DE2345878A1

DE2345878A1 - Brennstoffanordnung fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE2345878A1
Application number: DE19732345878
Authority: DE
Inventors: Harry M Ferrari; Douglas L Miller; Long S Tong
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1972-09-26
Filing date: 1973-09-12
Publication date: 1974-04-18
Also published as: NO137955C; CA1009386A; NL7313177A; JPS5531437B2; AU5919873A; GB1425252A; ATA765973A; NO137955B; AU469610B2; JPS548319Y2; FR2200587A1; JPS5322990A; IT993432B; JPS53152097U; JPS4970091A; ES418942A1; US3920515A; FR2200587B1; DE2345878C2; AT336741B

Description

W. 637

Augsburg, den 11. September 1973

PATBUfTAJTAIT

. ing. K. HOLZEK

AUGSBURG

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15 222, V.St.A.

Brennstoffanordnung für Kernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und im besonderen auf eine verbesserte Ausführung einer offenen Gitterkonstruktion, durch die eine Gruppierung von Brennstoffstäben und/oder Führungsrohren für Regelstäbe in einer Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor festgehalten wird.

Jede Brennstoffanordnung in einem Kernreaktor, wie er in elektrischen Kraftwerken verwendet wird, besteht aus etwa 200 Brennstoffstäben neben etwa 25 Pührungsrohren für Regelstäbe. Diese Stäbe und Rohre werden durch eine Anzahl von über die Länge der

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Brennstoffanordnung verteilten offenen Gittern in genauer seitlicher Stellung zueinander gehalten. Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte Ausführung dieser offenen Gitterkonstruktionen. In der eigenen USA-Patentschrift Nr. 3 JJS 617 ist eine Gittergrundkonstruktion geoffenbart, die zur genauen Ausrichtung und Fixierung von Führungsrohren für Brennstoff- und Regelstäbe in einer Brennstoffanordnung dient.

Wie in dieser Patentschrift geoffenbart ist, besteht das Gitter aus dünnen Metallstreifen, die miteinander zu einem Gitter etwa in Form eines sogenannten "Eierplateaus" verbunden sind, wobei öffnungen vorgesehen sind, in denen die einzelnen Brennstoffstäbe und Führungsrohre angeordnet sind. Von den Wänden jeweils nebeneinanderliegender Streifen ragen je zwei Preßfinger in jede öffnung, während von den anderen beiden nebeneinanderliegenden Streifen Ausbuchtungen des Metalles in dieselbe öffnung hereinragen. Die Kombination aus Federn und Ausbuchtungen umfaßt ein Federmassesystem, durch das alle in den Gitteröffnungen angeordneten Brennstoffstäbe bzw. Führungsrohre abgestützt werden. Das Federmassesystem dient demnach der seitlichen Abstützung der Brennstoffstäbe und Führungsrohre, wenn diese den beim Reaktorbetrieb auftretenden hydraulischen und Schwingungskräften ausgesetzt werden.

Eine Erprobung der oben beschriebenen Gitterkonstruktion vor dem tatsächlichen Einbau in einen Reaktor ergab, daß durch die Ausbuchtungen das Aufwärtsströmen des Kühlmediums entlang jedes Brennstoffstabes etwas behindert wurde. Dadurch bildeten sich

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an den Brennstoff stäben nahe der Grenzfläche zwischen Ausbuchtung und Brennstoffstab lokal überhitzte Stellen und die Oberflächentemperaturen der Stäbe überstiegen nahe den Ausbuchtungen gelegentlich die für die Brennstoffstäbe -ausgelegten Temperaturen. Das Auftreten solcher überhitzter Stellen könnte einen Reaktorbetrieb mit verminderter Leistungshöhe erfordern.

Die Versuche ergaben weiters, daß die Anströmkante des offenen Gitters eine Ablenkung des Kühlmittelstromes bewirkte. Beim Äuftreffen des flüssigen Kühlmittels auf die Anströmkante des Gitters wich das Kühlmittel von seinem gleichförmigen Strömungsbild ab und strömte nicht-linear durch das Gitter.

