DE3618744A1 - Kernelement fuer einen kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernelement für einen Kernreaktor, wie es insbeson­ dere zum Kernaufbau eines flüssigmetallgekühlten Reaktors mit schnellem Neutronenfluß dient, und betrifft insbesondere Abstandsgitter für derartige Kernelemente, welche aus Gitterstreifen zusammengesetzt sind und Federele­ mente enthalten, mit denen Brennstäbe festgehalten werden.

Kerne für flüssigmetallgekühlte schnelle Kernreaktoren werden typischerweise aus einer Vielzahl dichtgepackter hexagonaler Kernelemente aufgebaut, wobei der Umfang des Kernes einem kreiszylindrischen Verlauf weitgehend angepaßt ist. Typischerweise sind eine Vielzahl von Brennstäben mit kreisförmigem Querschnitt in einem Dreiecksfeld zusammengefaßt, welches über die gesamte Brennstablänge mit einem dünnwandigen Rohr über die gesamte Brennstofflänge umgeben ist. Die Brennstäbe werden am einen Ende gehaltert und erstrecken sich in axialer Richtung, wobei sie seitlich durch Drahtwickel, die die Brennstäbe und/oder die Gitterstrukturen umgeben, in bestimmten Bereichen gegeneinander abgestützt sind. Derartige mit Mantelrohren umgebene Kernelemente begrenzen den Kühl­ mittelfluß zwischen benachbarten Kernelementen und vergrößern den Metallanteil im Kern, wodurch die nukleare Effizienz verringert wird. Schließlich haben solche ummantelte Kernelemente auch den Nachteil, daß für den Kühlmittelstrom ein vergrößerter Druckabfall im Kern für den Kühlmittelstrom entsteht, der ebenfalls für die Effizienz von Nachteil ist. Derartige Nachteile können durch die Verwendung von offenen Gitteranordnungen überwunden werden, bei welchen die Ummantelung zumindest in gegebenen Bereichen weggelassen wird, was insbeson­ dere für Brennstabbündel für Leichtwasserreaktoren mit einem quadratischen Kernaufbau bekannt ist.

Ein mantelrohrfreier Aufbau von Kernelementen ist durch die US-PS 42 85 771 bekannt und beschreibt eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Brennstäben in einem Feld, wobei die angrenzenden Brennstabbündel in einem regulären Sechseck zusammengefaßt sind. An jeder Kante sind ein oder mehrere Brennstäbe weggelassen und durch starke Aussteifungen ersetzt, die parallel zu den Brennstäben verlaufen und der seitlichen Abstützung und Aussteifung des Aufbaus dienen. Die äußere Oberfläche der Aussteifung dient ferner als Kontaktbereich zwischen benachbarten Brennstabbündeln. Obwohl derartige Aus­ steifungen einen geringeren Metallanteil verglichen mit einer vollen Ummantelung von Brennstabbündeln haben, ist der Metallanteil immer noch groß genug, um von entscheidendem Einfluß zu sein. Insbesondere nimmt jede Aussteifung einen Raum ein, der von einem oder mehreren Brennstäben besetzt werden könnte, wenn eine andere Stabilisierung des Kernelementaufbaues möglich ist.

Eierkartonartige Gitterstrukturen, wie sie herkömmlicherweise zur seitlichen Abstützung von Brennstäben innerhalb von Kernaufbauten bei flüssigmetallge­ kühlten Reaktoren Verwendung finden, werden durch die Verbindung einer Vielzahl von Gitterstreifen geschaffen. Die bisherige Methode derartige Gitterstreifen miteinander zu verbinden, um einzelne Zellbereiche für die Brennstäbe zu schaffen, sieht vor, daß die Hälfte der Wandbereiche aus zwei parallel zueinander verlaufenden Gitterstreifen bestehen, und lediglich die andere Hälfte der Wandbe­ reiche aus nur einem Gitterstreifen gebildet ist. Diese Änderung der Dicke zwischen einem einstreifigen und einem zweistreifigen Wandabschnitt ist mit Schwierigkeiten verbunden, da beide Versionen enge Toleranzen einhalten müssen. Bei der Verwendung von einem zweistreifigen Wandabschnitt ergibt sich jedoch eine Toleranzverschlechterung um den Faktor 2, was durch besonders sorgfältige Bearbeitung ausgeglichen werden muß. Es ist daher wünschenswert, einen Gitteraufbau für Abstandsgitter zu finden, welcher dieses Toleranzproblem zu überwinden hilft und trotzdem die notwendige seitliche Aussteifung bei gleichzei­ tiger Vermeidung von Nachteilen für den Kühlmittelfluß bietet.

