DE1514558A1 - Abstandshalter fuer Kernreaktorbrennelemente - Google Patents

Description

• Abstandshalter für Kernreaktortrennelemente nie Brennelemente heterogener Kernreaktoren enthalten normalerweise eine Anzahl von einzelnen Prennstäben, deren Eigenstabilität insbesondere bei den während nies Reaktorbetriebes herrschenden erhöhten Temperaturen verhältnismäßig gering ist. Sie müssen daher durch besondere Bauelemente - Abstandshalter - in ihrer Sollage festgehalten werden, damit wesentliche Änderungen der Durchflußverhältnisse für das Kühlmittel und Überhitzungen an einzelnen Punkten der Brennstäbe mit Sicherheit vermieden werden. Es ist dabei wichtig, daß das Material der Abatandshalter selbst möglichst wenig Neutronen absorbiert und daß diese Abstandshalter nur linsen- oder punktförmig an den einzelnen Brennstäben anliegen, damit die Kühlverhältnisse an der Brennstaboberfläche verhältnismäßig wenig geändert werden. Weiterhin ist es wichtig, daß die Halterung nicht absolut starr, sondern etwas federnd ist, damit ein Ausgleich der Brennstabtoleranzen und unterschiedlichen thermischen Ausdehnuxigen möglich ist. Auf die Konstruktion dieser Abstandshalter muß daher insbesondere bei größeren Brennelementen, wie z.B. kastenförmigen, eine besonders große Au!'merksamkeit gelegt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente in Kastenform mit vorzugsweise für den Durchtritt des Kühlmittels durchtrochenem äußeren Mantel aus Strukturmaterial, bei dem die 'lielzahl der Brennstäbe an starren und federnden, ein Maschenwerk tildenden Stegen und Bändern anliegen. Für derartige Brennelemente sind rasterförmige Abstandahalter bekannt geworden, bei denen aus den sich kreuzenden Raster-Stegen Vorsprünge und federnde Anlagepunkte @ür die Brennstäbe herausgearbeitet sind. Aus neutronenphysikalischen Gründen eignen sich insbesondere Zirkon und Zirkonlegierungen für derartige Abatandshalter. Diese Stoffe sind jedoch weniger gut geeignet für die Ausbildung federnder Anlagestellen an den Brennstäben. Dafür wären austenitischer Stahl oder auch hoch-warmfeste Nickellegierungen mit hoher Korrosionsbeständigkeit vorteilhafter. Letztere Werkstoffe haben jedoch einen erhöhten Absorptionsquerschnitt gegenüber thermischen Neutronen. Durch geschickte Verwendung beider Materialien in einem Abstandshaltes sollen sich aber mechanische Stabilität und ausreichende Federeigenschaften bei gleichzeitig erträglicher geringer Neutronenabsorption erzielen lassen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß je vier Brenn-stäbe in rechtwinkliger Anordnung die Maschen. eines Gitters aus Strukturmaterialstegen-durchsetzen, daß die parallelen Stege einer Richtung in jeder Masche zwei feste Anschlagpunkte bzw. in axialer Richtung orientierte Punktpaare in Gestalt von Ausprägungen, Abwinklungen des Stegmaterials u.dgl. besitzen und daß parallel zu diesen Stegen ein verwundenes federndes Band das Maschenwerk derartig durchsetzt, daß jeder der vier eine Masche durchsetzenden Brennstäbe an einem festen Anschlagpunkt bzw. Punktpaar und an zwei federnden Punkten des verwundenen Bandes anliegt. Die das Maschengitter tildenden Stege sind in an sich bekannter Weise miteinander verzahnt und haken auch Aussparungen zur Aufnahme der verwundenen Bänder. :'las Oteggitter testeht dabei aus Zirkon oder einer anderen geeigneten "irkonlegierung, während die verwundenen Bänder aus nochwarmfestec, federelastischen Material bestehen. Das Wesen der vorliegenden Anmeldung sei an einem Beispiel an Hand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
