DE1112212B

DE1112212B - Vorrichtung zum Abstuetzen und Zentrieren von Brennstoffeinsaetzen in den Brennstoffkanaelen eines Kernreaktors

Info

Publication number: DE1112212B
Application number: DES56478A
Authority: DE
Inventors: Roger Jean Imbert; Jacques Pierre Chaboseau
Original assignee: Rateau SA
Current assignee: Rateau SA
Priority date: 1957-02-04
Filing date: 1958-01-04
Publication date: 1961-08-03
Also published as: BE563703A; CH346622A; GB875462A; FR1166835A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S56478Vmc/21g

ANMELDETAG: 4. J A N U A R 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 3. A U G U S T 1961

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abstützen und Zentrieren von Brennstoffeinsätzen in den Brennstoffkanälen eines Kernreaktors, wobei jeder Brennstoffeinsatz aus einer Reihe von aufeinandergesetzten Elementareinsätzen gebildet wird und sich die Enden der aufeinanderfolgenden Elementareinsätze unter der Wirkung ihres Gewichtes und/oder einer Feder berühren.

Die Kanäle und Einsätze sind sehr häufig lotrecht angeordnet, und zur Aufrechterhaltung der Homogenitat der Brennstoffteile müssen diese in dem Kühlmittelfluß sehr genau zentriert werden.

Ferner entstehen sowohl an den Einsätzen als auch an den Kanälen unter der Einwirkung der Strahlungen und sogar unter der einfachen Wärmewirkung mehr oder weniger örtliche und mehr oder weniger bleibende Verformungen.

Das System zur Verbindung eines jeden Einsatzes mit der Wand des entsprechenden Kanals, welches die von dem Gewicht und der aerodynamischen oder hydraulischen Druckkraft des Kühlgases oder der Kühlflüssigkeit herrührenden Kräfte aushalten muß, muß auch die obigen Formänderungen zulassen und außerdem die Einführung von neuen Einsätzen in verformte Kanäle und natürlich auch das Herausziehen von verformten Einsätzen aus ebenfalls verformten Kanälen gestatten.

Wenn die mittlere Temperatur der Anordnungen verhältnismäßig niedrig ist, können elastische Verbindungssysteme vorgesehen werden, welche den obigen Forderungen am besten entsprechen, was bei den bisher bekannten Kernreaktoren geschieht.

Eine aus anderen Gründen wünschenswerte Temperaturerhöhung schließt jedoch die Verwendung eines elastischen Systems aus, da ein Nachgeben desselben unter der Einwirkung des Fließens der benutzten Werkstoffe unvermeidlich ist.

Es ist bereits bekannt, Brennstoffeinsätze bzw. einteilige Brennstäbe mit Vorrichtungen zu versehen, die dazu dienen, benachbarte derartige Elemente bzw. derartige Elemente und die Wandungen der Moderatorkanäle auf Abstand zu halten. Zu diesem Zweck sind bisher schraubenförmige Windungen aus Draht oder Blechstreifen verwendet worden, die an der Außenseite der Elemente angeordnet werden. Weiter sind auch Blattfedern und Halter mit abspreizbaren Beinen benutzt worden. Bei der Verwendung gebogener Zuführungskanäle, durch die die Brennstoffeinsätze in die Moderatorkanäle eingebracht werden, ist es bekannt, die länglichen Brennstoffeinsätze aus kurzen Abschnitten aufzubauen, die durch Gelenke miteinander verbunden sind. Dabei werden derartige zusammen-Vorrichtung zum Abstützen

und Zentrieren von Brennstoffeinsätzen

in den Brennstoffkanälen eines Kernreaktors

Anmelder:
Societe Rateau, Societe Anonyme, Paris

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 4. Februar 1957 (Nr. 731026)

