DE4003830A1 - Abstandshalter fuer brennelemente von kernreaktoren und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abstandshalter für Brenn­ elemente von Kernreaktoren, insbesondere für höher konvertieren­ de Kernreaktoren der Bauart Fortschrittlicher Druckwasserreaktor, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Vergleich zu normalen Wasserreaktoren wie Siedewasserreaktoren oder Druckwasserreaktoren, sind die an sich schon hohen Anfor­ derungen an die Präzision und Maßhaltigkeit der Abstandshalter von Brennelementen bei sogenannten Fortschrittlichen Druck­ wasserreaktoren noch vergrößert. Diese sind durch ein sehr kleines Verhältnis von Kühlmittel, zugleich Moderator, zu Brennstoff gekennzeichnet. Der unter der Abkürzung FDWR bekannte Fortschrittliche Druckwasserreaktor gehört zur Gruppe der untermoderierten Reaktoren; sein Konversionsfaktor ist größer als derjenige des normalen Druckwasserreaktors. Der Kon­ versionsfaktor ist definiert als das Verhältnis der entstehenden thermisch spaltbaren Kerne zu den verlorengehenden thermisch spaltbaren Kernen. Bei H₂O-moderierten Druckwasserreaktoren beträgt er ca. 0,55. Der Konversionsfaktor beim FDWR liegt zwischen diesen 0,55 und etwa 1. Beim Reaktortyp der schnellen Brutreaktoren wird bekanntlich ein Konversionsfaktor erreicht, der größer als 1 ist, so daß Spaltmaterial erbrütet wird.

Die Erfindung geht davon aus, daß bei einem sehr kleinen Ver­ hältnis von Kühlmittel (Moderator) zu Brennstoff und bei rea­ listischen Abständen zwischen jeweils zwei Stäben der Brenn­ elemente für die Brennstabbündel der Brennelemente ein Drei­ eckgitter bzw. eine hexagonale Gittergrundstruktur gewählt werden muß. Die Schlüsselweite eines solchen Brennelementes leitet sich aus der Steuer- und Abschaltelementverteilung und der bevorzugt zum Einsatz kommenden Antriebe für die Steuer­ elemente, sogenannte Klinkenschrittheber, ab. Eine günstige Schlüsselweite für die Brennelemente ist z.B. ca. 200 mm. Der Druckverlust über ein solches FDWR-Brennelement liegt mit ca. 4 bar deutlich über demjenigen eines Standard-Druckwasserreaktors.

Der Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, einen Ab­ standshalter der eingangs definierten Art zu schaffen, welcher insbesondere für solche Kernreaktoren geeignet sein soll, die im Vergleich zu Standard-Druckwasserreaktoren ein verkleinertes Kühlmittel-(Moderator) /Spaltstoffatom-Verhältnis aufweisen, d.h., insbesondere für den FDWR-Typ, grundsätzlich aber auch für schnelle Brutreaktoren, wobei die Standard-Wasserreaktoren, wie SWR oder DWR, nicht ausgeschlossen sein sollen. Der Abstandshalter nach der Erfindung soll insbesondere die folgen­ den Eigenschaften aufweisen:

• - In Achsrichtung und senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit;
• - einen geringen Strömungswiderstand haben;
• - kostengünstig zu fertigen sein;
• - den Brennstab derart zentriert führen, daß während des Betrie­ bes keine Zwangskräfte auf ihn ausgeübt werden bzw. auch keine sogenannten Rattermarken auftreten können.

Ferner soll der neue Abstandshalter grundsätzlich für die Befe­ stigung an Steuerstabführungsrohren geeignet sein.

Durch die GB-PS 13 86 424 ist ein gattungsgemäßer Abstandshalter bekannt, wobei allerdings auf die bevorzugte Anwendung bei höher konvertierenden Kernreaktoren nicht hingewiesen ist, welcher aus zwei zueinander beabstandeten Teil-Abstandshaltern besteht. Bei diesen beiden Teil-Abstandshaltern, welche aus wellenförmigen Gitterblechstreifen zusammengesetzt sind, sind jeweils Gittermaschen weggelassen, so daß ein solcher Teilab­ standshalter einen Brennstab nur an zwei Abstützstellen führen würde. Der zweite Teil-Abstandshalter, der eine gleichartige Gitterstruktur aufweist, ist dann um 180° gegenüber dem ersten Teilabstandshalter verdreht montiert, so daß sich nun für jeden der Brennstäbe die über seinen Umfang verteilten Abstützstellen, in diesem Falle vier pro Brennstab ergeben. Durch diesen Aufbau soll eine besonders gute Nachgiebigkeit des Gesamt-Abstandshal­ ters gegenüber den Brennstäben erreicht werden und trotzdem eine präzise Führung, ohne daß Zwangskräfte auftreten. Durch die Herstellung von zwei Teil-Abstandshaltern ist aber der fertigungs- und montagetechnische Aufwand verhältnismäßig groß. Außerdem ergibt sich, daß dort, wo die wellenförmigen Gitter­ blechstreifen miteinander an einander zugewandten Streifenstücken verbunden sind, die doppelte Wanddicke der betreffenden Gitter­ maschen gegeben ist; das bedeutet, daß über den Querschnitt des Abstandshalters gesehen die Wanddicke der Gitterblechstreifen teilweise einfach, teilweise in doppelter Dicke vorhanden ist. Das hierdurch bedingte, bei Neutronenfluenz und Wärmeentwick­ lung ungleichförmige Wärmedehnungsverhalten wird vermutlich durch die "Weichheit" der beiden Teil-Abstandshalter zum Teil abgemildert, ist aber wegen des erhöhten Aufwandes, wie oben erläutert, nicht wünschenswert. Die partielle Doppelwandstruk­ tur vergrößert weiterhin den Strömungswiderstand in Achsrichtung.

