WO2004021364A1

WO2004021364A1 - Brennelement für einen druckwasserkernreaktor

Info

Publication number: WO2004021364A1
Application number: PCT/EP2003/006432
Authority: WO
Inventors: Jürgen STABEL; Udo Borsdorf; Hans-Peter HÜBSCH
Original assignee: Framatome Anp Gmbh
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2004-03-11
Also published as: AU2003293927A1

Abstract

Bei einem Brennelement für einen Druckwasser-Kernreaktor mit einer Vielzahl von Brennstäben, die in einer Mehrzahl von axial beabstandeten Abstandhaltern (4) geführt sind, die jeweils ein zweidimensionales Gitter mit einer Vielzahl von Maschen (6) bilden, weist zumindest ein Abstandhalter (4) eine Steifigkeit kleiner als 10 kN/mm auf.

Description

Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor, wie es beispielsweise aus der DE 196 35 927 Cl bekannt ist.

Ein solches Brennelement ist exemplarisch in Fig. 8 veranschaulicht. Bei einem solchen Brennelement sind eine Vielzahl von Brennstäben 2 in Stabrichtung (axial) parallel zueinander durch mehrere, voneinander axial beabstandete Abstandhalter 4 geführt, die jeweils ein zweidimensionales Gitter mit einer Mehrzahl von Maschen 6 bilden, die in Spalten 8 und Reihen 10 angeordnet sind. Durch die Maschen 6 dieses Gitters sind außer den Brennstäben auch an ausgewählten Positionen Stützrohre hindurch geführt, die keinen Brennstoff enthalten und zur Aufnahme und zum Führen von Steuerstäben (sog. Steuerstabfüh- rungsrohre 12) vorgesehen sind. Außerdem ■ können noch Stützrohre vorhanden sein, die ebenfalls keinen Brennstoff enthalten und lediglich zur Erhöhung der Stabilität dienen (Instrumentierungsrohre oder Strukturrohre, im beispielhaft dargestellten Brennelement 2 sind weder Instrumentierungsrohre noch Strukturrohre vorgesehen) . Diese Stützrohre sind anders als die Brennstäbe in den Maschen 6 mit den Abstandhaltern 4 verschweißt, so dass ihre stabilisierende Wirkung über die gesamte Einsatzdauer des Brennelements 2 gewährleistet ist.-

Grundsätzlich können dabei in einem Brennelement auch unterschiedliche Typen von Abstandhaltern vorgesehen sein, wie beispielsweise in der DE 299 19 413 Ul vorgeschlagen ist, um den in einem Bereich des Brennelements angeordneten Abstandhalter im Hinblick auf die in diesem Bereich jeweils auftretenden Belastungen hinsichtlich seines Werkstoffes und seiner^' konstruktiven Auslegung zu optimieren.

Bei hypothetischen äußeren Störfällen, beispielsweise bei einem Erdbeben oder bei einem Kühlmittelverlust mit großen Bruch (LOCA - Loss Of Coolant Accident) können die Abstandhalter durch die benachbarten Brennelemente eine erhebliche Stoßbelastung erfahren. Die dabei auftretenden dauerhaften Verfor- mungen dürfen zulässige Höchstwerte nicht überschreiten, um zu gewährleisten, dass die Steuerstäbe weiterhin in die Steuerstabführungsrohre eingeführt werden können, um so einen sicheren Weiterbetrieb oder ein sicheres Abschalten der Anlage zu ermöglichen. Während plastische Deformationen im begrenzten Umfang prinzipiell erlaubt sind, muss demzufolge ein größeres Ausbeulen, das zu einem signifikanten Versatz der im Brennelement angeordneten Steuerstabführungsrohre führt, vermieden werde .

