SE454823B

SE454823B - Bi-metal spacer for fuel element bundles in nuclear reactors

Info

Publication number: SE454823B
Application number: SE8604529A
Authority: SE
Inventors: E E Demario; A Johansson; O Nylund
Original assignee: Asea Atom Ab
Priority date: 1986-10-23
Filing date: 1986-10-23
Publication date: 1988-05-30
Also published as: SE8604529L; SE8604529D0

Abstract

Bi-metal spacers for a fuel element bundle in nuclear reactors comprise support elements (1,2) and spring-elements (3), forming a grid to contain nuclear fuel rods. Outer support elements (1) define a square frame surrounding inner support elements (2). The transversely arranged spring elements (3) are located at different heights relative to one another in support elements (1,2). Outer- and inner support elements (1,2) consist of a strip-shaped material. Spring elements (3) consist of a nickel alloy, whilst the support elements (1,2) are made of a zirconium alloy. The support element (1) connects to the spring element (3) via recesses (9) in support element (1,2), receiving ends (16) of the spring elements.

Description

454 823 _ 2 niumlegering har mekanisk styrka och litet neutroninfângningstvdrsnitt och har därför liten inverkan på neutronflödet, men kan oftast ej göras till- räckligt tunna för litet strömningsmotstánd. Fjäderelementen 1 en nickel- baslegering, exempelvis Inconel, har god mekanisk styrka och ger med sin tunnhet ett litet strömningsmotstånd men påverkar med sitt relativt stora neutroninfångningstvärsnitt neutronflödet i spridaren. Hänsyn måste också tas till olikheter i bestràlningstillvëxten hos strukturelementen och fjäderelementen. 454 823 _ 2 Nium alloy has mechanical strength and small neutron capture cross section and therefore has little effect on neutron flux, but can usually not be sufficiently thin for low flow resistance. The spring elements 1 a nickel- base alloy, for example Inconel, has good mechanical strength and gives with its thinness a small flow resistance but affects with its relatively large neutron capture cross section the neutron flux in the diffuser. Consideration must also be given taken into account differences in the irradiation growth of the structural elements and the spring elements.

'I-T RanoGöaaLsa Föa UPPFINNINGEN För att med god mekanisk stabilitet få ett lågt tryckfall över en spridare av bimetalltyp med yttre och inre strukturelement och fjäderelement anord- nade i ett Äxß-gitter¿ har de inre strukturelementen anordnats riktade mot varandra bildande en korsform. Detta medför att utrymmena begränsade av de yttre strukturelementen och de inre strukturelementen får ett i huvudsak likformigt tvärsnitt med plats för fyra brënslestavar åtskilda av ett korsformatrfjäderelement i varje delutrymme. Strukturelementen i zirko- niumlegering måste av materialskäl göras av relativt tjock plåt, eirka 0,7 mm, medan fjäderelementen i en nickelbaslegering kan göras av relativt tunn plåt, cirka 0,2 mm. Med en spridare enligt ovan fås ett litet inre strömningsmotstànd i jämförelse med förhållandet i en konventionell spri- dare av bimetalltyp pà grund av att en mindre del av den inre strukturen upptas av de inre strukturelementen med den grövre plåten.'I-T RANGE OF THE INVENTION In order to obtain a low pressure drop across a spreader with good mechanical stability of bimetallic type with outer and inner structural elements and spring elements arranged In an Axis lattice, the internal structural elements have been arranged directed towards each other forming a cross shape. This means that the spaces are limited by those the outer structural elements and the inner structural elements get one essentially uniform cross-section with space for four fuel rods separated by one cross-shaped spring elements in each subspace. The structural elements of the nium alloy must for material reasons be made of relatively thick sheet, eirka 0.7 mm, while the spring elements in a nickel base alloy can be made of relatively thin sheet, about 0.2 mm. With a spreader as above, a small interior is obtained flow resistance compared to the ratio in a conventional spray bimetallic type due to a smaller part of the internal structure occupied by the inner structural elements with the coarser plate.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en bimetallspridare med ett Äxü-gitter ovanifrån med struk- turelement och fjäderelement. Figur 2 visar samma bimetallspridare från sidan. Figur 3 visar ett fjäderelement ovanifràn. Figur 4 visar samma fjäderelement från sidan.DESCRIPTION OF FIGURES Figure 1 shows a bimetal spreader with an Äxü grating from above with structural tour elements and spring elements. Figure 2 shows the same bimetallic spreader from side. Figure 3 shows a spring element from above. Figure 4 shows the same spring element from the side.