Roger Jean Imbert, Paris,
und Jacques Pierre Chaboseau,

Brevannes (Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

gesetzte Brennstoffeinsätze gemeinsam mit den bereits erwähnten Haltern benutzt, wobei eine Feder zwischen Halter und Einsatz angeordnet wird, welche jedoch nur dazu dient, den Halter beim Einsetzen und Herausnehmen gegen den Brennstoffeinsatz verschieben zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Brennstoffeinsätze bzw. die Brennstoffkanäle so auszubilden, daß die Einsätze in den Kanälen gestützt und ausgerichtet werden, ohne daß die bereits erwähnten, mit der Erwärmung der Reaktorteile zusammenhängenden Verformungen sich nachteilig auf die Abstützung und Ausrichtung auswirken und zu einer Verklemmung der Teile führen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Elementareinsätze sich an zu ihrer Längsachse geneigten Flächen unter der Wirkung der äußeren Axialkraft berühren und die Axialkraft so bestimmt ist, daß sie die Reibung zwischen den Flächen übersteigt und eine Wirkung mit einer Radialkomponente hervorruft, so daß der Elementareinsatz die Wand des Kanals an einem einseitig in der Nähe eines jeden Endes eines Elementareinsatzes vorgesehenen Anschlag berührt.

Hierbei wird die Zentrierung durch die gegenseitigen Reaktionswirkungen von festen Körpern erzielt, so daß die bekannten, mit einer reinen elastischen Verformung arbeitenden Systeme fortfallen können. Ferner wird erreicht, daß eine möglicherweise durch starke

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Erwärmung sich ergebende Verformung nur noch ein- Vorsprüngen) ab, von dem angenommen ist, daß er

fache Relativerschiebungen zwischen den einzelnen kleiner als 180° ist. Die Vorsprünge von zwei aufeinan-

Einsatzteilen bewirken, die nicht fest miteinander ver- derf olgenden Teilen sind natürlich einander abgewandt,

bunden sind. Trotz der Verformungen bleibt ein Ein- Auf Fig. 1 sind der größeren Klarheit wegen die

satz, der nach der Erfindung aufgebaut ist, in dem 5 Vorsprünge 5 der Teile 4 und 1 in die Schnittebene

Brennstoffkanal zentriert, selbst wenn auch der Kanal gelegt.

sich verformen sollte, so daß unabhängig von irgend- Fig. 2 zeigt die Anwendung der obigen Ausführungsweichen Verformungen der Brennstoffeinsatz im Be- form auf einen Einsatzstapel. Jeder dieser Einsätze 6, darfsfalle leicht aus dem Kanal herausgenommen wer- 7 und 8 (deren Zahl nicht beschränkt ist) ist wie der den kann. io Einsatz 1 der Fig. 1 ausgebildet, und die Teile 3 und 4

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Zeich- sind in der gleichen Form beibehalten,

nung beispielshalber erläutert. Bei dem Beispiel der Fig. 3 sind die die aufgestapelten

Fig. 1 zeigt den Grundgedanken der Erfindung an Teile trennenden schrägen Ebenen ρ einander entHand eines Axialschnitts eines in einem Kanal gegengesetzt gerichtet, anstatt parallel zu sein, und zentrierten Einsatzes; 15 die oberen und unteren Vorsprünge eines jeden Ein-

Fig. 1 a und 1 b sind Querschnitte der Fig. 1 längs satzes haben die gleiche Lage. Bei Fig. 2 und 3 sind

der Linie Ia-Ia (oder la'-la') bzw. Ib-Ib; wie bei Fig. 1 die Vorsprünge 5 in die Schnittebene

Fig. 2 zeigt in einem Axialschnitt einen mittels der gelegt.