Demgegenüber soll im Sinne der oben angegebenen Aufgabenstellung der Abstandshalter nach der Erfindung in Achsrichtung und quer dazu eine hohe Steifigkeit aufweisen, so daß Teil-Abstandshal­ ter nicht erforderlich sind, trotzdem soll die Brennstabführung und -zentrierung präzise und ohne die Gefahr des Auftretens von Zwangskräften sein, und auch der Strömungswiderstand soll gerin­ ger sein. Insgesamt sollen Fertigung und Montage kostengünstiger sein.

Ausgehend von der gattungsgemäßen Bauform eines Abstandshalters, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definiert ist, wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Abstandshalters nach einem der vorgenannten Patentansprü­ che 1 bis 15, wie es im Patentanspruch 16 und - in bevorzugten Ausführungsformen - in den weiteren Verfahrensansprüchen 17 bis 22 beschrieben ist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß der Abstandshalter sowohl in Achsrichtung als auch quer dazu eine hohe Steifigkeit aufweist und trotzdem für eine präzise Führung und Zentrierung der Brennstäbe ohne das Ent­ stehen von Zwangskräften während des Betriebes Sorge getragen ist, und dies bei relativ engem Brennstabraster. Die Wanddicke der Gitterblechstreifen ist überall gleich, damit auch das Wärmedehnungsverhalten gleichförmig. Der Aufbau ist fertigungs­ gerecht, weil das Grundmaterial Blechstreifen aus korrosions­ beständigem Stahl oder Ni-Basislegierungen sind. Das Verbinden der in ihrer Wanddicke um die Hälfte reduzierten "Trapezrücken" Rücken an Rücken miteinander ist auf einfache Weise möglich. Es bieten sich z.B. folgende Verfahren an: Punktschweißen oder Längsnahtschweißen oder Hochtemperaturlötung. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die Nähte im Bereich der Doppelstreifenstücke mittels Laserstrahlschweißens von beiden Stirnseiten des Abstands­ halters her durchzuführen, indem der Laserstrahl längs des Spal­ tes zwischen den beiden Rücken an Rücken liegenden Streifenstücken geführt wird. Die so gebildete hexagonale Grundstruktur der in­ neren Gittermasche wird dann auf einfache Weise zum Abstands­ halter mit äußeren bzw. Randgittermaschen komplettiert, indem die Umfangsblechstreifen, vorzugsweise in Form mehrerer über den Umfang des Abstandshalters verteilter Umfangsblechstreifen- Stücke, mit den nach außen weisenden Schenkeln der nach außen offenen Fünfecke bzw. Vierecke der äußeren Gittermaschen ver­ bunden werden. In den sechs Ecken des insgesamt ein praktisch regelmäßiges Sechseck bildenden Abstandshalters sitzen dann, wenn das Brennelement-Skelett gefertigt wird, die Skelettstäbe, welche mit den Streifenstücken und Umfangsblechstreifen dieser ungleichseitige Vielecke bildenden Eckzellen durch Schweißen, insbesondere durch Punktschweißen, verbunden werden. Die federnden Abstützstellen innerhalb der Gittermaschen werden bevorzugt durch Federstege gebildet, welche durch Material­ schlitzung und Ausbiegung der entsprechenden Blechstreifen­ partien gewonnen werden.

Im folgenden werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sowie einer Abwandlung die Erfindung sowie weitere ihrer Merkmale und Vorteile näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Abstandshalter nach der Erfindung in Draufsicht, wobei in den sechs Ecken seiner hexagonalen Gitter­ struktur die Umrisse der Skelettstäbe und in einer seiner Gittermaschen der Querschnitt eines Brennsta­ bes eingezeichnet sind;

Fig. 2 die Ansicht II aus Fig. 1 auf den Teil des Innenumfangs einer Gittermasche;

Fig. 3 den Schnitt nach der Schnittebene III-III aus Fig. 2 durch ein Doppelstreifenstück;

Fig. 4 die Einzelheit des in Fig. 1 mit B 15 bezeichneten trapez­ wellenförmigen Blechstreifens in Draufsicht;

Fig. 5 den Aufriß des Blechstreifens nach Fig. 4;

Fig. 6 den Schnitt nach der Schnittebene VI-VI aus Fig. 4 durch ein den Trapezgrund bildendes Streifenstück mit Abstütz­ noppen;

Fig. 7 den Schnitt nach der Schnittebene VII-VII durch ein einen Trapezschenkel bildendes Streifenstück, ebenfalls mit Abstütznoppen;

Fig. 8 den Schnitt längs der Schnittebene VIII-VIII durch einen einen Federsteg aufweisenden Trapezschenkel;

Fig. 9 die Einzelheit des in Fig. 1 mit B 10 bezeichneten Umfangs­ blechstreifen-Stückes in Draufsicht;

Fig. 10 den zu Fig. 9 gehörigen Aufriß, welcher zugleich die Ansicht X nach Fig. 1 darstellt, weshalb an die beiden Enden des dargestellten Umfangsblechstreifen-Stückes angrenzende weitere Umfangsblechstreifen-Stücke im Ausschnitt angedeu­ tet sind;

Fig. 11 die Einzelheit des in Fig. 1 mit UB 12 bezeichneten Umfangs­ blechstreifen-Stückes, welches in Abweichung vom Streifen­ stück B 10 keine Abstütznoppen, sondern Federstege aufweist;

Fig. 12 den zu Fig. 11 gehörigen Aufriß;

Fig. 13 den Schnitt längs der Schnittebene XIII-XIII aus Fig. 11 durch einen ausgewölbten Federsteg;

Fig. 14 einen Querschnitt längs der Schnittebene XIV-XIV durch den besagten Federsteg;

Fig. 15 einen Querschnitt durch den Abstandshalter nach Fig. 1 in einer relativ schlanken Bauform in natürlicher Größe zur Demonstration, mit welch geringem Querschnitt ein solcher Abstandshalter gebaut werden kann, und

Fig. 16 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels eines Abstands­ halters nach Fig. 1 bis 14, bei welcher dreieckwellen­ förmige Blechstreifen durch S- bzw. Z-förmige sowie durch trapezförmige Verbindungsblechstreifen zu einer entsprechenden Gitterstruktur verbunden sind.

