DE3530236A1

DE3530236A1 - Beabstandungs- und haltegitter und brennelementkassette mit einem solchen gitter

Info

Publication number: DE3530236A1
Application number: DE19853530236
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Craponne Denizou
Original assignee: Framatome Et Cogema "fragema" SNC Courbevoie; Fragema
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1986-02-27
Also published as: FR2569489B1; US4717533A; FR2569489A1; JPS6161093A

Description

FRAMATOME et COGEMA "FRAGEMA" 92o84 Courbevoie, Frankreich

Beabstandungs- und Haltegitter und Brennelementkassette mit einem solchen Gitter

Die Erfindung betrifft allgemein Brennelementkassetten für Kernreaktoren mit einem Bündel Brennstäbe, die an den Knotenpunkten eines gleichmäßigen Netzwerkes angeordnet sind und mittels längs der Brennelementkassette angeordneter Gitter gehaltert werden. Die Erfindung betrifft insbesondere Gitter zur Verwendung bei solchen Brennelementkassetten, die einen Umfangsgurt und mindestens zwei Serien paralleler Elemente aufweisen, die die Durchgangswaben für die Brennstäbe und für Elemente, die diese an bestimmten Punkten des Netzwerkes ersetzen, eingrenzen.

Obwohl die Erfindung sehr allgemein gehalten ist, findet sie insbesondere Anwendung bei Brennelementkassetten, deren Brennstäbe in Form eines Dreiecksnetzwerkes angeordnet sind,

096-CEN10125640-FGA 00553) ICAl

dessen Repetitionslänge ein engmaschiges Netzwerk bildet, das heißt die Repetitionslänge ist nur geringfügig größer als der Durchmesser der Brennstäbe. Die Verwendung eines solchen Dreiecksnetzwerkes ist vorzuziehen, wenn ein untermoderierter Reaktorkern gebildet werden soll, bei dem die Kühlmittelschichten zwischen den Brennstäben eine geringe Dicke haben müssen und den Durchsatz der erforderlichen Kühlmittelmenge und eine gute Durchmischung dieser Kühlmittelschichten ermöglichen müssen, ohne dabei zu einem übermäßigen Druckverlust zu führen.

Gitter von Brennelementkassetten für moderierte und wassergekühlte Kernreaktoren sind im allgemeinen so ausgelegt, daß sie die Brennstäbe an den Knotenpunkten eines Rechteck-Netzwerkes haltern. Diese Gitter weisen einen Gurt und zwei Sätze orthogonaler Streifen auf. Es wurde ebenfalls, z.B. gemäß der US-A 3 068 163, eine Brennelementkassette vorgeschlagen, die Gitter zur Halterung der Brennstäbe an den Knotenpunkten eines rechteckigen Netzwerkes aufweist, die aus einem platten- oder gewellten Endlosband bestehen, das zwischen den Brennstäben verläuft, mit einer Verknüpfung des Endlosbands jeweils an den Knotenpunkten. Diese Lösung gewährleistet bei der Verwendung einer dichten Brennstabanordnung nicht gleichzeitig den Durchgang des Kühlmittels unter zufriedenstellenden Bedingungen, z.B. die Durchmischung der verschiedenen Kühlmittelschichten und einen akzeptablen Druckverlust. Gemäß der FR-A 2 509 078 wurde ebenfalls ein Beabstandungsgitter für Brennelementkassetten mit quadratischem Netzwerk vorgeschlagen, das sich von dem in der obengenannten US-Patentschrift beschriebenen dadurch unterscheidet, daß die orthogonalen Halterungsstreifen der Brennstäbe übereinander angeordnet sind und mittels geschlitzter Leisten zusammengehalten werden. Diese Lösung läßt sich ebenfalls nicht bei einem engmaschigen Netzwerk verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gitter für Brennelementkassetten anzugeben, mit dem die Brennstäbe elastisch und effizient gehaltert werden, das nur einen geringen Druckverlust bewirkt, eine gute Durchmischung der Fluidschichten sicherstellt und nur eine geringe Menge neutrophagen Materials aufweist.