BESKRIVNING AV ETT UTFÖRINGSEXEMPEL En bimetallspridare består huvudsakligen av strukturelement i en zirko- niumlegering och fjäderelement i en nickelbaslegering. Strukturelementen 1, 2, som utgör den fasta strukturen, kan exempelvis vara gjorda av de under handelsnamnen Zircaloy 2 eller Zircaloy Ä kända, zirkoniumbaserade legeringarna. vilkas innehåll av legeringsämnen ligger inom gränserna h 3 454 823 1,2-1.7 X för tenn, 0,07-0,24 X för järn, 0,05-0,15 X för krom, 0,00-0,08 X för nickel; 0,09-0.16 X för syre, resten zirkonium och i zirkonium av reaktorkvalitet normalt förekommande föroreningar. Zircaloy 2 innehåller 1,2-1.7 Z tenn. 0,07-0,20 X järn. 0.05-0.5 1 krom, 0,03-0.08 X nickel och o,o9-o.16 x syre. zn-caiøy 14 inneaalier 1.2-1,7 x tenn, o.18-o,2l: x järn, 0,07-0,13 X krom och 0,09-0.16 Z syre. Samtliga angivna procent avser här viktprocent. Fjäderelementen 3. som utgör den fjädrande och fixerande delen av spridaren, kan exempelvis vara gjorda av Inconel, en nickelbas- legering innehållande 77 X nickel, 15 1 krom och 7 Z järn. Bimetall- spridaren bildar med sina strukturelement 1, 2 en fast struktur till vilken fjäderelementen 3 är fast förbundna. Spridaren enligt uppfinningen kan med sina strukturelement 1, 2 och fjäderelement 3 tillsammans bilda ett Äxü-gitter. Strukturelementen 1 bildar där en väsentligen kvadratisk ram. till vilken korsvis anordnade inneslutna strukturelement 2 är för- bundna. I varje delutrymme är insatta fastförbundna fjäderelement 3.DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT A bimetallic spreader consists mainly of structural elements in a circulating nium alloy and spring elements in a nickel base alloy. Structural elements 1, 2, which constitute the fixed structure, may for example be made of the under the trade names Zircaloy 2 or Zircaloy Ä known, zirconium-based the alloys. whose content of alloying substances is within the limits hrs 3 454 823 1.2-1.7 X for tin, 0.07-0.24 X for iron, 0.05-0.15 X for chromium, 0.00-0.08 X for nickel; 0.09-0.16 X for oxygen, the residue zirconium and in zirconium of reactor quality normally occurring pollutants. Zircaloy 2 contains 1.2-1.7 Z tenn. 0.07-0.20 X iron. 0.05-0.5 1 chromium, 0.03-0.08 X nickel and o, o9-o.16 x acid. zn-caiøy 14 inneaalier 1.2-1.7 x tin, o.18-o, 2l: x iron, 0.07-0.13 X chromium and 0.09-0.16 Z oxygen. All stated percentages refer to here weight percent. The spring elements 3. which constitute the resilient and fixing part of the diffuser, may for example be made of Inconel, a nickel base alloy containing 77 X nickel, 1 1 chromium and 7 Z iron. Bimetallic the spreader forms with its structural elements 1, 2 a fixed structure to which the spring elements 3 are fixedly connected. The spreader according to the invention can together with its structural elements 1, 2 and spring elements 3 form an Äxü grid. The structural elements 1 form there a substantially square frame. to which cross-arranged enclosed structural elements 2 are bound. In each subspace, fixedly connected spring elements 3 are inserted.

Tillsammans bildar då strukturelementen och fjäderelementen ett rutnät med plats för sammanhållning och fixering av 16 bränslestavar i en bränsle- patron, där varje bränslestav är omgiven av både strukturelement och fjäderelement.Together, the structural elements and the spring elements then form a grid place for cohesion and fixing of 16 fuel rods in a fuel cartridge, where each fuel rod is surrounded by both structural elements and spring element.

