DE3505777A1 - Kernreaktor-brennstoffbaugruppe - Google Patents

Description

1 8. FEB. 1985

85 013 Kli/u

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11 Charles II Street London SWlY 4QP / England

ANR: 1005693

VNR: 106836

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 8405105 vom 28. Februar 1984 beansprucht.

Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktor-Brennstoffbaugruppen und betrifft in der Hauptsache Mehrstab-Brennstoff baugruppen,bei denen die Stäbe innerhalb einer sechseckigen rohrförmigen Hülle enthalten und durch eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Gittern stabilisiert sind. Solche Baugruppen finden Verwendung in mit flüssigem Metall gekühlten Schnei 1reaktoren.

In herkömmlicher Weise haben Baugruppen mit einer sechseckigen Hülle keinen Brennstoffstab an den Ecken der Sechseckform. Dies deshalb nicht, weil entweder die Kühlung an dieser Stelle schwierig ist oder die Stelle für konstruktive Bauteile, wie Eckpfosten, benötigt wird, um die Gitter voneinander entfernt zu halten (siehe beispielsweise GB-PS 2 079 033, Teil 17 in Fig. 2). Es besteht jedoch der Wunsch nach einem Brennstoffstab an dieser Stelle, um die Ausgangsleistung auf ein Maximum zu bringen, und die vorliegende Erfindung zielt darauf ab.

Außerdem wird nunmehr die Feststellung gemacht, daß eine Hülle, die nur einer Ummantelungsfunktion mit minimaler Lasttragefunktion dient, Vorteile haben kann, da sie eine breitere Werkstoffauswahl für die Hülle und insbesondere die Wahl von Werkstoffen ermöglicht, die keine

guten strukturellen Eigenschaften unter Bestrahlung beibehalten. Solche Werkstoffe, beispielsweise jene, die bei Bestrahlung ernsthaft spröde und brüchig werden, wären verworfen worden, da sie ein Schweißen oder Bohren zum Verbinden mit anderen Bauteilen (wie Gittern) nicht tolerieren würden.

Es ist bei wassergekühlten Reaktoren bekannt, Längshai tebautei 1 e für die Brennstoffstab-Beabstandungsbauteile zu verwenden (siehe GB-PS 1 137 621), doch sind diese an den Ecken der Hülle oder eines äußeren Gehäuses angeordnet und wurden für die Art von Brennstoffbaugruppe, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, unannehmbar sein, da der Kühlmittelf1uß an den Ecken einer sechseckigen Anordnung von Brennstoffstäben zu sehr behindert würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffbaugruppe der eingangs genannten Gattung mit einer verbesserten Stab-Abstützkonstruktion zu versehen, welche die Einführung von Eckstäben erlaubt und die Verwendung von Materialien für die Hülle zuläßt, die sonst in Situationen, welche ein Schweißen oder ein mechanisches Befestigen von Gittern an der Hülle an Stellen, wo die Neutronenflußpegel hoch sind, erfordern, problematisch sein würden.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Diese erfindungsgemäße Anordnung bringt keine großen Eindringungen in Querschnittsbereiche mit sich, die durch die Gitter belegt sind, und es wird somit möglich, den vollen Querschnitt der Gitter gleichmäßig mit Brennstoffstäben zu durchdringen. Insbesondere die Anordnung der Elemente zwischen den Ecken erlaubt die Verwendung von Eckstäben, ohne den Kühlmittelfluß in den Eckbereichen zu beeinträchtigen. Die Käfigkonstruktion erlaubt Formgestaltungen, bei denen ein Zugang für Schweißelektroden zum Anschweißen von

Gitterteilen am Käfig nicht problematisch ist. Der Käfig setzt nur einen sehr kleinen und annehmbaren Widerstand dem Kühlmittelfluß durch die Baugruppe hindurch entgegen und verursacht nur eine sehr geringe Turbulenz. Schweißnahtausbi1 düngen können so gewählt werden, daß sie eine hohe Toleranz für Zugbelastung haben. Die Hülle kann aus einem Material bestehen, welches eine geringe Lasttragfähigkeit hat. Die Erfindung ist von besonderem Wert bei Baugruppen mit Gittern mit einheitlichen Zellen an der Peripherie des Gitters, da diese Zellen so hergestellt werden können, daß sie einstückig angeformte Laschen oder freistehende andere einstückige Teile zum Anschweißen an die nach oben gerichteten Teile des Käfigs haben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine geschnittene schematische Draufsicht auf einen Teil einer Brennstoffbaugruppe, 20

