DE3619930C2

DE3619930C2 -

Info

Publication number: DE3619930C2
Application number: DE3619930A
Authority: DE
Inventors: Harold Lee San Jose Calif. Us Nelson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-06-20
Filing date: 1986-06-13
Publication date: 1988-12-29
Also published as: JPS628091A; SE8602726L; IT8620822A0; ES8801464A1; SE8602726D0; JPH0463353B2; ES556182A0; IT8620822A1; IT1189570B; DE3619930A1; US4663118A; SE461486B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernbrennstoffelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiges Kernbrennstoffelement ist aus dem VGB-Kernkraftwerks-Seminar 1970, Seiten 88 bis 92, bekannt.

In derartigen Reaktoren sind mehrere Brennstoffstäbe zu einer Gruppe zusammengefaßt und enthalten einen am Ende offenen rohrförmigen Strömungskanal, um ein getrennt herausnehmbares Bündel zu bilden. Eine ausreichende Anzahl von Bündeln ist in einem Feld angeordnet, das einem kreisförmigen Zylinder angenähert ist, um den Reaktorkern zu bilden, der eine Spaltungskettenreaktion aufrecht erhalten kann. Der Kern ist in ein Strömungsmittel eingetaucht, wie beispielsweise leichtes Wasser, das sowohl als ein Kühlmittel als auch ein Neutronenmoderator dient.

Der Strömungskanal ist üblicherweise aus einer Zirkon-Legierung hergestellt (um die Neutronenabsorption zu minimieren), während die Düse üblicherweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist. So mit ist das Anschweißen des Strömungskanals an der Düse als ein Befestigungsverfahren nicht praktikabel.

Wenn der Strömungskanal starr an der Düse befestigt ist (wie durch Schrauben oder Nieten), dann kann die größere Expansion und Kontraktion der aus rostfreiem Stahl bestehenden Düse bei Temperaturänderungen im Vergleich zu dem aus der Zirkon-Legierung bestehenden Strömungskanal ein Biegen und Beanspruchen des unteren Endes des Strömungskanals zur Folge haben.

Die US-PS 43 48 353 beschreibt eine lösbare Verbindung, bei der radiale Ansatzstücke am Strömungskanal in Vertiefungen der Düsen eingreifen, wenn eine äußere Schraubhülse darübergeschoben ist. Dadurch ist eine radiale Relationsbewegung verhindert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Strömungskanal-Düsen-Befestigung zu schaffen, die eine Beanspruchung der Teile bei unterschiedlicher thermischer Expansion im wesentlichen vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auch bei Temperaturänderungen aufgrund der Formgebung der Nuten und der Befestigungsstäbe die Passung trotz unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten erhalten bleibt. Dabei kann der Winkel der Schräge zwischen den Befestigungsstäben und den Nuten in der Düse so gewählt werden, daß die Passung zwischen den Stäben und den Nuten bei Temperaturänderungen von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur in einem Kernreakor beibehalten wird, ohne daß eine Biegung oder Beanspruchung des unteren Endes des Kanals auftritt.

Wenn sich der Kanal, die Befestigungsstäbe und die Düse mit steigender Temperatur ausdehnen, wird die größere Expansion der Düse einfach durch eine Bewegung der Befestigungsblöcke weiter in die Nuten hinein aufgenommen, wobei ein Anfangsspielraum zwischen den Stirnflächen der Blöcke und den Bodenflächen der Nuten vorgesehen ist, um eine derartige Bewegung zu gestatten.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht von einem Brennstoffbündel mit der Befestigung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine auseinandergezogene, isometrische Teilansicht des Strömungskanals und der Düse.

Fig. 3 ist eine detaillierte Schnittansicht der Befestigungsanordnung.

Wie in der Längsschnittansicht gemäß Fig. 1 gezeigt ist, weist das Brennstoffbündel 11 mehrere langgestreckte Brennstoffstäbe 12 auf, die zwischen einer unteren Stützplatte 13 und einer oberen Stützplatte 14 gehaltert sind. Obwohl es hier nicht gezeigt ist, sind üblicherweise mehrere Abstandshalter für die Brennstoffstäbe zwischen den unteren und oberen Stützplatten angeordnet für eine seitliche Halterung der Brennstoffstäbe 12.