Die Abstandhalter müssen demnach so ausgelegt werden, daß die zu erwartenden Stoßbelastungen nicht zu einem größeren Ausbeulen oder Ausknicken des Abstandhalters führen. In der Praxis wird als Entwicklungsziel eine^"Beulfestigkeit für frische, unbestrahlte Abstandhalter (BOL (= Begin Of Life) - Abstandhalter) von ca. 20 kN angestrebt. Damit ist für BOL-

Abstandhalter, die im Rahmen eines Störfalles (Erdbeben, LOCA) auftretende Stoßbelastung (flächig wirkende Querkraft) abtragbar, so lange diese kleiner als 20 kN ist.

Es hat sich nun herausgestellt, daß Abstandhalter, die längere Zeit im Einsatz waren und am Ende ihrer Einsatzzeit (EOL = End Of Life) angelangt sind, im Vergleich zu neuen Abstandhaltern eine beträchtliche Reduktion ihrer Beulfestigkeit oder Beul- grenze aufweisen. Die Verringerung der Beulfestigkeit ist dabei vom jeweiligen Abstandhaltertyp abhängig und kann mehr als 50 bis.60 % betragen.

Aus der DE 44 22 032 AI ist ein 18 x 18 Abstandhalter bekannt, der am Rand im Bereich seiner Eckern mit Stützrohren versehen ist, um Verbiegungen der Brennstäbe während des Reaktorbetriebes zu verringern. Auch bei diesem bekannten Abstandhalter ist jedoch die Beulfestigkeit am Ende der Einsatzzeit zwar verbes- sert, aber noch nicht optimal.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor anzugeben, dessen Abstandhalter auch am Ende der Einsatzzeit auch bei starken Störfallbe- lastungen eine ausreichende Beulfestigkeit aufweisen.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Brennelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Ein solches Brennelement enthält eine Vielzahl von Brennstäben, die in einer Mehrzahl von axial beabstandeten Abstandhal- tern geführt sind, die jeweils ein zweidimensionales Gitter mit einer Vielzahl von Maschen bilden, wobei zumindest ein Abstandhalter eine Steifigkeit kleiner als 10 kN/mm, vorzugswei- se zwischen 5 und 7 kN/mm, aufweist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass Ursache für die verringerte EOL-Beulfestigkeit eine Relaxation der in den Maschen des Abstandhalters zur federnden Lagerung der Brennstäbe befindlichen Federelemente und der damit einhergehende Wegfall der Stützwirkung der Brennstäbe auf die Abstandhalterstruktur ist. Die Erfindung beruht nun auf der überraschenden Feststellung, dass ein Abstandhalter mit einer kleineren Steifigkeit eine höhere EOL-Beulgrenze aufweisen kann als ein strukturell gleich aufgebauter Abstandhalter, der von vornherein eine gro- ße Steifigkeit hat. Ursache hierfür ist, dass der bis zur

Beulgrenze auftretende Verformungsweg eines Abstandhalters mit geringerer Steifigkeit größer ist als der bis zu Erreichung der Beulgrenze mögliche Verformungsweg eines Abstandhalters mit großer Steifigkeit. Dies hat zur Folge, dass bei einem „weichen" Abstandhalter aufgrund elastischer oder plastischer Deformationen des Abstandhalters die Stützwirkung der Brenn- • Stäbe vor dem Ausknicken oder dem Ausbeulen zurückgewonnen wird, die dann die Querkraft abtragen und ein Ausbeulerϊ verhindern. Dabei hat sich insbesondere bei 18xl8-Abstandhaltern herausgestellt, dass durch eine Verringerung der Steifigkeit eine ausreichende Beulfestigkeit erzielt werden kann. Mit anderen Worten: Durch die Verwendung eines „weichen" Abstandhalters kann ein Brennelement hergestellt werden, dessen EOL- Beulfestigkeit ausreicht, um auch starken Störfallbelastungen standzuhalten.

