DE2214457A1

DE2214457A1 - Kernreaktor mit einem abstandhalter fuer brennstaebe

Info

Publication number: DE2214457A1
Application number: DE2214457A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Klein; Peter Rau
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1972-03-24
Filing date: 1972-03-24
Publication date: 1973-10-04
Also published as: BE797094A; CA966592A; ATA177273A; FR2177937B1; AT337838B; JPS496398A; GB1402197A; BR7302127D0; AR219891A1; IT981577B; CH548089A; NL7304117A; FR2177937A1; ES412940A1

Description

Kernreaktor mit einem Abstandhalter für Brennstäbe.

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Abstandhalter für Brennstäbe, insbes. einen schnellen Brutreaktor. An die Abstandhalter werden hohe Anforderungen gestellt, denn die Brennstäbe müssen festgeführt werden, um den durch das Kühlmittel verursachten Beanspruchungen, die durch Schwingungen noch erhöht werden können, mit Sicherheit zu überstehen. Zugleich besteht dabei die Schwierigkeit, daß die Abstandhalter einem durch Neutronenbestrahlung verursachten Schwellvorgang unterworfen sind, der temperaturabhängig verläuft und außerdem abhängig von dem verwendeten Material ist. Daraus ergeben sich unterschiedliche Dehnungen, die dennoch weder zu Verformungen des Abstandhalters noch zu Beschädigungen der Brennstäbe führen dürfen, die ihrerseits mit ihren Hüllrohren dem gleichen sogenannten Strukturmaterialschwellen ausgesetzt sind.

Die bisherigen Abstandhalter umfassen die Brennstäbe im allgemeinen so, daß eine radiale Abstützung gegeben ist. Deshalb muß zum Ausgleich für das genannte Strukturschwellen notwendigerweise ein Spiel in der Abstützung vorhanden sein, das dieses Schwellen aufnehmen kann, da sonst die Hülllrohre der Brennstäbe oder die Abstandhalter verformt und schließlich zerstört werden. Das Spiel führt aber andererseits zu Verlagerungen der Brennstäbe, die eine ungleichmäßige Kühlung und damit örtliche Überhitzungen an den Brennstäben verursachen. Außerdem wird die Beanspruchung durch Brennstabschwingungen größer.

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Erfindungsgemäß werden die Schwierigkeiten dadurch beseitigt, daß jeder Brennstab mit mindestens zwei parallelflankigen Rippen, die am Umfang des Brennstabes über weniger als einen gestreckten Winkel verteilt angeordnet sind, in parallelflankige, gleichwinklig angeordnete Nuten des Abstandhalters ragt und dadurch tangential abgestützt ist.

Bei der neuen Halterung werden die Brennstäbe im Abstandhalter nicht mehr mit radial wirkenden Stützkräften, sondern tangential geführt. Durch die einen Winkel miteinander einschließende zweifache tangentiale Führung ist aber zugleich eine Sicherung gegen seitliche Verlagerung gegeben. Die mögliche seitliche Abweichung vom gewünschten Mittelpunkt ist nur noch durch die kleinen Werte der Herstellungstoleranzen der Rippen und der Nuten und durch die Ausdehnungsdifferenzen zwischen Nuten- und Rippenbreite bestimmt. Diese Werte liegen um mindestens eine Zehnerpotenz niedriger als das bisher in radialer Richtung erforderliche Spiel.

Besonders günstig herstellbar ist ein mehrere Brennstäbe einschließendes Gitter als Abstandhalter, dessen Nuten von paarweise angeordneten Vorsprüngen gebildet werden. Solche Gitter kann man vorteilhaft durch Funkenerosion herstellen. Dies gilt z.B. auch für schwer bearbeitbare metallische Materialien, wie nichtrostende Nickellegierungen.

Die die Nuten bildenden Vorsprünge für benachbarte Brennstäbe sind zweckmäßig gegeneinander versetzt. Dies ist deshalb günstig, weil dadurch Störungen einer gleichmäßigen Kühlmi;-telströmung weitgehend vermieden sind.

Bei einer in bezug auf die Beanspruchung und Festlegung der Brennstäbe optimalen Halterung sind die Rippen gleichmäßig um den Umfang jedes Brennstabes verteilt. Dabei empfiehlt sich im Hinblick auf einen möglichst geringen Aufwand die Verwendung von drei \xm 120° versetzte Rippen. Solche Rippen

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können vorteilhaft in Verbindung mit einem sechseckigen Gitter verwendet werden.

