DE2600878A1

DE2600878A1 - Abstandshaltervorrichtung fuer ein buendel paralleler nadeln in einer kernreaktorelementanordnung

Info

Publication number: DE2600878A1
Application number: DE19762600878
Authority: DE
Inventors: Pierre Marmonier; Bernard Mesnage; Jean Skok; Jean Vayra
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-12
Publication date: 1976-07-22
Also published as: FR2298162A1; GB1474359A; JPS5196993A; FR2298162B1; US4056441A

Description

DR. HANS ULRIOK MAY

D 8 MÜNCHEN 22, THir.'-iSCHSTRASSE 27

TELEGRAMME; MAYFAFENT MÖNCHEN

TELEX 52 44 -.ir PATOP

TELEFON CO SQD 22 5O51

CP 526/1435 München, den 12. Januar 1976

B 5560.3 PG Dr.M./es

Commissariat ä 1»Energie Atomique in Paris/Frankreich

Abstandshaltervorrichtung für ein Bündel paralleler Nadeln in einer Kernreaktorelementanordnung.

Die Erfindung betrifft eine Abstandshaltervorrichtung für parallele Nadeln eines Bündels, das in einem offenen Gehäuse mit senkrechter Achse gehalten ist, das an seinem unteren Ende mit einer Stützvorrichtung für diese Nadeln versehen ist, wobei die Gesamtanordnung eine Kernbrennstoff- oder Kernbrutstoffelementanordnung für einen Kernreaktor bildet. Diese Nadeln weisen gewöhnlich eine Hülle aus Stahl auf und enthalten ein Kernbrennstoff- oder Kernbrut stoff material, oder auch diese beiden gleichzeitig, wobei sie in diesem Fall in zwei übereinanderliegenden Zonen verteilt sind, insbesondere mit einer Mittelzone von Kernbrennstoffmaterial und zwei Zonen von Kernbrutstoffmaterial, von denen sich je eine oberhalb und unterhalb der Mittelzone befindet. Die Gehäuse der Elementanordnung weisen einen polygonalen, im allgemeinen hexagonalen Querschnitt auf, und die Gruppierung solcher Anordnungen nebeneinander bildet in bekannter Weise den Kern des Kernreaktors.

In jedem Gehäuse der Anordnung ist der Netzabstand des Bündels, gemäß dem die Nadeln verteilt sind, durch zwischen diesen Nadeln angeordnete Abstandshalterelemente gewährleistet, die Durchlaßkanäle für den Kreislauf eines Kühlfluids bilden. Diese Abstandshalterele-

609830/02 58

- 2 - 9 R Π Π Ρ 7 R

mente müssen besonders Schwingungen der Nadeln verhindern, jedoch zwischen den Nadeln einen genügenden Spielraum lassen, und dürfen im Fluidstrom keinen zu starken Druckabfall bewirken. Außerdem müssen diese Abstandshalter das differenzielle Schwellen des Außengehäuses jeder Anordnung und der Nadelhüllen unter einer erheblichen Bestrahlung zulassen, ohne diese Nadeln zu beschädigen. Schließlich müssen diese Abstandshalterelemente eine ausreichende Durchmischung des Kühlfluids bei dessen Durchgang in Berührung mit den Hüllen im Gehäuse bewirken, um über den ganzen Querschnitt der Anordnung eine im wesentlichen homogene Temperatur zu erhalten.

Von den gegenwärtig bekannten Lösungen zur Herstellung solcher Abstandshalterelemente ist die klassische Lösung vor allem die Verwendung eines massiven spiralförmig verlaufenden Stahldrahtes, der an den Enden der Hülle jeder Nadel, besonders an den die Nadel verschließenden Stopfen angeschweißt ist. Dieser Draht weist jedoch den Nachteil auf, daß er das differenzielle Schwellen der Hüllen der Nadeln, besonders in den gegenwärtig im Bau befindlichen oder projektierten, mit schnellen Neutronen arbeitenden Leistungsreaktoren, wo die Neutronenflüsse sehr hohe Werte erreichen können, nur schlecht zuläßt. Aus diesem Grund hat man bereits andere Lö-' sungen gesucht, insbesondere die in der DT-OS 24 06 605.5 "Kernbrennst off nadel bündel" der Anmelderin beschriebene, wo die Abstände der Nadeln voneinander mittels eines Rohres erhalten werden, in das eine starre Seele in Form eines Drahtes mit Spiel eingeführt ist, wobei die teilweise Stauchung dieses Rohrs im Betrieb die erwähnte differenzielle Schwellung zuläßt. Schließlich sind andere Konstruktionen von komplizierterem Aufbau bekannt, welche schräg zur Achse der Nadeln im Bündel verlaufende Gitter benutzen, welche elliptische Bohrungen zur Aufnahme der Nadeln aufweisen und

609830/0258

aus aufeinanderfolgenden dünnen Platten hergestellt sind, die untereinander zu einem durchbrochenen Bauteil verbunden sind, der den Durchfluß des Kühlfluids gestattet. Eine solche Konstruktion ist besonders im französischen Patent No. 70 36 995 der Anmelderin beschrieben.

Die Erfindung betrifft nun eine Abstandshaltervorrichtung für parallele Nadeln eines Bündels, welche anders konzipiert ist und gegenüber den bekannten Lösungen zahlreiche Vorteile aufweist, da sie sehr einfach aufgebaut ist und die Auswirkungen der differenziellen Schwellung der Nadeln vollkommen toleriert, ohne im Strom des Kühlfluids einen übermäßigen Druckabfall zu bewirken. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem den Vorteil auf, daß das Kühlmedium Natrium beim Durchströmen jeder Anordnung besser durchmischt wird. Außerdem ermöglicht sie, den prozentualen Volumenanteil des Kernbrennstoffs in der Anordnung nur ganz wenig zu verringern.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe gelöst durch eine Abstandshalt ervorrichtung, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Die Erfindung und weitere Vorteile derselben werden erläutert durch die folgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Hierin sind:

- Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Zellengitters, wie es

bei der betrachteten Vorrichtung benutzt wird;

- die Figuren 2a und 3a Teilansichten zweier Abwandlungen eines

Rohrelements, durch das eine Kernbrennstoffnadel geführt ist;

608830/0258

- die Figuren 2b und 3b Ausschnitte von Querschnitten des Nadelbündels und zugehörigen Zellengitters, das die Rohrelemente der Figuren 2a und 3a benutzt;

- die Figuren 4 und 5 Ansichten in kleinerem Maßstab von zwei

abgewandelten Ausführungsformen der Abstandshaltervorrichtung;

- Fig. 6 ein Ausschnitt einer Einzeldarstellung einer anderen

Ausführungsform dieser Vorrichtung;

- Fig. 7 eine Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der

Vorrichtung der Fig. 6.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 schematisch ein Zellengitter, das bei der Ausführung einer erfindungsgemäßen Abstandshaltervorrichtung benutzt wird. Diese Vorrichtung dient besonders dazu, einen ausreichenden Abstand zwischen den parallelen Nadeln des Bündels einer Kernbrennelementanordnung für einen Kernreaktor, besonders einen mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktor, sicherzustellen, wobei diese Nadeln im allgemeinen die Form von länglichen Metallhüllen 2 von geringem Querschnitt aufweisen, die ein Kernspaltstoff- und/oder Kernbrutstoffmaterial umschließen.

Aus Gründen der Sicherheit der Konditionierung des Kernbrennstoffs im Inneren dieser Hüllen ist es besonders erwünscht, die Hüllen in ihrem Abstand voneinander im Bündel zu halten, ohne ihre Integrität zu beeinträchtigen, und besonders ohne an diesen Hüllen äußere Elemente anzuschweißen oder anzulöten. Zu diesem Zweck benutzt die erfindungsgemäße Abstandshaltervorrichtung mindestens ein Zellengitter 1 , das im Inneren eines Außengehäuses 3 von im betrachteten Beispiel im ganzen hexagonalem Querschnitt ausgebildet ist, in dem hohle Rohrelemente 4 nebeneinander und über das Bündel der Nadeln der Anordnung verteilt in axial gegenein-

603830/0258

ander verschobenen Höhen, entsprechend den gezeigten Elementen 4a, 4b, 4c usw., angeordnet sind. Diese Rohrelemente sind miteinander an ihrer Außenfläche von einer zur folgenden Höhe durch Schweißpunkte fest verbunden, wobei sich die Gesamtheit dieser Rohrelemente 4 im Gehäuse 3 gemäß mindestens einer Spirale verteilt. Jede Nadel des Bündels geht durch ein Rohrelement 4 und ist in diesem zentriert.

Zu diesem Zweck hat gemäß einer in Fig. 2a gezeigten ersten Ausführungsform jedes Rohrelement 4 die Form einer verformbaren Metallhülse, deren Querschnitt in Fig. 2b gezeigt ist. Jedes dieser Rohrelemente ist so ausgebildet, daß es an drei Mantellinien 5a, 5b und 5c die Außenfläche der Hülle 2 der hindurchgehenden Nadel des Bündels berührt, während das gleiche Rohrelement an drei anderen Mantellinien 6a, 6b und 6c entweder benachbarte Rohrelemente oder die Innenfläche des Gehäuses 3_;je nach seiner Lage im Nadelbündel, berührt. Diese erste Variante der Ausfüh-

wo
rungsform,/die Rohrelemente 4 quer verformbar sind, weist den Vorteil auf, die differenzielle Schwellung der Nadeln und des Gehäuses unter Bestrahlung, besonders unter einem erheblichen Neutronenfluß, leicht zu tolerieren und dennoch einen geeigneten Abstand zwischen den verschiedenen Nadeln zu halten und dabei den Netzabstand, in dem diese Nadeln in ihrem Bündel verteilt sind, konstant zu halten. Daraus folgt, daß der Wirkungsgrad der Kühlung durch das im Gehäuse 3 in Berührung mit den Hüllen 2 der Nadeln strömende Kühlfluid nicht gestört wird. Außerdem wird gleichzeitig durch die schraubenförmige Anordnung dieser Rohrelemente die Durchmischung des Fluids im inneren des Gehäuses verbessert.

60983 0/0258

Bei der in Fig. 3a gezeigten Abhandlung besitzt jedes Rohrelement 4 im Querschnitt die Form eines -regelmäßigen Sechsecks und weist jeweils an einer von zwei Seiten Buckel oder herausgedrückte Elemente 7 auf. Wie Fig. 3b zeigt, bilden diese Elemente drei Zungen 7a» 7b und 7c, welche die Hülle 2 der Nadel berühren, die durch das entsprechende Rohrelement· hindurchgeht, und berühren dabei gleichzeitig die benachbarten Elemente im Gitter. Die Elastizität dieser Zungen ermöglicht, daß sie ohne Schwierigkeit die Schwellung der Nadeln aufnehmen, und die schraubenförmige Verteilung dieser Elemente im Gitter gewährleistet wie bei der obigen Variante das Durchmischen des Kühlfluids und die Homogenisierung der Temperaturen in der Anordnung.

Fig. 4 zeigt, daß das Bündel der Nadeln in der Elementanordnung im gewünschten gegenseitigen Abstand voneinander durch mehrere Zellengitter 1 der oben beschriebenen Art, z.B. zwei an den Enden dieses Bündels angeordnete Zellengitter 1a oder 1b gehalten werden kann. In diesem Fall sind die Gitter miteinander durch längsverlaufende Zugstangen 8 verbunden, welche bestimmte Nadeln im Bündel ersetzen und an ihren unteren Enden geschlitzte Stopfen 9 aufweisen, die mit am oberen Ende von Schienen 11 vorgesehenenabgerundeten Teilen 10 zusammenwirken oder mit jeder anderen üblichen Vorrichtung, um die Nadeln in ihrem Elementanordnungsgehäuse zu halten.

Bei der Variante nach Fig. 5 weist das Bündel der Nadeln ein einziges Zellengitter 1c auf, das sich über die ganze Hülle der Anordnung erstreckt und in diesem Fall an seinem Umfang an ein am unteren Ende der Brennelementanordnung vorgesehenes Teil 12 angeschweißt sein kann, das sich in einem Positionierungsfuß 13 fortsetzt, in den das in dieser Anordnung strömende Kühlfluid

609830/0258

in Richtung der Pfeile 14 eindringt.

Schließlich können bei der im Ausschnitt in Fig. 6 gezeigten Variante die Rohrelemente 4, welche zur Ausführung jedes Zellengitters gehören, an bestimmte Nadeln des Bündels in der Höhe von an den Hüllen 2 mehrerer Nadeln vorgesehenen Zwischenstopfen 15 angeschweißt oder angelötet sein. Diese vorzugsweise mit einer axialen Bohrung 15a für den Durchtritt von Spaltgasen ausgebildeten Stopfen 15 trennen besonders zwei Innenbereiche 16 und 17» welche die Kernbrennstoff materialien und ICernbrut st off materialien enthalten.

Als Abwandlung kann ein und derselbe Stopfen 15 als Abstützungspunkt für mehrere Abschnitte des so ausgebildeten Gitters dienen, lie sich im Bündel der Nadeln gemäß mehreren koaxialen Schrauben nach Art von Propellerblättern verteilen. Im übrigen können die Rohrelemente 4 so ausgebildet sein, daß sie schräg zur Richtung der Achse der Nadeln verlaufende Endflächen aufweisen, wie die in Fig. 7 schematisch gezeigte andere Ausführungsform.

In jedem Fall besitzt die betrachtete erfindungsgemäße Abstandshai tervorrichtung , welche Zellengitter benutzt, den Vorteil, einen Abstand der Nadeln des Bündels bei annehmbarem Raumbedarf zu gewährleisten, die Schwingungen der Nadeln zu verhindern, jedoch dabei zwischen diesen ein genügendes Spiel zu lassen. Die Montage der Brennelementanordnung erfolgt, indem man die Nadeln in die Gitter einführt, die ihrerseits dann mit den Nadeln in das Gehäuse eingesetzt werden, bevor sie mit diesem gemäß einer der oben angegebenen Varianten fest verbunden werden. Diese Ausführungsformen ermöglichen einen befriedigenden Kreislauf von Kühlfluid um jede Nadel mit einem annehmbaren Druckabfall und behindern vor allem in keiner Weise die differenzielle Schwellung.

609830/0258

.a- 2600873

Schließlich wird das Kühlfluid auf diese Weise besonders wirksam durchmischt, was Temperaturunterschiede in den verschiedenen Bereichen des Bündels begrenzt.

Die Erfindung umfaßt auch Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele. Besonders ist sie, abgesehen von der Benutzung für eine Kernbrennstoff- oder Kernbrutstoffanordnung_/ auch für eine Regelanordnung verwendbar, die aus einem Bündel von ein absorbierendes Material enthaltenden Nadeln besteht, die im Inneren eines Gehäuses entsprechend dem Gehäuse der Kernbrennelementanordnungen des Kerns angeordnet sind.

609830/0258

Claims

Patentansprüche

1./Abstandshaltervorrichtung für ein Bündel paralleler Nadeln in einer Kernreaktoranordnung mit mindestens einem Zellengitter, das von nebeneinander angeordneten Rohrelementen geringer Höhe gebildet ist, durch die jeweils axial eine Nadel des Bündels geführt ist, wobei die Rohrelemente untereinander im Gitter immer weiter miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeich η-.e t, daß diese Rohrelemente (4) gegeneinander entsprechend der Höhe dieser Nadeln versetzt sind, so daß sie sich längs mindestens einer Schraubenlinie verteilen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohrelement (4) drei Berührungsmantellinien (5) mit der Seitenfläche der Hülle (2) der durch das Rohrelement hindurchgeführten Nadel und drei andere Berührungsmantellinien (6) mit drei im Gitter benachbarten Rohrelementen aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohrelement (4) einen Querschnitt mit dem Umriß eines regelmäßigen Sechsecks und innen an einer von zwei Seiten drei seitliche Zungen (7) aufweist, die in Berührung mit der Außenfläche der Hülle (2) der durch das Rohrelement geführten Nadel verformbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von in Richtung der Höhe der Nadeln ces Bündels übereinander angeordneten Zellengittern (1) aufweist.

609830/0258

-. j (j —.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4i dadurch gekennzeichnet, daß die Zellengitter (1) aneinandergelegt sind, um einen einzigen Baukörper zu bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4.oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellengitter (1) in einem-Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Verbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Zellengittern durch in Längsrichtung verlaufende parallele Zug-₍ stangen (8) erfolgt, welche bestimmt Nadeln des Bündels ersetzen und an denen die Rohrelemente (4), durch welche diese Zugstangen (3) geführt sind, befestigt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Rohrelemente (4) jedes Zellengitters (1) an einem Zwischenstopfen (15) angeschweißt sind, der in mindestens einer bestimmten Höhe an bestimmten Nadeln des Bündels vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zwischenstopfen (15) als Abstützpunkt für mehrere Abschnitte von Gittern dient, die sich längs koaxialen Schraubenlinien nach Art von schraubenartigen Propellerblättern erstrecken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Rohrelemente (4) schräg zur Richtung der Achse der Nadeln des Bündels verlaufen.

609830/0258

Leerseite