Fig. 9 und 10 zeigen nun jeweils in einer schematischen Darstellung einen üblichen Abstandhalter 4, im Beispiel ein Abstandhalter mit 17 x 17 Maschen 6, auf dessen gegenüberliegen- de Seitenkanten eine Presskraft F senkrecht zu den Reihen 10 ausgeübt worden ist, die oberhalb der Knick- oder Beulgrenze Fki_t liegt. Für die entsprechenden Laborversuche wurden in den Abstandshalter 4 an den Positionen P_a, an denen sich im Brennelement Steuerstabführungsrohre 12 befinden, Stützrohrab- schnitte eingeschweißt, die beidseitig etwa 10mm über den Abstandhalter 4 überstehen. Um die EOL-Beulfestigkeit beurteilen zu können, .wurde der Abstandhalter 4 entweder thermisch relaxiert und jede stützrohrfreie Masche 6 mit Abschnitten von Brennstabhüllröhren besetzt, die zu dem jeweiligen Abstandhaltertyp gehören, oder es wurden anstelle der für diesen Abstandhaltertyp^' normalerweise vorgesehenen Hüllrohrabschnitte Rohrabschnitte mit geringfügig kleinerem Außendurchmesser eingesetzt, um auf diese Weise das Relaxieren des

Abstandhalters 4 zu simulieren. Auch die eingesetzten Hüllrohrabschnitte stehen über den Abstandhalter 4 vor und simulieren die bei komplett konfigurierten Brennelement in den nicht von Steuerstabführungsrohren durchsetzten Maschen federnd gelagerten Brennstäbe.

In Fig. 9 ist nun beispielhaft zu erkennen, dass bei^' Erreichen der Beulgrenze F_krj,_t ein schubartiges Ausbeulen oder Ausknicken von zwei mittleren Reihen 10n, 10₁₂ erfolgt. Eine Erhöhung der Querkraft F führt zu einem Ausknicken weiterer Reihen 10ι, 10₂, 10₈, 10₉, 10ι₆ und 10ι₇, wie dies in Fig. 10 veranschaulicht ist .

Zudem zeigen Fig. 9 und 10, dass das Ausbeulen zunächst in den Reihen 10 auftritt, die keinen fest mit dem Abstandhalter 4 verschweißten Stützröhrabschnitt enthalten (stützrohrfreie Reihe) .

Durch die Relaxation der Stablagerung im Laufe des Betriebs entfällt die Stützwirkung der Brennstäbe auf die Abstandhalterstruktur, so dass nur noch die in den Maschen des Abstand- halters verschweißten Steuerstabführungsrohre, Strukturrohre oder Instrumentierungsrohre - in der Anmeldung verallgemeinert als „Stützrohre" bezeichnet, stützend wirken.

Aufbauend auf dieser Erkenntnis geht nun eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung von der Überlegung aus, dass die Konfiguration der fest im Abstandhalter verschweißten Stütz- röhre dessen EOL-Beulfestigkeit wesentlich beeinflusst. Für jedes vorgegebene Brennelement mit einem vorgegebenen Abstandhaltertyp kann nun durch Modifikation der Anordnung dieser Stützrohre eine Konfiguration gefunden werden, die unter Bei- ^■ behaltung der Symmetrieanforderungen sowie der Anzahl der Stützrohre ein verbessertes EOL-Beulverhalten aufweist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind daher bei einem Brennelement, bei dem durch eine Anzahl der Maschen jeweils ein Stützrohr hindurchgeführt und in diesen stoff- schlüssig mit dem Abstandhalter verbunden ist, das keinen Brennstoff enthält, die Stützrohre derart im Gitter verteilt, dass bei einer vorgegebenen Anzahl und bei einer Verteilung der Stützrohre im Gitter, die gegenüber einer Drehung um die zur Gitterebene senkrechte Mittenachse des Abstandhalters um 90° rotationssymmetrisch ist, die Anzahl der stützrohrfreien Reihen und Spalten minimal ist.

Diese Maßnahme bewirkt eine zusätzliche Verbesserung der EOL- Beulfestigkeit.