Zum leichteren Einführen der Brennstäbe in den Abstandhalter ist es günstig, wenn die Rippen keilförmig auslaufen. In entsprechender Weise können die die Nut begrenzenden Vorsprünge in Längsrichtung abgeschrägt sein, um das Einführen der Brennstäbe zu erleichtern. Eine andere Möglichkeit der leichteren Montage ergibt sich daraus, daß einer Rippe mehrere über die Länge der Rippe verteilte Nutenteile zugeordnet sind, und daß die Rippe Unterbrechungen im Abstand der Nutenteile aufweist. Man kann dann die Nutenteile und die Rippen mit den Unterbrechungen nach Art eines Bajonettverschlusses ineinanderfügen, indem man den Brennstab zunächst ohne Führung bis fast zu seiner für den Betrieb richtigen Höhe in den freien Querschnitt des Abstandhalters einschiebt und dann durch eine Drehung und eine anschließende kurze Schubbewegung Rippe und Nutenteile miteinander in Eingriff bringt. Im Normalfall befinden sich die Rippen im Abstand der Abstandhalter am Stab und die Rippenlänge ist ca. das Zweifache der Abstandhalterhöhe.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigt Pig. 1 in einer Draufsicht in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus dem Querschnitt des Kernes eines schnellen Brutreaktors mit Brennstäben und einem Abstandhalter nach der Erfindung, während die Fig. 2 einen Längsschnitt in Richtung der Pfeile II-II darstellt. Fig. 3 zeigt als Muster einen Abstandhalter für sieben Brennstäbe im Maßstab 2;1.

Mit 1 ist das aus Metall, z.B. nichtrostendem Stahl, hergestellte zylindrische Hüllrohr der gleichen Brennstäbe 2 bezeichnet, deren Füllung 3, d.h. die Spaltstofftabletten, nicht gezeichnet ist. Die Hüllrohre 1 sind in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet. Zu diesem Zweck sind sie in einem Gitterwerk 4 als Abstandhalter geführt, das durch

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Funkenerosion aus einer soliden Platte hergestellt oder aus hochkant stehenden Blechstreifen zusammengesetzt ist.

Jeder der Hüllrohre 1 ist an seinem Umfang mit drei Rippen versehen, die gleichmäßig um 120° gegeneinander versetzt sind. Die Rippen sind, wie man sieht, parallelflankig ausgebildet. Sie springen aus der Oberfläche des Rohres um etwa 1/10 des Brennstabdurchmessers vor. Ihre Höhe richtet sich jedoch weitgehend nach dem Abstand der zwischen benachbarten Brennstäben vorhanden ist, da man das Gitterwerk des Abstandhalters möglichst dünnwandig ausführt. Die Rippen 5 können auf das an sich zylindrische Hüllrohr 1 aufgeschweißt oder aber beim Ziehen des Rohres 1 geformt sein.

Die Rippen 5 ragen in Nuten 6, die durch paarweise Vorsprünge 7 und 8 des Gitters 4 gebildet werden. Auch die Nuten sind parallelflankig ausgebildet. Ihre Tiefe ist etwa ebenso groß wie die Höhe der Rippen 5.

Wie man sieht, kann sich der Durchmesser des Hüllrohres um ein beträchtliches Stück ausdehnen, ohne daß ein Verklemmen des Hüllrohres 1 in dem Gitter 2 möglich ist. Das Ausdehnen hat nur zur Folge, daß die Rippen 5 tiefer in die Nuten 6 eindringen. Die zulässige zusätzliche Eindringtiefe beträgt beim Ausführungsbeispiel fast ebenso viel wie die Materialstärke der Hüllrohre 1.

Trotz der Möglichkeit der Ausdehnung der Hüllrohre 1 sind die Brennstäbe 2 gegen seitliche Bewegungen und Verdrehung sicher festgelegt. Die seitliche Bewegung ist durch das zum Einführen erforderliche Spiel zwischen der Breite b der Rippen 5 und der Breite B der Nuten 6 gegeben. Dieses Spiel kann relativ gering sein, weil die beim Schwellen auftretenden Dehnungen die Maße b und B im gleichen Sinne verändern.