I figurerna 1 och 2 visas närmare hur en spridare av bimetalltyp för sammanhållning och fixering av bärnslestavar i en bränslepatron till en kërnreaktor är uppbyggd av yttre och inre strukturelement 1, 2 och fjäderelement 3 anordnade i ett Äxü-gitter. För att minska tryckfallet över spridaren har de inre strukturelementen anordnats så att så liten del som möjligt av strömningstvärsnittet blockeras av dessa. Strukturelementen 1, 2 har stansats ur ett bandformigt plàtmaterial av en zirkoniumlegering, vilket material av materialskäl dock måste göras av relativt tjock plåt, cirka 0,7 mm. Det bandformiga plåtmaterialet har först genom exempelvis stansning försetts med öppningar 4, varvid bildats parallellt anordnade längsgående övre och undre band 5, 6 med mellanstycken 7 delvis omgivna av nämnda öppningar Ä. Därefter har bandmaterialet vidare försetts med tvär- gående slitsar 8 i banden. urtag 9 i mellanstyckena. utbuktningar/vårtor och mcthàll ll i banden. Slitsarna 8 är till för de inre och yttre strukturelementens förbindning. Urtagen 9 är till för fjäderelementens 3 fastsättning. Utbuktningarna/vártorna 10 och mothållen ll är anordnade så att de tillsammans med fjäderelementen 3 kan fixera de instuckna bränsle- stavarnas position i spridaren. De yttre strukturelementen har sedan bildats genom att de längsgående banden 5. 6 förbundna med mellanstycken 7 454 823 u har kapats. vikta och förbundits till tvâ väsentligen kvadratiska ramar förbundna med nämnda mellanstycken 7. De inre strukturelementen 2 har bildats genom att längsgående band förbundna med mellanstycken har kapats 1 lämpliga längder och därefter förbundits korsvis. Ena änden 12 av ett inre första strukturelement är vinkelrätt förbunden med en första sida av det yttre strukturelementet. I centrum 13 är det inre första struktur- elementet förbundet med det andra inre strukturelementet i en korsform. På detta sätt bildar de yttre och inre strukturelementen 1, 2 tillsammans fyra avgränsade likformiga yttre delområden lä med ett väsentligen kvadra- tiskt tvärsnitt. De sammansatta inre strukturelementen 2 är med sina fria ändar förbundna med.de yttre strukturelementen i slitsarna 8.Figures 1 and 2 show in more detail what a bimetal type diffuser is for cohesion and fixation of fuel rods in a fuel assembly to a nuclear reactor is made up of external and internal structural elements 1, 2 and spring element 3 arranged in an Äxü grating. To reduce the pressure drop over the spreader, the internal structural elements have been arranged so that such a small part as possible of the flow cross section is blocked by these. Structural elements 1, 2 have been punched from a strip-shaped sheet material of a zirconium alloy, which material, however, for material reasons must be made of relatively thick sheet metal, about 0.7 mm. The strip-shaped sheet material first has through, for example punching is provided with openings 4, forming parallel arranged longitudinal upper and lower bands 5, 6 with spacers 7 partly surrounded by said openings Ä. Thereafter, the strip material has been further provided with transverse walking slits 8 in the straps. recess 9 in the spacers. bulges / warts and mcthàll ll in the bands. The slots 8 are for the inner and outer connection of the structural elements. The recesses 9 are for the spring elements 3 attachment. The bulges / warts 10 and the retainers 11 are thus arranged that they, together with the spring elements 3, can fix the inserted fuel the position of the rods in the spreader. The outer structural elements then have formed by connecting the longitudinal bands 5. 6 to spacers 7 454 823 u has been hijacked. folded and connected to two essentially square frames connected to said intermediate pieces 7. The inner structural elements 2 have formed by cutting longitudinal bands connected to spacers 1 suitable lengths and then connected crosswise. One end 12 of one inner first structural elements are perpendicularly connected to a first side of the outer structural element. In the center 13, the inner first structural the element connected to the second inner structural element in a cross shape. On in this way the outer and inner structural elements 1, 2 form together four delimited uniform outer sub-areas lä with a substantially square technical cross-section. The composite internal structural elements 2 are free ends connected to the outer structural elements of the slots 8.

Fjäderelementen i figur 3 och 4, som kan vara gjorda av en nickelbas- legering exempelvis Inconel, kan göras av relativt tunn plåt, cirka 0,2 mm, med god mekanisk styrka och litet strömningsmotstånd. Fjäderelementen består huvudsakligen av parvis sammansatta àtskilda'fjäderband 15, vilka i sina ytterändar 16, 17 förbundits och där mittdelen 18 av fjäderbanden har getts en konvex form för att fjädrande trycka mot de i spridaren sedan instuckna bränslestavarna. De parvis sammansatta fjäderbanden är tillsam- mans sammansatta att hilda ett korsformat fjäderelement 3. Med denna kon- struktion av fjäderelement är det möjligt att i delomràdena av spridaren tillsammans med de inre och yttre strukturelementen sammanhålla och fixera fyra bränslestavar. Fjäderelementen 3 är med sina fria ändar 16 förbundna med de inre strukturelementen och med de yttre strukturelementen i urtagen 9.The spring elements of Figures 3 and 4, which may be made of a nickel base alloy, for example Inconel, can be made of relatively thin sheet metal, about 0.2 mm, with good mechanical strength and low flow resistance. The spring elements consists mainly of paired separate spring bands 15, which in its outer ends 16, 17 are connected and where the middle part 18 of the spring straps has given a convex shape to resiliently press against those in the diffuser then inserted fuel rods. The paired spring bands are combined composed of a cruciform spring element 3. With this con- construction of spring elements it is possible to in the subareas of the spreader together with the inner and outer structural elements hold together and fix four fuel rods. The spring elements 3 are connected with their free ends 16 with the inner structural elements and with the outer structural elements in the recesses 9.