Vorzugsweise sind gegebenenfalls verbleibende stützrohrfreie Reihen oder Spalten nicht nebeneinander angeordnet. Mit anderen Worten: Gegebenfalls auftretende stützrohrfreie Mehrfach- oder Doppelreihen bzw.- spalten befinden sich ausschließlich am Rand des Brennelements.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind bei einer vorgegebenen Anzahl von Stützrohren und Maschen ■ die Stützrohre derart im Gitter verteilt, dass sich gebenen- falls verbleibende stützrohrfreie Reihen und Spalten am Rand befinden. Dadurch ist trotz des Vorhandenseins- stützrohrfreier Reihen und Spalten eine optimierte EOL-Beulfestigkeit sichergestellt.

Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der die Stütz- röhre derart im Gitter verteilt sind, dass sich zwischen den ein Stützrohr enthaltenden Reihen und Spalten keine stützrohr- freien Reihen bzw. Spalten befinden. In dieser Ausführungsform ist die Einführbarkeit der Steuerstäbe auch bei einem Ausknicken des Abstandhalters verbessert . <*^{■ "}

In einer alternativen Ausführungsform wird bei ungeänderter Konfiguration der Steuerstabführungsrohre zumindest ein zusätzliches Strukturrohr in einer Masche des Abstandhalters stoffschlüssig mit diesem verbunden, um die Anzahl der stütz- rohrfreien Reihen und Spalten zu reduzieren. Dieses zusätzliche Stützrohr wäre eigentlich aus Gründen der Stabilität am Beginn des Einsatzes des Abstandhalters (BOL = Begin Of Life) nicht erforderlich, erhöht aber dessen EOL-Beulfestigkeit derart, dass diese einen Wert erreicht, der der BOL- Beulfestigkeit des nicht mit zusätzlichen Strukturrohren versehenen typgleichen Abstandhalters entspricht. Mit anderen Worten: Es wird in einen bekannten Brennelementtyp zusätzlich ein Strukturrohr (bei außermittiger Position aus Symmetriegründen mindestens vier Strukturröhre) eingebracht, obwohl sie zumindest zu Beginn seines Einsatzes aus Festigkeitsgründen nicht notwendig scheinen und eigentlich wegen der damit verbundenen Leistungsminderung des Brennelementes vermieden werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen: Fig. 1 in einer Draufsicht einen Abstandhalter eines 17x17-

Brennelementes in einer Prinzipdarstellung, in der die Positionen der Steuerstab-Führungsrohre eines im

Stand der Technik verwendeten Abstandhalters und die Positionen der Steuerstabführungsrohre für eine gemäß der Erfindung verbesserte Anordnung eingezeichnet sind,

Fig. 2 eine entsprechend verbesserte Anordnung für ein 17x17 Brennelement, bei dem im Zentrum kein Instrumentierungsrohr angeordnet ist,

Fig. 3, 4 alternative Ausführungsformen für ein 17x17-

Brennelement mit verbesserter Steuerstabführungs- rohranordnung mit bzw. ohne innenliegendem Instrumentierungsrohr

Fig. 5 den Abstandhalter einer gemäß der Erfindung verbesserten Ausführungsform eines 17x17-Brennelementes oh- ne innenliegendem Instrumentierungsrohr, bei der die

Positionen der Steuerstabführungsrohre unverändert sind,

Fig. 6 einen gemäß der Erfindung verbesserten 18x18- Abstandhalter, bei dem die Positionen der Steuerstabführungsrohre ebenfalls unverändert sind,

Fig. 7 ein Diagramm, in das der Verformungsweg eines Abstandhalters gegen die Querkraft aufgetragen ist,

Fig. 8 ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor, wie es im Stand der Technik bekannt ist, Fig. 9, 10 jeweils einen bekannten Abstandhalter in einer schematischen Draufsicht nach der Durchführung eines

Verformungsversuches .

