DE3622461A1 - Abstandshalter fuer brennstaebe in kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abstandshalter gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Es gibt sehr viele Ausführungsformen von Abstandshaltern, was darauf beruht, daß die Abstandshalter trotz ihres einfa­ chen Aufbaus in vieler Hinsicht sehr hohen Anforderungen ge­ nügen müssen. Die Abstandshalter sollen mit Rücksicht auf das durch das Brennstabbündel längs der Brennstäbe fließen­ den Kühlmittels einen geringen Strömungswiderstand haben, und andererseits sollen sie gute federnde Eigenschaften ha­ ben. Von großer Bedeutung ist auch der Einfluß der Abstands­ halter auf den Neutronenfluß im Brennstabbündel. Es ist schwierig, ein Material zu finden, das gleichzeitig einer­ seits gute elastische Eigenschaften und andererseits einen geringen Einfluß auf den Neutronenfluß hat; denn annähernd alle Materialien, welche einen kleinen Einfluß auf den Neu­ tronenfluß haben, haben zugleich schlechte federnde Eigen­ schaften und sind daher für Abstandshalter nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abstandshal­ ter der eingangs genannten Art zu entwickeln, dessen federn­ den Eigenschaften wesentlich besser sind und über die Zeit erhalten bleiben als bei den bekannten Abstandhaltern dieser Art.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Abstandshalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfin­ dungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ge­ nannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Die auf Zirkonium basierende Legierung ist vorzugsweise eine Zirkonium-Zinn-Legierung. Beispielsweise können die auf Zir­ konium basierenden Legierungen verwendet werden, die unter dem Handelsnamen Zirkaloy 2 and Zirkaloy 4 bekannt sind und 5 deren Legierungsbestandteile innerhalb folgender Grenzen liegen: 1,2-1,7 % Zinn, 0,07-0,24 % Eisen, 0,05-0,15 Chrom, 0-0,08 % Nickel, 0,09-0,16 % Sauerstoff, Rest Zirkonium und Verunreinigungen, wie sie normalerweise in Zirkonium von Reaktorqualität vorkommen.

Zirkaloy 2 enthält 1,2-1,7 % Zinn, 0,07-0,20 % Eisen, 0,05-0,15 % Chrom, 0,03-0,08 % Nickel und 0,09-0,16 % Sauerstoff. Zirkaloy 4 enthält 1,2-1,7 % Zinn, 0,18-0,24 % Eisen, 0,07-0,13 % Chrom und 0,09-0,16 % Sauerstoff. Alle genannten Prozentangaben sind Gewichtsprozent.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 Teil eines umgebenden Tragelements mit Federelemen­ ten,

Fig. 2 ein Federelement,

Fig. 3 ein Tragelement,

Fig. 4 eine aus einem Federelement nach Fig. 2 und zwei Tragelementen nach Fig. 3 aufgebaute "Superzelle",

Fig. 5 und 6 den Zusammenbau von vier Superzellen.

Bei der Benutzung von Abstandshalter, die aus reinem Zirka­ loy bestehen, besteht mit zunehmendem Abbrand die Gefahr des Auftretens eines Spiels und folglich eines Abriebs, bedingt durch die Tatsache, daß die Feder erschlafft und der Brenn­ stabdurchmesser sich durch Schrumpfen verkleinert. Durch die absichtliche Herstellung des Abstandshalters mit einer un­ terschiedlichen Textur des Materials der Federn 2 und der umgebenden Tragkonstruktion 1 kann ein solcher Unterschied im strahlungsbedingten Wachstum erreicht werden, das die Fe­ dern 2 eine beträchtliche Ausbiegungstendenz haben, die ei­ nigen Zehnteln eines Millimeters während der Lebensdauer des Brennstabbündels beträgt. Auf diese Weise kann das Greifen zwischen der Feder und dem Brennstab auch im Falle eines be­ trächtlichen Abbrandes sichergestellt werden. Bis zu einem gewissen Grade kann eine solche Wirkung auch ohne die Durch­ führung spezieller Maßnahmen durch einen gewissen Kaltver­ formungseffekt beim Herauspressen der Feder erreicht werden.