• Figur 1 zeigt einen ausschnittsweisen@Querachnitt aus einem kastenförmigen Brennelement. Darin sind die Brennstäbe mit 1 .bezeichnet, die jeweils zu viert ein Gitterwerk aus Strukturmaterialstegen 3 bzw. 4 durchsetzen. Dieses Gitterwerk wird umrahmt durch die Stege 42 und 43. Zwischen den.vier eine Masche eine Rastergitters durchsetzenden Brennstäben ist ein , gewundenes Band 2 derart angeordnet, dafl jeder Brennstab an zwei Punkten von diesem in sich verwundenen Band gehaltert ist. An einem dritten Punkt wird jeder Brennstab durch aus dem Steg 4 herausgearbeitete Anlagestellen gehaltert. Es iet also jeder Brennstab an drei Punkten festgehalten, wobei die verwundenen Bänder 2 als elastische Halterung dienen, die eine Wärmedehnung der Brennstäbe 1 in radialer und gegen die Federkraft auch in axialer Richtung zulassen, ohne eine Deformation der Hüllrohre derselben zu bewirken. Auch Toleranzen der Brennstäbe werden dadurch kompensiert. Die fester. Anschlagstellen 41 können dabei durch Ausprägung oder Abwinkelung des Stegmaterials oder nach ähnlichen Methoden hergestellt sein. Wie auch aus Figur 2 näher zu ersehen ist. sind die Strukturmaterialstege 3 und 4 durch gegenseitige Schlitzung miteinander verbunden, wobei die Stege 3 zweiteilig ausgeführt sind und an ihren aufeinanderstoßenden Kanten Aussparungen 30 zur Aufnahme der gewundenen Bänder 2 enthalten. Durch diese Teilung c .der Stege 3 ist der Zusammenbau dieses Abstandshaltergitters besonders einfach. Wie in Figur 3 an einem Querschnitt des gesamten Brennelementes angedeutet, können die Verwindungsrichtungen der-Bänder 2 unterschiedlich sein, siehe die Figurenteile a und b. Dadurch ergibt sich innerhalb des gesamten Brennelementes eine Komponente der.Kdhlmittelströmung, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung steht. Diese Komponenten sind durch Pfeile angedeutet. Während die dadurch hervorgerufene Wirbelströmung nach Figur 3a .in allen Rasterelementen gleichförmig verläuft, ergeben sich aus der in Figur 3b dargestellten unterschiedlichen 'y'erdrehungsrichtung der gewellten Bänder 2 gegensätzliche Wirbelströmungen .über den Brenne@lementquerschnitt gesehen. Natürlich können durch entsprechende Richtung der Verwindung der Stäbe und Bänder 2 auch noch andere Modifikationen der Wirbelstrcimungskomponenten der gesamten Kühlmittelströmung.erzielt werden. So ermöglichen nach Figur 3a angeordnete Bänder 2 einen stufenweisen Kühlmittelaustausch über Brennelementquerschnitt und Länge gesehen, wenn die übereinanderliegenden Bänder jeweils um 110o gegeneinander verdreht angeordnet werden.
• Aus der Figur 3 ist weiter zu ersehen, daß auch Fingerregel-Stäbe 11 innerhalb dieses Brennelementes untergebracht werden können. Diese haben zwar einen etwas größeren Durchmesser als .die einze'.nen Brennstäbe 1. Durch die dargestellte leichte Verformung der verwundenen Bänder 2 können die Führungsrohre dieser Regelstäbe 1 jedoch ohne besondere Schwierigkeiten in diesem Abstandßhaltergitter aufgenommen werden.
• Figur 4 zeigt einen. Längsschnitt durch eine Abstandshaltereinrichtung nach Figur 3. Anstelle eines festen Anschlagpunktes 4' je Brennstab 1 ist hier jedoch ein axial orientiertes Punktpaar 45 vorgesehen. Der federnde Anlagepunkt greift also - in axialer Richtung gesehen - zwischen den Einzelanschlägen der Punktpaare 45 an, so daß Biegemomente auf die Brennstäbe durch die als Torsionsfeder wirkenden gewellten Bänder 2 mit Sicherheit vermieden werden. An diesem Beispiel wurde dargestellt, daß es a;:ch bei einem quadratischen Brennstabgitter mit verhältnismäßig einfachen Grundelementen möglich ist, eine Drei-Punkt-Halterung der ein-

