DE8435919U1

DE8435919U1 - Nuclear reactor fuel element

Info

Publication number: DE8435919U1
Application number: DE8435919U
Authority: DE
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1984-12-07
Filing date: 1984-12-07
Publication date: 1986-11-13

Description

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5 Kernreaktorbrennelement5 Nuclear reactor fuel element

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement mit Kernbrennstoff enthaltenden, zueinander parallelen Brennstäben und zwei in Längsrichtung der Brennstäbe nebeneinander angeordneten Gittern, die hochkant stehende, sich rechtwinklig durchsetzende Blechstege aufweisen, welche Maschen für jeweils einen der Brennstäbe bilden.The invention relates to a nuclear reactor fuel element with fuel rods containing nuclear fuel, arranged parallel to one another, and two grids arranged next to one another in the longitudinal direction of the fuel rods, which have upright sheet metal webs that pass through at right angles and form meshes for each of the fuel rods.

Ein solches Kernreaktorbrennelement ist bereits üblich.In einem Kernreaktor, z.B. Druckwasserkernreaktor$■ eingesetzt heizt es jedoch über seinen Querschnitt gesehen das Kühlmittel im Kernreaktor ungleichmäßig auf. Im Kernreaktor bilden sich also im Kernreaktorbrennelement kältere und heißere Kühlmittelströmungsfäden,so daß unter Umständen gerade die am stärksten aufgeheizten und damit am stärksten belasteten Brennstäbe nicht genügend gekühlt werden.Such a nuclear reactor fuel element is already common. However, when used in a nuclear reactor, e.g. a pressurized water nuclear reactor, it heats up the coolant in the nuclear reactor unevenly across its cross-section. In the nuclear reactor, colder and hotter coolant flow threads are formed in the nuclear reactor fuel element, so that under certain circumstances, the fuel rods that are heated up the most and are therefore most heavily loaded are not cooled sufficiently.

Es sind daher auch Kernreaktorbrennelemente üblich mit sogenannten Verwirbelungsfahnen, die sich an Durchsetzungsstellen von jeweils zwei rechtwinkligen Blechstegen am Austrittsquerschnitt des Gitters befinden. Diese Verwirbelungsfahnen sind mit einem Ende an einem der beiden sich durchsetzenden Blechstege befestigt, ferner sind sie längsgeschlitzt und am Längsschlitz gespreizt. Diese Verwirbelungsfahnen lenken das Kühl-Nuclear reactor fuel elements are therefore also commonly equipped with so-called swirl vanes, which are located at the points where two rectangular sheet metal webs pass through the exit cross-section of the grid. These swirl vanes are attached at one end to one of the two sheet metal webs that pass through them, and are also slotted lengthwise and spread out at the longitudinal slot. These swirl vanes direct the cooling