Jeder der Brennstoffstäbe 12 weist ein langgestrecktes Rohr auf, das den spaltbaren Brennstoff enthält, gewöhnlich in der Form von Pellets, die in dem Rohr durch untere und obere Endstopfen 16 und 17 dicht eingeschlossen sind. Die unteren Endstopfen 16 sind mit einem Konus versehen für eine Übereinstimmung und eine Halterung in Halterungskammern 18, die in der unteren Stützplatte 13 ausgebildet sind. Die oberen Endstopfen 17 sind mit Schaften 19 versehen, die mit Halterungskammern 21 in der oberen Stützplatte 14 übereinstimmen.

Mehrere Halterungskammern 18 (beispielsweise ausgewählte Kammern am Rand oder Umfang, wie beispielsweise eine Kammer 18') in der unteren Stützplatte 13 sind mit Gewinde versehen, um Brennstoffstäbe mit schraubbaren unteren Endstopfen aufzunehmen, wie beispielsweise einen Endstopfen 16'. Die Schafte 19' der oberen Endstopfen dieser gleichen Brennstoffstäbe sind langgestreckt, um durch ihre entsprechenden Kammern 21 in der oberen Stützplatte 14 hindurchzuführen, und sie sind mit Gewinde versehen, um Gewindemuttern 22 zur Befestigung aufzunehmen. Auf den Schaften 19 angebrachte Federn 23 drücken die obere Stützplatte 14 nach oben in bezug auf die Brennstoffstäbe 12. Auf diese Weise sind die unteren und oberen Stützplatten und die Brennstoffstäbe zu einer einheitlichen Struktur oder einem Brennstoffbündel zusammengefaßt, wobei die obere Stützplatte 14 mit einem nach oben ragenden Handgriff oder Bügel 20 für eine Handhabung des Brennstoffbündels versehen ist.

Das Brennstoffbündel 11 ist von einem dünnwandigen rohrförmigen Strömungskanal 24 mit einem im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt umgeben, der an seinem oberen Ende offen ist. Das Brennstoffbündel 11 paßt gleitend in den Strömungskanal 24, so daß es einfach eingesetzt und herausgenommen werden kann. An seinem oberen Ende kann der Kanal 24 mit Löchern 25 oder ähnlichem für eine Handhabung versehen sein.

An seinem unteren Ende ist der Strömungskanal 24, wie es im folgenden noch näher erläutert wird, an einer konischen oder abgeschrägten Düse 26 befestigt, die in einen Sockel der unteren Kernhalterungsstruktur (nicht gezeigt) hineinpaßt. Der untere Teil (nicht gezeigt) der Düse ist mit Öffnungen versehen, um unter Druck stehendes Kühlmittel aufzunehmen, das durch die Düse 26 und den Strömungskanal 24 nach oben an den Brennstoffstäben 12 vorbei geleitet wird.

Die Düse 26 ist mit einer Schulter 27 versehen, auf der die untere Stützplatte 13 ruht für eine Halterung des Brennstoffbündels 11. Ein nach oben ragender Rand 28 umgibt die untere Stützplatte 13 und sorgt für eine seitliche Positionierung dieser Platte.

Üblicherweise ist der Strömungskanal 24 aus einem Material mit einem kleinen Neutronenabsorptionsquerschnitt, wie beispielsweise einer Legierung von Zirkon, hergestellt, während die Düse 26 aus einer korrosionsbeständigen Eisen-Legierung hergestellt ist, wie beispielsweise rostfreiem Stahl. Aus praktischen Gründen können diese unterschiedlichen Materialien nicht miteinander verschweißt werden.

Gemäß den Figuren 1 bis 3 sind abgeschrägte bzw. konische Befestigungsstäbe 29 an den innenseitigen unteren Rändern des Kanals 24 befestigt, wobei die Befestigungsstäbe 29 in ähnlich abgeschrägte bzw. konische Nuten 31 passen, die in den außenseitigen Oberflächen der Düse 26 gebildet sind.

Das Material der Befestigungsstäbe 29 ist so gewählt, daß es den gleichen oder einen sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Material des Kanals 24 aufweist.

Üblicherweise sind der Kanal 24 und die Befestigungsstäbe 29 aus einer Zirkon-Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 3,2 · 10^-6 Grad^-1 hergestellt, während der rostfreie Stahl der Düse 26 einen wesentlich größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 9,45 · 10^-6 Grad^-1 hat. Der Temperaturbereich, dem diese Teile unterliegen, variiert von Raumtemperatur bis zu einer Betriebstemperatur im Reaktorkern von 315°C oder mehr.

Wenn die Temperatur ansteigt, dehnt sich der Kanal 24 aus, d. h. die StreckeD _c von der Mittellinie CL _v zur Innenfläche des Kanals 24 wächst. Auch die Breite W der Befestigungsstäbe 29 nimmt zu. Zur gleichen Zeit expandiert die Düse 26 nach außen ein größeres Stück, und die Breite der konischen Nuten 31 wächst um ein größeres Stück.

Wenn der Kanal 24 starr an der Düse 26 angebracht wäre, dann würde die größere Expansion der Düse 26 bewirken, daß das untere Ende des Kanals 24 nach außen gebogen wird, wodurch dieses untere Ende und die Befestigungsschrauben oder -nieten unter Spannung gesetzt werden. Bei der dargestellten Befestigungsanordnung bewegen sich jedoch die konischen Befestigungsstäbe 29 einfach weiter in die schneller expandierenden konischen Nuten 31 hinein, wobei ein Spielraum C vorgesehen ist, um diese Bewegung nach innen zu gestatten.

Bei richtiger Wahl des Schrägwinkels bzw. der Konizität A können sich die Stäbe 29 mehr oder weniger tief in die Nuten 31 bewegen, wenn eine unterschiedliche thermische Expansion auftritt, ohne daß irgendeine Biegung des unteren Endes des Kanals 24 auftritt, wobei die Stäbe 29 fest in die Nuten 31 eingepaßt bleiben.

Der optimale Schrägwinkel ist graphisch in Fig. 1 dargestellt. Ein Teil (die Düse 26) ändert bei thermischer Expansion seine Form entlang Linien (wie beispielsweise den Linien 32 und 33), die von einem Mittelpunkt 34 ausgehen. Somit verändern die Nuten 31 ihre Größe entlang den Linien 32 und 33 und deshalb bilden die Linien 32 und 33 den optimalen Schrägwinkel A, d. h. den Winkel zwischen gegenüberliegenden Schrägflächen der Nuten 31.

Mit anderen Worten wird der Konuswinkel A so gewählt, daß die schräge Oberfläche der Nut 31 auf der einen Seite in der gleichen Ebene leigt wie die schräge untere Oberfläche der Nut 31 auf der gegenüberliegenden Seite der Düse 26.

Zwar hat im üblichen Fall die Düse 26 einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Kanal 24 und die Befestigungsstäbe 29, aber es kann eine beliebige Kombination von unterschiedlichen Materialien verwendet werden.

Mathematisch kann der optimale Schrägwinkel A anhand von Fig. 3 wie folgt ermittelt werden.

Die Änderung der Teilgröße aufgrund einer Temperaturänderung dD ist durch die folgende Beziehung gegeben:

dD = a dT × D (1)

wobei:

a der thermische Ausdehnungskoeffizient ist, dT der Temperaturbereich ist und D die Länge des Teils ist.

Für jeden Punkt P auf der Grenzlinie zwischen dem Stab 29 und der Nut 21 gilt:

darin ist:

Xdas radiale (seitlich von CL _v) thermische Wachstum des Stabes 29,Ydas axiale (vertikal von CL _r) thermische Wachstum des Stabes 29,X'das radiale thermische Wachstum der Düse 26, Y'das axiale thermische Wachstum der Nut 31.

Aus Gleichung (1) folgt:

X =a _z dT D _c X' =a _s dT D _n Y =a _z dT W Y' =a _s dT W

darin ist:

a _z der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Kanals 24 und der Stäbe 29, a _s der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Düse 26, D _c der Abstand von der vertikalen Mittellinie CL _v zur Innenfläche des Kanals 24, D _n der Abstand von der Mittellinie CL _v zur Außenfläche der Düse 26 und W der Abstand von der radialen Mittellinie CL _r zum Punkt P.

Durch Einsetzen in Gleichung (2) wird erhalten:

Unter der Annahme, daß D _n und D _c sich nur unbedeutend unterscheiden, gilt:

D _n angenähert D _c = D

Somit gilt vereinfacht:

In einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verwendung in einem üblichen Siedewasserreaktor sind W = 7,6 mm und D = 66,8 mm.

Dann gilt

Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, können die Befestigungsstäbe 29 an dem unteren Ende des Strömungskanals 24 durch Flachkopfschrauben 36 befestigt sein. Alternativ können Nieten oder Schweißverbindungen für diesen Zweck verwendet werden.

In Fig. 2 sind die Enden der Nuten 31 abgerundet gezeigt, da diese Form aus dem konischen Drehschneidewerkzeug resultiert, das normalerweise zur Herstellung der Nuten 31 verwendet wird. Obwohl es nicht dargestellt ist, können die Enden der Befestigungsstäbe 29 in ähnlicher Weise abgerundet sein, aber in jedem Fall ist die Länge L der Stäbe 29 so gewählt, daß sie etwas kürzer ist (in Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen) als die Länge der Nuten 31. Damit soll gestattet werden, daß die Stäbe 29 ihre natürliche und seitlich unbelastete Position in den Nuten 31 finden.

Gemäß Fig. 2 wird der Kanal 24 dadurch an der Düse 26 montiert, daß die Befestigungsstäbe 29 in den Nuten 31 angeordnet werden, das untere Ende des Kanals 24 über die Stäbe 29 geschoben wird, bis die Schraublöcher fluchtend ausgerichtet sind und dann die Schrauben 36 eingesetzt und festgezogen werden.

Vorstehend wurde eine Strömungskanal-Düsen-Befestigung beschrieben, die bei Temperaturänderungen fest eingepaßt bleibt, ohne daß Beanspruchungen in den Teilen auftreten.

Ein zusätzlicher Vorteil dieser Anordnung ist eine hervorragende Steuerung der Bypaß-Leckageströmung (erläutert in der US-PS 36 97 376). Die einzige offene oder Querschnittsfläche für eine Leckageströmung besteht zwischen der Düse und dem Kanal an den vier Ecken, und diese Fläche bleibt während der Lebensdauer im wesentlichen konstant.

Claims

1. Kernbrennstoffelement mit mehreren Brennstoffstäben (12), die beabstandet in einem Feld auf einer unteren Stützplatte (13) gehalten sind, einer Düse (26) unter der unteren Stützplatte zur Einleitung einer Kühlmittelströmung, einem rohrförmigen Strömungskanal (24), der das Brennstoffstabfeld umgibt, um das Kühlmittel durch das Feld der Brennstoffstäbe zu leiten, wobei das untere Ende des Strömungskanals die Seiten der Düse umgibt, wobei die Düse (26) aus einem Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Kanals (24) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Kanals (24) mit den Seiten der Düse (26) dadurch verbunden ist, daß in den Seiten der Düse mehrere Nuten (31) mit schrägen Seiten ausgebildet sind, in die eine gleiche Anzahl von am Kanal angeordneten Befestigungsstäben (29) mit entsprechend abgeschrägten Seiten und mit Passung eingreifen, wobei die Befestigungsstäbe einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie das Material des Kanals und mit entsprechenden Mitteln an den innenseitigen Oberflächen des unteren Endes des Kanals (24) befestigt sind, und daß der Winkel der Abschrägung der Befestigungsstäbe (29) und der Nuten (31) so gewählt ist, daß die Passung zwischen den Befestigungsstäben und den Nuten auch bei Temperaturänderungen erhalten bleibt, ohne daß eine wesentliche Beanspruchung des unteren Endes des Kanals durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auftritt.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spielraum (C) zwischen den Stirnflächen der Befestigungsstäbe (29) und den Bodenflächen der Nuten (31) vorgesehen ist, damit sich die Stäbe weiter in die Nuten hineinbewegen können, wenn die Temperatur steigt.

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Winkel A der Abschrägung der ineinander passenden Befestigungsteile (29) und Nuten (31) aus der folgenden Beziehung ergibt: wobei:
W die halbe Breite der Nuten und
D die halbe Breite der Düse ist.