Gemäß Fig. 1 sind in einem Abstandhalter 4 eine Mehrzahl . von Maschen 6 in Positionen P_a, P_b von Steuerstabführungsrohren durchsetzt, die symmetrisch um die sich senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckende Mittenachse des Abstandhalters 4 bzw. des Brennelements derart verteilt sind, dass sie bei Drehung um 90° in 'sich selbst übergeführt werden. In der Figur sind lediglich die Positionen P_a, P_b der Steuerstabführungsrohre dargestellt. Die Steuerstabführungsrohre sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.

Gezeigt ist der Abstandhalter 4 eines 17 x 17-Brennelementes, das in der Mittenposition P_m, d. h. dessen in der Mitte befindliche, schraffiert gekennzeichnete Masche 6 mit einem in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Instrumentierungsrohr versehen ist. Schwarz ausgefüllt sind dabei die Positionen P_a der Steuerstabführungsrdhre, wie sie bei einem bekannten Brennelement realisiert sind (Steuerstabposition „vorher") . Mit einem Kreis eingezeichnet sind Positionen P_b der Steuerstabführungs- rohre, wie sie sich gemäß der Erfindung unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der EOL-Beulfestigkeit ergeben (Steuer- Stabpositionen „nachher") . Die mit einem Kreis umschlossene

Position P_a = P_b eines Steuerstabführungsrohres bedeutet, dass dort auch bei der verbesserten Ausführung ein Steuerstabführungsrohr verbleibt. Alle übrigen Steuerstabführungsrohre sind in ihrer Position verändert worden.

In der Figur ist nun zu erkennen, daß bei Aufrechterhaltung ihrer Anzahl eine Verteilung der Steuerstabführungsrohre derart vorgenommen worden ist, dass einerseits die Anzahl der stützrohrfreien Reihen 10f (im Beispiel 10ι, 10₈, 10₁₀, 10₁₇) und

Spalten 8_f (im Beispiel 8₁, 8₈, 8₁₀, 8₁₇) unter der Nebenbedingung einer Rotationssymmetrie um 90° (Invarianz der Anordnung bei einer Drehung um 90°) minimiert ist, und dass andererseits dafür Sorge getragen ist, dass diese verbleibenden stützrohrfreien Reihen bzw. Spalten 10_f, 8_f nicht nebeneinander angeordnet sind.

Auch nach der Neuverteilung der Steuerstabführungsrohre verbleiben zwischen den Reihen 10_s und Spalten 8_S, in denen jeweils zumindest ein Stützrohr (Steuerstabführungsrohr oder Instrumentierungsrohr) angeordnet ist, stützrohrfreie Reihen 10_f bzw. 8_f. Im Ausführungsbeispiel sind dies die zwischen den ein Stützrohr enthaltenden Reihen 10₇, 10₉ bzw. 10₉ und 10n befind- liehen Reihen 10₈ bzw. 10₁₀ (entsprechendes gilt für die Spalten) .

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist eine optimierte Anordnung der Steuerstabführungsrohre bei einem 17 x 17-Brenn- element ohne innenliegendem Instrumentierungsrohr veranschaulicht. Hier sind ebenfalls bis auf acht Positionen P_a = P_b alle übrigen Positionen umverteilt, so dass nur noch jeweils die beiden Reihen 10ι,₂,16,17 und Spalten 8_1/2,16,17 am Rand stützrohr- frei sind. Da innenliegende Reihen bzw. Spalten vorrangig ge- stützt werden müssen, sind wegen des fehlenden zentralen Instrumentierungsrohres vier Steuerstabführungsrohre auf die Reihen 10₈,₁₀ bzw. Spalten 8_8/10 umverteilt, so dass in diesem Ausführungsbeispiel eine doppelt unbesetzte Randspalte bzw. Randreihe verbleibt.