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mittel um, das zwischen den vier Brennstäben strömt, die sich in den vier Maschen an der Durchsetzungsstelle des Gitters mit der jeweiligen Verwirbelungsfahne befinden. Zur weiteren Vergleichmäßigung der Kühlmitteltemperatur über den Querschnitt des Kernreaktorbrenneleraentes kann zwar durch eine Verdrillung der Verwirbelungsfahnen um ihre Längsrichtung eine Schrauben-Strömung des Kühlmittels ausgebildet werden, die mechanische Belastung solcher verdrillten Verwirbelungsfahnen durch die Reaktionskräfte zur Kühlmittelströmung ist jedoch so stark, daß sie zu einem Abbrechen der Verwirbelungsfahnen vom Gitter führen kann.medium that flows between the four fuel rods that are located in the four meshes at the point where the grid passes through the respective swirl plume. To further even out the coolant temperature across the cross section of the nuclear reactor fuel element, a helical flow of the coolant can be created by twisting the swirl plumes around their length, but the mechanical stress on such twisted swirl plumes due to the reaction forces to the coolant flow is so strong that it can cause the swirl plumes to break off from the grid.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und die Ausbildung einer möglichst langen Schraubenströmung des Kühlmittels innerhalb des Kernreaktorbrennelementes im Kernreaktor zu ermöglichen und zugleich die Stabilität der Gitter des Kernreaktorbrennelementes gegen Reaktionskräfte zu solchen langen Schraubenströmungen zu verbessern.The invention is based on the object of remedying this situation and enabling the formation of the longest possible screw flow of the coolant within the nuclear reactor fuel element in the nuclear reactor and at the same time improving the stability of the grids of the nuclear reactor fuel element against reaction forces to such long screw flows.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Kernreaktorbrennelement der eingangs erwähten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß an zwei in Längsrichtung der Brennstäbe nebeneinander befindlichen Kreuzungsstellen zweier Blechstege der beiden Gitter jeweils ein Ende eines zu den Brennstäben parallelen langgestreckten Blechstreifens befestigt ist, der um seine Längsachse verdrillt, ist.To achieve this object, a nuclear reactor fuel element of the type mentioned at the outset is characterized according to the invention in that at two intersection points of two sheet metal webs of the two grids located next to one another in the longitudinal direction of the fuel rods, one end of an elongated sheet metal strip which is parallel to the fuel rods and is twisted about its longitudinal axis is fastened.

Da die langgestreckten, verdrillten Blechstreifen an beiden Enden durch ein Gitter am Kernreaktorbrennelement gehalten sind, können sie den ReaktionskräftenSince the elongated, twisted metal strips are held at both ends by a grid on the nuclear reactor fuel element, they can withstand the reaction forces

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zu den Schraubenströmungen besser widerstehen. Deshalb können diese verdrillten Blechstreifen auch verhältnismäßig lang ausgeführt sein, so daß dem Kühlmittel am Austrittsgitter der Kühlmittel?trömung ein ganz erheblicher Drall verliehen wird und sich auch eine besonders lange Schraubenströmung des Kühlmittels nach seinem Austritt aus dem Austrittsgitter ausbildet. Dies hat zur Folge, daß die Kühlmittelströmungsfäden innerhalb des Kernreaktorbrennelementes im Kernreaktor noch besser miteinander vermischt werden und die Kühlmitteltemperatur über den Querschnitt des Kernreaktorbrenneleraentes noch mehr vergleichmäßigt wird. Dadurch sind die Voraussetzungen für Leistungserhöhungen der Brennstäbe des Kernreaktorbrennelementes im Kernreaktor verbessert. Wegen der vergleichmäßigten Kühlmitteltemperatur ist auch die Oxidbildung auf der Außenfläche der Hüllrohre der Brennstäbe während der Betriebszeiten im Kernreaktor verringert. to the screw flows better. Therefore, these twisted metal strips can also be made relatively long, so that the coolant is given a very significant swirl at the outlet grille of the coolant flow and a particularly long screw flow of the coolant is formed after it exits the outlet grille. This means that the coolant flow threads within the nuclear reactor fuel element in the nuclear reactor are mixed even better with one another and the coolant temperature is even more evenly distributed across the cross section of the nuclear reactor fuel element. This improves the conditions for increasing the power of the fuel rods of the nuclear reactor fuel element in the nuclear reactor. Due to the evened coolant temperature, the formation of oxide on the outer surface of the cladding tubes of the fuel rods is also reduced during operating times in the nuclear reactor.

Die Montage des Kernreaktorbrennelementes gestaltet sich besonders einfach, wenn in vorteilhafter V/eise der langgestreckte Blechstreifen an seinen beiden Enden einen Längsschlitz aufweist, in dem jeweils die beiden sich kreuzenden Blechstege eines der beiden Gitter angeordnet sind.The assembly of the nuclear reactor fuel element is particularly simple if, in an advantageous manner, the elongated sheet metal strip has a longitudinal slot at both ends in which the two intersecting sheet metal webs of one of the two grids are arranged.