Innerhalb jedes durch die Gitterstreifen gebildeten Zellbereiches muß der das Kernmaterial enthaltende Stab seitlich abgestützt sein. Für diese Abstützung werden üblicherweise Abstütznoppen verwendet, die an zwei Wänden eines Zellbereiches angebracht sind und gegenüber einer Feder liegen, welche von der dritten Wand aus in den Zellbereich verläuft und den Stab gegen die Abstütznop­ pen drückt. Die Andruckskraft der Feder wird aus der Verbiegung des die Feder bildenden Metallteiles gewonnen. Während des Betriebes eines Kernreaktors ist diese Feder der Strahlung und der hohen Temperatur ausgesetzt und kann daher einer Erschlaffung unterliegen. Aufgrund einer solchen Erschlaffung geht die Vorspannkraft zurück, mit welcher der Brennstab innerhalb des Zellbereiches festgehalten wird, so daß durch die Kühlmittelströmung ausgelöste Schwingungen wirksam werden können und langsam eine Beschädigung des Brennstabes möglich machen. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Feder zu finden, die eine seitliche Abstützung des Brennstabes in den Abstandsgittern von Kernelementen mit großer Sicherheit zuläßt, wobei eine Beeinträchtigung der Federkraft durch Strahlung und hohe Temperaturen vermieden wird. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen für ein Offengitter-Kernelement zu schaffen, welches für flüssiggekühlte schnelle Kernreaktoren Verwendung finden kann und eine ausreichend hohe seitliche Verspannung der die Kernmaterialien enthaltenden Stäbe zuläßt, ohne daß dadurch der Kühlmittelfluß verringert bzw. behindert wird.

Diese Aufgabe wird für ein Kernelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnungen; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Explosionsdarstellung einzelner Komponenten eines mantelrohrfreien Kernelementes mit Abstandsgitter gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische, teilweise geschnittene Explosionsdarstellung über Details in der Konstruktion des mantelrohrfreien Kernelementes gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Abstandsgitter gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht des Abstandsgitters gemäß der Erfindung mit dreieckigen Zellbereichen mit Abstütznoppen und Spannfedern gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine seitliche Teilansicht eines Verbindungspunktes, bei welchem ein oberer, mittlerer und unterer Gitterstreifen mit einem äußeren Gitterstreifen zusammengeführt sind;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 5;

Fig. 7A einen Schnitt längs der Linie VII-VII der Fig. 5;

Fig. 7B einen Schnitt längs der Linie VII-VII der Fig. 5 nach dem Ver­ schweißen des Knotenpunktes;

Fig. 7C einen Schnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 5 nach dem Hartverlöten des Verbindungspunktes;

Fig. 8 eine Teildraufsicht auf einen Gitterring;

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Gitterringes längs der Linie IX-IX der Fig. 8;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines Gitterringes im oberen Bereich eines Gitterstreifens;

Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie XI-XI der Fig. 8;

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie XII-XII der Fig. 8;

Fig. 13 geschnittene Teilansichten von Gitterstreifen mit einem oberen,

mittleren und unteren Verbindungssteg im Bereich eines Knoten­ punktes;

Fig. 14A eine Draufsicht auf einen Knotenpunkt von drei Gitterstreifen;

Fig. 14B eine Draufsicht auf den Knotenpunkt gem. Fig. 14A nach dem Verschweißen;

Fig. 14C eine Draufsicht auf den Knotenpunkt gem. Fig. 14A nach dem Hartverlöten;

Fig. 15 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine bekannte Struktur eines Abstandsgitters mit hexagonalen Zellbereichen;

Fig. 16A eine seitliche Teilansicht auf einen Gitterstreifen mit Abstützele­ menten;

Fig. 16B eine Draufsicht auf den Abschnitt eines Gitterstreifens gemäß Fig. 16 A aus der ein Abstütznoppen und eine Abstützfeder gemäß der Erfindung hervorgeht;

