SE454824B

SE454824B - Bi-metal spacer for fuel element bundles in nuclear reactors

Info

Publication number: SE454824B
Application number: SE8604530A
Authority: SE
Inventors: 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: SE8604530D0; SE8604530L

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

454 824 2 niumlegering har mekanisk styrka och litet neutroninfàngningstvörsnitt och har därför liten inverkan på neutronflödet, man kan oftast ej göras till- räckligt tunna för litet strömningsmotstånd. Fjäderelementen i en nickel- baslegering. exempelvis Inconel. har god mekanisk styrka och ger med sin tunnhet ett litet strömningsmotstând men påverkar med sitt relativt stora neutroninfångningstvärsnitt neutronflödet i spridaren. Hänsyn måste också tas till olikheter i bestrålningstillväxten hos strukturelementen och fjäderelementen. aEnoGöRELsE FÖR 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 5x5-gitter, har de inre strukturelementen anordnats riktade korsvis förskjutna mot varandra bildande ett förskjutet korscentrum. Detta medför att områdena begränsade av de yttre strukturelementen och de inre struk- turelementen får ett i huvudsak rektangulërt tvärsnitt med plats för sex bränslestavar fixerade med parvis sammansatta korsformade fjäderelement. 454 824 2 nium alloy has mechanical strength and small neutron capture cross section and therefore has little effect on the neutron flux, it can usually not be made sufficiently thin for low flow resistance. The spring elements in a nickel base alloy. for example Inconel. has good mechanical strength and provides 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 radiation growth of the structural elements and the spring elements. MATERIALS FOR 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 5x5 grids, the internal structural elements have been arranged crosswise offset towards each other forming an offset cross center. This causes that the areas limited by the external structural elements and the internal structural the tour elements have a substantially rectangular cross-section with space for six fuel rods fixed with paired cross-shaped spring elements.

Strukturelementen i zirkoniumlegering måste av materialskäl göras av rela- tivt tjock plàt, cirka 0,7 mm. medan fjäderelementen i en nickelbaslege- ring kan göras av relativt tunn plåt, cirka 0,2 mm. Med en spridare enligt ovan fås ett litet inre strömningsmotstånd i jämförelse med förhållandet i en konventionell spridare av bimetalltyp på'grund av att en mindre del av den inre strukturen upptas av de inre strukturelementen med den grövre plåten.The structural elements of zirconium alloy must, for material reasons, be made of thick plate, about 0.7 mm. while the spring elements in a nickel base alloy ring can be made of relatively thin sheet metal, about 0.2 mm. With a spreader according to above, a small internal flow resistance is obtained in comparison with the ratio in a conventional bimetal type diffuser due to the fact that a smaller part of the inner structure is occupied by the inner structural elements with the coarser one the plate.

FIGURBESKRIVNING Figur l visar en bimetallspridare med 5x5-gitter ovanifrån med struktur- element 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 bimetallic spreader with 5x5 grating from above with structural 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 4 kända, zirkoniumbaserade 3 454 824 legeringarna. vilkas innehåll av legeringsämnen ligger inom gränserna 1,2-1,7 Z för tenn. 0,07-0.2ﬂ X för järn, 0,05-0.15 X för krom. 0,00-0,08 X för nickel. 0.09-0.16 K 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 X krom, 0.03-0,08 % nickel och 0,09-0.16 % syre. Zircaloy H innehåller 1.2-1.7 X tenn, 0,18-0,24 % järn, 0,07-0,13 Z 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 X krom och 7 X järn. Bimetallsprida- ren 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 gitter, exempelvis ett 5x5-gitter. Strukturelementen 1 bildar där en väsentligen kvadratisk ram, till vilken korsvis anordnade med förskjutet korscentrum inneslutna strukturelement 2 är förbundna. I varje delutrymme är insatta fastförbundna fjäderelement 3. Tillsammans kan då struktur- elementen och fjäderelementen bilda ett rutnät med plats för sammanhåll- ning och fixering av 25 bränslestavar i en bränslepatron, där varje bränslestav är omgiven av både strukturelement och fjäderelement.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 known under the trade names Zircaloy 2 or Zircaloy 4, zirconium-based 3 454 824 the alloys. whose content of alloying substances is within the limits 1.2-1.7 Z for tin. 0.07-0.2ﬂ X for iron, 0.05-0.15 X for chromium. 0.00-0.08 X for nickel. 0.09-0.16 K for oxygen, the rest zirconium and in zirconium of reactor quality normally occurring pollutants. Zircaloy 2 contains 1.2-1.7 Z tin, 0.07-0.20 X iron, 0.05-0.5 X chromium, 0.03-0.08% nickel and 0.09-0.16% acid. Zircaloy H contains 1.2-1.7 X tin, 0.18-0.24% iron, 0.07-0.13 Z 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 spreader. may, for example, be made by Inconel, a nickel-based alloy containing 77 X nickel, 15 X chromium and 7 X iron. Bimetallic spreading with its structural elements 1, 2 forms a fixed structure to which the spring elements 3 are fixedly connected. The spreader according to the invention can be included their structural elements 1, 2 and spring elements 3 together form one grid, for example a 5x5 grid. The structural elements 1 form where one substantially square frame, to which crosswise arranged with offset cross-center enclosed structural elements 2 are connected. In each sub-space are inserted fixedly connected spring elements 3. Together, the structural the elements and the spring elements form a grid with space for cohesion. and fixing of 25 fuel rods in a fuel assembly, each fuel rod is surrounded by both structural elements and spring elements.