Hauptzweck der Erfindung ist die Schaffung einer Kernbrennstoffanordnung mit einer verbesserten Ausführung einer offenen Gitterkonstruktion, durch die überhitzte Stellen an darin angeordneten Brennstoffstäben ausgeschaltet und die Behinderung des durch die Brennstoffanordnung strömenden flüssigen Kühlmediums möglichst niedrig gehalten wird.

Angesichts dieser Aufgabe besteht die Erfindung in einer Brennstoff anordnung für einen Kernreaktor, die aus_% einer·. Gruppierung: von zwischen einem unteren und einem oberen Stützelement montierten Brennstoff stäben und Führungsrohren für 'Regelstäbe,' mindestens einem in der Anordnung vorgesehenen offenen Gitter zur seitlichen Abstützung und Fixierung der Brennstoff stäbe und FöhrungsroBtre in Abstand zueinander, wobei das offene Gitter aus

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mehreren Streifen besteht, die miteinander derart verbunden, sind, daß dazwischen Öffnungen zur Aufnahme der Brennstoffstäbe und Führungsrohre entstehen, weiters mit den den Gitterstreifen einstückig angeformten federnden Einrichtung, die von angrenzenden Streifen in jede Gitteröffnung ragen und einen darin befindlichen Brennstoffstab oder ein Führungsrohr berühren, und mit an den Streifen einstückig angeformten starren Einrichtungen, die von den anderen angrenzenden Streifen in jede Gitteröffnung ragen und die die übrigen Seiten des Brennstoff Stabes bzw. Führungsrohres berühren und diese seitlich abstützen, besteht. Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die starren Einrichtungen in Richtung des Kühlmittelstromes durch die Gitteröffnungen derart ausgerichtet sind, daß das durch das Gitter und entlang der Brennstoffstäbe bzw. Führungsrohre strömende Kühlmittel in im wesentlichen ununterbrochener Strömung an den starren Einrichtungen vorbeifließt.

Im folgenden wird-die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffanordnung mit der erfindungsgemäßen offenen Gitterkonstruktion, Fig. 2 zeigt die Anordnung der zur Bildung des offenen Gitters verwendeten Streifen und veranschaulicht die Stellung und Ausrichtung der zur Fixierung der Brennstoffstäbe bzw. Führungsrohre dienenden Federn und Vertiefungen. In Fig. J5 ist im Grundriß die Anordnung eines Brennstoffstabes und zusammenwirkender

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Streifen, die den Brennstoffstab in seiner Stellung fixieren, dargestellt. Fig. 4 zeigt einen Teil eines in Fig. 2 gezeigten Gitterstreifens. Fig. 5 ist ein Schnitt des Gitterstreifens längs der Linie V-V aus Fig. 4. Fig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie VI-VI von Fig. 4 und zeigt die Anordnung, durch die den Gitterbändern Festigkeit verliehen v/ird und dadurch bei Erzielung gleicher Festigkeit ein dünneres Band verxvendet werden kann. Fig. 7 zeigt einen Schnitt längs der Linie VII-VII von Fig. 4. In Fig. 8 ist eine modifizierte Form der Erfindung und in Fig. 9 eine andere Modifikation der vorliegenden Erfindung dargestellt.

In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche oder entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Fig. 1 zeigt eine Brennstoffanordnung 10 für einen Kernreaktor. Die Anordnung besteht aus einer im Gehäuse 16 eingeschlossenen Bodenplatte 12 und einer oberen Platte 14. Eine Gruppierung von Brennstoffstäben 18 ist an der Bodenplatte abgestützt und zwischen den Brennstoffstäben sind gegebenenfalls Führungsrohre 20 für Regelstäbe vereinzelt angeordnet, die so bemessen sind, daß sie Regelstäbe 22 aufnehmen können, die durch einen Regelstabantriebsmechanismus (nicht gezeigt) selektiv in die Führungsrohre eingeführt werden können. Zur genauen Ausrichtung der Brennstoffstäbe und Regelstabführungsrohre in der Anordnung sind längs der Brennstoffanordnung einige eierplateauförmige Gitter 24 mit offenen Kanälen angeordnet. Die öffnungen 26 in den Gittern dienen zur

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Aufnahme der Brennstoff stäbe und Führungsrohre in der in Fig. 3 gezeigten Weise, wodurch die Brennstoffstäbe und Führungsröhre in vorgegebener und fixer Bezugsstellung zueinander ausgerichtet werden.