Fig. 17 einen Schnitt längs der Linie XVII-XVII der Fig. 16A;

Fig. 18 einen Schnitt längs der Linie XVIII-XVIII der Fig. 16A;

Fig. 19 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Struktur eines Abstandsgitters gemäß der Erfindung;

Fig. 20 eine vergrößerte Teilansicht auf die Struktur des Abstandsgitters gemäß Fig. 19;

Fig. 21 Seitenansichten der Verbindungsbereiche verschiedener Gitterstreifen zum Aufbau der Struktur des Abstandsgitters gem. Fig. 19;

Fig. 22 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf einen Verbindungspunkt der Gitterstreifen gem. Fig. 21.

In Fig. 1 ist ein mantelrohrfreies Kernelement 10 dargestellt, wie es in einem flüssigkeitsgekühlten Reaktor mit schnellem Neutronenfluß Verwendung findet. Ein derartiger Reaktor ist vorzugsweise mit Flüssigmetall, und zwar flüssigem Natrium gekühlt. Das Kernelement 10 besteht aus einer Vielzahl zueinander parallel sich erstreckender Brennstäbe 12, in welchen das Kernmaterial in Form von Brennstofftabletten angeordnet ist und welche in einer offenen hexagonalen Gitterkonfiguration zusammengefaßt sind. Der Begriff "offene Gitterkonfigura­ tion" kennzeichnet das Fehlen eines Mantelrohres, welches bei bekannten Brennstäben das Brennstabbündel in der ganzen Länge umgibt. Die einzelnen Stäbe sind am einen Ende abgestützt, z.B. auf einer Einlaßdüse 14, und erstrecken sich in axialer Richtung nach oben, wo sie frei enden. Das Kernelement ist in der Weise aufgebaut, daß eine obere Stützplatte 16, ein oberes Gitterwerk 18, eine Vielzahl von Zwischengittern, von welchen nur zwei Zwischengitter 20 und 20 a dargestellt sind, und ein unteres Gitterwerk 22 sowie eine unten liegende Stützplatte 24 vorhanden sind. Die Brennstäbe 12 werden am einen Ende durch die unten liegende Stützplatte 24 abgestützt und erstrecken sich axial nach oben durch das untere Gitterwerk 22, das dazwischen liegende Gitterwerk 20, 20 a sowie das obere Gitterwerk 18 und die oben liegende Stützplatte 16. Diese einzelnen Gitterwerke ermöglichen in bekannter Weise eine axiale Expansion der Brennstä­ be, wobei ihre seitliche Abstützung erhalten bleibt.

Das einzelne Kernelement 10 erhält seine axiale als auch seine seitliche Festigkeit von Natriumdurchflußrohren, welche an der unten liegenden Stützplatte 24 mit Hilfe von Muttern 28 befestigt sind, die auf die Rohre 26 aufgeschraubt und durch die untere Stützplatte 24 verlaufen. Diese Natriumdurchflußrohre 26 erstrecken sich durch das untere Gitterwerk 22, das mittlere Gitterwerk 20, 20 a sowie das obere Gitterwerk 18 und sind an der oben liegenden Stützplatte 16 mit Hilfe von Muttern 30 befestigt. Um jedes Natriumdurchflußrohr erstreckt sich ein Abstandsrohr 32, wie aus Fig. 2 hervorgeht, welches sich zwischen dem unteren Gitterwerk 22 und dem unten liegenden mittleren Gitterwerk 20 a erstreckt und die beiden Gitterwerke auf Abstand hält. Entsprechende Abstandsrohre 32 sind auch zwischen dem anderen, mittleren Gitterwerk und allen weiteren nicht dargestellten Gitterwerken sowie zwischen diesen und dem oberen Gitterwerk 18 angeordnet, um die einzelnen Gitterwerke auf einem bestimmten Abstand zu halten. Jedes Abstandsrohr ist mit einer bestimmten Krümmung ausgeführt, die dafür sorgt, daß es satt das jeweilige Durchflußrohr 26 umgibt und dicht an diesem anliegt, so daß eine vom Strömungsfluß ausgelöste Vibration eine Abnutzung der Natriumdurchflußrohre 26 nicht verursachen kann.

