DE2905661C2 - Abstandshalter für die zu einem Kernreaktorbrennelement zusammengefaßten Brennstäbe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abstandshalter für die zu einem Kernreaktorbrennelement zusammengefaßten Brennstäbe, bestehend aus einem die Brennstäbe in seinen Zellen aufnehmenden Gitterwerk aus einander rechtwinklig durchdringenden, hochkant angeordneten Blechstegen, an denen federnde und starre Anlageelemente befestigt sind, wobei jeder Brennstab durch zwei Dfeipünktlägefsysteme, bestehend je aus einem, in axialer Richtung gesehen, in bezug auf die Blechbreite mittig angeordneten federnden Anlageelement und zwei starren, in der Zelle gegenüberliegenden Anlageelementen, gehaltert ist.

Ein derartiger Abstandshalter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 89 051 bekannt. Starre und federnde Anlageelemente dieses Abstandshatters befinden sich stets in der Mitte der Zellenwände, wo ein federndes Anlageelement auf der einen Zellenwand den Brennstab gegen zwei in axialer Richtung übereinander angeordnete starre Anlageelemente auf der gegenüberliegenden Zellenwand drückt

Die Anlageelemente liegen so in den einzelnen Zellen des Gitterwerkes des Abstandshalters an den engsten

Ό Stellen des Zwischenraumes zwischen dem jeweils in der Zelle angeordneten Brennstab und den Zellenwänden und beeinträchtigen dort in erheblichem Umfang die Kühlmittelströmung durch die Zelle in axialer Richtung. Der Brennstnb kann daher an den Anlagestel-

^:5 Ien der Anlageelemente nicht ausreichend gekühlt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen, und die Kühlung der Brennstäbe im Abstandshalter an den Anlagestellen der Anlageelemente zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Abstandshalter der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageelemente der beiden Dreipunktanlagesysteme jeder Zelle in deren Ecken angeordnet sind, daß in an sich bekannter Weise über den Kreuzungspunkten der Blechstege des Gitterwerkes als starre Anlageelemente Rin^e in Form von kurzen Rohrabschnitten mit einem Durchmesser kleiner als dem Durchmesser der zu haitemden Brennstäbe mit entsprechenden Schlitzen der Blechstege in Eingriff stehen und mit diesen verschweißt sind, daß diese Ringe ober- und unterhalb des Gitterwerkes angebracht sind und daß in Aussparungen der Blechsiege der einen Richtung im Querschnitt etwa dreieckige Elemente eingehängt sind, in dieser Lage durch die Blechstege der anderen Richtung gehalten werden und mit diagonal in zwei benachbarte Gitterzellen hineinragenden in axialer Richtung verlaufenden Anlagefedern versehen siiid.

Der Zwischenraum zwische/i einem in einer Zelle

♦o angeordneten Brennstab mid den Zellenecken ist so groß, daß in den Zellenecken angeordnete federnde Anlageelemente die Kühlmittelströmung kaum behindern, während die als starre Anlageelemente dienenden Ringe vom strömenden Kühlmittel ohnehin durchflos· sen werden können und so praktisch überhaupt keine Behinderung der Kühlmittelströmung darstellen. In den einzelnen Zellen des Gitterwerks des Abstandshalters angeordnete Brennstäbe werden also allseitig gleichmäßig gekühlt. Fe^rner wird vermieden, daß diese Brennstäbe beim Auftreten starker seitlicher Kräfte.

z. B. bei Erdbeben, aus ihrer Zentrierung in den einzelnen Zeilen des Gitterwerks des Abstandshalters ausbrechen können.

Aus der Britischen Patentschrift 10 75 522 ist zwar ein Abstandshalter für die zu einem Kernreaktorbrenneiement zusammengefaßten Brennstäbe eines Kernreaktors bekannt, welcher ringförmige Anlageelemente für die Brennstäbe aufweist, das Gitterwerk des Abstandshalters ist jedoch nicht durch einander rechtwinklig durchdringende, hochkant angeordnete Blechstege gebildet, sondern der Querschnitt der einzelnen Zellen des Gitterwerkes dieses bekannten Abstandshalters ist jeweils ein regelmäßiges Sechseck, das nur in jeder zweiten Ecke einen ringförmigen Aniagekörper für die Brennstäbe aufweist, die in axialer Richtung gesehen nicht einmal ein einziges Dreipunktanlagesystem für den jeweiligen Brennstab bilden.

In den deutschen Offenlegungsschriften 17 64 396 und

19 30981 ist es auch vorgeschlagen worden, in einem Abstandshalter aus einander rechtwinklig durchdringenden hochkant angeordneten Blechstegen die Anlagelemente teilweise in die Kreuzungspunkte der Stege zu verlegen. Die federnden Anlagelemente bilden für sich gefertigte Bauteile, die in das Steggitter eingehängt sind. Die starren Anlageelemente befinden sich aber auch hier an der engsten Stelle zwischen dem Brennstab und der Zellenwand. Diese Konstruktion ermöglicht es, die Neutronenabsorption derartiger Abstandshalter gegenüber früheren Konstruktionen dadurch herabzusetzen, daß das eigentliche Gitterwerk aus einem Material mit geringem Neutronenabsorptionsquerschnitt, also z. B. Zirkalloy, und nur die eigentlichen federnden Anlageelemente aus entsprechend federhartem Material, wie z. B. Inconel gefertigt sind. Dieser Vorteil kann auch bei der vorliegenden Erfindung erhalten bleiben.