I figurerna 1 och 2 visas närmare hur en spridare av bimetalltyp för sammanhållning och fixering av bränslestavar i en bränslepatron till en kärnreaktor är uppbyggd av yttre och inre strukturelement 1, 2 och fjäder- element 3 anordnade i ett 5x5-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 U, 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/vàrtor och mothàll 11 i banden. Slitsarna 8 är till för de inre och yttre strukturelementens förbindning. Urtagen 9 är till för fjäderelementens 3 fastsättning. Utbuktningarna/vårtorna 10 och mothàllen ll är anordnade så att de tillsammans med fjäderelementen 3 kan fixera de instuckna bränsle- stavarnas position i spridaren. De yttre strukturelementen har sedan 454 824 4 bildats genom att de längsgående banden 5, 6 förbundna med mellanstycken 7 har kapats, vikts och förbundita till två väsentigen kvadratiska ramar förbundna med nämnda mellanstycken 7. De inre strukturelementen 2 har bildats genom att längsgående band förbundna med mellanstycken har kapats i lämpliga längder och därefter förbundits korsvis med förskjutet kors- centrum. Ena änden 12 av ett inre första strukturelement är vinkelrätt förbunden med en första sida av det yttre strukturelementet. Andra änden 13 är vinkelrätt förbunden med ett andra inre strukturelement, vilket i sig är vinkelrätt förbundet med en intilliggande andra sida av det yttre strukturelementet, där förbindelsepunkten 13 ligger på ungefär en stav- diameters avstånd från det andra inre strukturelementets inre ände. På detta sätt bildar de yttre och inre strukturelementen l, 2 tillsammans fyra avgränsade yttre delområden lä med ett väsentligen rektangulärt tvärsnitt och ett mindre avgränsat inre delomràde 15 utgörande det öppna korscentrumet med plats exempelvis för en bränslestav. De sammansatta inre strukturelementen 2 är med sina fria ändar förbundna med de yttre struk- turelementen i slitsarna 8.Figures 1 and 2 show in more detail what a bimetal type diffuser is for cohesion and fixing 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 a 5x5 grid. To reduce the pressure drop over the spreader, the internal structural elements have been arranged so that as small a part as possible of the flow cross section being blocked by these. Structural elements 1, 2 has 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 U, forming parallel arranged ones 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 resistance 11 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 stops 11 are so 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 454 824 4 formed by connecting the longitudinal bands 5, 6 to intermediate pieces 7 has been cut, 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 in suitable lengths and subsequently cross-linked to the offset cross-section center. One end 12 of an inner first structural member is perpendicular connected to a first side of the outer structural member. The other end 13 is perpendicularly connected to a second internal structural element, which in itself is perpendicularly connected to an adjacent other side of the exterior the structural element, where the connection point 13 is located on approximately one rod diameter distance from the inner end of the second inner structural member. On in this way the outer and inner structural elements 1, 2 form together four delimited outer sub-areas lie with a substantially rectangular cross section and a smaller delimited inner sub-area 15 constituting the open the center of the cross with space, for example, for a fuel rod. The composite interior the structural elements 2 are connected with their free ends to the outer structures the tour elements in 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 fjäderband 16, vilka i sina ytterändar 17, 20 förbundits och där mittdelen 18 av fjäderbanden har getts en konvex form för att fjädrande trycka mot de i spridaren sedan instuckna bränslestavarna. Enkla fjäderband 16 är insatta i det inre delomràdet 15 för att där fjädrande trycka mot den ensamma bränsle- eller vattenstaven. De parvis sammansatta fjäderbanden är vidare tillsammans sammansatta att bilda tva korsformade fjäderelement 3 med ett gemensamt armkors 19. Med denna konstruktion av fjäderelement är det möjligt att i det yttre delomràdet av spridaren tillsammans med de inre 2 och yttre strukturelementen sammanhàlla och fixera sex bränslestavar. Fjäderelemen- ten 3 är med sina fria ändar 17 förbundna med de inre och yttre struktur- elementen.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 spring bands 16, which in their outer ends 17, 20 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. Simple spring straps 16 are inserted into the interior the subarea 15 to resiliently press against the single fuel or the water rod. The paired spring bands are further together assembled to form two cross-shaped spring elements 3 with a joint arm cross 19. With this construction of spring elements it is possible to i the outer subarea of the diffuser together with the inner 2 and outer the structural elements hold together and fix six fuel rods. Spring element with its free ends 17 are connected to the inner and outer structural members. the elements.