Die mantelrohrfreien Kernelemente sind ferner mit Blendscheiben 34 versehen,

die dazu benutzt werden, den Kühlmittelfluß durch die individuellen Kernelemente zu regulieren. Auf diese Weise kann ein mantelloses zusammen mit einem ummantelten Kernelement in ein und demselben Reaktorkern Verwendung finden, wobei der Kühlmittelfluß durch jedes dieser Elemente unabhängig voneinander einstellbar ist, um den Kühlmittelfluß im jeweils anderen Element zu ergänzen.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Abstandsgitters 36 für einen Kernreaktor dargestellt, welches gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung dieses Abstandsgitters geht aus Fig. 4 hervor. Das Abstandsgitter 36 wird aus Gitterstreifen hergestellt, wobei in einem Verbindungspunkt drei Gitterstreifen ineinander verschoben sind. Entsprechend dem im Verbindungspunkt angeordneten Verbindungssteg wird vom oberen Gitter­ streifen 38, mittleren Gitterstreifen 40 und unteren Gitterstreifen 42 gesprochen, wie sie aus den Fig. 5, 6, 7 A, 7 B und 7 C hervorgehen. An der äußeren Stirnseite des jeweils oberen, mittleren und unteren Gitterstreifens sind Laschen 44 angebracht, die in entsprechende Öffnungen 46 im äußeren Gitterstreifen 48 greifen, der sich entlang der Peripherie des Abstandsgitters 36 erstreckt. Die formschlüssig ineinander greifenden Verbindungen in den einzelnen Verbin­ dungspunkten können durch Schweißen oder Hartlöten gesichert werden, wie aus den Fig. 7B und Fig. 7C hervorgeht.

Das Abstandsgitter 36 ist ferner mit Gitterringen 50 versehen, welche die durch das Abstandsgitter 36 verlaufenden Natriumdurchflußrohre 26 umgeben. Anhand der Fig. 8, 9, 10, 11 und 12 wird erläutert, wie eine bevorzugte Form eines solchen Gitterringes 50 ausgebildet und mit dem oberen Gitterstreifen 38, dem mittleren Gitterstreifen 40 und dem unteren Gitterstreifen 42 verbunden ist. Man erkennt, daß in den Gitterstreifen ein Schlitz 52 gestanzt ist, so daß zwei übereinander liegende und zu einem Ring geformte Bänder 53 entstehen. Entsprechend ist auch gem. Fig. 11 und 12 ein solcher Schlitz 52 in den mittleren und den unteren Gitterstreifen gestanzt, so daß sowohl im mittleren, als auch im unteren Bereich ringförmige Bänder 53 als Halterung für das Natriumdurchfluß­ rohr 26 ausgebildet werden können. Der eigentliche Gitterring 50 wird dann durch Ineinanderschieben der einzelnen Gitterstreifen geschaffen, so daß jeder Gitter­ ring von sechs ringförmigen Bändern 53 gebildet wird. Die einzelnen Gitterstrei­ fen werden dann miteinander verschweißt und/oder hart verlötet, wie dies aus Fig. 8 entnehmbar ist. Der fertiggestellte Gitterring 50 um faßt die drei ineinander greifenden Gitterstreifen 38, 40, 42 sowie das durch den Gitterring verlaufende Natriumdurchflußrohr (26).

In den Fig. 13 und 14 ist die Herstellung des Verbindungspunktes zwischen einem oberen Gitterstreifen 38, einem mittleren Gitterstreifen 40 und einem unteren Gitterstreifen 42 dargestellt, wodurch die Zellbereiche 54 gemäß Fig. 4 gebildet werden. Der untere Gitterstreifen 42 ist mit einem Schlitz 62 versehen, der sich nur über ²/₃ der Höhe des Gitterstreifens erstreckt. Entsprechend ist ein Schlitz 56 im oberen Gitterstreifen 38 ausgebildet. Die zurückbleibenden Verbindungsste­ ge am unteren und oberen Gitterstreifen greifen in entsprechende Schlitze 58, 60 des mittleren Gitterstreifens 40 ein, die sich von der oberen Kante und von der unteren Kante aus jeweils über eine Länge von etwa ¹/₃ der Höhe des Gitterstreifens erstreckt. Nach dem Ineinanderschieben der einzelnen Gitterstrei­ fen ergibt sich ein Kreuzungspunkt, wie er in Fig. 14A dargestellt ist. Durch Verschweißen entsteht ein Kreuzungspunkt gemäß Fig. 14B und durch Hartlöten ein Kreuzungspunkt gemäß Fig. 14C.