Das erfindungsgemäße Beabstandungsgitter weist einen Umfangsgurt und mindestens zwei Gruppen paralleler Elemente auf, die Durchgangswaben für Brennstäbe begrenzen und ist dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Elemente aus in mindestens zwei in Längsrichtung der Brennelementkassette beabstandeten Schichten angeordneten Drähten bestehen und jeweils mindestens zwei Gruppen sich kreuzender Drähte aufweisen, deren Enden an dem Gurt befestigt sind.

Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Gitters bei einer Brennstoffkassette mit triangulärer Brennstabverteilung ist jede der Seiten des Dreiecksnetzwerkes parallel zu den Drähten mindestens einer Gruppe. Die Drähte jeder Schicht gewährleisten zwei Anlagepunkte pro Brennstab und die Drähte zweier aufeinanderfolgender Schichten gewährleisten an einem gegebenen Brennstab diametral gegenüberliegende Anlagepunkte, also vier Anlagepunkte pro Brennstab. Um die Durchmischung der Kühlmittelschichten zu gewährleisten, kann jede Drahtschicht zwei Drahtgruppen aufweisen, wobei die Drähte einer Gruppe jeder Drahtschicht einen Winkel von 60° mit den Drähten der beiden Gruppen der Drahtschicht bilden, die dieser Schicht vorhergehen oder auf diese folgen. Auf diese Weise werden turbulente Kühlmittelbewegungen erzeugt. Wenn die Schichten eine sich zyklisch wiederholende Verteilung aufweisen, erhält man eine im ganzen spiralförmige Kühlmitte !strömung.

Der Ausdruck "Draht" ist so zu verstehen, daß er ein längliches Element bezeichnet, dessen Querschnitt in allen seinen Richtungen Abmessungen der gleichen Größenordnung aufweist, die mehrere Größenordnungen kleiner sind als dessen Länge, derart, daß dieses Element in allen Richtungen verformbar ist. Ein solcher Draht kann im allgemeinen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es können jedoch ebenfalls Drähte mit ovalem oder abgeflachtem Querschnitt verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht einer Brennelementkassette, bei der die Erfindung Anwendung findet;

Fig. 2 einen Teil eines Schnitts längs der Linie

II-II in Figur 1, wobei die Konturen benachbarter Brennelementkassetten strichpunktiert angedeutet sind;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht nach Fig. 2 ,

Fig. 4

und 5 vergrößerte Teilansichten, die mögliche Befestigungen des Drahts an einen flachen Gurt (Fig. 4) oder einen gewellten Gurt (Fig. 5) zeigen;

Fig. 6

und 7 ähnlich wie Fig. 4 andere Befestigungsmöglichkeiten der Drähte;

Fig. 8 ein perspektivisches Prinzipschema mit einem dreischichtigen Drahtgitter;

Fig. 9 einen Vertikalschnitt durch ein dreischichtiges Gitter,

Fig. A, B

und C Teilschnitte in den Ebenen A, B und C aus Fig. 9;

und

Fig. 10 ähnlich wie Fig. 8 ein Gitter mit zwei geneigten Drahtschichten.

Figur 1 zeigt schematisch die einzigen von der Erfindung betroffenen Komponenten einer Brennelementkassette, die wie üblich ein oberes 10 und ein unteres 12 Endstück aufweist, die über längliche Zylinderelemente 14 und 15 miteinander verbunden sind. An den länglichen Elementen 14 und 15 sind mehrere Gitter 16 entlang der Brennelementkassette verteilt. Die Gitter halten die Brennstäbe 18 in einer gleichmäßigen Verteilung.

Die beispielsweise beschriebene Brennelementkassette hat einen hexagonalen Querschnitt und die Gitter haltern die Brennstäbe 18 an den Knotenpunkten eines Netzwerkes, mit Maschen in Form gleichseitiger Dreiecke, deren Seiten parallel zu den Streifen verlaufen, die den Gurt 20 des Gitters 16 bilden. Bestimmte Knotenpunkte des Netzwerkes sind nicht mit Brennstäben 18 besetzt, sondern mit länglichen Elementen 14, die insbesondere Führungsrohre darstellen können, die an den Endstücken 10 und 12 befestigt sind. Andere längliche Elemente 15, die an der Peripherie des Netzwerkes angeordnet sind, sind am Gurt 20 befestigt um das Tragwerk der Brennelementkassette zu bilden. Diese Elemente 15 können aus Stangen oder Rohren bestehen.