Der Abstandshalter nach Fig. 1 ist für Brennelemente von Kern­ reaktoren geeignet, insbesondere für die Brennelemente höher konvertierender Kernreaktoren der Bauart "Fortschrittlicher Druck­ wasserreaktor" (FDWR). Er dient zur Halterung von achsparallel mit Abstand zueinander ausgerichteter Brennstäbe FR, von denen einer mit seinem Querschnitt und seiner Längsachse z innerhalb der Gittermasche M 1, zentriert an drei Abstützstellen N gehalten ist. Die übrigen Brennstäbe FR sind innerhalb der Gittermaschen des Abstandhalters lediglich durch ihre Längsachsen z angedeu­ tet. Der dargestellte Abstandshalter gehört zu einem im wesent­ lichen hexagonal strukturierten (nicht dargestellten) Brenn­ element und ist demgemäß auch selbst im wesentlichen hexagonal strukturiert, wie es weiter unten noch erläutert wird.

Über den Umfang des jeweiligen Brennstabes FR sind wenigstens drei Abstützstellen N verteilt, welche untereinander nicht auf einem gemeinsamen Durchmesser liegen und vorzugsweise gleich­ mäßig über den Umfang verteilt sind und von denen wenigstens eine Abstützstelle, nämlich N 3, federnd ausgebildet ist. Die anderen beiden mit N 1 und N 2 bezeichneten sind als ausgeprägte Abstütznoppen ausgeführt. Die Brennstäbe FR sind von als Ganzes mit M bezeichneten sechseckigen bzw. wabenförmigen Gittermaschen umgeben. Die Gittermasche des detaillierter dargestellten Brenn­ stabes FR ist mit M 1 bezeichnet. Vom Brennstab ist die Brennstab­ hülle fr 1, üblicherweise aus einer Zirkonlegierung bestehend, und das Brennstabinnere aus einem Spaltstoff fr 2 (oder aus einem Brutstoff oder aus einer Mixtur beider bestehend) angedeutet.

Die Brennstäbe FR sind an den als Ganzes mit N bezeichneten Ab­ stützstellen von den Vorsprüngen N 1, N 2 und N 3 der Gittermaschen tangiert und zentriert mit federelastischer seitlicher Ausweich­ möglichkeit geführt. Bevorzugt liegen die beiden Abstütznoppen N 1, N 2 und der als Federsteg N 3 ausgeführte Vorsprung auf Radien, welche gegeneinander um einen Umfangswinkel von 120° verdreht sind. Die federelastische Abstützung an wenigstens einer Abstütz­ stelle N ist deshalb wichtig, damit sich während des Betriebes unter Neutronenfluenz und Wärmeeinwirkung, wenn sich der Abstands­ halter und die Brennstäbe dehnen, keine Zwangskräfte entstehen können. Über die Länge eines Brennelementes werden mehrere Ab­ standshalter nach Fig. 1 axial zueinander beabstandet vorge­ sehen, so daß die zwischen dem Außenumfang der Brennstäbe und dem Innenumfang der Gittermaschen M bzw. dem Außenumfang der benach­ barten Brennstäbe bestehenden Kühlmittelspalte während des Betriebes genau eingehalten werden.

Wie man sieht, hat der Abstandshalter eine hexagonale Grund­ struktur seiner Gittermaschen M, die dadurch gebildet ist, daß trapezwellenförmige Gitterblechstreifen, die als Ganzes mit B bezeichnet sind, an einander zugewandten Streifenstücken b mit­ einander verbunden sind, ferner mit äußeren Umfangsblechstreifen, als Ganzes mit UB bezeichnet, verbunden sind, und schließlich - zumindest mittelbar - mit einer Stützkonstruktion in Form von in den sechs Ecken E 1 bis E 6 des Brennelementes bzw. des dar­ gestellten Abstandshalters angeordneten Skelettstäben SR 1 bis SR 6 verbunden sind. Die Verbindung kann generell durch Schweißen oder Hochtemperaturlöten erfolgen. Die in Fig. 1 gezeigte Grund- bzw. Querschnittsfläche des Abstandshalters kann man sich in eine innere Zone hexagonaler innerer Gitter­ maschen, als Ganzes mit Mi bezeichnet und eine um diese innere Zone herumgelegte Ringzone äußerer Gittermaschen Ma unterteilt denken, welch letzterer sich zusammensetzt aus nach außen offe­ nen ungleichseitigen Fünfecken 5 bzw. Vierecken 6 (in den sechs Eckbereichen E 1 bis E 6), deren Außenseite durch die Umfangs­ bleche UB geschlossen sind, vgl. zu den beiden inneren und äußeren Gitterzonen auch Fig. 14.