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Ferner ist es für die mechanische Stabilität des langgestreckten Blechstreifens gegen die Reaktionskräfte der Schraubenströmung innerhalb des Kernreaktorbrennelementes günstig, wenn der langgestreckte Blechstreifen an seinen beiden Enden so an den Seitenflächen des gleichen Blechsteges anliegt, daß er durch eine entgegenFurthermore, it is advantageous for the mechanical stability of the elongated sheet metal strip against the reaction forces of the screw flow within the nuclear reactor fuel element if the elongated sheet metal strip rests at both ends on the side surfaces of the same sheet metal web in such a way that it is supported by an opposite

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seinem Verdrillungssinn gerichtete Kraft beiderseits des Längsschlitzes gegen diesen Blechsteg gepreßt wird.The force directed in its twisting direction is pressed against this sheet metal web on both sides of the longitudinal slot.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert:The invention and its advantages are explained in more detail using the drawing of an embodiment:

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht und stark schematisiert ein Kemreaktorbrennelenient· für einen Druckvasser— kernreaktor«'Fig. 1 shows a side view and highly schematic representation of a nuclear reactor fuel element for a pressurized water nuclear reactor.

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Fig. 2 zeigt in Seitenansicht ein Gitter im Kernreaktor-Fig. 2 shows a side view of a grid in the nuclear reactor

brennelement nach Fig. 1.fuel element according to Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Gitter nach Fig. 2.Fig. 3 shows a plan view of the grid according to Fig. 2.

Fig. 4 zeigt etwas verkleinert und in Draufsicht die zwei Gitter nach den Fig. 2 und 3 als Einzelteile.
20Fig. 4 shows, somewhat reduced in size and in plan view, the two grids according to Figs. 2 and 3 as individual parts.
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Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt entsprechend der strichpunktierten Linie Y-V durch die beiden Gitter entsprechend Fig. 4.Fig. 5 shows a longitudinal section along the dot-dash line Y-V through the two grids according to Fig. 4.

Fig. 6 zeigen in Drauf- bzw. Unteransicht zwei Stellen und 7 der beiden Gitter nach den Fig. 4 und 5.Fig. 6 shows two places in top and bottom view and 7 of the two grids according to Fig. 4 and 5.

Das Kernreaktorbrennelement nach Fig. 1 ist für einen Druckwasserkernreaktor bestimmt und weist zwei quadratische Halteplatten 2 und 3 aus Metall auf. Ferner sind zwei zueinander parallele Haltestäbe 4 und 5, z.B. Steuerstabführungsrohre, aus Metall erkennbar, derenThe nuclear reactor fuel element according to Fig. 1 is intended for a pressurized water nuclear reactor and has two square metal holding plates 2 and 3. Furthermore, two parallel metal holding rods 4 and 5, e.g. control rod guide tubes, can be seen, the

