DE4218480A1 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Kernreaktorbrennelement ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 34 01 630 bekannt.

Bei diesem bekannten Kernreaktorbrennelement sind die Innenstege des gitterförmigen Abstandhalters langgestreckt und streifenförmig. Diese Innenstege sind an beiden Enden jeweils an der Innenseite eines Außensteges befestigt. Die Maschenwände der Maschen sind an diesen Innenstegen durch zu den Stäben parallele Biegekanten ausgeformt. Jeweils zwei dieser Innenstege stoßen unter Ausbildung der Maschen flach aneinander.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Kernreaktorbrennelement weiterzubilden und geringere Fertigungstoleranzen für die Maschen des gitterförmigen Abstandhalters zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat ein Kernreaktorbrennelement der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Der zweite Innensteg mit dem an seiner Biegekante be­ festigten ersten Innensteg ist ein verhältnismäßig kleines Basiselement für den Aufbau des gitterförmigen Abstand­ halters. Dieses Basiselement kann vorab unter sehr genauer Einhaltung der Sollabmessungen hergestellt werden. Eine Reihe solcher vorab hergestellter Basiselemente werden schließlich zum gitterförmigen Abstandhalter zusammenge­ setzt. Hierbei wirkt sich eine Abweichung eines Basis­ elements von seinen Sollabmessungen nur lokal in einem kleinen Bereich des gitterförmigen Abstandhalters aus und setzt sich nicht über den gesamten gitterförmigen Abstand­ halter fort. Dies bedeutet, daß in diesem gitterförmigen Abstandhalter ein vorgegebener Sollabstand von Stäben des Kernreaktorbrennelements untereinander sehr genau einge­ halten werden kann.

Patentanspruch 2 ist auf eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Kernreaktorbrennelements gerichtet, durch die Fertigung des gitterförmigen Abstandhalters erleichtert wird.

Patentanspruch 3 ist auf eine vorteilhafte Ausbildung ge­ richtet, durch die der Druckverlust in einem das Kernre­ aktorbrennelement in Längsrichtung der Stäbe durchströmen­ den Kühlmittel verringert wird.

Gegenstand des Patentanspruchs 4 ist eine vorteilhafte Ausbildung, die ebenfalls zu einer Herabsetzung des Druck­ verlusts in einem in das Kernreaktorbrennelement in Längsrichtung der Stäbe durchströmenden Kühlmittel führt.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in Draufsicht die Kontur eines gitterförmi­ gen Abstandhalters in einer zu den Brennstäben eines er­ findungsgemäßen Kernreaktorbrennelements rechtwinkligen Bezugsebene.

Fig. 1a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1.

Fig. 2 und 2a zeigen in Draufsicht und vergrößert ein Basiselement für den Abstandhalter nach Fig. 1.

Fig. 2b zeigt eine Seitenansicht des Basiselements nach Fig. 2 und 2a in Richtung des Pfeils b in Fig. 2a und

Fig. 2c zeigt eine Seitenansicht dieses Basiselements in Richtung des Pfeils c in Fig. 2a.

Fig. 3 bis 11 zeigen in Draufsicht und vergrößert wei­ tere Basiselemente III bis XI für den gitterförmigen Ab­ standhalter nach Fig. 1.

Fig. 12 zeigt in Draufsicht eine andere Ausführungsform eines Basiselements für einen gitterförmigen Abstandhal­ ter.