Man erkennt aus Fig. 1 und der Einzelheit nach Fig. 4, daß die Wanddicke der einander zugekehrten Streifenstücke b, b benachbarter Gitterblechstreifen B im Vergleich zur Wanddicke der übrigen einfachen Streifenstücke a jeweils um die Hälfte reduziert ist, so daß die resultierende Wanddicke der Doppel­ streifenstücke b, b und die Wanddicke der Einfachstreifenstücke a der Gittermaschen M einander gleich sind. Diese Bauanweisung gilt zumindest für die Zone der inneren Gittermaschen Mi; im dargestellten Ausführungsbeispiel ist aber auch die Zone der äußeren Gittermaschen Ma in diese Bauanweisung einbezogen. Das hat den Vorteil, daß die Gitterblechstreifen B sich bis zum Rand des Abstandshalters hindurch erstrecken können, also eine einheitliche Bauweise ermöglicht ist.

Die Bezugszeichen in Fig. 1 sind so vergeben, daß jeder der Gitterblechstreifen B, sofern er eine individuelle Ausbildung hat, auch ein eigenes Bezugszeichen hat. B 1 ist ein im Eckbe­ reich E 1 angeordneter, zu einem offenen Trapez gebogener Blech­ streifen mit einer dünneren Wand b (Basis) und den beiden nor­ mal starken Schenkeln a, a. B 2 ist der dazu benachbarte Gitter­ blechstreifen, welcher drei Trapezwellen aufweist und im Be­ reich seiner drei Trapezbasen entsprechende dünnere Wände b.

Der B 2 benachbarte nächste Gitterblechstreifen B 3 ist noch länger, er hat fünf Trapezwellen mit fünf wanddickenreduzierten Trapez­ basen b. Die längsten Gitterblechstreifen sind diejenigen, die mit B 14, B 15, B 4, B 5, B 13 und B 16 bezeichnet sind. Diese sechs Gitterblechstreifen weisen alle fünf vollständige Trapezwellen mit entsprechend fünf wanddickenreduzierten Trapezbasen b auf, wobei die jeweils benachbarten Gitterblechstreifen mit ihren wanddickenreduzierten Basen b Rücken an Rücken aneinanderliegen und an ihrem Doppelwandbereich miteinander zu Doppelstreifen- Stücken metallisch fest verbunden sind, und zwar durch eine der Verbindungsarten: a) Punktschweißen an wenigstens zwei Stellen 1, 2 am oberen und unteren Bereich der Streifenstücke (vgl. Fig. 3) oder b) durch großflächige Hochtemperaturlötung (nicht darge­ stellt) oder durch c) Anbringen von Schweißnähten. Letztere könnten (1) sowie die Punktschweißstellen 1, 2 flächig angebracht werden oder (2) es könnten die beiden wanddickenreduzierten Blechstreifenstücke durch Einwirkung eines Schweißstrahls hoch­ kant auf die Trennfuge zwischen beiden aneinanderliegenden Wand­ teilen zusammengeschweißt werden, z.B. mittels Elektronenstrahl­ schweißens oder Laserschweißens. Dies hat den Vorteil, daß die Doppelwand nach oben und nach unten hermetisch dicht ist. Zusätz­ lich zu (a) könnten, wenn eine vollständige Dichtheit erwünscht ist, auch noch Schweißnähte mit einem Schweißstrahl erzeugt werden, welcher in Richtung der Pfeile 3 und 4 (siehe Fig. 1) über die Höhe des Abstandshalters geführt werden müßte, also gemäß Methode (c 2).

Der durchgehende Umfangsblechstreifen UB (Fig. 1) ist aus sechs miteinander verbundenen Umfangsblechstreifen-Stücken zu­ sammengesetzt, welche - sofern sie individuell gestaltet sind - mit einem gesonderten Bezugszeichen UB 9 bis UB 12 versehen sind. Die am Umfangsblechstreifen UB unmittelbar anliegenden äußeren Gittermaschen Ma sind zum Ausfüllen des Raumes, der zwischen dem Außenumfang der an ihre Innenseite angrenzenden hexagonalen Gitterstruktur (innere Gittermaschen Mi) und dem Innenumfang des Umfangsblechstreifens UB gebildet ist, mit ihren Blechstreifen als ungleichseitige offene Fünfecke 5 ausgebildet bzw. - im Bereich der Skelettstäbe SR 1 bis SR 6 - als ungleichseitige offene Vierecke 6, wobei die offene Außenseite der Vierecke 6 durch eine konvex gekrümmte, sich an den jeweiligen Skelettstab SR 1-SR 6 anschmiegende Eckpartie 7 des jeweiligen Umfangsblech­ streifens UB geschlossen ist.

Fig. 1 zeigt in Verbindung mit Fig. 4, 5 sowie 9 und 10, daß die nach außen weisenden Blechstreifen-Schenkel a 1 (einfache Wand) bzw. b 1, b 1 (Doppelwand) der äußeren Gittermaschen Ma mit zahnförmigen Ansätzen 8 in angepaßste Schlitze 9 der Umfangs­ blechstreifen UB (hier UB 10) greifen und im Schlitz-Zahn-Bereich 8/9 eine thermisch-metallische Verbindung in Form von Schweiß­ nähten 10 angebracht ist (siehe insbes. Fig. 10). Auch eine Hochtemperaturlötung wäre als thermisch-metallische Verbindung im Schlitz-Zahn-Bereich 8/9 geeignet.

Aus Fig. 10 geht auch die Verbindung der Umfangsblechstreifen UB bzw. der Umfangsblechstreifen-Stücke UB 9 bis UB 12 miteinander hervor. Es wäre grundsätzlich möglich, einen einzigen Umfangs­ blechstreifen UB mit einer Stoßstelle vorzusehen; fertigungs­ technisch vorteilhafter ist aber die Unterteilung in mehrere Umfangsblechstreifen-Stücke. Hierzu sind Randzungen 11 an einem Ende der Umfangsblechstreifen-Stücke und durch Vertiefungen ge­ bildete Taschen 12 zur Aufnahme der benachbarten Randzungen so ineinandergreifend ausgebildet, daß sich eine nach außen im wesentlichen glatte Oberfläche eines umlaufenden, das Abstands­ haltegitter Mi, Ma umfassenden Umfangsblechstreifens UB ergibt. Zungen 11 und Taschengrund 12.1 sind dann im fertigen Zustand (wie dargestellt) thermisch-metallisch durch Punktschweißen im oberen und unteren Bereich der Zungen 11 (siehe Punktschweiß­ stellen 13) verbunden. Statt dessen könnten auch entsprechende Schweißnähte vorgesehen sein oder eine großflächige Verbindung durch Hochtemperaturlöten.