In Fig. 15 ist eine bekannte Gitterstruktur 64 für Brennelemente dargestellt, wie sie in einem füssigkeitsgekühlten schnellen Neutronenfluß-Reaktor Verwendung findet. Man kann erkennen, daß alle Zellbereiche 66 hexagonal sind, wobei die Darstellung erkennen läßt, daß die Hälfte der Wandabschnitte 68 aus einem Gitterstreifen und die andere Hälfte der Wandabschnitte 70 aus zwei Gitter­ streifen gebildet sind. Da alle Wandabschnitte mit derselben Toleranz ausgebildet sein müssen, vergrößert sich die Schwierigkeit, mit der die Toleranzwerte eingehalten werden können um den Faktor 2. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind alle Wandabschnitte 72 des Zellbereiches 54 aus einem Abschnitt von nur einem Gitterstreifen hergestellt, so daß alle Wandabschnitte nur eine einfache Dicke, gemäß der Dicke des Gitterstreifens, haben.

Aus Fig. 4 kann man entnehmen, daß die Brennstäbe 12 sich jeweils durch einen Zellbereich 54 erstrecken und in diesem gegen eine seitliche Verschiebung festgehalten sind. Zu diesem Zweck sind Abstütznoppen 76 an zwei Wandab­ schnitten 78, 80 des jeweiligen Zellbereiches 54 vorgesehen. Am dritten Wandabschnitt 84 ist eine Vorspannfeder 82 ausgebildet, die an dem Brennstab 12 anliegt und diesen fest gegen die Abstütznoppen 76 drückt, um Schäden zu verhindern, die sonst durch flußinduzierte Vibrationen ausgelöst werden können. Eine neuartige Federkonstruktion zur Verwendung in dem Abstandsgitter ist in den Fig. 16 und 17 dargestellt. Durch Ausstanzen aus dem Gitterstreifen wird eine Feder 82 geschaffen, die eine Ausprägung 86 trägt, welche am Brennelement zur Anlage kommt. Durch das Ausstanzen entsteht eine Öffnung 88, durch welche Kühlmittel in Richtung des Pfeiles 90 fließen kann und eine Kanalstrecke 92 durchfließt, welche auf der der Ausprägung 86 gegenüberliegenden Seite vorhan­ den ist, wie aus Fig. 17 entnommen werden kann. Die Kraft mit der die Feder 82 gegen den Brennstab preßt, hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühl­ mittels durch die Kanalstrecke 92 ab, welche die Feder 82 mit der Ausprägung 86 gegen den Brennstab drückt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Kanalstrecke 92 ist direkt von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Reaktor und den Kernaufbau abhängig. Ein Schlitz 94 am Fußpunkt der Feder 82 dient der Einstellung der Federkraft in Abhängigkeit von der Strö­ mungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch das Kernelement. Die Feder 82 kann einstückig, mit dem Wandabschnitt 84 hergestellt sein, jedoch kann die Feder auch an den Wandabschnitt angeschweißt, oder in einer anderen geeigneten Weise an diesem befestigt werden. In jedem Fall ist jedoch die Öffnung 96 in dem Wandabschnitt 84 und die Ausprägung 86 auf der der Kanalstrecke 92 gegenüber­ liegenden Seite der Feder 82 vorgesehen.

Der Neigungswinkel der Feder 82 wird ebenfalls dazu benutzt, um die Federkraft in Abhängigkeit vom Strömungsmittelfluß einzustellen. Wie man aus Fig. 16 entnehmen kann, ist ein bevorzugter Neigungswinkel bezogen auf die Längsachse des Kernelementes, welche in der Regel der Richtung des Kühlmittelflusses durch das Kernelement entspricht, mit etwa 9° vorgesehen. Dieser Neigungswinkel der Feder 82 dient auch ferner dazu, die Durchmischung des Kühlmittels zu vergrößern, indem ein Teil des Kühlmittels in die Kanalstrecke 92 und durch die Öffnung 96 in den benachbarten Zellbereich geleitet wird, wodurch der Kühl­ mittelfluß unter dem Einfluß einer Radialkomponente strömt. Wie die Pfeile 97 in Fig. 4 andeuten, kann eine bevorzugte Kühlmittelvermischung dadurch erreicht werden, daß die Feder 82 in dem jeweiligen Zellbereich 54 eine bestimmte Ausrichtung erfährt. Obwohl in der bevorstehenden Beschreibung eine Feder in Verbindung mit einem flüssigmetallgekühlten Reaktor beschrieben wurde, ist eine derartige hydraulische Feder auch zur Verwendung bei wassergekühlten Reaktoren zweckmäßig.