Beim Ausführungsbeispiel ist ein sechseckiges Gitter mit

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sechs Nuten 6 an der Innen- und Außenseite dargestellt, wobei die Nuten an der Innenseite mit den Nuten an der Außenseite abwechseln. Dies ergibt den Vorteil einer gleichmäßigen Masseverteilung.

Wie die Pig. 2 zeigt, sind die Rippen 5 ebenso wie die die Nuten 6 begrenzenden TorSprünge 7 und 8 an ihren Enden keilförmig abgeflacht, um das Einschieben der Brennstäbe 2 in den Abstandhalter 4 zu erleichtern. Die keilförmigen Enden der Rippen 5 sind mit 10, die der Vorsprünge 7, 8 mit 11 bezeichnet.

Fig. 2 zeigt ferner, daß die Rippen 5 und Nuten 6 si.ch nicht gleichförmig über die ganze Länge der Brennstäbe 2 erstrecken. Vielmehr beträgt ihre Länge in Richtung der Brennstabachse nur etwa das Ein- bis Zweifache des Brennstabdurchmessers. Deshalb ist es möglich, die Brennstäbe zunächst ohne Eingriff von Rippen 5 und Nuten 6 einzuführen. Danach werden die Brennstäbe 2 gedreht, so daß Rippen 5 und Nuten 6 fluchten und durch eine kurze weitere Bewegung in axialer Richtung in Eingriff gebracht werden können.

In Pig. 2 ist der Einfachheit halber nur ein senkrecht zur Längsachse der Brennstäbe 2 verlaufender Abstandhalter 4 gezeichnet. Tatsächlich sind eine Vielzahl von Abstandhaltern über die Länge der Brennstäbe verteilt vorgesehen. Ihre Anordnung richtet sich nach den vorliegenden Beanspruchungen. Man kann z.B. mit fünf Abstandhaltern 4 pro Meter Brennstablänge rechnen.

Bei dem in Pig. 3 dargestellten Abstandhalter 4 für sieben Brennstäbe sind die Nuten 6 nicht nur von einseitigen Vorsprüngen 7 und 8 gebildet, sondern noch in die Wand des Gitters eingezogen, um die gleichmäßige Kühlung der Brennstäbe 2 möglichst wenig zu beeinträchtigen. In der gleichen Weise können auch Abstandhalter für mehr Brennstäbe, z.B. 37, hergestellt werden. 309 8 40/0151

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Bei allen Ausführungsbeispielen ist die tangentiale Führurg im Gegensatz zu der bisher allein üblichen radialen Abstützung mit Rippen der Hüllrohre 1 hergestellt, weil dies nach den bisherigen Erfahrungen und Berechnungen die allein wirtschaftliche Ausführungsform ist. Theoretisch läßt siel aber der allgemeine Srfindungsgedanke auch mit der kinematischen Umkehrung, also mit Hüten am Hüllrohr und Ripper am Abstandhalter verwirklichen.

9 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansprüche; - 7 VPA 72/9421

1.J Kernreaktor mit einem Abstandhalter für Brennstäbe, insbesondere schneller Brutreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstab (2) mit mindestens zwei parallelflankigen Rippen (5), die am Umfang des Brennstabes (2) über weniger als einen gestreckten Winkel verteilt angeordnet sind, in parallelflankige, gleichwinklig angeordnete Nuten (6) des Abstandhalters (4) ragt und dadurch tangential abgestützt ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mehrere Brennstäbe (2) einschließendes Gitter als Abstandhalter (4), dessen Nuten (6) von paarweise angeordneten VorSprüngen (7,8) gebildet werden.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Nuten bildenden Vorsprünge (7,8) für benachbarte Brennstäbe (2) gegeneinander versetzt sind.

4. Kernreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (5) gleichmäßig um den Umfang jedes Brennstabes (2) verteilt sind.

5. Kernreaktor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch drei um 120° versetzte Rippen (5).

6. Kernreaktor nach Anspruch 2 oder 3 und 5, gekennzeichnet durch ein sechseckiges Gitter (4) als Abstandhalter.

7. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (5) keilförmig auslaufen.

8. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einer Rippe (5) mehrere über die Länge der Rippe verteilte Nutenteile zugeordnet sind.

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9. Kernreaktor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Unterbrechungen der Rippe (5) im Abstand der Nutenteile.

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