Fig. IA einen vergrößerten Teil von Fig. 1 innerhalb der Umrahmung A,

Fig. 2 eine perspektivische Einzelheit eines Teils des Käfigs von Fig. 1,

Fig. 3 eine vereinfachte Vergrößerung eines Teils von Fig.2, und zwar eine einheitliche Zelle und einen Teil eines Schenkels eines Käfigs, 30

Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht des unteren Endes der Brennstoff-Baugruppe nach Fig. 1, und zwar die Befestigung des Käfigs,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer anderen

Ausführungsform von einheitlicher Zelle»

Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch

eine abgeänderte Käfigstruktur, wobei gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig . 1 haben ,
5

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Seitenschenkels der abgeänderten Käfigstruktur,

Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht, und zwar das Punktschweißen des Gitterrandes und der

Eckzellen an die Seitenschenkel,

Fig. 8A eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 8, doch mit einer abgeänderten AusfUhrungsform der Seitenschenkel, und

Fig. 9 einen schematischen Längsschnitt einer Brennstoff-Baugruppe mit einem zweiteiligen Käfigaufbau, wobei gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den anderen Figuren haben.

Nach den Fign. 1 und IA hat eine Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe eine Vielzahl (im typischen Fall 271) von Brennstoffstäben 10, die in einer sechseckigen rohrförmigen Hülle 11 sitzen und durch eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Gittern 12 (von denen nur eines angedeutet ist) stabilisiert werden, wobei relativ zu diesen die Stäbe 10 als Folge von unterschiedlichen Wärmeausdehnungseinwirkungen verschiebbar sind. Die Hülle weist einen inneren Haltekäfig 13 mit nach oben gekehrten Teilen 14 auf, die an den Wänden 15 von einheitlichen Zellen 16 an der Peripherie des Gitters 12 angreifen, wobei die Gesamtheit des Gitters ebenfalls aus einheitlichen Zellen, wenn auch nicht unbedingt notwendig, gebildet ist.

In Fig. 1 ist eine Ecke der Hülle 11 dargestellt. Diese Ecke ist frei vom Käfig 13, und es ist festzustellen (im

Unterschied zu vorherigen Konstruktionen), daß ein Brennstoffstab 1OA in der Eckstellung aufgenommen ist. Die Brennstoffstäbe werden in den einheitlichen Zellen des Gitters durch Noppen 18 lokalisiert. Der Käfig 13 wird aus sechs vertikalen Schenkeln 20 gebildet, die mit oberen und unteren Bundringen oder Kragen einstückig ausgebildet sind.

In Fig.2 ist ein Schenkel 20 des Käfigs 13 dargestellt. Sie zeigt auch die nach oben gekehrten Teile und eine versetzt dargestellte periphere einheitliche Zelle 16 für die Anordnung zwischen zwei nach oben gekehrten Teilen 14. Die Zelle 16 weist Laschen 21 auf, die zum Punktschweißen der Einheitszelle an die nach oben stehenden Teile verwendet werden.

In Fig. 3 ist ein Schenkel 20 des Käfigs dargestellt, jedoch mit nur einem nach oben stehenden Teil 14. Eine einzelne periphere Einheitszelle 16 mit Laschen 21 ist in gesprengter Darstellung vom nach oben stehenden Teil 14 dargestellt. Punktschweißungen 22 zum Verbinden der Laschen 21 und der nach oben stehenden Teile 14 sind angedeutet. Der Zugang für Schweißelektroden verursacht keine Probleme,und die Schweißstellen haben eine gute Zugfestigkeit.