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Längsachsen die beiden zueinander parallelen Halteplatten 2 und 3 in einem Winkel von 90° durchdringen und die an jedem Ende jeweils an einer der beiden Halteplatten 2 und 3 festgeschraubt sind. Jt der der beiden Haltestäbe 4 und 5 ist durch eine quadratische Masche in quadratischen gitterfönnigen Abstandhaltern 6 aus Metall geführt, die sich in Längsrichtung der Haltestäbe 4 und 5 gesehen zwischen den beiden Halteplatten 2 und 3 befinden und die an den Haltestäben 4 und 5 formschlüssig gehaltert sind. Durch andere Maschen der Abstandhalter 6 ist jeweils ein zu den Haltestäben 4 und 5 paralleler Brennstab 8 geführt, der im wesentlichen aus einem mit Kernbrennstoff gefüllten Hüllrohr aus Metall besteht, das an beiden Enden gasdicht verschlossen ist. Die Brennstäbe 8 sind an keiner der beiden Halteplatten 2 und 3 befestigt, sondern sie sind in den Maschen der Abstandhalter 6 elastisch d.h. kraftschlüssig durch nicht erkennbare Noppen und Federn der Abstandhalter 6 gehaltert und haben zwischen den beiden Halteplatten 2 und 3 in Richtung ihrer Längsachse Spiel. Sie können sich deshalb in ihrer Längsrichtung d.h. in Längsrichtung des Kernreaktorbrennelementes ungehindert ausdehnen.Longitudinal axes penetrate the two mutually parallel holding plates 2 and 3 at an angle of 90° and are screwed to one of the two holding plates 2 and 3 at each end. One of the two holding rods 4 and 5 is guided through a square mesh in square grid-shaped spacers 6 made of metal, which are located between the two holding plates 2 and 3 when viewed in the longitudinal direction of the holding rods 4 and 5 and which are held in a form-fitting manner on the holding rods 4 and 5. A fuel rod 8 parallel to the holding rods 4 and 5 is guided through other meshes of the spacers 6, which essentially consists of a metal cladding tube filled with nuclear fuel and which is sealed gas-tight at both ends. The fuel rods 8 are not attached to either of the two holding plates 2 and 3, but are held elastically in the mesh of the spacers 6, i.e. force-fittingly by invisible knobs and springs of the spacers 6 and have play between the two holding plates 2 and 3 in the direction of their longitudinal axis. They can therefore expand unhindered in their longitudinal direction, i.e. in the longitudinal direction of the nuclear reactor fuel element.

Jeweils zwischen zwei Abstandhaltern 6 weist das Kernreaktorbrennelement zwei in Längsrichtung der Brennstäbe 8 mit Abstand nebeneinander angeordnete quadratische Gitter 9 und 10 auf mit hochkant stehenden, sich rechtwinklig durchsetzenden Blechstegen 11 und 12 bzw. 13 und 14, welche quadratische Maschen bilden, in denen sich jeweils einer der Brennstäbe 8 bzw. einer der Haltestäbe 4 und 5 befinden. In Fig. 3 sind die Maschen 15 des Gitters 9 erkennbar.Between each two spacers 6, the nuclear reactor fuel element has two square grids 9 and 10 arranged at a distance from one another in the longitudinal direction of the fuel rods 8, with upright, perpendicularly interspersed sheet metal webs 11 and 12 or 13 and 14, which form square meshes in which one of the fuel rods 8 or one of the holding rods 4 and 5 is located. The meshes 15 of the grid 9 can be seen in Fig. 3.

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Während die Brennstäbe 8 mit Abstand von den Blechstegen 11 bis i4 d.h. also lose durch die Maschen der Gitter 9 und 10 geführt sind, berühren die Haltestäbe 4 und 5 diese Blechstege, die jeweils eine an einer Kante quer den Haltestäben 4 und 5 angeformte Zunge 16 bis 19 aufweisen, mit der die Blechstege außen an den Haltestäben 4 und 5 festgeschweißt sind. In Fig. 2 sind die am Haltestab 5 festgeschweißten Zungen 16 bis 19 erkennbar.While the fuel rods 8 are guided at a distance from the sheet metal webs 11 to 14, i.e. loosely through the mesh of the grids 9 and 10, the holding rods 4 and 5 touch these sheet metal webs, which each have a tongue 16 to 19 formed on an edge transverse to the holding rods 4 and 5, with which the sheet metal webs are welded to the outside of the holding rods 4 and 5. In Fig. 2 the tongues 16 to 19 welded to the holding rod 5 can be seen.