Jedes Gitter 16 weist mehrere zueinander parallele Schichten zur Halterung und Beabstandung der Brennstäbe auf, wobei

diese Schichten am Gurt 20 befestigt und in Längsrichtung beabstandet sind. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform hat das Gitter 16 zwei Drahtschichten, die senkrecht zur Längsachse der Brennelementkassette verlaufen. Jede Schicht besteht aus zwei Gruppen paralleler Drähte. Die Drähte einer Gruppe, die die Schicht 24 bilden, sind um 60° zu den Drähten der beiden Gruppen der Schicht 22 versetzt. Die Drähte der anderen Gruppe, die die Schicht 24 bilden, sind demnach parallel zu den Drähten einer der Gruppen der Schicht 22.

Bei der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsform besteht der Gurt aus flachen Streifen, an denen zwei Drahtschichten befestigt sind, wobei die Drähte entweder gewellt sind oder unter Spannung stehen, um besser gegen die Brennstäbe anzudrücken und somit Haltekräfte bewirken. Die Drähte der beiden Gruppen können an ihren Kreuzungspunkten miteinander verbunden sein, z.B. durch Verschweißung. Die den Gurt bildenden Streifen sind ihrerseits im allgemeinen durch Verschweißen an den länglichen Elementen 15 befestigt, wobei bei der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsform drei Längselemente 15 pro Seite vorhanden sind. Der Gurt kann aus einer "Inconel"-Legierung oder aus nichtrostendem Stahl gefertigt sein und die Drähte bestehen im allgemeinen aus nichtrostendem ultrahartgeschmiedetem Federstahl, wohingegen auch andere Materialien verwendet werden können. Der Drahtdurchmesser ist in Abhängigkeit von der Maschenweite des Netzwerkes und dem Durchmesser der Brennstäbe wählbar, ein Drahtdurchmesser von etwa 0,6 mm führt meist zu den größtmöglichen Vorteilen.

Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Drähte an den länglichen Elementen 14, z.B. durch Eingreifen der Drähte in Nuten oder Einkerbungen dieser Elemente befestigt. Die länglichen Elemente 15 können also entweder beibehalten oder weggelassen werden.

Das Kühlmittel des Reaktors durchfließt jede Drahtschicht, um einen Brennstab herum, im wesentlichen durch zwei im allgemeinen dreieckige Durchgänge, wie z.B. in Figur 3 mit a bezeichnet. Die beiden zu demselben Brennstab gehörenden Durchgänge sind um 60° zueinander versetzt, wenn man von einer Drahtschicht auf die nächste übergeht, und zwei Drahtschichten 22 und 24 (Figur 1) oder mehr vorhanden sind. Man erhält somit eine gute Durchmischung der verschiedenen Kühlmittelschichten und eine gute Vergleichmäßigung der Temperatur.

Die Enden der verflochtenen Drähte, die die Schichten bilden, müssen am Gurt 20 befestigt sein. Eine Vielzahl von Befestigungsarten ist anwendbar^ und die im folgenden beschriebenen Befestigungsarten stellen nur vorteilhafte Beispiele dar.

In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind die Drähte 26 in Löcher in dem Gurt eingeführt und durch thermische Verformung, die zu einer Verdickung 27 führt, blockiert. Die Befestigung kann durch Verlöten vervollständigt werden. Figur 5 zeigt die Anpassung dieser Befestigungsart an den Fall, in dem ein Gitter einen gewellten Gurt 20a aufweist, wobei die Repetitionslänge der Wellen an die Brennstabverteilung angepaßt ist. Eine geschlitzte Scheibe 28 kann auf den Draht vor dessen thermischer Verformung und Verlötung aufgesetzt werden, um dessen Halterung zu vervollständigen (Figur 6 und der obere Draht in Figur 4).