In der alternativen Ausführungsform nach Fig. 3, in der aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die verbesserte Steuerstabanordnung durch schwarz ausgefüllte Maschen P_b dargestellt ist, sind bei einem 17x17-Brennelement mit innenliegendem Instrumentierungsrohr (schraffierte Masche P_m) ebenfalls die beiden am Rand befindlichen Reihen 10ι,₂,i6,i7 und Spalten 8ι,₂,i6,i7 nicht mit^' einem Steuerstabführungsrohr 12 besetzt.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform ohne innenliegendem Instrumentierungsrohr. Auch in dieser Variante sind nur die beiden am Rand befindlichen Reihen 10ι.₂,i₆,i₇ und Spalten 81,₂,16,17 nicht mit einem Steuerstabführungsrohr besetzt, so dass sich zwischen den ein Stützrohr enthaltenden Reihen 10_s bzw. Spalten 8_S keine stützrohrfreien Reihen 10_f bzw. Spalten 8_f befinden.

Bei der in Figi. 4 dargestellten Konfiguration der Steuerstab- führungsrohre lässt sich durch die Anbringung zusätzlicher

Strukturrohre in den durch ein Kreuz .gekennzeichneten Positionen P_c, die sich auf den Hauptdiagonalen in den Reihen bzw Spalten 10₂,i6 bzw. 8₂,i6 befinden, die den am Rand befindlichen Reihen bzw. Spalten 10ι,ι₇ bzw. 8ι.ι₇ unmittelbar benachbart sind, eine weitere signifikante Verbesserung der EOL- Beulgrenze erreichen.

Grundsätzliches Designkriterium bei der gemäß der Erfindung verbesserten Anordnung der Stützrohre ist in allen vorstehend erläuterten Ausführungsform das Prinzip, die Anzahl der stützrohrfreien Reihen und Spalten unter Aufrechterhaltung der 90°- Drehinvarianz dadurch zu minimieren, dass keine der Reihen o- der Spalten mehr als zwei Stützrohre und dort, wo aus Symmetriegründen möglich, nur noch ein einziges Stützrohr enthalten. Bei ungeradzahliger Anzahl der Reihen und Spalten können dabei die Reihen bzw. Spalten, die zu einer Stützrohrposition auf der mittleren Reihe oder der mittleren Spalte gehören und senkrecht zu diesen verlaufen, jeweils nur ein einziges Stütz- röhr (Steuerstabführungsrohr, Strukturrohr, Instrumentierurigs-^' röhr) enthalten.

In der Ausführungsform nach Fig. 5 sind an den mit einem Kreuz gekennzeichneten Positionen P_c bei dem im Stand der Technik bekannten 17 x 17-Brennelement ohne Instrumentierungsrohr zusätzlich vier Strukturrohre eingefügt, wobei die Positionen P_a = P_b der Steuerstabführungsrohre unverändert sind. Dadurch werden die bei Experimenten als besondere Schwachstelle erkannten innenliegenden stützrohrfreien Doppelreihen 10₇,₈ und 10ι₀,n bzw. Doppelspalten 8₇₍₈ bzw. 8ι₀,n eliminiert und die EOL- Beulfestigkeit signifikant erhöht. Ein in dieser Weise verbessertes Brennelement kann problemlos auch in bestehenden Druckwasserkernreaktoranlagen mit diesem Brennelementtyp eingesetzt werden, da die Positionen der Steuerstabführungsrohre unverändert bleiben. Auch in diesem Ausführungsbeispiel werden vorrangig die innenliegenden Reihen oder Spalten stabilisiert.

Ein Vergleich des Beulverhaltens der Abstandhalter nach Fig. 4 und 5 zeigt außerdem, dass die in Fig. 4 dargestellte Konfiguration gegenüber den in Fig. 5 dargestellten Abstandhalter einen Vorteil aufweist, wenn die Querkraft größer ist als die Beulgrenze und es zum Ausbeulen oder Ausknicken des Abstandhalters kommt. In diesem Fall bildet die in Fig. 4 dargestell- te Konfiguration der Steuerstabführungsrohre eine in sich strukturstabile Unterstruktur, die sich beim Ausknicken in ihrer Gesamtheit versetzt, ohne dass es zu wesentlichen Änderungen der Relativpositionen der Steuerstabführungsrohre untereinander kommt . In einem solchen Fall ist die Einführbarkeit der Steuerstäbe auch bei einem Ausknicken noch gewährleistet, da der gleichmäßige Versatz, dessen Größenordnung nur wenige Millimeter beträgt, mechanisch einem gleichmäßig durchgebogenen Brennelement entspricht. Mit anderen Worten: Besonders vorteilhaft sind Konfigurationen, bei denen die Gesamtheit der