Die Gitterbilder nach den Fig. 2 bis 7 zeigen eine Vielzahl von rechtwinkelig miteinander verbundenen Streifen 28 und 29· Jeder Streifen besteht aus dünnem Metall und ist mit Schlitzen 3° versehen, durch die nebeneinanderliegende Streifen miteinander verbunden werden, wenn diese beim Montieren ineinandergesteckt und anschließend entlang ihrer Stoßkanten verschweißt oder gelötet v/erden. Zur Erzielung einer genauen Ausrichtung der Streifen zueinander werden sowohl vor, als auch nach dem Verbinden Rippen bzw. Vorsprünge 31 und 33 nach entgegengesetzten Seiten jedes Streifens ausgebogen. Beim Ineinanderstecken der Streifen gelangen die Vorsprünge in Eingriff mit den Seiten der Streifen, wodurch diese in ihrer Lage festgehalten werden.

Es ist wesentlich, daß jeder Brennstoffstab bezüglich der angrenzenden Brennstoffstäbe in im wesentlichen fixem Abstand gehalten wird.

Zur Abstützung der Brennstoff stäbe ragen Federn 32 von nebeneinanderliegenden Streifen 28 und 29 nach innen, während die anderen beiden eine Gitteröffnung bildenden Streifen mit in Abstand zueinander liegenden Ausbuchtungen 3^ versehen sind, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist.

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Die Ausbuchtungen J4 sind derart ausgerichtet, daß die Kühl-, flüssigkeit zwischen den Innenwänden jeder Ausbuchtung und der Bandoberflächer nach oben strömen kann, wodurch die Gleichförmigkeit des Kühlmittelflusses in der Anordnung gewährleistet ist.

Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, ist jeder Gitterstreifen weiters mit mehreren Fahnen J>6 versehen, die von der Ablaufkante jedes Streifens nach oben ragen und so angeordnet sind, daß sie in den Kühlmittelstrom eingebogen werden können, wodurch das Kühlmittel in eine bestimmte strömungsrichtung in der Brennstoffanordnung gelenkt wird.

Um eine Deformation des Kühlmittelstromes beim Aufsteigen durch das Gitter möglichst zu vermeiden, ist die Anströmseite 42 der Gitterstreifen gezahnt bzw. zinnenförmig ausgebildet, indem Metallteile ausgestanzt und so trapezförmige Schlitze 44 gebildet wurden, die das Einströmen des Kühlmittels in das Gitter vereinfachen. In die Ablaufkante der Gitterstreifen ist auch ein Schlitz 46 geschnitten, der der Breite der darunterliegenden Ausbuchtung entspricht. Durch diese Schlitze im Gitter sollen um die Ausbuchtungen offene Kanäle gebildet werden, die den Aufbau von die Wärmeübertragung beeinträchtigenden Grenzschichten verhindern helfen.

Bei der oben beschriebenen·Ausführungsart besitzt ein in einer Gitteröffnung angeordneter Brennstoffstab bzw. ein Führungsrohr sechs Kontaktstellen, und zwar, mit jeder der beiden Federn je eine Kontaktstelle und mit den Ausbuchtungen vier Kontaktpunkte.

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Bei einigen Ausführungsarten kann es zweckmäßig sein, nur vier Kontaktstellen vorzusehen, insbesondere dann, wenn sich beim Auftreffen des Kühlmittels auf die vorn flachen unteren Teil der Federn gebildete flache Oberfläche eine Turbulenz bildet. Fig. 8 zeigt eine modifizierte Ausführungsform, bei der zur Reduzierung des Strömungswiderstandes die Federn 48 in einem Winkel von 90° zu der in den Fig. 5 ^und 4 gezeigten Stellung angeordnet sind. Die Ausbuchtung 50 hingegen sind gleich ausgeführt wie in den Fig. 3 und 4.