Wie bereits erwähnt, ist jeder der sechs Seiten des in Fig. 1 dargestellten Abstandshalters je ein Umfangsblechstreifen-Stück zugeordnet, wobei die Ausführung UB 9 und UB 10 je zweimal vor­ handen sind und ferner je eine Ausführung UB 11 und UB 12. Die unterschiedlichen Ausführungsformen ergeben sich dadurch, daß diese Stücke entweder Abstütznoppen N 1 oder Federstege N 3 auf­ weisen und dadurch, an welchen Stellen diese Abstütznoppen N 1 bzw. Federstege N 3 angebracht sind. Bei der in Fig. 1 darge­ stellen Ausführung mit sechs Umfangsblechstreifen-Stücken hat jedes der Streifenstücke an seinem einen Ende eine gekrümmte Eckpartie 7 mit wenigstens einer Zunge 11 und an seinem anderen Ende wenigstens eine, die Zunge des benachbarten Streifenstückes aufnehmende Tasche 12 (vgl. dazu auch Fig. 9 bis 12). Man er­ kennt aus Fig. 1, daß der Überlappungsbereich Zunge - Taschen­ grund 11-12.1 sich zumindest größtenteils in einem Zwickel­ bereich 14 der unregelmäßigen Vierecke 6 befindet, welch letzere den Skelettstab SR umgreifen und an ihrer Außenseite durch die bogenförmig gekrümmte, sich an den Skelettstab anschmiegende Eckpartie 7 der Umfangsblechstreifen-Stücke geschlossen sind. Der Außenumfang des Abstandshalters ist mithin nicht haargenau hexagonal, jedoch angenähert. Die besondere Ausbildung der Ab­ stützstellen sei für die Gitterblechstreifen zunächst anhand der Fig. 1 bis 8 erläutert. Wie bereits erwähnt, sind vom Innenumfang der jeweiligen Gittermasche M bzw. Mi, Ma radial einwärts vorspringend an den Gitterblechstreifen B (bzw. wie noch erläutert an den Umfangsblechstreifen-Stücken) drei gegen­ seitig um ca. 120° versetzte Abstütz-Anordnungen vorgesehen, wovon zwei, nämlich N 1, N 2, als kalottenartige ausgeprägte Ab­ stütznoppen und wovon eine, nämlich N 3, als durch Materialschlit­ zung und Ausbiegung gewonnener einwärts gewölbter Federsteg ausgebildet sind. Dabei wird der jeweilige Brennstab FR (vgl. Fig. 1) zur Ermöglichung einer geringfügigen federelastischen lateralen Ausweichbewegung vom Federsteg N 3 unter elastischer Deformation des letzteren spielfrei und zentriert gegen die Ab­ stütznoppen N 1, N 2 gehalten. Mit N 1 sind jeweils die Abstütz­ noppen im Bereich eines einfachen Streifenstückes a bzw. a 1 und mit N 2 die Abstütznoppen im Bereich eines Doppelstreifenstückes b, b bezeichnet.

Fig. 2, 3 und 5 bis 7 zeigen, daß die Abstütznoppen N 1, N 2 in wenigstens zwei zueinander axial beabstandeten achsqueren Abstütz­ ebenen 15-15 bzw. 16-16 angeordnet sind.

Fig. 2, 5, 8 und 14 zeigen, daß die Federstege N 3 durch jeweils zwei achsparallel zum Brennstab und parallel zueinander verlau­ fende Einschnitte 17 und durch Ausprägen des an beiden Enden 18 angewachsenen Steges N 3 gebildet sind, wobei der am Federsteg N 3 angeordnete, in Richtung auf den Brennstabumfang vorspringen­ de und an diesem anliegende Abstützbereich 19 etwa nur ein Zehntel bis ein Fünftel der Federsteglänge ausmacht (im darge­ stellten Falle ein Achtel). Außerdem ist die Außenkontur der Federstege N 3 nach außen, wie dargestellt, abgerundet, so daß eine Beschädigung der Oberfläche des Brennstabes beim Einfügen durch Riefen oder dergleichen ausgeschlossen ist.

Beim Umfassungsblech UB bzw. seinen Stücken UB 9 bis UB 12 sind die Abstützstellen entsprechend ausgebildet, wie es Fig. 9 bis 13 zeigen. Bei Betrachtung von Fig. 1 erkennt man, daß von den äußeren Gittermaschen Ma nicht alle den Typ N 2 der Abstütz­ noppen aufweisen, sondern stattdessen sind rein kalottenförmi­ ge bzw. kugel-kalottenförmige Abstütznoppen vorgesehen, welche an die Stelle der im übrigen Gitterverband üblichen etwas brei­ teren Abstütznoppen N 1 treten. Diese besondere Form ist dadurch begründet, daß die Achsen der Kalotten N 1.1 nicht radial zur Mitte des zugehörigen Brennstabes weisen. Damit aber trotzdem eine punktförmige Tangierung zwischen Kalotte und Brennstab- Außenumfang ermöglicht ist, wurde diese Kugelkalottenform ge­ wählt, bei der also keine Abflachung an der Kalottenspitze so wie beim Typ N 1 oder N 2 vorgesehen ist. Diese Kalottenform geht auch aus Fig. 9 und 10 hervor, und in Fig. 10 sind auch die beiden Niveauebenen 15-15 und 16-16 für die Kalotten eingezeich­ net, die hier genauso wie bei den Gitterblechstreifen vorge­ sehen sind. Fig. 11 bis 14 zeigen ein Umfangsblechstreifen- Stück UB 12 aus Fig. 1, bei dem anstelle der Abstütznoppen Feder­ stege N 3 vorgesehen sind. Da hier die Ausbildung der Federstege N 3 analog zu derjenigen bei den Gitterblechstreifen ist (vgl. Fig. 4 bis 8), so sind auch die gleichen Bezugszeichen ver­ wendet, und eine nähere Erläuterung erübrigt sich hier.