Stützrohre derart im Abstandhalter verteilt sind, dass es keine stützrohrfreien Reihen oder Spalten gibt, die sich zwischen Reihen oder Spalten befinden, die ein Stützrohr enthalten. In einem solchen Fall verhält sich die von den Stützrohren festgelegte Struktur wie ein stabiles Untergitter.

Auch im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist die EOL- Beulfestigkeit bei einem im Stand der Technik verwendeten 18 x 18 Abstandhalter dadurch erhöht, dass bei unveränderten Positionen P_a = P_b der Steuerstabführungsrohre lediglich in den durch ein Kreuz markierten Positionen P_c zusätzlich jeweils ein Strukturrohr angeordnet wird.

Bei Experimenten mit diesem Abstandhalter hat sich gezeigt, dass die beiden inneren Reihen oder Spalten nicht so stark gefährdet sind. Dies liegt an der geraden Anzahl der Reihen bzw. Spalten.. Somit kann eine weitere Verbesserung insbesondere auch durch Auffüllen in den. randnahen Reihen 10₂ und 10_i7 bzw. randnahen Spalten 8₂, 8₁₇ erreicht werden.

Im Diagramm gemäß Fig. 7 ist das Beulverhalten zweier Abstandhalter veranschaulicht, die bei identischer Verteilung der Stützrohre eine unterschiedliche Steifigkeit aufweisen. Diese unterschiedliche Steifigkeit ergibt sich sowohl materialbedingt als auch konstruktionsbedingt aus der Gestaltung der Maschen (Wanddicke, Einzel- oder Doppelsteg) und der in ihr gelagerten oder in diese integrierten Federelemente sowie der Dicke und Form (Linienschweißung, Punktschweißung) der Schweißnaht an den Kreuzungsstellen der Maschen. Kurven a und b zeigen den Verformungsweg S in Abhängigkeit von der Querkraft F für einen steifen bzw. „weichen" Abstandhalter. Durchgezogen ist jeweils die Kurve, die sich bei neuem Abstandhal- ter (BOL-Abstandhalter) ergibt. Gestrichelt eingezeichnet sind

Kurven, wie sie sich bei einem baugleichen Abstandhalter am

Ende seiner Einsatzzeit (EOL) ergeben.

Mit a' und b' sind Kurven eines gemäß der Erfindung optimierten Abstandhalters bezeichnet. Kurven a' ' , b' ' ergeben sich bei einem Abstandhalter, der hinsichtlich der Stützrohranordnung nicht optimiert ist. Deutlich ist zu erkennen, dass die EOL-Beulgrenze des „weichen" Abstandhalters auch bei nichtop- timierter Stützröhranordnung nicht so ausgeprägt verschlechtert ist wie beim „steifen" Abstandhalter. In der Figur ist außerdem zu erkennen, dass die Beulgrenze F_kri bei dem Abstand- halt.er mit der größeren Steifigkeit (Kurve a) bei einem niedrigeren Verformungsweg erreicht wird, als dies beim Abstand- halter mit der kleineren Steifigkeit (Kurve b) der Fall ist. Ursache hierfür ist die bei einem größeren Verformungsweg erneut einsetzende Stabilisierungswirkung der Brennstäbe. Dies wird sichergestellt, wenn der Verformungsweg S vor dem Erreichen der Beulgrenze, die für BOL-Abstandhalter auf etwa 20 KN festgelegt ist, wenigstens 2 mm, vorzugsweise zwischen 3 und 4 mm beträgt. Dies entspricht einer Steifigkeit des Abstandhalters von 10 kN/mm bzw. zwischen 7 und 5 kN/mm.