In Figur 4 erkennt man, daß die äußeren Ausbuchtungen, die von der thermischen Verformung herrühren, Beabstandungsanschläge für die Brennelementkassetten auf der Höhe der Gitter bilden. Die jeweiligen Auflagepunkte der peripheren Ausbuchtungen bilden Anschläge, die eine radiale Halterung gewährleisten, die Deformation während des Betriebs des Reaktorkerns verhindern. Die Verwendung von geschlitzten Scheiben

28 zur Anbringung und Befestigung der Drähte an den Streifen des Gurts ermöglicht die Verwendung verschiedener Materialien für den Gurt einerseits und die Drähte andererseits, die nicht miteinander verschweißbar sind und ermöglicht somit den Gurt aus einem Material herzustellen, das nach dem Kriterium geringer Neutronenabsorption ausgewählt wird.

Figur 7 zeigt eine weitere Lösung, die verwendbar ist, wenn das Gitter nur zwei Drahtschichten aufweist oder bei den Endschichten von Gittern, die mehr als zwei Schichten aufweisen. Dabei sind die Drahtenden in Kerben 30 des Gurts 20 eingeklemmt, bevor sie thermisch verformt und/oder verlötet werden.

Während das in Figur 1 gezeigte Gitter nur zwei Drahtschichten aufweist, enthält das in Figur 8 gezeigte Gitter drei parallele Drahtschichten. Wenn man die drei zueinander um 60° versetzten Richtungen (Figur 8) mit 1, 2 und 3 bezeichnet, liegen die Drähte der ersten Schicht in den Richtungen 1 und 2, die der zweiten Schicht in den Richtungen 2 und 3 und die der dritten Schichten in den Richtungen 1 und 3. Die geringen Abmessungen der Drähte reduzieren den Druckverlust. Die DuEchmischung des Kühlmittels wird dadurch verbessert, daß in zwei aufeinanderfolgenden Schichten die Hälfte der Drähte verschieden orientiert ist. Die Durchgänge a (Figur 3) sind bei jedem Durchgang von einer Schicht zur nächsten um 60° zueinander versetzt. Die entlang der Brennelementkassette vorgesehenen aufeinanderfolgenden Gitter können derart angeordnet werden, daß die Durchgänge des Kühlmittels schraubenförmig oder zickzackförmig versetzt angeordnet sind.

Bei den in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen gewährleistet jede Drahtschicht vier Anlagepunkte pro Brennstab, was bei einem Gitter der in Figur 8 gezeigten Art

dazu führt, daß drei Paare von je zwei Anlagepunkten auf der Peripherie verteilt sind, wohingegen das in den Figuren 9, 9A, 9B und 9C gezeigte Gitter nur zwei Anlagepunkte pro Brennstab und Drahtschicht hat. Daher haben die Drähte jeder Gruppe einen Abstand, der doppelt so groß ist, wie der der Drähte gemäß Figur 3. Die zu derselben Richtung parallelen Drähte in den zwei verschiedenen Schichten sind um eine halbe Repetitionslänge versetzt, derart, daß alle Brennstäbe die gleiche Anzahl von Anlagepunkten aufweisen (drei doppelte Anlagepunkte pro Brennstab im Fall dreier Schichten). Diese Anordnung vergrößert den Durchgangsquerschnitt des Kühlmittels, der von jeder Schicht angeboten wird und ermöglicht die Anzahl der Schichten zu erhöhen, wobei der Druckverlust auf einen akzeptablen Wert begrenzt werden kann.

Anstatt die Schichten parallel zueinander anzuordnen, können diese auch gegenüber der Längsachse der Brennelementkassette verschieden geneigt sein. Diese Lösung, die in einem Ausführungsbeispiel in Figur 10 gezeigt ist, verbesssert die Durchmischung der Kühlmittelschichten und ermöglicht insbesondere einen Teil des Durchsatzes durch eine Brennelementkassette zu den peripheren Brennelementkassetten zu leiten.