Die in Fig. 16 im Ausschnitt dargestellte Abwandlung des erläuterten Abstandshalters weist dreieckwellenförmig verlaufen­ de Blechstreifen B auf, wobei jeweils zwei im Abstand einer Dreiecksseite c in jeweils zwei zueinander parallelen Fluchten 20-20 angeordnete Dreieck-Gitterblech-Streifen B mit ihren gegenüberliegenden Dreieckspitzen 21 und 22 abwechselnd auf­ einander zu- bzw. voneinander wegweisen. Zur metallisch festen Verbindung dieser Gitterblechstreifen B* miteinander sind Ver­ bindungsblechstreifen 23 des ersten Typs (Z-förmig), 24 des zweiten Typs (S-förmig) und 25 eines dritten Typs (trapezförmig) vorgesehen. Diese Verbindungsblechstreifen sind mit drei zuein­ ander um 120° abgewinkelten, in den hexagonalen Gitterraster passenden Teilstreifen versehen, deren Mittelteil 23.1 bzw. 24.1 die fehlende Sechseckseite der hexagonalen Gittermaschen bildet und deren Schenkel zu den wanddickenreduzierten Doppel­ streifenstücken b, b gehören. Auch der trapezförmige Verbindungs­ blechstreifen 25 bildet mit seinem mittleren Bereich 25.1 (Tra­ pezbasis) eine fehlende Sechseckseite. Der Gitteraufbau nach Fig. 16 erfordert allerdings mehr Schweiß- bzw. Lötoperationen als der Gitteraufbau nach Fig. 1 bis 14, weil der Anteil der Doppelstreifenstücke wesentlich erhöht ist. Ob eine Ausführung nach Fig. 16 mit einer Ausführung nach Fig. 1 gemessen am Fertigungsaufwand konkurrenzfähig wäre, hinge vom Automatisie­ rungsgrad der Schweißvorgänge ab.

Bei der Herstellung eines Abstandshalters nach dem ersten Aus­ führungsbeispiel und - sinngemäß auch bei der Abwandlung nach Fig. 15 - wird vorteilhafter Weise so vorgegangen, daß die Gitterblechstreifen B, B zunächst, wo notwendig, mit ihren Abstütznoppen und Federstegen versehen und anschließend in ihre Wellenform gebracht werden. Daran anschließend wird das Streifen­ material derjenigen Streifenstücke, die innerhalb der Gitter­ struktur Doppelstreifenstücke bilden, auf der brennstababge­ wandten Rückenseite auf die Hälfte seiner ursprünglichen Wand­ dicke abgetragen. Dieser Abtragvorgang kann durch Schleifen, Fräsen oder durch erosive Bearbeitung erfolgen, d.h., mittels elektrochemischen Senkens oder durch funkenerosive Bearbeitung (ECM bzw. EDM-Verfahren). Die so vorbereiteten Gitterblech­ streifen werden nun im Bereich der Doppelstreifen-Stücke b, b metallisch fest miteinander verbunden, so daß sich die Struktur der inneren Gittermaschen Mi und diejenige der äußeren Gitter­ maschen Ma bis auf deren noch offene Außenseiten ergibt. Zur Vorbereitung des Schweißvorganges werden die vorbereiteten Gitter­ blechstreifen in einer Spannvorrichtung so eingespannt, daß die Doppelstreifenstücke b Rücken an Rücken satt aufeinanderliegen. Zur Durchführung der metallisch festen Verbindung dieser Rücken an Rücken anliegenden wanddickenreduzierten Streifenstücke zu Doppelstreifen-Stücken b, b wird vorteilhafterweise eine der folgenden Verbindungsarten gewählt (wie bereits oben erläutert): Punktschweißen an wenigstens zwei Stellen am oberen und unteren Bereich der Streifenstücke, Anbringen von Schweißnähten oder größerflächige Hochtemperaturlötung. Zum Anbringen von Schweiß­ nähten gehört auch das Elektronenstrahl- oder das Laserstrahl- Schweißen. Als nächster Arbeitsgang werden schließlich die vor­ bereiteten, d.h. mit ihren Federstegen bzw. Abstütznoppen sowie mit Schlitzen, Randzungen und Taschen versehenen und in Anpas­ sung an die Kontur der einzufügenden Skelettstäbe SR 1 bis SR 6 gebogenen Umfangsstreifen-Stücke UB mit den nach außen weisen­ den Schenkeln a 1 bzw. b 1, b 1 der äußeren Gittermaschen und mit­ einander zusammengefügt und metallisch fest verbunden. Auch hierbei kann zur metallisch festen Verbindung der Randzungen der einen Umfangsstreifen-Stücke mit dem Taschengrund der ande­ ren Umfangsstreifen-Stücke ein Punktschweißverfahren angewendet werden, wie es anhand der Fig. 10 bereits erläutert wurde. Grundsätzlich könnten aber auch die übrigen vorerwähnten Schweiß­ verfahren oder eine Hochtemperaturlötung zweckmäßig sein.