Claims

Ansprüche

1. Brennelement für einen Druckwasser-Kernreaktor, insbesonde- re für einen Druckwasserkernreaktor, mit einer Vielzahl von

Brennstäben, die in einer Mehrzahl von axial beabstandeten Abstandhaltern (4) geführt sind, die jeweils ein zweidimensionales Gitter mit einer Vielzahl von Maschen (6) bilden, wobei zumindest ein Abstandhalter (4) eine Steifigkeit klei- ner als 10 kN/mm aufweist.

2. Brennelement nach Anspruch 1, bei dem der zumindest eine Abstandhalter (4) eine Steifigkeit zwischen 5 und 7 kN/mm aufweist.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abstandhalter (4) ein quadratisches Gitter mit einer Vielzahl von Maschen (6) bilden, die in Reihen (10) und Spalten (8) angeordnet sind, und bei dem durch eine Anzahl dieser Maschen jeweils ein Stützrohr hindurchgeführt und in diesen Stoff- schlüssig mit dem Abstandhalter (4) verbunden ist, das keinen Brennstoff enthält, wobei die Stützrohre in Positionen (P_a, P_b, P_c) derart im Gitter verteilt sind, dass bei einer vorgegebenen Anzahl und bei einer Verteilung der Stützrohre im Gitter, die gegenüber einer Drehung um die zur Gitterebene senkrechte Mittenachse des Abstandhalters (4) um 90° rotationssymmetrisch ist, die Anzahl der stützrohrfreien Reihen (10_f) und Spalten (8_f) minimal ist.

4. Brennelement nach Anspruch 3, bei dem gegebenenfalls verbleibende innenliegende stützrohrfreie Reihen (10_f) und Spalten (8_f) nicht nebeneinander angeordnet sind.

5. Brennelement nach Anspruch 3 oder 4, bei dem bei einer vorgegebenen Anzahl von Stützrohren und Maschen (6) die Stützrohre derart im Gitter verteilt sind, dass sich verbleibende stützrohrfreie Reihen (10_f) und Spalten (8_f) am. Rand befin- den.

6. Brennelement nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die Stütz- röhre derart im Gitter verteilt sind, dass sich zwischen den ein Stützrohr enthaltenden Reihen (10_s) und Spalten (8_S) keine stützrohrfreien Reihen (10_f) bzw. Spalten (8_f) befinden.

7. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abstandhalter (4) ein quadratisches Gitter mit einer Mehrzahl von Maschen (6) bilden, die in Reihen (10) und Spalten (8) angeordnet sind, und bei dem durch eine Anzahl dieser Maschen (6) jeweils ein Steuerstabführungsrohr hindurchgeführt und in diesen stoffschlüssig mit dem Abstandhalter verbunden ist, das keinen Brennstoff enthält, wobei die Steuerstabfüh- rungsrohre im Gitter gegenüber einer Drehung um die zur Gitterebene senkrechte Mittenachse des Abstandhalters um 90° rotationssymmetrisch verteilt sind, und der zumindest eine steuerstabführungsrohrfreie Reihe (10_f) und Spalte (8_f) aufweist, die mit zumindest einem Strukturrohr versehen ist.

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Bezugszeichenliste

2 Brennstab 4 Abstandhalter

6 Masche

8ι Spalte

8_f, 8_S stützrohrfreie, Stützrohr enthaltende Spalte

10ι Reihe 10_f, 10_s stützrohrfreie, Stützrohr enthaltende Reihe

12 Steuerstabführungsrohr

P_m Mittenposition

P_a Steuerstabposition vorher P_b Steuerstabposition nachher

P_c Strukturstabposition

a,b Kurve

BOL Begin Of Life

EOL End Of Life

F Kraft

S Verformungsweg