Ein Kernreaktorbrennelement mit einem gitterförmigen Ab­ standhalter, dessen Kontur in Fig. 1 dargestellt ist, weist zwei Halteplatten auf, zwischen denen sich min­ destens ein derartiger Abstandhalter befindet. Ein Halte­ stab 2, dessen Längsachse die beiden zueinander parallelen Halteplatten unter einem Winkel von 90° durchdringt, ist an jedem Ende jeweils an einer dieser beiden Halteplatten befestigt. Dieser Haltestab 2 - in der Regel ein an beiden Enden offenes Metallrohr - durchgreift eine Masche des gitterförmigen Abstandhalters mit der Kontur nach Fig. 1. Dieser Abstandhalter ist beispielsweise zwischen zwei Hülsen, die fest außen am Haltestab 2 sitzen, an diesem Haltestab 2 formschlüssig gehaltert. Ferner sind nebenein­ ander und sowohl zueinander als auch zum Haltestab 2 parallele, mit Abstand voneinander angeordnete, Kernbrenn­ stoff enthaltende Brennstäbe 3 vorgesehen. Jeder dieser Brennstäbe 3 ist durch eine Masche des Abstandhalters mit der Kontur nach Fig. 1 geführt und in dieser Masche mit Hilfe einer Anlagefeder kraftschlüssig gehaltert, die den betreffenden Brennstab 3 radial gegen zwei starre Anlage­ noppen jeweils an zwei Maschenwänden in dieser Masche preßt.

Die Brennstäbe 3, von denen jeder im wesentlichen aus ei­ nen mit Kernbrennstoff gefüllten Hüllrohr aus einer Zirko­ niumlegierung besteht, das an beiden Enden gasdicht ver­ schlossen ist, brauchen daher an keiner der beiden Halte­ platten befestigt zu sein, sondern sie haben in ihrer Längsrichtung Spiel zwischen den beiden Halteplatten und können sich daher in axialer Richtung d. h. in Längsrich­ tung des Kernreaktorbrennelements frei ausdehnen.

Der gitterförmige Abstandhalter, der in einer zum Halte­ stab 2 und zu den Brennstäben 3 rechtwinkligen Bezugsebene (Zeichenebene) die in Fig. 1 dargestellte Kontur hat, hat hochkant angeordnete Außenstege aus Blech. Diese Außenste­ ge bilden in der Kontur in der Bezugsebene die gleich langen Seiten 4 eines regelmäßigen Außensteg-Sechsecks.

An den Maschenwänden von inneren Maschen 9 des gitterför­ migen Abstandhalters sind dessen Außenstege nicht betei­ ligt, sondern die Maschenwände dieser inneren Maschen 9 sind ausschließlich von hochkant angeordneten Innenstegen aus Blech gebildet.

Diese Innenstege aus Blech bilden Basiselemente mit Drauf­ sichten entsprechend den Fig. 2 bis 7 und 11. Wie die Fig. 2a bis 2c anhand des Basiselements 11 nach Fig. 2 zeigen, hat ein solches Basiselement einen ersten Innen­ steg 6 und einen zweiten Innensteg 7, der eine zum Halte­ stab 2 und den Brennstäben 3 parallele Biegekante o auf­ weist.

Diese Biegekante o befindet sich in der Mitte zwischen den beiden ebenfalls zum Haltestab 2 und den Brennstäben 3 parallelen Seitenkanten 7a und 7b des zweiten Innenstegs 7. An dieser Biegekante o bildet der zweite Innensteg 7 auf der einen Seite einen Winkel von 120° und auf der anderen Seite einen Winkel von 240°. An der Seite, an der der Innensteg 7 einen Winkel von 240° bildet, befindet sich der flache erste Innensteg 6 und durchgreift den zweiten Innensteg 7 an der Biegekante o mit zwei Zungen, die voneinander Abstand haben und die an der ersten zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seitenkante 6a des ersten Innen­ stegs 6 ausgebildet sind. Auf der Seite des zweiten Innen­ stegs 7, auf der dieser den Winkel von 120° bildet, sind die beiden Zungen, die sich an der ersten Seitenkante 6a des ersten Innenstegs 6 befinden, unter Ausbildung von Schweißnähten 8 am zweiten Innensteg 7 festgeschweißt.

Auf der Seite, auf der der zweite Innensteg 7 den Winkel von 120° ausbildet, ist am Oberende und am Unterende des zweiten Innenstegs 7 in der Mitte zwischen dessen erster zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seitenkante 7a und der Biegekante o je ein starrer Anlagenoppen 7c für einen Brennstab 3 herausgeprägt. Zwei diesen starren Anlagenop­ pen 7c entsprechende starre Anlagenoppen 7d sind ferner auf der anderen Seite des zweiten Innenstegs 7, auf der dieser zweite Innensteg 7 den Winkel von 240° bildet, in der Mitte zwischen der zweiten zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seitenkante 7b und der Biegekante o herausge­ prägt. Je einer dieser beiden starren Anlagenoppen 7c be­ findet sich am Oberende und am Unterende des zweiten Innenstegs 7.