Als Material für die Gitterblechstreifen B und die Umfangsblech­ streifen UB sind korrosions- und temperaturbeständige sowie neu­ tronenflußresistente, schweiß- und hochtemperaturlötbare Stahl- oder Zirkonlegierungen geeignet. Dazu gehört die Nickellegie­ rung Inconel 718 (NiCr 19 NbMo) - vor allem für die Hochtempera­ turlötung geeignet - oder Zirkonium-Legierungen, unter der Be­ zeichnung Zirkaloy bekannt, - insbesondere zum Verschweißen geeignet - . Ferner gehören dazu schweißbare austenitische Stähle, z.B. nach DIN 4550, 4551, 4986, um nur einige zu nennen.

Claims (22)

1. Abstandshalter für Brennelemente von Kernreaktoren, insbe­ sondere für höher konvertierende Kernreaktoren der Bauart Fort­ schrittlicher Druckwasserreaktor, zur Halterung von achsparallel mit Abstand zueinander ausgerichteten Brennstäben (FR) des Brennstabbündels eines im wesentlichen hexagonal strukturierten Brennelementes, wobei eine hexagonale Grundstruktur der Gitter­ maschen (M, M 1, Mi, Ma) des jeweiligen Abstandshalters dadurch gebildet ist, daß trapez- oder dreieckwellenförmige Gitterblech­ streifen (B) an einander zugewandten Streifenstücken (b, b) miteinander metallisch fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand­ dicke der einander zugekehrten Streifenstücke (b, b; b 1, b 1) benachbarter Blechstreifen (B) im Vergleich zur Wanddicke der übrigen einfachen Streifenstücke (a, a 1) jeweils um die Hälfte reduziert ist, so daß die resultierende Wanddicke der Doppel­ streifenstücke (b, b; b 1, b 1) und die Wanddicke der Einfach­ streifenstücke (a, a 1) der Gittermaschen (M, M 1, Mi, Ma) einander gleich sind.

2. Abstandshalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens drei über den Innenumfang der jeweiligen Gittermasche (M, M 1) verteilte Abstützstellen (N), welche über den Außenumfang des jeweils in die Gittermasche einzufügenden Brennstabes (FR) verteilt sind und welche untereinander nicht auf einem Durchmesser liegen, wobei von den Abstützstellen (N) wenigstens eine (N 3) federnd ausgebildet ist.

3. Abstandshalter nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere Abstands­ halter über die Länge des Brennelementes verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß äußere Gittermaschen (Ma) mit Umfangsblechstreifen (UB) und mit einer Stützkonstruktion in Form von in den Ecken des Brennelementes angeordneten Skelettstäben (SR) metallisch fest verbunden sind.

4. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die am Um­ fangsblechstreifen (UB) unmittelbar anliegenden äußeren Gitter­ maschen (Ma) zum Ausfüllen des Raumes, der zwischen dem Außen­ umfang der an ihre Innenseiten angrenzenden hexagonalen Gitter­ struktur (Mi) und dem Innenumfang des Umfangsblechstreifens (UB) gebildet ist, mit ihren Blechstreifen als ungleichseitige offene Fünfecke (5) bzw. - im Bereich der Skelettstäbe - als ungleichseitige offene Vierecke (6) ausgebildet sind, wobei die offene Außenseite der Vierecke (6) durch eine konvex gekrümmte, sich an den jeweiligen Skelettstab anschmiegende Eckpartie (7) des Umfangsblechstreifens (UB, UB 9-UB 12) geschlossen ist.

5. Abstandshalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur metallisch festen Verbindung der zu den äußeren Gittermaschen (Ma) gehörenden nach außen weisenden Blechstreifen-Schenkel (a 1) mit den Umfangsblechstreifen (UB, UB 9-UB 12) die Blech­ streifen-Schenkel mit zahnförmigen Ansätzen (8) in Schlitze (9) der Umfangsblechstreifen greifen und im Schlitz-Zahn-Bereich eine thermisch-metallische Verbindung durch Schweißen oder Hochtemperaturlöten angebracht ist.

6. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sein Umfangsblechstreifen (UB, UB 9-UB 12) an wenigstens einer Stoßstelle mittels einander überlappender Randzungen (11) und durch Vertiefungen gebildeter Taschen (12) so ineinandergrei­ fend ausgebildet ist, daß sich eine außen im wesentlichen glatte Oberfläche eines umlaufenden, das Abstandshaltegitter umfassenden Umfangsblechstreifen (UB) ergibt, und daß Zungen (11) und Taschengrund (12.1) thermisch-metallisch durch Schweißen oder Hochtemperaturlöten miteinander verbunden sind.

7. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder seiner sechs Seiten ein Umfangsblechstreifen-Stück (UB 9-UB 12) zugeordnet ist und daß die Streifenstücke an ihrem einen Ende die gekrümmte Eckpartie (7) mit wenigstens einer Zunge (11) aufweisen und an ihrem anderen Ende wenigstens eine, die Zunge(n) des benachbarten Streifenstückes aufnehmende Tasche (12).

8. Abstandshalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Über­ lappungsbereich Zunge - Taschengrund (11-12.1) sich zumindest größtenteils in einem Zwickelbereich (14) der unregelmäßigen Vierecke (6) befindet, welch letztere den Skelettstab (SR) um­ greifen und an ihrer Außenseite durch die bogenförmig gekrümmte, sich an den Skelettstab anschmiegende Eckpartie (7) der Umfangsblechstreifen-Stücke (UB 9-UB 12) geschlossen sind.