  zelnen Brennstäbe bei gleichzeitiger günstiger wührang des

  /einem

  Kühlmittels mit recht stabilen Abstandshaltergitter aufzubauen.

  Es wird dabei jeweils das Kühlmit.el aus einem Unterkanal in den danebenliegenden umgeleitet, wobei sich in den engen Stabzwischenräumen aufbauende heißere ;')trömungs:'äderi verhindert werden. Lediglich die gewundenen Bänder 2 bestehen aus einem federnden Material, das einen erhöhten Nelatronenabsorptionsquerschnitt aufweist. Der Gesamtmaterialbedarf hierfür ist aber verhältnismäßig gering, so daß während des Reaktorbetriebes in Verbindung mit den auch verhältnismäßig sparsam verwendeten geradlinigen Rasterstegen aus neutronenphysikalischem günstigeren, beispielsweise Zirkonmaterial, insgesamt nur eine ganz geringe Neutronenabsorption durch diese zusätzlichen, aber notwendigen Abstandhaltereinbauten stattfindet.
• Abschließend sei erwähnt, daß die geradlinigen Rasterstege 3 und 4 mit der äußeren Ummantelung des Brennelementes, die für den Durchtritt des Kühlmittels mit Öffnungen versehen sein kann, durch Lötung oder SchweiBung fest verbunden ist und damit zur,Erhöhung der Gesdmtatabilität des Brennelementes beiträgt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dieses Grundprinzip der Anwendung in sich verdrehter Bänder, die punktförmig an Brennatabhüllrohren anliegen, auch bei arideren Brennelementquerschnitten und bei anderer Brennstabgeometrie anzuwenden.

Claims (4)

1. Patentansprüche 0 Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente in Kastenform und vorzugsweise für den Durchtritt des Kühlmittels durchbrochenem äußeren Mantel aus Strukturmaterial, bei dem die Vielzahl der Brennstäbe an starren und federnden, ein Maschenwerk bildenden Stegen und Bändern anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß je vier Brennstäoe in rechtwinkliger Anordnung die Maschen eines Gitters aus Strukturmaterialstegen durchsetzen, daß die parallelen Stege einer Richtung jeder Masche zwei feste Anschlagpunkte bzw. in axialer Richtung orientierte Punktpaare in Gestalt von Ausprägungen, Abwinkelungen u.dgl. des Stegmaterials besitzen und daß parallel zu diesen Stegen ein verwundenes federndes Band das Maschenwerk derart durchsetzt, daß jeder der vier eine Masche durchdringenden Brennstäbe an einem festen Anschlagpunkt bzw. Punktpaar und an zwei federnden Punkten des -ierwundenen Bandes anliegt.
2. 2. Abatandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ' die Strukturmaterialstege in an sich bekannter Weise miteinander verzahnt sind und daß die senkrecht zu den verwundenen Bändern verlaufenden Stege aus zwei übereinander angeordneten Hilften bestehen, die zur Halterung der Eänder mit entsprechend geformten Ausnehmungen an ihren zusammenstoßenden Kanten versehen sind.
3. 3. Abstandshalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturmaterialstege zur Versteifung des Brennelementmantels mit diesem z.B. durch Lötung oder Schweißung fest verbunden sind.
4. 4. Abs-tandshalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege aus einer wenig neutronenabsorbierenden Zirkonlegierung, wie z.B. Zircaloy und die federnden verwundenen Bänder z.B. aus rostfreiem Stahl oder hochwarmfesten und sehr korrosionsbeständigen Nickellegierungen gefertigt sind.