An in Längsrichtung der Brennstäbe 8 und der Haltestäbe 4 und 5 auf zu den Längsachsen dieser Stäbe parallelen Achsen liegenden Kreuzungsstellen 20 und 21 jeweils zweier Blechstege 11 und 12 des Gitters 9 und 13 und des Gitters 10 ist jeweils ein Ende eines zu den Brennstäben 8 und den Haltestäben 4 und 5 parallelen, langgestreckten Blechstreifen 22 befestigt. Diese Blechstreifen 22 sind um ihre zu den Längsachsen der Brennstäbe 8 und der Haltestäbe 4 und 5 parallelen Längsachsen verdrillt und bilden so eine Art Schraubengang für ein das Kernreaktorbrennelement in dessen Längsrichtung d.h.in Längsrichtung der Brennstäbe 8 und der Haltestäbe 4 und 5 durchströmendes Kühlmittel in einem Druckwasserkernreaktor.At intersection points 20 and 21 of two sheet metal webs 11 and 12 of the grid 9 and 13 and of the grid 10, which are located in the longitudinal direction of the fuel rods 8 and the holding rods 4 and 5 on axes parallel to the longitudinal axes of these rods, one end of an elongated sheet metal strip 22 parallel to the fuel rods 8 and the holding rods 4 and 5 is fastened. These sheet metal strips 22 are twisted about their longitudinal axes parallel to the longitudinal axes of the fuel rods 8 and the holding rods 4 and 5 and thus form a type of screw thread for a coolant flowing through the nuclear reactor fuel element in its longitudinal direction, i.e. in the longitudinal direction of the fuel rods 8 and the holding rods 4 and 5 in a pressurized water nuclear reactor.

Wie die Fig. 4 bis 7 besonders deutlich zeigen, hat jeder der langgestreckten Blechstreifen 22 an seinen beiden Enden in der Mitte einen Längsschlitz 23 bzw. Im Längsschlitz 23 sind zwei sich kreuzende Blechstege 11 und 12 des Gitters 9 und im Längsschlitz 24 zwei sich kreuzende Blechstege 13 und 14 des Gitters 10 angeordnet. Zwei Blechstreifen 22, die am Blechsteg 11As Fig. 4 to 7 show particularly clearly, each of the elongated sheet metal strips 22 has a longitudinal slot 23 or 24 in the middle at both ends. Two intersecting sheet metal webs 11 and 12 of the grid 9 are arranged in the longitudinal slot 23 and two intersecting sheet metal webs 13 and 14 of the grid 10 are arranged in the longitudinal slot 24. Two sheet metal strips 22, which are connected to the sheet metal web 11

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des Gitters 9 und am Blechsteg 13 des Gitters 10 unmittelbar benachbart angebracht sind, sind vorteilhafterweis',? gegensinnig verdrillt. Das gleiche gilt für zwei langgestreckte Blechstreifen 22, die an einem die Blechstege 11 rechtwinklig durchsetzenden Blechsteg 12 des Gitters 9 und an einem die Biechstege 13 rechtwinklig durchsetzenden Blechsteg 14 des Gitters 10 unmittelbar benachbart nebeneinander angebracht sind. Hierdurch werden inidas Kernreaktorbrennelement in Längsrichtung durchströmenden Kühlmittel gegenläufige Wirbel erzeugt, die kühleres Kühlmittel nach außen in die Spalte zvrischen zwei Brennstäben 8 befördern und von dort heißes Kühlmittel mit höherem Dampfgehalt in das Zentrum des Wirbels saugen und in Strömungsrichtung des Kühlmittels befördern.of the grid 9 and on the sheet metal web 13 of the grid 10 are advantageously twisted in opposite directions. The same applies to two elongated sheet metal strips 22 which are attached to a sheet metal web 12 of the grid 9 which passes through the sheet metal webs 11 at right angles and to a sheet metal web 14 of the grid 10 which passes through the sheet metal webs 13 at right angles. In this way, counter-rotating vortices are generated in the coolant flowing through the nuclear reactor fuel element in the longitudinal direction, which convey cooler coolant outwards into the gap between two fuel rods 8 and from there suck hot coolant with a higher vapor content into the center of the vortex and convey it in the direction of flow of the coolant.