Es können verschiedene Montagearten angewendet werden, um eine Brennelementkassette herzustellen. Eine erste Lösung, die insbesondere dann anwendbar ist, wenn die Drähte vorher gewellt werden und nicht unter übermäßiger Spannung stehen, besteht darin, die Drähte in einem Skelett auszurichten und die Führungsrohre und die Brennstäbe anschließend einzuführen. Eine andere Lösung, die es erlaubt, die Drähte vor deren endgültiger Befestigung unter Spannung zu setzen, besteht darin, die Drähte in den Gittern anzubringen und

sie an einem einzigen Ende zu befestigen, wobei das andere Ende lediglich durch den gegenüberliegenden Streifen des
Gitters durchgeführt und ohne Spannung gehalten wird. Wenn dann die Brennstäbe plaziert sind, werden die Drähte einer starken kalibrierten Zugkraft unterworfen und anschließend festgelegt.

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Claims

BEETZ & PARTNER .:..·„.- -..--..- "Patentanwälte Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 European Patent Attorneys

Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 . . _{R ßEETZ}

Telex 522048 - Telegramm Allpat" München Dr-Inq R BEETZ iun

o96-37.968P(37.96 9H) Dr.-Ing. W. TIMPE

Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED

Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN

3530236 Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT 11981

23. Aug. 1985

Patentansprüche

Beabstandungsgitter für Brennelementkassetten mit einem Brennstabbündel (18), in dem die Brennstäbe an den Knotenpunkten eines gleichmäßigen Netzwerkes angeordnet sind, wobei das Gitter einen polygonalen Umfangsgurt (20) und Gruppen paralleler Drähte (26) aufweist, die Durchgangswaben für die Brennstäbe begrenzen,

dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Drähte in mindestens zwei zueinander in Längsrichtung der Brennelementkassette beabstandeten Schichten verteilt sind und die Schichten jeweils mindestens zwei Drahtgruppen aufweisen, deren Enden am Gurt (20) befestigt sind und dadurch daß die die Drähte einer selben Gruppe parallel zu einer Seite des Gurts verlaufen.
2. Beabstandungsgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk Maschen in Form gleichseitiger Dreiecke aufweist, daß der Umfangsgurt eine hexagonale Form hat und dadurch daß alle Drahtschichten des Gitters Drähte aufweisen die parallel zu jeweils einer der Seiten des Gurts (20) verlaufen.

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3. Gitter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte jeder Schicht zwei Anlagepunkte pro Brennstab haben und daß die Drähte zweier aufeianderfolgender Schichten an einem Brennstab diametral gegenüberliegende Anlagepunkte haben.
4. Gitter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte jeder Schicht vier Anlagepunkte pro Brennstab liefern.
5. Gitter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte der zwei Gruppen jeder Schicht miteinander verknüpft und gegebenenfalls mittels Verschweißung an den Kreuzungspunkten befestigt sind.
6. Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Drähte (26) an dem Gurt (20) mittels eines Durchgangs durch Öffnungen in dem Gurt und thermischer Verformung an der Außenseite des Gurts befestigt sind und dort Andruckausbuchtungen zwischen aneinanderstoßenden Brennelementkassetten zu bilden.
7. Gitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Drähte am Gurt durch einen Durchgang durch Öffnungen in dem Gurt oder durch Eingreifen in Kerben (30) und durch Verlöten befestigt sind.
8. Gitter nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß geschlitzte Scheiben (28) auf die Drahtenden vor deren Verlötung aufgesteckt sind.
9. Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

der Umfangsgurt aus ebenen Streifen oder aus mit einer Repetitionslänge des Brennstabsabstand gewellten Streifen besteht.
10. Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Drahtschichten gegenüber der Längsachse der Brennelementkassette unter verschiedenen Winkeln geneigt sind.
11. Brennelementkassette mit einem Bündel an den Knotenpunkten eines gleichmäßigen Netzwerks angeordneter Brennstäbe (18), die mittels entlang der Brennelementkassette angeordneter Gitter gehaltert sind, gekennzeichnet durch mehrere Gitter nach einem der vorstehenden Ansprüche, die derart angeordnet sind, daß die Kühlmitteldurchgänge (a) auf einer selben Schraubenlinie oder auf zickzackförmig aneinandergesetzten Schraubenlinienelementen liegen.
12. Brennelementkassette nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter an Stangen (15) befestigt sind, die an der Peripherie der Brennelementkassette verteilt angeordnet und an deren Endstücken befestigt sind.