Wie aus Fig. 9 hervorgeht, werden die Federn 32 durch Einstanzen und Verformen von Teilen des Mittelstückes jedes Gitterstreifens gebildet. Ebenso werden die trapezförmigen und rechtwinkeligen Schlitze 44 und 46 an der Kante aus den Streifen herausgestanzt. Die Ausbuchtungen 60 werden durch einen Teil des Streifenmaterials zwischen den trapezförmigen und rechtwinkeligen Schlitzen gebildet. Weiters ist ersichtlich, daß der Einschnitt 62 in geringer Entfernung von den Schlitzen einwärts angelegt und das übrige Material dann zum Körper der Ausbuchtung geformt wird, und zwar vorzugsweise mit leicht gebogenen Kantenteilen, um ein leichteres Einführen der Brennstäbe zu ermöglichen.

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Claims

Patentansprüche :

Γ1 ./Brennstoffanordnung für einen Kernreaktor, bestehend aus einer Gruppierung von zwischen einem unteren und einem oberen Stützelement montierten Brennstoffstäben und Führungsrohren für Regelstäbe, mindestens einem in der Anordnung vorgesehenen offenen Gitter zur seitlichen Abstützung und Fixierung der Brennstoff stäbe und Führungsrohre in Abstand zueinander., wobei das offene Gitter aus mehreren Streifen besteht, die miteinander derart verbunden sind, daß dazwischen Öffnungen zur Aufnahme der Brennstoffstäbe und Führungsrohre entstehen, mit an den Gitterstreifen einstückig angeformten federnden Einrichtungen, die von angrenzenden Streifen in jede Gitteröffnung ragen und einen darin befindlichen Brennstoffstab oder ein Führungsrohr berühren, und mit an den Streifen einstückig angeformten starren Einrichtungen, die von den anderen angrenzenden Streifen in jede Gitteröffnung ragen und die übrigen Seiten des Brennstoffstabes bzw. Führungsrohres berühren und diese seitlich abstützen, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Einricht.ungen (34, 50) in Richtung des Kühlmittelstromes durch die Gitteröffnungen derart ausgerichtet sind, daß das durch das Gitter (24) und entlang der Brennstoffstäbe (18) oder Führungsrohre (20) strömende Kühlmittel an den starren Einrichtungen (j4, 50) in im wesentlichen ununterbrochener Strömung vorbeifließt.

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2. Brennstoff anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Einrichtung (34, 50) aus einem Abschnitt besteht, der von den Gitterstreifen (28, 29) ausgeschnitten und in die entsprechende Gitteröffnung derart eingebogen wurde, daß der Abschnitt parallel zu den Wänden des Streifens, jedoch in Abstand von diesen verläuft und dadurch das Kühlmittel zwischen dem Abschnitt und den Wänden des Streifens in im wesentlichen ununterbrochener Strömung vorbeifließen kann.
3· Brennstoff anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Anström- und Ablaufkante jedes Gitterstreifens (28, 29) in einer Linie mit der starren Einrichtung (3¹I-J 50) Teile (44, 46) aus den Streifen ausgeschnitten sind, um ein leichteres Durchströmen des Kühlmittels durch das Gitter (24) zu ermöglichen.
4. Brennstoff anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis ~5> dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschnitte (44) an den Ablaufkanten der Streifen (28, 29) trapezförmig ausgebildet sind.
5. Brennstoff anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Einrichtung (32) aus einer Feder besteht, deren Länge parallel zum Brennstoffstab (18) oder Führungsrohr (20) verläuft, und daß die starre Einrichtung (34, 50) aus zwei von den Wänden angrenzender Streifen (28, 29) nach innen ragenden Ausbuchtungen besteht, wobei die Ausbuchtun-

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gen (54, 50) in Längsrichtung voneinander in Abstand liegen und jeweils nahe der Anström- bzw. Ablaufkante der Streifen (28, 29) angeordnet sind und einen zu den Wänden des Streifens (28, 29) im Abstand liegenden Teil haben., sodaß Kühlmittel zwischen dem Teil und den Wänden des Streifens durchströmen kann. · - .
6. Brennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Einrichtung (32) aus einer Blattfeder besteht, die aus den Streifen {28, 29) ausgeschnitten und etwa in der Mitte dieser Streifen (29* 28) nach innen gebogen ist, wobei die Federn (32) in zur Achse der Anordnung senkrechter Richtung verlaufen, sodaß Kühlmittel zwischen der Feder (32) und den Wänden der Streifen (28, 29) durchströmen kann.

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