In Fig. 4 ist das unterste Gitter 12 der Brennstoffbaugruppe bei 42 an ihren Einheitszellen 16 an ein unteres Niederhaltegitter 40 punktgeschweißt dargestellt, welches innerhalb der Hülle befestigt ist, wobei die unteren Enden der Brennstoffstäbe am Niederhaltegitter 40 verankert sind. Die Schenkel 20 des Käfigs 13 enden an einer Linie 41, über der sie an die Laschen 21 der Zellen des untersten Gitters 12 geschweißt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß der einzige Verankerungspunkt des Käfigs mit der Hülle am unteren Ende der letzteren besteht, d.h. an einer Stelle, wo der Neutronenfluß vergleichsweise gering ist und wo folglich die Bestrahlungsversprödung des

Hüllenmaterials kein nennenswertes Problem ist.

In Fig. 5 hat eine periphere Einheitszelle 50 (welche die Zellen 16 von Fig. 3 ersetzen kann) einen weggeschnittenen Teil 51, der effektiv ein Paar von Verbindungslaschen 52 bildet, an denen Schweißungen 53 an nach oben zeigenden Teilen 54 vorgenommen werden können. Eine Eindrückung bzw. Noppe 55 (von denen drei vorhanden sind), ist in der Zellenwand dargestellt und dient zur Lokalisierung eines Brennstoffstabs in der Zelle. Die Längenabmessung der Zelle 50 wird so gewählt, daß sie die gleiche ist wie die Tiefe des Gitters, in welchem sie sitzt. Diese Zelle 50 gestattet die Verwendung von vorhandenen Gitterschweißeinrichtungen, um die Zelle 50 an den hochstehenden Teilen 54 anzuschweißen.

Die Figuren 6 bis 8 beziehen sich auf eine abgeänderte Ausführungsform des Käfigaufbaus. Bei dieser Ausführungsform sind die Schenkel 20 des Käfigs mit elastisch nachgiebigen Anformungen 60 ausgestattet, die so angeordnet sind, daß sie sich gegen die Innenseiten der Hülle anlehnen und eine federnde Seitenabstützung für den Käfig innerhalb der Hülle bilden. So können, wie dargestellt, die Ausformungen 60 Eindrückungen sein, die sich in Längsrichtung des Seitenschenkels 20 in der Nähe der Ränder desselben erstrecken.

Die Schenkel 20 sind außerdem mit Flanschen 62 an ihren Rändern versehen, um das Punktschweißen an den Verbindungsstellen zwischen jeder Eckzelle 64 und den benachbarten Randzellen 16 auf jeder Seite desselben zu erleichtern. Wie bereits beschrieben, sind die Randzellen 16 mit Verbindungslaschen 21 versehen, die bei 22 an den hochstehenden Teilen 14 punktgeschweißt sind. An den Eckzellen/Randzellen-Verbindungen sind die Randzellen- und Eckzellen-Verbindungslaschen 21A,

66 von unterschiedlicher Länge, so daß die eine Lasche über die andere hinausragt und sich mit dem Flansch 62 überlappt. Diese Anordnung erlaubt es, die Punktschweißungen 22A zwischen den Verbindungslaschen 21A, 66 und die Punktschweißungen 68 zwischen den Verbindungslaschen 21A und dem Flansch 62 über nur die doppelte anstatt die dreifache Dicke des Materials auszuführen. Eine ähnliche Doppeldickenanordnung kann zwischen benachbarten Randzellen dadurch vorgesehen werden, daß diese mit unterschiedlich langen Verbindungslaschen hergestellt werden und daß die hochstehenden Teile 14 so abgeändert werden, daß diese nur die längeren Verbindungslaschen überlappen. Dies ist in Fig. 8A dargestellt, in der -- darauf sei hingewiesen -- die hochstehenden Teile 14 unterbrochen sind, so daß die kürzeren Seiten der Randzellen zwischen die oberen und unteren Teile 14A, 14B passen, während die längeren Seiten der Randzellen die Teile 14A, 14B überlappen. So wird jede längere Verbindungslasche 80 bei 82 an den entsprechenden Teil 14A oder 14B punktgeschweißt, während die kürzere Lasche 84 bei 86 an die benachbarte längere Lasche 80 punktgeschweißt wird.

Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen ist ersichtlich, daß die Teile 14 von jedem Seitenschenkel von der Hülle nach innen vorstehen und in den zellenartigen Aufbau der Gitter, ohne auf die offenen Querschnitte der Zellen überzugreifen.

Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, können jene Zonen der Seitenschenkel 20, die sich zwischen den Sätzen von hochstehenden Teilen 14 erstrecken, mit Versteifungsrippen ausgebildet sein.

Figur 9 zeigt eine weitere Abänderungsform, bei der ein zweiteiliger Käfigaufbau verwendet wird: Ein unterer Käfig, der Seitenschenkel 2OA enthält, und ein oberer Käfig,

der Seitenschenkel 20B aufweist. Der untere Käfig ist an der Hülle 11 durch ein unteres Niederhaltegitter 40 befestigt, während der obere Käfig durch einen Halteaufbau 70 befestigt ist, der unter einem Mischstab-Haltegitter 72 sitzt. Der untere und obere Käfig sind an der Hülle jeweils nur am oberen bzw. unteren Ende befestigt und durch einen Spalt 74 zur Aufnahme einer unterschiedlichen Ausdehnung der Käfige voneinander getrennt. Zusätzlich bildet der Spalt eine bequeme Stelle, an der die Hülle 11 während des späteren Entmantelns der Unterbaugruppe zum Zwecke der Wiederaufbereitung des bestrahlten Brennstoffes aufgeschnitten werden kann.

Claims (12)

1. Patentansprüche

   /1. Kernreaktor-Brennstoffbaugruppe mit Mehrfachstäben, die in einer Hülle von sechseckigem Querschnitt sitzen und durch eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Gittern von zellenartiger Struktur stabilisiert sind, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Elementen, die sich in Längsrichtung der Hülle an Stellen zwischen den Scheiteln der Hülle erstrecken und an den Gittern befestigt sind, um mit diesen einen Käfigaufbau innerhalb der Hülle zu bilden.
2. 2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gitter eine einen Stab aufnehmende Zelle an jedem Scheitel der Hülle enthält.
3. 3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jedes Element nach innen gerichtete Vorsprünge bei jedem Gitter enthält, die sich in überlappen de Beziehung mit dem zellenartigen Aufbau jedes Gitters erstrecken, ohne auf den offenen Querschnitt jeder Zelle überzugreifen.
4. 4. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element die Form einer länglichen Platte hat und daß die nach innen gerichteten Vorsprünge durch herausgepreßte Teilstücke der Platte gebildet sind.
5. 5. Baugruppe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Randzellen jedes Gitters mit axial vorstehenden Laschen versehen sind, die Seite an Seite mit den nach innen gerichteten Vorsprüngen der Elemente befestigt sind.
6. 6. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Randzellen jedes Gitters von einheitlicher Konstruktion sind.
7. 7. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Elemente mit elastisch nachgiebigen Verformungen ausgestattet sind, die an den Innenseiten der Hülle anliegen und eine seitliche Abstützung für den Käfig innerhalb der Hülle bilden.
8. 8. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen an der Peripherie jedes Gitters mit axial vorstehenden Laschen versehen sind und daß die Laschen von mindestens einigen benachbarten Zellen unterschiedliche Länge haben und aneinander befestigt sind, um die größere Länge teilweise freizulassen, wobei die freien Teilstücke Seite an Seite an einem nach innen gerichteten Vorsprung eines jeweiligen Elementes befestigt sind.
9. 9. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente an der Hülle an nur einer axialen Stelle verankert sind, wobei der Käfig über den übrigen Teil der Länge der Elemente zur Hülle verbindungsfrei ist.
10. 10. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch zwei Gruppen von Elementen, die je einem jeweiligen Satz von Gittern so zugeordnet sind, daß sie zwei Käfigaufbauten an aufeinanderfolgenden axialen Stellen innerhalb des Gitters bilden.
11. 11. Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kafigaufbauten durch einen Spalt getrennt sind

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12. 12. Baugruppe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Käfigaufbau an der Hülle an dem
    dem anderen Käfig abgelegenen Ende verankert ist und zur Hülle über den Zwischenraum zwischen den verankerten Enden der Käfigaufbauten verbindungsfrei sind.