Ausführungsform nach der Fig. 1 zentrierten Einsatz- Anstatt eben zu sein, können die Berührungsflächen

stapel; 20 der verschiedenen Teile einer erfindungsgemäßen

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 2 darge- Anordnung gebogen sein, vorausgesetzt, daß eine

stellten Ausführung; Axialkraft zu der Achse senkrechte Kräfte erzeugen

Fig. 4 und 4a sind ein Axialschnitt bzw. ein Quer- kann. So ist insbesondere die sphärische Form

schnitt, welche die Anwendung der Erfindung auf einen empfehlenswert, da sie beliebige relative Verformungen

mit Rippen versehenen Einsatz zeigen; 25 zwischen den Teilen zuläßt. Diese sphärischen Be-

Fig. 5 und 5 a, 6 und 6 a zeigen in gleicher Weise rührungsflächen können konvex sein, oder die eine

Ausführungsformen, welche eine gewisse Freiheit auf- kann konvex und die andere konkav sein, wie dies

weisende Zentrierteile benutzen. beispielshalber in Fig. 4 dargestellt ist, auf welcher

In Fig. 1, welche den Grundgedanken der Erfindung man diese Flächen bei s bzw. S₁ an den zwischen den

zeigt, ist mit 1 ein den Brennstoff enthaltender Einsatz 30 beiden übereinanderliegenden Einsätzen 13, 14 ange-

und mit 2 der Brennstoffkanal im Moderatorblock ordneten Anschlagteilen b, b_x sieht,

bezeichnet. Das Kühlmittel strömt in dem Ringraum Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die

zwischen dem Durchmesser d_x des Einsatzes und dem Verformungen der Einsätze oder des Kanals auftreten,

Durchmesser d_% des Kanals des Blocks, in welchen der wenn nur die einzige Bedingung erfüllt ist, daß der

Einsatz eingesetzt ist. 35 obere oder der untere Teil sich entsprechend der

Der Einsatz wird von einem einen axialen Anschlag Längsdehnung der Einsätze verstellen können. Hierfür bildenden Teil 3 gehalten, welcher an der Wand des kann z. B. die Kraft F (Fig. 1) mittels eines einfachen Kanals, z. B. durch einen in eine Nut des Kanals ein- Gewichts mit oder ohne System von Zwischenhebeln gesetzten Ring 3a und durch nicht dargestellte Arme erzeugt werden. Da der Angriffspunkt dieser Kraft F zur Verbindung zwischen diesem Ring und dem Teil 3, 40 nach außerhalb des aktiven Blocks verlegt werden befestigt ist. Ein oberer Teil 4 überträgt auf den Einsatz kann, d. h. an eine Stelle, an welcher die Temperatur eine Kraft F, welche in der weiter unten erläuterten niedriger ist, kann diese Kraft ohne Nachteil durch Weise zur Erzielung der richtigen Stellung des Ein- ein elastisches System, z. B. eine Feder, erzeugt werden, satzes benutzt wird. Die Berührungen zwischen den Man sieht ferner, daß bei Aufhebung dieser Kraft/, Teilen 1 und 3 sowie zwischen 1 und 4 erfolgen an 45 zur Entfernung des obersten Einsatzes und anschließend in bezug auf die Achse des Kanals schrägen Ebenen. der anderen Einsätze, ein erhebliches Spiel zwischen Die Kraft F erzeugt daher Radialkräfte, nämlich die jedem Einsatz und der Wand des Kanals zur Verfügung Kraft Z₁ an dem Einsatz und die Kraft /₂ an dem steht, wie dies Fig. 1 c zeigt, welche, wie die Fig. 1 b. Teil 4. Ebenso erzeugen die Kraft F und das Gewicht ein Querschnitt längs der Linie I b-l b der Fig. 1 ist. des Einsatzes an den unteren Schrägflächen Radial- 50 Man sieht auf dieser Fig. 1 c, daß, wenn der Punkt a kräfte, nämlich die Kraft /₃ an dem Einsatz und die des Einsatzes mit der Wand des Kanals bei b in BeKraft /2 an dem Anschlag 3. rührung kommt, ein Spiel j zwischen den Vorsprüngen 5