Schließlich ist auf einer Seite des ersten Innenstegs 6 in der Mitte zwischen Ober- und Unterende dieses ersten Innenstegs 6 eine Zungenfeder 6c als Anlagefeder für einen Brennstab 3 herausgestanzt und befindet sich im Winkelraum zwischen dem ersten Innensteg 6 und dem Teil des zweiten Innenstegs 7 zwischen Biegekante o und Seitenkante 7a.

Die Basiselemente III bis VII nach XI nach den Fig. 3 bis 7 und nach Fig. 11 weisen ebenfalls zwei Innenstege 6 und 7 auf, von denen der eine Innensteg 7 eine zu den Stäben 2 und 3 parallele Biegekante o hat. An dieser Bie­ gekante o bildet auch dieser Innensteg 7 auf der einen Seite einen Winkel von 120° und auf der anderen Seite ei­ nen Winkel von 240°. Ansonsten sind diese beiden Innenste­ ge gleich angeordnet und in gleicher Weise aneinander be­ festigt wie die Innenstege 6 und 7 des Basiselements II nach Fig. 2. Von diesem Basiselement II nach Fig. 2 unterscheiden sich diese Basiselemente III bis VII und XI aber durch eine andere Verteilung von Zungenfedern ent­ sprechend der Zungenfeder 6c und starrer Anlagenoppen ent­ sprechend den starren Anlagenoppen 7c und 7d auf die bei­ den Innenstege 6 und 7.

Bildet bei einem Basiselement II nach Fig. 2, VI nach Fig. 6, VII nach Fig. 7 und XI nach Fig. 11 einer der beiden Innenstege 6 und 7 eine Maschenwand zwischen zwei äußeren Maschen 10, so ist der Abstand der zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seitenkante, mit der dieser Innensteg an der Innenseite eines Außenstegs festzuschweißen ist, von der vom Innensteg 7 gebildeten Biegekante o des betreffen­ den Basiselements entsprechend größer als der Abstand der beiden anderen zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seitenkan­ ten dieses Basiselements, die jeweils in einer Ecke eines regelmäßigen Innensteg-Sechsecks befindlich an zwei Sei­ tenkanten von Innenstegen zweier anderer Basiselemente festzuschweißen sind.

Ferner hat der eine am anderen Innensteg 7 festgeschweißte Innensteg 6 der Basiselemente VI und XI weder starre An­ lagenoppen noch eine Zungenfeder, sondern ist beiderseits glatt und flach, während ein solcher am anderen Innensteg 7 festgeschweißter Innensteg 6 beim Basiselement VII nach Fig. 7 zwischen Oberende und Unterende eine herausge­ stanzte Zungenfeder als Anlagefeder für einen Brennstab 3 aufweist. Der Innensteg 7 der Basiselemente VI und XI mit der Biegekante o weist zwischen dieser Biegekante o und einer der beiden zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seiten­ kante nicht nur zwei in die gleiche Richtung herausgepräg­ te starre Anlagenoppen auf, sondern zwischen diesen beiden starren Anlagenoppen auch eine in die entgegengesetzte Richtung herausgestanzte Zungenfeder als Anlagefeder für einen Brennstab 3.