In Fig. 18 ist der Querschnitt durch einen Abstütznoppen 76 im Wandabschnitt 84 dargestellt, der vorzugsweise einstückig in den Gitterstreifen durch Prägen oder Stanzen ausgeformt ist. Ein derartiger Abstütznoppen kann selbstverständlich auch an den Wandabschnitt angeschweißt oder hart angelötet sein. Aus den Fig. 4, 16A, 16B und 17 ist ableitbar, daß der die Feder 82 tragende Wandabschnitt auch Abstütznoppen 76 trägt, die in den benachbarten Zellbereich ragen und als Abstütznoppen für den benachbarten Brennstab dienen. Im praktischen Einsatz können die Stäbe 12 sowohl mit Brennstoff, als auch mit Brutmaterial oder Absorbermaterial gefüllt sein. Die einzelnen Kernelemente sind in ihrer mechani­ schen Konstruktion identisch aufgebaut, unabhängig davon, ob sie Brennmaterial, Brutmaterial, oder Absorbermaterial enthalten, und sind daher auch austauschbar bezüglich jedes einzelnen Einsatzortes im Kernaufbau. Jede einzelne Kernkom­ ponente ist so aufgebaut, daß sie sowohl während des Hochfahrens, als auch des Abkühlens oder Abschaltens des Reaktors ihre strukturelle Unversehrtheit beibe­ hält und auch den extremsten Leistungsbedingungen standhält, die während der gesamten Lebenszeit des Reaktors zu erwarten sind. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 wird erwähnt, daß das flüssige Kühlmittel, vorzugsweise Natrium, von einer nicht dargestellten Kühlmittelpumpe über den Bodenbereich der Einlaßdüse 14 zugeführt wird und durch die Blendscheiben 34 sowie die unten liegende Stützplatte 24 nach oben fließt. Im Bereich der unten liegenden Stützplatte 24 wird ein Teil des Kühlmittels direkt durch die Natriumdurchflußrohre 26 nach oben geleitet, welche über die ganze Länge offen sind. Der restliche Teil des Kühlmittels wird durch Öffnungen oder Bohrungen 98 in der unteren Stützplatte 24 und durch die einzelnen Zellbereiche 54 des unteren Gitterwerkes geleitet und kommt dabei in Kontakt mit den Stäben 12. Während der größte Teil des Kühlmittels durch einzelne Kernkomponenten, und zwar das mittlere und das obere Gitterwerk sowie die oben liegende Stützplatte fließt, strömt ein restlicher Teil des Kühlmittels durch angrenzende Kernkomponenten, die nicht dargestellt sind. Innerhalb des unteren Gitterwerkes 22, des mittleren Gitterwerkes 20 a, 20 sowie des oberen Gitterwerkes 18 fließt das Kühlmittel durch jeden einzelnen in Fig. 4 dargestellten Kernbereich und somit in unmittelbare Nähe zu den einzelnen Stäben 12). Dabei wird ein Teil des Kühlmittels durch die Öffnung 88 in die Kanalstrecke 92 geleitet, wodurch die Feder 82 rückseitig angeströmt wird und die notwendige Anpreßkraft an den Stab 12 entsteht. Diese Anpreßkraft drückt den Stab 12 gegen die gegenüberliegenden Abstütznoppen 76 im jeweiligen Zellbereich. Dieser kontinuierliche Federdruck aufgrund des strömenden Kühlmit­ tels verhindert eine Beschädigung der Stäbe 12 aufgrund von strömungsmittelin­ duzierten Operationen. Während ein Teil des Strömungsmittels durch die Kanal­ strecke 92 und die Öffnung 96 in den benachbarten Zellbereich 54 fließt und eine Durchmischung bzw. einen thermischen Ausgleich bewirkt, strömt der verbleiben­ de Teil des Kühlmittels aus der Kanalstrecke 92 mit einer Radialkomponente heraus. Bei einer gegebenen Geschwindigkeit des Kühlmittels stellt sich eine bestimmte Federkraft in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel der Feder 82 ein, wenn das Kühlmittel in Richtung des Pfeiles 90 strömt. Die Kraft, mit der die Feder 92 gegen den Stab 12 und dieser gegen die Abstütznoppen 76 gedrückt wird, ist unabhängig von der Strahlung und der hohen Temperatur, denen die Feder ausgesetzt wird, womit die Federkraft nicht mehr von diesen Materialkonstanten abhängt. Das Kühlmittel fließt durch die Natriumdurchflußrohre 26 sowie das Kernelement und den Kernaufbau kontinuierlich nach oben und wird oben über die Stützplatten 16 und den Greifrand 100 abgeleitet.