Under exempelvis transport av bränsle kan fjäderelementen utsättas för en stötbelastning, vilken skulle kunna medföra en plastisk deformation av fjäderelementen. För att kunna motverka mekanisk påkänning på grund av exempelvis stötbelastning är de parvis sammansatta men delvis åtskilda fjäderbanden 15 i fjäderelementen 3 mellan sina ändförbindningar 16, 17 tillräckligt åtskilda fràn.varandra för att kunna bilda ett största avstånd, vilket tillåter att fjäderbanden under mekanisk yttre påverkan bara kan deformeras elastiskt, inom det elastiska deformationsomrâdet, innan ett stödområde kring mittdelen 18 på ena fjäderbandet när motsvar- ande mittdels stödområde 18 på det motsatta andra fjäderbandet. På så sätt kommer fjäderbanden 15 bara att kunna deformeras inom det elastiska områ- det, vilket medför att ingen kvarvarande formförändring uppstår (plastisk deformation). Det största avståndet mellan fjäderbanden är mindre än det elastiska deformationsomràdet för ett fjäderband. ann,-During transport of fuel, for example, the spring elements can be exposed to a shock load, which could cause a plastic deformation of the spring elements. To be able to counteract mechanical stress due to for example, shock loads, they are composed in pairs but partially separated the spring bands 15 in the spring elements 3 between their end connections 16, 17 sufficiently separated from each other to form a largest distance, which allows the spring straps to be under mechanical external influence can only be elastically deformed, within the elastic deformation range, before a support area around the middle part 18 of one spring band when corresponding second support area 18 on the opposite second spring band. That way the spring straps 15 will only be able to be deformed within the elastic range. that, which means that no residual deformation occurs (plastic deformation). The largest distance between the spring bands is less than that elastic deformation range of a spring band. ann, -

Claims

In each cell of the grid, a fuel rod will rest in each upper and lower part of the structural elements against at least two bulges / warts 10 or two abutments 11 and in the middle part rest against at least two spring elements. With this type of injector it is possible to hold and fix 16 fuel rods and to have a low pressure drop without appreciably deteriorating the mechanical strength of the injector. The internal flow resistance has been relatively reduced by the use of the paired cross-shaped spring elements and by blocking as little of the flow cross-section as possible from the structural elements. In the different subspaces lü, the cross-assembled spring elements 3 are level-displaced relative to each other for easy attachment in the structural elements. The spring elements can be made of long profiled spring bands, which are joined together and connected in pairs. For the formation of the cross shape, the spring bands have also been connected with transverse ends. paired spring bands. Together, the spring elements then form a cross shape, where each arm cross consists of paired spring bands in a common cross center. PATENT REQUIREMENTS

A diffuser for holding and fixing fuel rods in a fuel assembly to a nuclear reactor comprising spring elements consisting of spring bands and outer and inner structural elements consisting of parallel arranged bands, connected by spacers together forming a substantially outer square frame to inner structural elements and spring elements in a lattice. characterized in that the inner structural elements (2) are cross-connected to each other and connected to the outer structural elements (1) forming four substantially uniform sub-spaces (low) with space for fuel train valves separated by cross-shaped spring elements (3).

Spreader according to claim 1, characterized in that the spring elements (3) are built up of paired spring bands (15) assembled with transverse, paired spring bands to form a cross shape, each arm cross itself consisting of two substantially cooperating spring bands (15) interconnected at the outer edge (16) and at the center of the cross (17) - 454 323 6

Spreader according to claim 2, characterized in that the cross-assembled spring elements (3) are fixedly displaced in the structural elements (1, 2) in relation to each other.

A diffuser according to claim 2, characterized in that in the spring elements (3) the paired spring bands (15) in each arm cross are separated between their outer connection points (16, 17) by a greater distance, which is less than the the elastic deformation range of a spring web (15) _ i

Spreader according to Claim 1, characterized in that the outer and inner structural elements (1, 2) are made of a strip-shaped material, which is provided with slits (8), recesses (9) and intermittent openings (4) by, for example, punching. separated by spacers (7) defining two substantially parallel upper and lower bands (5, 6), in which also warts (10) and abutments (11) are formed.

6. A diffuser according to claim 5, characterized in that the outer structural elements (1) are formed by folding and bonding the strip-shaped material to form an outer frame-shaped structural element with a substantially square cross-section.

Spreader according to one of the preceding claims, characterized in that the inner cross-assembled structural elements (2) together with the outer structural elements (1) and the cross-shaped spring elements (3) provide space for 16 fuel rods with 4 fuel rods in each compartment (l ﬂ).

Spreader according to one of the preceding claims, characterized in that the structural elements (1, 2) are made of a zirconium alloy.

Spreader according to one of the preceding claims. k n n e t e c k - n a d a v that the spring elements (3) are made of a nickel base alloy.