Die Basiselemente III nach Fig. 3 und IV nach Fig. 4 ha­ ben Innenstege, von denen, wie Fig. 1a besonders deut­ lich zeigt, einer eine Wölbung um eine zu den Stäben 2 und 3 parallele Richtung mit zu diesen Stäben 2 und 3 paralle­ len Mantellinien jeweils in Richtung von zwei starren An­ lagenoppen aufweist, von denen sich jeweils einer am Ober- und am Unterende des Basiselements auf der Wölbung erhebt. Diese beiden starren Anlagenoppen haben dadurch geringere Höhe als die starren Anlagenoppen z. B. des Ba­ siselements II nach Fig. 2 und setzen dementsprechend auch einem Kühlmedium, das den gitterförmigen Abstandhal­ ter nach Fig. 1 rechtwinklig zur Bezugsebene und damit zur Zeichenebene durchströmt, geringeren Widerstand ent­ gegen. Beim Basiselement III nach Fig. 3 und beim Basis­ element IV nach Fig. 4 befindet sich die Wölbung mit den beiden starren Anlagenoppen jeweils zwischen der Biege­ kante o und einer der beiden zu den Stäben 2 und 3 paral­ lelen Seitenkante des Innenstegs 7 an diesem Innensteg 7.

Die Basiselemente VIII bis X nach den Fig. 8 bis 10 sind einfache Einzelstege, die entweder eine Zungenfeder entsprechend der Zungenfeder 6c des Basiselements II oder je zwei starre Anlagenoppen wie die starren Anlagenoppen 7c oder 7d des Basiselements II oder weder eine Zungen­ feder noch Anlagenoppen aufweisen. Der Abstand der beiden zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seitenkanten dieser Einzelstege voneinander ist etwas größer als der Abstand der entsprechenden beiden Seitenkanten des Innenstegs 6 des Basiselements II nach Fig. 2, da diese Einzelstege ebenfalls an der Innenseite eines Außenstegs festge­ schweißt werden sollen.

Zur Herstellung des gitterförmigen Abstandhalters nach Fig. 1 werden zunächst die Basiselemente II bis XI nach den Fig. 2 bis 11 hergestellt und anschließend wie in Fig. 1 dargestellt innerhalb der Kontur des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks mit den Seiten 4 unter Ausbildung der inneren Maschen 9 mit der Maschenkontur von regelmäßigen Innensteg-Sechsecken mit gleicher Seitenlänge sowie der äußeren Maschen 10 angeordnet. Auf die Innenseite von Außenstegen stoßende Innenstege treffen auf die betreffen­ de Innenseite unter einem Winkel von 90°. Nach dem Ver­ schweißen der Seitenkanten der Innenstege der Basiselemen­ te in den Ecken der Innensteg-Sechsecke und an der Innen­ seite der Außenstege ergibt sich ein gitterförmiger Ab­ standhalter, bei dem ein eine Maschenwand zwischen einer ersten und einer zweiten Masche bildender erster Innen­ steg mit einer seiner zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seitenkanten an einer zu den Stäben 2 und 3 parallelen Biegekante o befestigt ist, die sich jeweils in einer Ecke eines regelmäßigen Innensteg-Sechsecks zwischen zwei wei­ teren, von einem zweiten Innensteg gebildeten Maschenwän­ den befindet, von den die eine Maschenwand der ersten und die andere Maschenwand der zweiten Masche zugeordnet ist. In den anderen Ecken der Innensteg-Sechsecke sind jeweils drei Innenstege jeder an einer zu den Stäben 2 und 3 parallelen Seitenkante miteinander verschweißt.

An den hochkant angeordneten Außenstegen sind starre An­ lagenoppen 4a für Brennstäbe 3 zur Innenseite der Außen­ stege hin herausgeprägt. Diese starren Anlagenoppen 4a ragen in äußere Maschen 10 des gitterförmigen Abstandhal­ ters, die mindestens eine von einem Außensteg gebildete Maschenwand haben. Die auf die Innenseiten der Außenstege treffenden Innenstege bilden zu äußeren Maschen 10 gehö­ rende Maschenwände, die auf die Innenseite des betreffen­ den Außenstegs unter einem Winkel von 90° treffen.

Das Basiselement nach Fig. 12, in der gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 und Fig. 2a bis 2c haben, sind nicht nur Wölbungen 7e mit zu den Stäben 2 und 3 parallelen Mantellinien um eine zu den Stäben parallele Richtung in Richtung von starren Anlagenoppen 7c und 7d vorgesehen, die sich auf der betreffenden Wölbung erheben, sondern auf einer derartigen Wölbung 6e kann sich auch eine Zungenfeder 6c als Anlagefeder für einen Brennstab 3 erheben. Auf diese Weise setzen nicht nur die starren Anlagenoppen 7c und 7d, sondern auch die Zungenfeder 6c einem rechtwinklig zur Zeichenebene strömenden Kühlmedium geringen Widerstand entgegen.