Für ungewöhnliche Betriebsfälle bzw. Betriebsunfälle bieten die Natriumdurch­ flußrohre 26 einen Durchgang durch den Kernaufbau, über welchen eine Kühlung des Kernes immer möglich ist, indem Kühlflüssigkeit durch diese Rohre ununter­ brochen gepumpt wird. Auf diese Weise läßt sich die Kerntemperatur niedrig halten. Es ist jedoch auch möglich, die Natriumdurchflußrohre an den jeweiligen Enden zu verschließen und mit Brennstoff- bzw. Brutmaterial oder Absorberma­ terial zu füllen, um die Packungsdichte im Kernaufbau zu vergrößern.

Es sind viele Variationen des beschriebenen Gitteraufbaues und der Fertigung dieses Gitters möglich, wobei eine alternative Ausführungsform eines Abstands­ gitters 36 in den Fig. 19. und 20 dargestellt ist. Bei dieser Struktur des Abstandsgitters 36 findet eine eierkartonförmige sechseckige Gitterstruktur Verwendung, wobei jeder einzelne Stab in einem einzelnen Zellbereich angeordnet ist. Um die Packungsdichte zu variieren, können jeweils drei Zellbereiche in einem Triple zusammengefaßt werden, wobei die Stäbe außerhalb des Zentrumsbereiches des Triple-Zellbereiches verlaufen.

Dadurch entsteht ein Honigwabengitter mit einzelnen, einen einzigen Stab umfassenden Zellbereichen. Dieser Aufbau bietet nicht nur die Möglichkeit der Variation der Packungsdichte, sondern auch eine Verbesserung der Gitter­ steifigkeit. Wie man aus Fig. 20 entnehmen kann, finden bei der alternativen Ausführungsform zwei hydraulische Federn 82 und zwei Abstütznoppen 76 pro Zellbereich Verwendung, um den dazwischen liegenden Stab 12 festzuhalten. Die Pfeile 102 kennzeichnen die Vermischung des Kühlmittels aufgrund der Ausrich­ tung der Federn 82. In Fig. 21 sind einzelne Gitterstreifen 104 abschnittsweise dargestellt, welche mit einer Vielzahl von Schlitzen 106 versehen sind, um in Kreuzungs- und Verbindungspunkten das Zusammenfügen des Aufbaus zu erleich­ tern. Fig. 22 zeigt einen Teil eines Abstandsgitters aus dem das lneinandergreifen der einzelnen Gitterstreifen für vier Verbindungsbereiche dargestellt ist. Bei diesem Aufbau erkennt man, daß die Wandabschnitte 110 als doppelte Wandab­ schnitte parallel zueinander verlaufen, was durch den speziellen Gitteraufbau dieser Ausführungsform bedingt ist. Auch bei dieser Ausführungsform wird durch die spezielle Ausbildung des Abstandsgitters dafür gesorgt, daß die Packungsdich­ te im Kernaufbau sehr variabel ist, wobei eine hydraulische Verspannung der Stäbe in mantelrohrfreien Kernelementen von besonderem Vorteil ist.