9. Abstandshalter nach einem der Anspruche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter- Blechstreifen (B, B 1- B 8, B 13- B 16) trapezwellenförmig ver­ laufen und von den so gebildeten abwechselnd in die eine oder die entgegengesetzte Richtung offenen Trapezen die Trapezbasen (b) benachbarter Gitter-Blechstreifen in ihrer Wanddicke re­ duziert sind und Rücken an Rücken als Doppelstreifenstücke (b, b) aneinander liegen.

10. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter- Blechstreifen unter Zugrundelegung gleichseitiger Dreiecke dreieckwellenförmig verlaufen und jeweils zwei im Abstand einer Dreiecksseite in zwei zueinander parallelen Fluchten (20, 20) angeordnete Dreieck-Gitterblech-Streifen (B) mit ihren gegen­ überliegenden Dreieckspitzen (21, 22) abwechselnd aufeinander zu bzw. voneinander weg weisen und daß Verbindungsblechstreifen (23, 24, 25) mit drei zueinander um 120° abgewinkelten, in den hexagonalen Gitterraster passenden Teilstreifen vorgesehen sind, deren Mittelteil (23.1, 24.1, 25.1) jeweils die fehlende Sechseckseite bildet und deren Schenkel zu den wanddickenredu­ zierten Doppelstreifenstücken (b, b) gehören.

11. Abstandshalter nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsblechstreifen (25) die Gestalt offener Trapeze haben.

12. Abstandshalter nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsblechstreifen als S-oder Z-förmige Dreieckwellen-Streifenstücke (23, 24) ausgebildet sind.

13. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vom Innen­ umfang der jeweiligen Gittermasche radial einwärts vorspringend an den Gitterblechstreifen bzw. an den Umfangsblechen drei gegenseitig um ca. 120° versetzte Abstütz-Anordnungen vorgesehen sind, wovon zwei als kalottenartige ausgeprägte Abstütznoppen (N 1, N 11; N 2) und eine als durch Materialschlitzung und Aus­ biegung gewonnener einwärts gewölbter Federsteg (N 3) ausge­ bildet sind, wobei der Brennstab (FR) zur Ermöglichung einer geringfügigen federelastischen lateralen Ausweichbewegung vom Federsteg (N 3) unter elastischer Deformation des letzteren spielfrei und zentriert gegen die Abstütznoppen (N 1, N 11; N 2) gehalten ist.

14. Abstandshalter nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstütznoppen N 1, N 11; N 2) in wenigstens zwei zueinander axial beabstandeten achsqueren Abstützebenen (15-15; 16-16) angeordnet sind.

15. Abstandshalter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Federstege (N 3) durch jeweils zwei achsparallel zum Brennstab und parallel zueinander verlaufende Einschnitte (17) und durch Ausprägen des an beiden Enden angewachsenen Steges gebildet sind, wobei der am Feder­ steg (N 3) angeordnete, in Richtung auf den Brennstabumfang vorspringende und an diesem anliegende Abstützbereich (19) etwa nur ein Zehntel bis ein Fünftel der Federsteglänge ausmacht.

16. Verfahren zur Herstellung eines Abstandshalters nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeich­ net,

• - daß die Gitterblechstreifen (B, B 1- B 8, B 13- B 16) zunächst wellenförmig gebogen werden, nachdem sie vorher - wo not­ wendig - mit ihren Abstütznoppen (N 1, N 11; N 2) und Feder­ stegen (N 3) versehen worden sind,
• - daß daran anschließend das Streifenmaterial derjenigen Streifen­ stücke, die innerhalb der Gitterstruktur (M) Doppelstreifen­ stücke (b, b) bilden, auf der brennstababgewandten Rücken­ seite auf die Hälfte seiner ursprünglichen Wanddicke abge­ tragen wird,
• - daß dann die so vorbereiteten Gitterblechstreifen im Bereich der Doppelstreifen-Stücke (b, b) metallisch fest miteinander verbunden werden, so daß sich die Struktur der inneren Gittermaschen (Mi) ergibt und die äußeren Gittermaschen (Ma) bis auf ihre noch offenen Außenseiten entstehen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vorbereitete, d.h. mit ihren Feder­ stegen (N 3) oder Abstütznoppen (N 1, N 11; N 2) sowie mit Schlitzen (9), Randzungen (11) und Taschen (12) versehene und in Anpassung an die Kontur der einzufügenden Skelettstäbe (SR, SR 1-SR 6) gebogene Umfangsstreifen-Stücke (UB, UB 9-UB 12) mit den nach außen weisenden Schenkeln (a 1) der äußeren Gittermaschen (Ma) und miteinander zusammengefügt und metallisch fest verbunden werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material-Abtragen bei den zur Bildung der Doppelstreifen-Stücke (b, b) vorgesehenen Streifen­ stücken (b) durch Schleifen erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 16 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material-Abtragen durch Fräsen erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material-Abtragen mittels elektro­ chemischen Senkens oder durch funkenerosive Bearbeitung (ECM- bzw. EDM-Verfahren) erfolgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisch feste Ver­ bindung der Rücken an Rücken anliegenden wanddicken-reduzierten Streifenstücke (b) zu Doppelstreifen-Stücken (b, b) durch eine der folgenden Verbindungsarten erfolgt: Punktschweißen an wenigstens zwei Stellen am oberen und unteren Bereich der Streifenstücke, Anbringen von Schweißnähten oder großflächige Hochtemperaturlötung.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß auch zur metallisch festen Verbindung der Randzungen (11) der einen Umfangsstreifen-Stücke (UB) mit dem Taschengrund (12.1) der anderen Umfangsstreifen- Stücke (UB) punktgeschweißte Verbindungen (13) an wenigstens zwei Stellen im oberen und unteren Bereich der Randzungen (11) hergestellt werden.