Claims (5)

1. Kernreaktorbrennelement mit nebeneinander und zuein­ ander parallel, mit Abstand voneinander angeordneten Stäben, von denen wenigstens einer ein Kernbrennstoff ent­ haltender Brennstab ist und die durch jeweils eine Masche eines gitterförmigen Abstandhalters geführt sind, sowie mit folgenden Merkmalen:

• a) der gitterförmige Abstandhalter hat hochkant angeord­ nete Außenstege aus Blech, die in einer zu diesen Stäben rechtwinkeligen Bezugsebene die Kontur eines regelmäßigen Außensteg-Sechsecks bilden,
• b) der gitterförmige Abstandhalter hat innere Maschen, deren Maschenwände von innerhalb dieser Kontur hoch­ kant angeordneten Innenstegen aus Blech gebildet sind,
• c) die Ecken der Maschenkontur aller inneren Maschen des gitterförmigen Abstandhalters bilden in der zu den Stäben rechtwinkligen Bezugsebene die Ecken von re­ gelmäßigen Innensteg-Sechsecken, die alle gleiche Seitenlänge haben,
• d) der gitterförmige Abstandhalter hat äußere Maschen, die mindestens eine von einem Außensteg gebildete Maschenwand und zwei weitere auf einen Außensteg an dessen Innenseite stoßende, je von einem Innensteg gebildete Maschenwände aufweist,

dadurch gekennzeichnet,
daß ein eine Maschenwand zwischen einer ersten und einer zweiten Masche bildender erster Innensteg (6) mit seiner ersten zu den Stäben parallelen Seitenkante (6a) an einer zu den Stäben (2; 3) parallelen Biegekante (o) befestigt ist, die sich in einer Ecke eines regelmäßigen Innensteg-Sechsecks zwischen zwei weiteren, von einem zweiten Innensteg (7) gebildeten Maschenwänden befindet, von denen die eine Maschenwand der ersten und die andere Maschenwand der zweiten Masche zugeordnet ist,
daß die zweite zu den Stäben (2; 3) parallele Seitenkante des ersten Innenstegs (6) und die beiden zu den Stäben (2; 3) parallelen Seitenkanten (7a) und (7b) des zweiten Innenstegs (7) eine Gruppe von drei Seitenkanten bildet,
daß zwei der drei Seitenkanten aus dieser Gruppe jeweils an zu den Stäben (2; 3) parallelen, in einer Ecke eines regelmäßigen Innensteg-Sechsecks befindlichen Seitenkanten zweier weiterer Innenstege und die dritte Seitenkante aus dieser Gruppe entweder ebenfalls an zu den Stäben (2; 3) parallelen, in einer Ecke eines regelmäßigen Innensteg- Sechsecks befindlichen Seitenkanten zweier weiterer Innen­ stege oder an der Innenseite eines Außenstegs befestigt sind.

2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden auf einen Außensteg an dessen Innenseite stoßen­ den, jeweils von einem Innensteg gebildeten Maschenwände der äußeren Maschen (10) auf die Innenseite des Außenstegs unter einem Winkel von 90° treffen.

3. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maschenwand eine Wölbung (7e) mit zu den Stäben (2; 3) paralleler Mantellinien um eine zu den Stäben (2; 3) parallele Richtung in Richtung einer sich auf der Wölbung erhebenden starren Anlagenoppe (7c, 7d) für einen Stab (3) aufweist.

4. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maschenwand eine Wölbung (6e) mit zu den Stäben (2; 3) parallelen Mantellinien um eine zu den Stäben (2; 3) parallele Richtung aufweist und daß sich auf der Wölbung (6e) eine Anlagefeder (6c) für einen Stab (3) erhebt.