Sowohl an dem Einsatz 1 als auch an dem Teil 4, und der Wand entsteht. Dies zeigt, daß es zweckmäßig welcher, wie der Einsatz, entfernbar ist und nach oben ist, den Winkel β so klein wie möglich zu machen, aus dem Kanal herausgezogen werden kann, werden 55 wobei die unterste Grenze dieses Winkels durch die die Radialkräfte / auf die Wand des Kanals durch an Stabilität gegeben ist, welche bei der Anlage der dem Einsatz und dem Teil 4 vorgesehene Vorsprünge 5 Vorsprünge 5 an der Wand des Kanals erzielt werden übertragen. An diesen Vorsprüngen zerlegen sich die soll, wenn die Kraft F wirksam ist. In der Praxis liegt Radialkräfte / in Kräfte g, welche auf die Wand des dieser Winkel zwischen 60 und 140°.
Kanals zu gerichtet sind und die Vorsprünge gegen 60 Zur Wärmeübertragung zwischen dem Einsatz und diese Wand drücken, so daß bei richtiger Bemessung dem in dem Kanal um den Einsaz strömenden Kühlder Vorsprünge die Teile tadellos in dem Kanal mittel wird häufig der Einsatz mit Rippen versehen, zentriert sind. Grundsätzlich sind wenigstens zwei oder die Uranstäbe werden vielmehr von einem Vorsprünge je Berührungsebene vorhanden, wie dies Rippenrohr aus einem geeigneten Metall umgeben, die Fig. la und Ib zeigen. Die Stabilität der Anord- 65 Fig. 4 und 4a zeigen ein Anwendungsbeispiel der nung hängt von dem das Verhältnis der Kräfte -Fund / Erfindung auf einen derartigen Fall. Wie bereits ausdefinierenden Winkel χ und dem Winkel β (Zentri- geführt worden ist, erfolgt die Berührung zwischen winkel von zwei in ein und derselben Ebene liegenden zwei Einsätzen 13, 14 auf zwei sphärischen Flächen J₅J₁,

wobei der Halbmesser des konkaven Teils j etwas größer als der des konvexen Teils J₁ sein kann. Die Zentrierungsvorsprünge 5 sind an jedem Einsatz an Kränzen 12 angeordnet, welche die Rippen 13 a, 14 a von außen umgeben, deren Durchmesser natürlich an der Stelle dieses Kranzes etwas kleiner sein kann.

Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß die Erfindung auf beliebig ausgebildete Einsätze anwendbar ist, ganz gleich, ob diese homogen sind oder durch in einem neutralen oder einen Moderator bildenden Teil eingeschlossene Brennstoffteüe gebildet werden, wobei die Gesamtanordnung in einer Hülle enthalten und mit Kühlrippen versehen sein kann, welche eine beliebige Anordnung haben können.

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, können auch andere Anordnungen benutzt werden, welche mehr oder weniger unmittelbar eine Keilwirkung für die Zentrierung der Teile benutzen. Fig. 5 und 5 a sowie 6 und 6 a zeigen Beispiele derartiger Anordnungen. In Fig. 5 trägt der obere Einsatz 13 an seinem Fuß einen eingreifenden Konus 13a, welcher drei in dem unteren Einsatz 14 zentrierte Abstützteile 15 radial verschiebt. Die Verdickungen dieser Abstützteile legen sich dann gegen die Wand des Kanals, wie in Fig. 5 a gezeigt ist, welche ein Querschnitt längs der Linie Ya-Ya der Fig. 5 ist.

Bei dem Beispiel nach Fig. 6 ist der untere Einsatz 14 mit einem Kranz 16 versehen, an welchem drei Lamellen 17 befestigt sind, welche die Fortsätze 18 tragen. Der obere Einsatz 13, dessen Ende konisch ist, verformt die Lamellen 17 und drückt die Vorsprünge 18 gegen die Wand des Kanals. Fig. 6 a ist ein Querschnitt längs der Linie VIa-VIa in der Fig. 6. Auf diesen Figuren sind der Kanal und der Kranz 16 sechseckig, doch ist diese Form nur beispielshalber angegeben.