Für einen normal gebauten Zirkaloy-Abstandshalter, bei wel­ chem die Federelemente und die umgebenden Tragelemente aus demselben bandförmigen Material (1, 2) integral hergestellt sind und kreuzweise miteinander verbunden sind, beispiels­ weise zur Herstellung eines Gitters, kann der gewünschte Un­ terschied im Wachstum durch selektive Wärmebehandlung er­ reicht werden, und zwar durch Beta-Abschreckung der halten­ den Tragkonstruktion 1 und durch Alfa+Beta-Abschreckung der Federn 2 bei der niedrigstmöglichen Temperatur. Bei diesem Verfahren kann das Erhitzen durch Strahlung, beispielsweise durch Infrarot- oder Laserstrahlung, durchgeführt werden.

Ein anderes Verfahren zur Erzielung eines Ausbiegungseffekts besteht in der Vornahme einer über den Querschnitt des Fe­ derelementes selektiv verteilten Wärmebehandlung in der Weise, daß die Außenseite des Federelementes eine Alfa+Beta- Struktur bekommt mit einer maximalen Wachstumstendenz und ihre Innenseite eine reine Beta-Struktur mit geringer Wachs­ tumstendenz erhält, vergleichbar mit einer Bimetallfeder.

Bei der Verwendung von getrennten Bandmaterialien können die Federelemente und die Tragelemente durch Wärmebehandlung mit unterschiedlicher Textur versehen werden. Die Federelemente 3 werden aus einem Bandmaterial mit großem Strahlungswachs­ tum hergestellt und mit Durchströmöffnungen 5 sowie mit Auf­ nahmeöffnungen 4 versehen, in welche Vorsprünge 4 a der Hal­ teelemente 6 (Fig. 3) eingreifen. Die Tragelemente 6 haben eine Textur, deren axiales Strahlungswachstum klein ist. Die Tragelemente können aus zwei ausgestanzten Bandteilen (Fig. 3) bestehen, die gekreuzt zueinander zusammengesetzt werden. Auch in die Tragelemente 6 sind Durchströmöffnungen 9 eingestanzt. Die Fixierungsstützen 17 a, 17 b werden dadurch gebildet, daß im oberen und unteren Bereich die in Fig. 3 gezeigten ovalen Schlitze 7 eingestanzt werden und die dadurch entstehenden Stege (17 a, 17 b) aus der Ebene des Bandmaterialrohlings nach der einen bzw. anderen Seite herausgedrückt werden. Die Federelemente 3 werden zu einem geschlossenen Ring gebogen und werden dann mit den innerhalb dieses Ringes angebrachten beiden Tragelementen 6, die ihrerseits kreuzweise miteinander verbunden sind, zu einer "Superzelle" 10 verbunden.

Wenn der Abstandshalter so aufgebaut ist, daß die Feder und die umgebende Tragkonstruktion aus verschiedenem Bandmate­ rial bestehen, so können auch unterschiedliche Walzrichtun­ gen und unterschiedliche Grade der Kaltverformung zur Erzie­ lung des von der Erfindung angestrebten Effektes verwendet werden.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Abstands­ halters 11, die zugleich gute thermohydraulische Eigenschaf­ ten hat. Die Ausführungsform kann als eine Hybridform zwi­ schen der Eierkastenbauweise und der Zellenbauweise verstan­ den werden, in der vier kreuzförmig verbundene Zellen eine größere Einheit 11 bilden. Auch in diesem Falle wird ange­ nommen, daß die Dicke des Flachmaterials (Bandmaterials) 0,7 mm betragen kann, ohne daß der Andruckverlust zu groß wird. Die Fixierungsstützen am oberen und unteren Ende werden nach den Seiten herausgedrückt und erhalten keine versteifende Zwischenstruktur. Die Schlitze 7, die in den Bandmaterial­ rohling 6 zur Bildung der Fixierungsstützen 17 a, 17 b einge­ stanzt werden, haben eine ovale Form, wodurch ein ausgegli­ chener Strömungspfad erreicht wird. Dadurch, daß die vier Superzellen 10 a bis 10 d in axialer Richtung gegeneinander versetzt sind, werden Bereiche mit zweifacher Dicke des Bandmaterials vermieden, und die die Strömung beeinträchti­ genden Hindernisse werden auf verschiedene Ebenen verteilt. Wenn die Zellen axial gegeneinander versetzt angeordnet wer­ den, so erhält man eine Stumpfschweißstelle an der mit 13 bezeichneten Stelle.

Claims (11)

1. Abstandshalter zum Zusammenhalten und Fixierung langer Brennstäbe in Gruppen, die in Brennstabbündel von Kernreak­ toren einschiebbar sind, wobei der Abstandshalter aus einer Zirkonium-Legierung mit niedriger Neutronenabsorption be­ steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter aus Federelementen (2, 3) und diese haltende Tragelementen (1, 6) besteht, wobei dem Material der Federe­ lemente eine Textur verliehen ist, die ein großes axiales Strahlungswachstum hat, und daß dem Material der Tragele­ mente eine Textur verliehen ist, die ein kleines axiales Strahlungswachstum hat.

2. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Federelemente (2) und die die Federelemente haltenden Tragelemente (1) aus einem inte­ gralen Stück Bandmaterial hergestellt sind und daß durch se­ lektive Wärmebehandlung dem Material der Federelemente eine Textur verliehen ist, die von der Textur der Tragelemente (1) verschieden ist und dem Federelement ein axiales Strah­ lungswachstum verleiht, das größer ist als das des Tragele­ ments.

3. Abstandshalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch selektive Wärmebe­ handlung der beiden Seiten der Federelemente (2) dem Mate­ rial des Federelementes auf der einen Seite eine Textur mit einem größeren axialen Strahlungswachstum verliehen wird als dem Material auf der anderen Seite des Federelementes.

4. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Fällen, in denen die Fe­ derelemente (3) und die Tragelemente (6) als selbständige Teile hergestellt sind, die unterschiedliche Textur der Fe­ derelemente einerseits und der Tragelemente andererseits durch Wahl der Walzrichtung des Materials und/oder durch Kaltverformung des Materials herbeigeführt wurde/n, wobei sich dem Walzen oder Kaltverformen eine weitere Wärmebehand­ lung angeschlossen haben kann.

5. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Fällen, in denen die Fe­ derelemente (3) und die Tragelemente (6) als selbständige Teile hergestellt sind, die unterschiedliche Textur der Fe­ derelemente einerseits und der Tragelemente andererseits durch unterschiedliche Wärmebehandlung der Federelemente und der Tragelemente herbeigeführt sind.

6. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Fällen, in denen die Fe­ derelemente (3) und die Tragelemente (6) als selbständige Teile hergestellt sind, die Federelemente mit den sie hal­ tenden Tragelementen verbunden wurden, nachdem zur Erzielung eines unterschiedlichen Strahlungswachstums den Federelemen­ ten durch eine Wärmebehandlung eine Textur verliehen wurde, die von der der sie haltenden Tragelementen verschieden ist.

7. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die aus einem bandförmigen Material hergestellten Tragelemente (1) mit den mit ihnen verbunden Federelementen (2) kreuzweise zur Bil­ dung eines Gitters zum Halten und Fixieren der Brennstäbe zusammengefügt sind.

8. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Federele­ mente (3) aus einem bandförmigen Material hergestellt sind, welches mit ausgestanzten Durchströmungsöffnungen (5) und Abstandsvorsprüngen (15) versehen ist, daß die Tragelemente aus bandförmigem Material hergestellt sind, in welches Durchströmungsöffnungen (9) und Verbindungsschlitze (8) ein­ gestanzt sind und welches mit nach den Seiten herausgeboge­ nen Fixierungsstützen (17 a, 17 b) versehen sind, die mittels weiterer Ausstanzungen (7) gebildet sind, und daß zwei kreuzweise über die Verbindungsschlitze (8) zusammengefügte Tragelemente (6) von einem entsprechend gebogenen Federele­ ment (3) umgeben sind.

9. Abstandshalter nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die weiterer Ausstanzungen (7) zur Schaffung der Fixierungsstützen (17 a, 17 b) eine ovale Form haben.

10. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere der Ab­ standshalter zu einer größeren Einheit (11) zusammengefügt sind.

11. Abstandshalter nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zu einer größeren Einheit (11) zusammengefaßten Abstandshalter zur Verminderung des Strömungswiderstandes in axialer Richtung derart gegeneinan­ der versetzt sind, daß die gemeinsame Verbindungsstelle (13) der Abstandshalter im wesentlichen punktförmig ist.