Die Biechstege 11 und 12 des Gitters 9 und die Blechstege 13 und 14 des Gitters 10 können an den Kreuzungsstellen 20 bzw. 21 hochkant ineinander gesteckt und miteinander verschweißt sein. Ein Blechstreifen 22, der beiderseits eines Längsschlitzes 23 flach an einem Blechsteg des Gitters 9 anliegt, liegt an seinem anderen Ende beiderseits des dort befindlichen Längsschlitzes 24 flach an einem Blechsteg des Gitters 10 an, welcher rechtwinklig zum Blechsteg des Gitters 9 ist, an dem dieser Blechstreifen 22 flach anliegt. Außerdem werden die Blechstege 22 mit ihren Anlageflächen an den Stegen der Gitter 9 und 10, an denen sie festgeschweißt sind, durch eine entgegen dem Verdrillsinn des jeweiligen Blechstreifens 22 gerichtete Kraft gegen den jeweiligen Blechsteg gepreßt, so daß dieser Blechsteg vom jeweiligen Blechstreifen 22 ausgehende Reaktionsdruckkräfte aufnehmenThe bending webs 11 and 12 of the grid 9 and the sheet metal webs 13 and 14 of the grid 10 can be inserted into one another vertically at the intersection points 20 and 21 and welded together. A sheet metal strip 22, which lies flat on both sides of a longitudinal slot 23 against a sheet metal web of the grid 9, lies flat at its other end on both sides of the longitudinal slot 24 located there against a sheet metal web of the grid 10, which is perpendicular to the sheet metal web of the grid 9, against which this sheet metal strip 22 lies flat. In addition, the sheet metal webs 22 are pressed with their contact surfaces on the webs of the grids 9 and 10, to which they are welded, against the respective sheet metal web by a force directed against the twisting direction of the respective sheet metal strip 22, so that this sheet metal web absorbs reaction pressure forces emanating from the respective sheet metal strip 22

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kann, die auftreten, wenn die verdrillten Blechstreifen 22 dem sie durchströmenden Kühlmittel eine Strömungsrichtung in Längsrichtung des Kernreaktortirennelementes geben und einen Drall verleihen, mit dem das Kühlmittel die verdrillten Blechstreifen 22 verläßt.which can occur when the twisted sheet metal strips 22 give the coolant flowing through them a flow direction in the longitudinal direction of the nuclear reactor core and impart a swirl with which the coolant leaves the twisted sheet metal strips 22.

4 -ansprüche
7 Figuren4 -claims
7 figures

Claims

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1. Nuclear reactor fuel element with fuel rods containing nuclear fuel, parallel to one another and two grids arranged next to one another in the longitudinal direction of the fuel rods, which have upright sheet metal webs penetrating at right angles, which form meshes for each one of the fuel rods, thereby

characterized in that at two intersection points (20) or (21) of two sheet metal webs (11) and (12) or (13) and (14) of the two grids (9) and

(10) one end of an elongated sheet metal strip (22) parallel to the fuel rods (8) is attached, which is twisted about its longitudinal axis.

2. Nuclear reactor fuel element according to claim 1, d a -

characterized in that the elongated sheet metal strip (22) has a longitudinal slot (23; and (24) at both ends, in which the two intersecting sheet metal webs (11) and ₍ -v (12) or (13) and (14) of one of the two grids (9) and

(10) are arranged.

3. Nuclear reactor fuel element according to claim 1, characterized in that two elongated sheet metal strips (22) which are attached to a sheet metal web (11) and (12) or (13) and (14) of the two grids (9) and (10) immediately adjacent to each other are twisted in opposite directions.

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4. Nuclear reactor fuel element according to claim 2, characterized in that the elongated sheet metal strip (22) rests at its two ends on the side surfaces of the same sheet metal web (11) or (12) or (13) or (14) in such a way that it is pressed against this sheet metal web (11) or (12) or (13) or (14) by a force directed against its twisting direction on both sides of the longitudinal slot (23) or (24).