Auf den obigen Figuren 5, 5 a und 6, 6 a ist die Zahl der Berührungspunkte zwischen den beweglichen Teilen und der Wand des Kanals auf drei an der Stelle einer jeden Berührungsebene beschränkt. Diese Zahl kann natürlich größer sein, ohne die Eigenschaften der Vorrichtung zu beeinträchtigen, wobei die Zahl drei das für eine gewisse Zentrierung erforderliche Minimum darstellt.

Die Vorsprünge können ganz oder teilweise an der Wand der Kanäle vorgesehen werden, anstatt an den Einsätzen oder anderen Teilen, wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen. Eine derartige Ausführungsabwandlung ist insbesondere dann benutzbar, wenn als Moderator schweres Wasser verwendet wird und die Wände der Kanäle dann aus Metall bestehen, so daß an ihnen leicht Vorsprünge angebracht werden können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Abstützen und Zentrieren von Brennstoffeinsätzen in den Brennstoffkanälen eines Kernreaktors, wobei jeder Brennstoffeinsatz aus einer Reihe von auf einandergesetztenElementareinsätzen gebildet wird und sich die Enden der aufeinanderfolgenden Elementareinsätze unter der Wirkung ihres Gewichtes und/oder einer Feder berühren, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementareinsätze (6 bis 11) sich an zu ihrer Längsachsegeneigten Flächen (p) unter der Wirkung der äußeren Axialkraft berühren und die Axialkraft so bestimmt ist, daß sie die Reibung zwischen den

Flächen (p) übersteigt und eine Wirkung mit einer Radialkomponente hervorruft, so daß der Elementareinsatz die Wand des Kanals an einem einseitig in der Nähe eines jeden Endes eines Elementareinsatzes vorgesehenen Anschlag berührt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Enden eines jeden Elementareinsatzes vorgesehenen Schrägflächen (p) einander parallel sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflächen (p) an den Enden eines Elementareinsatzes entgegengesetzt mit gleichem Winkel gegen die Längsachse des Einsatzes geneigt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflächen an zwischen den Elementareinsätzen angeordneten Zwischenteilen vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei gebogenen, vorzugsweise sphärischen Flächen die konvexe Fläche (J₁, Fig. 4) einen etwas kleineren Krümmungsradius als die konkave Fläche (j) hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in jeder Berührungsebene zwischen einem zentrierenden Teil und der Wand des Kanals vorgesehenen Stützpunkte einen Zentrierwinkel (ß) einschließen, welcher so klein ist, daß nach Aufhören der Axialkraft (F) ein für den Ausbau genügendes Spiel (J) entsteht, wobei jedoch dieser Winkel (ß) so groß ist, daß die durch die Radialkräfte erzielten Abstützungen stabil sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierwinkel (ß) zwischen 60 und 140° liegt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungen durch an der Wand der Einsätze oder Teile vorgesehene Vorsprünge (5) oder durch an dieser Wand befestigte Rippen oder andere Teile erfolgen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungen durch Vorsprünge erfolgen, von denen wenigstens einige an der Wand der Kanäle vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialkräfte durch an den Enden der Elementareinsätze oder der Zwischenteile vorgesehene keilförmige Glieder (13 a) erzeugt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge fest oder unter der Einwirkung der Radialkräfte radial verschieblich (Fig. 6, 6 a) sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 756 858;
»Nuclear Engineering«, 1, 1956, S. 281 bis 285; 2, 1957, S. 6 und 79;

»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 3, 1955, S. 251, 297, 298, 300, 333, 334;

Glasstone: »Principles of Nuclear Reactor Engineering«, 1956, S. 320;

M. A. Schultz: »Control of Nuclear Reactors and Power Plants«, 1955, S. 112 bis 114 und 118, 119.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen