußerer Gestalt, weil der zusätzliche Werk­ stoff der achteckigen äußeren Gestalt keine Verringe­ rung des Innendurchmessers des Ringes erfordert, wo zu­ sätzlicher Werkstoff eine nachteilige Auswirkung auf den Kühlmittelströmungswiderstand hat.

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

Wegen des größeren Flächeninhalts der aneinander anliegen­ den Achteckseiten einer Anordnung der Ringe 11′ wird die benetzte Oberfläche verringert, und ein daraus hergestell­ ter Abstandshalter ist stabil und starr. Die großen anein­ anderstoßenden Flächen ergeben zwar diese Vorteile, es ist jedoch wichtig, daß das Miteinanderverbinden von be­ nachbarten Ringen 11′ so erfolgt, daß die aneinandersto­ ßenden Flächen vor dem Eindringen von Kühlmittel geschützt werden, um eine mögliche Spaltkorrosion zu verhindern. Das kann erfolgen, indem die aneinander anstoßenden Flä­ chen 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 her­ gestellt ist, die innen und außen kreisförmig sind und dieselbe Höhe, denselben Mittenabstand und dasselbe Volu­ men des Ringmaterials haben, ergibt ein aus den Ringen 11′ hergestellter Abstandshalter eine Verringerung des relativen Hydridanteils von etwa 48%.

Claims (9)

1. Abstandshalter für ein Brennelement eines Kern­ reaktors zum Festhalten von mehreren langgestreckten Brennstäben in seitlicher Position mit einer Anordnung von seitlich positionierten, miteinander verbundenen rohrför­ migen Ringen, die jeweils einen Durchlaß für eines der Brennstäbe bilden; wobei Blattfedern, die in Öffnungen von jeweils zwei be­ nachbarten Ringen eingesetzt sind und in die benachbarten Ringe hineinragen, die Brennstäbe erfassen und seitlich abstützen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blattfedern (18) seitlich ausge­ richtet sind und die Mitte der Blattfedern von den Öffnungen in den einander zugewandten Seiten der benachbarten Ringe und die Enden (27) der Blattfedern (18) von den Öffnungen (21, 21′) in den entgegengesetzten Seiten der Ringe gehalten sind.

2. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mittelteil (22) der Blattfeder (18) V-förmig ausgebildet ist und sich entlang der aneinander liegenden Seiten der benachbarten Ringe (11, 11′) er­ streckt, und daß die Blattfeder (18) so geformt ist, daß Brennstäbe (28) vor dem Einsetzen der der V-förmige Mittelteil die aneinander anliegenden Seiten der Ringe berührt, um die Blattfeder (18) vorzuspannen und um das Hineinragen der Blattfedern (18) in die Ringe zu begrenzen.

3. Abstandshalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (24) der Blattfeder (18), welche die Brennstäbe (28) berühren mit Vorsprüngen (29) versehen sind, um die Berührungsfläche zwischen der Blattfeder und den Brennstäben zu begrenzen.

4. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (27) der Blattfeder (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 der Blattfeder (18) die Innenoberfläche der Ringe an den Öffnungen berühren, um das Federteil seitlich festzuhalten.

5. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche der Ringe (11′) eine achteckige Form haben.

6. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, 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′) nicht größer ist als der Innendurchmesser der Ringe.

8. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei, seitlichen Abstand aufweisende, starre Anschläge (31) in jeden Ring (11, 11′) hineinragen um den Brennstab (28), der sich durch den Ring (11, 11′) erstreckt, zwischen der Blattfeder (18) und wenigstens um zwei starren Anschlägen (31) seitlich abzu­ stützen.

9. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Anschläge (31) an den Ringen (11) durch Verbiegen des Teils zwischen zwei gegenseitig beabstandeten Schlitzen (32) angeformt sind.