Claims (12)

1. Kernelement für einen Kernreaktor mit einer Vielzahl von Brennstäben, welche mit Abstandsgittern in einer räumlichen Zuordnung zueinander gehalten sind, wobei die Abstandsgitter einzelne durch Gitterstreifen begrenzte Zellbereiche haben, durch welche die Brennstäbe verlaufen und ein Kühlmittel in grundsätzlich axialer Richtung an den Brennstäben entlang aufwärts fließt, und mit an den die Wandabschnitte der Zellbereiche bildenden Gitterstreifen ausgebildeten Abstütz­ noppen, welche mit zumindest einer in jeden Zellbereich ragenden Feder zusammenwirken, um den jeweiligen Brennstab festzuhalten;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Feder (82) auslegerartig aus dem Wandabschnitt (84) herausragt und unter einem Winkel zum Kühlmittelfluß durch das Kernelement, bzw. den Kernreaktor, angelenkt ist;
und daß das durch eine Kanalstrecke (92) zwischen Feder (82) und Wandabschnitt fließende Kühlmittel auf die Feder (82) unter Ausbildung eines Anpreßdruckes gegen den Brennstab (12) wirkt, wobei der Anpreßdruck von der Geschwindigkeit des Kühlmittelflusses abhängt.

2. Kernelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (82) einstückig aus dem den Wandabschnitt (84) bildenden Teil eines Gitterstreifens (38-42) durch Herausbiegen geformt ist, so daß eine Öffnung (96) im Wandabschnitt entsteht, die eine Kühlmittelströmung in den benachbarten Zellbereich entlang der Feder und durch die Öffnung (96) zuläßt.

3. Kernelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstütznoppen (76) einstückig durch Ausprägen an den Gitterstreifen (38- 42) ausgebildet sind.

4. Kernelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstreifen (38-42) derart miteinander verbunden sind, daß eine Struktur des Abstandsgitters mit einer sechseckigen Außenkontur entsteht, wobei die im Abstandsgitter durch die Verbindung der Gitterstreifen (38-42) ausgebildeten Zellbereiche dreieckig sind.

5. Kernelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandbereich eines dreieckigen Zellbereiches von nur einem Abschnitt eines Gitterstreifens gebildet wird.

6. Kernelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten der Gitterstreifen mit Laschen (44) versehen sind, welche in entsprechende Öffnungen (46) am äußeren Gitterstreifen (48) eingreifen.

7. Kernelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Gitterringen (50) über das Abstandsgitter (36) verteilt vorgesehen ist, und daß Durchflußrohre durch diese Gitterringe zur Verbindung der einzelnen Abstandsgitter (36) verlaufen.

8. Kernelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß entlang dem Basisbereich der Feder (82) ein Schlitz (94) vorgesehen ist, mit welchem die Federkraft einstellbar ist und der ferner zur Aufteilung der Kühlmittelströmung dient.

9. Kernelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernelement aus folgenden Teilen besteht: einer oben liegenden 8 tützplatte (16); einem oberen Gitterwerk (18); einer Vielzahl von mittleren Gitterwerken (20 a); einem unteren Gitterwerk (22); einer unten liegenden Stützplatte (24); einer Einlaßdüse (14), welche mit der unten liegenden Stützplatte fest verbunden ist; einer Vielzahl von Blendscheiben (34), welche zwischen der unteren Stützplatte (24) und der Einlaßdüse (14) angeordnet sind; einer Vielzahl von Stützstäben (26), welche durch das untere Gitterwerk, die mittleren Gitterwerke und das obere Gitterwerk verlaufen und mit der unteren und der oberen Stützplatte fest verbunden sind, wobei diese Stützstäbe gleichzei­ tig als Strömungskanäle für einen Kühlmittelstrom dienen können; und einer Vielzahl von Abstandsrohren (32), welche zwischen den einzelnen Gitterwerken auf den Stützrohren (26) angeordnet sind, um diese auf einem bestimmten vorgegebe­ nen Abstand zu halten.

10. Kernelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsrohre (32) bezüglich ihrer Achsausrichtung gekrümmt sind, damit diese zumindest im oberen, unteren und gegebenenfalls im mittleren Abschnitt an dem Stützrohr anliegen und dieses derart abstützen, daß durch den Kühlmittel­ strom ausgelöste Vibrationen den Brennstab nicht beschädigen können.

11. Kernelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Einlaßdüse und der unteren Stützplatte ein Dispersionsrohr­ abschnitt vorgesehen ist, welcher der Ausrichtung des Kühlmittelflusses dient.

12. Kernelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des Kernelementes ein Greifrand (100) angeordnet ist, der zum Festhalten des Kernelementes bei der Handhabung dient.