I varje cell i gittret kommer en bränslestav att i vardera övre och undre delen av strukturelementen vila mot minst två utbuktningar/vártor 10 eller två mothàll 11 och att i mittdelen vila mot minst tva fjäderelement. Even- tuellt kan extra överliggande och underliggande strukturelement anordnas över och under de inre, parvis anordnade fjäderelementen mot ett hörn av det förstorade korscentrumet.In each cell in the grid, a fuel rod will be in each upper and lower the part of the structural elements rests against at least two bulges / warts 10 or two abutments 11 and to rest in the middle part against at least two spring elements. Even- extra overlying and underlying structural elements can be arranged above and below the inner, paired spring elements towards a corner of the enlarged center of the cross.

Claims

With this type of injector, it is possible to hold and fix 25 fuel rods and to obtain a low pressure drop without appreciably impairing the mechanical strength of the injector. The internal flow resistance has been relatively reduced by the use of the paired composite cross-shaped spring elements and by blocking as small a part of the flow cross section as possible from the structural elements. In each subspace 1, the paired composite spring elements 3 are offset from one another relative to each other for easy attachment to the structural elements. The spring elements can be made of long profiled spring bands. which have been brought together and connected in pairs. To form the cross shape, the spring band has been provided with two transversely short spring bands. Together, the spring elements can then be said to form the pairwise cross shape with the common arm cross. 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 with inner structural elements and spring elements in a lattice, characterized in that the inner structural elements (2) are cross-staggered connected to each other and form a central inner square space (15) and form, connected to the outer structural elements (1), four substantially rectangular spaces (lü), wherein the spaces (lay, 15) provide space for fuel rods separated by spring elements (3) -

Spreader according to claim 1, characterized in that the spring elements (3) are cross-shaped and in pairs assembled with a common arm cross (19) for fixing several fuel rods in the substantially rectangular sub-spaces (14).

Spreader according to claim 2, characterized in that the inner cross-assembled structural elements (2) with offset cross-center together with the outer structural elements (1) and the cross-shaped, paired spring elements (3) provide space for 25 fuel rods with 6 fuel rods in each sub-space (lay) and a fuel rod or water rod in the offset cross center (l5). 454 824 6

4. A spreader according to claim 2, characterized in that the spring elements (3) are built up of spring bands (16) arranged in pairs and composed of two transverse ones. paired spring bands for forming the paired cross shape with the common crossbow, each arm cross itself consisting of two substantially cooperating spring bands (16) connected to each other at the outer end (17) and at the cross center (20).

Spreader according to claim 1, characterized in that the outer and inner structural elements (1, 2) have been made of a strip-shaped material, which is provided with slots (8) by, for example, punching. recesses (9) and intermittent openings (4) 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 spreader according to claim 5, characterized in that the outer structural elements (1) are formed by the strip-shaped material being folded and connected 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 structural elements (1, 2) are made of a zirconium alloy.

Spreader according to one of the preceding claims, characterized in that the spring elements (3) are made of a nickel base alloy.