Die F i g. 1 zeigt zunächst eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des Abstandshaltergitters, das aus den Blechstegen 1 und 2, siehe die F i g. 2 und 3, in an sich bekannter Weise durch ineinanderfügen aufgebaut ist. Eine perspektivische Ansicht dieses Abstandshaltergitters zeigt F i g. 4, die F i g. 5 und 6 sowie 7 neigen die federnden Anlageelemente und die F i g. 8 und 9 starre Anlageelemente.

In dem Ausschnitt nach F i g. I ist zu sehen, daß in dem Abstandshaltergitter nicht nur die Brennstäbe 5 aufgenommen werden, sondern auch in an sich bekannter Weise Regelstabführungsrohre. Diese werden in Hülsen 6 eingeschoben, wie sie ebenfalls in F i g. 1 dargestellt sind. Die festen Anlagelemente werden durch ringförmig!; Rohrabschnitte 3 gebildet, die in Schlitze 32 bzw. 31 (siehe Fig.2 und 3) an den Kreuzungsstellen der Stege 1 und 2 eingeschoben sind. Dort werden sie durch Schweißung befestigt, wie auch zusätzlich noch Schweißpunkte an den Kreuzungsstellen dieser Stege 1 und 2 vorgesehen werden können. Wie in F i g. 8 dargestellt, sind diese Anlageelemente 3 an ihren Rändern abgeschrägt 33. Sie lassen sich dadurch leichter in die Schlitze 31 und 32 einführen und erleichtern das spätere Einsetzen von Brennstäben und Führungsrohren, außerdem wird dadurch der Strömungswiderstand gegenüber dem Kühlmittel, das normalerweise Wasser ist, verringert Dem gleichen Zweck difint die »ofeilförmige« Ausführung der Stege 1 und 2 an den Kreuzungsstellen.

Da die Regelstababführungsrohre einen größeren Durchmesser aufweisen, als die Brennstäbe 5 und damit auch deren Aufnahmehülsen 6, sind die benachbarten ring-förmigen Elemente 3 entsprechend Fig.9 mit Einbuchtungen 36 versehen und an diesen Stellen außerdem mit der Hülse 6 zu deren Halterung verschweißt.

Die federnden Anlageelemente 4 sind in die Stegbleche 1. siehe Fig. 3, in deren Ausnehmungen 12 eingeschoben und werden in dieser Stellung durch die anschließend eingefügten Stege 2 gehalten. Eine metallurgische Verbindung ist nicht notwendig. Ihr Aufbau ist aus den Fig. 5, 6 und 7 näher ersichtlich, wobei Fig.6 eine Seitenansicht und Fig.5 eine entsprechende Draufsicht darstellt. Fig.7 stellt eine Ansicht dieses Anlageelementes 4 in Richtung des Stegbleches 1 dar. Insbesondere aus F i g. 5 ist zu ersehen, daß dieses Anlageelement 4 durch Stanzen und Biegen aus einen*, ebenen Blech in üblicher Weisa hergestellt werden kann. Seine beiden federnden Teile 41, deren Biegung selbstverständlich auch anders gewühlt werden kann, verbinden dabei ein Kopf- und Fußstück 42, das einen dreieckigen Querschnitt aufweist Ein Verschweißen dieser Endstücke 42 ist nicht notwendig, da dort kurze Schlitze 45 eingearbeitet sind, die ebenfalls wie die kurzen Schlitze 43 und 44 an der Vorderseite dieses Teiles 4 beim Einschieben in die Ausnehmung 12 des Bleches I₁ siehe Fig.3, die Stegwand umfassen — siehe F i g. 7 — und damit auch selbst in ihrer Sollage gehalten sind. Wie bereits eingangs erwähnt, sind diese federnden Anlageelemente 4 aus elastischem Material, z. B. Inconel, gefertigt Die übrigen Teile des Abstandshaltergitters dagegen bestehen aus einer Zirkonlegierung. Zur weiteren Herabsetzung des Materialaufwandes und damit der Neutronenabsorption sowie des Druckverlustes im durchströmenden Kühlmittel sind die Maschenwände noch mit großflächigen öffnungen 22 und 11 versehen.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, liegen die Brennstäbe 5 jeweils nur an den den federnden Anlageelementen 4 gegenüberliegenden Ringen 3 an. Gegenüber den oberhalb und unterhalb der Feder. -emente 4 angeordneten Ringen 3 verbleibt dagegen en Abstand. Auf diese Art und Weise ist die jeweilige Dreipunkthalterung in jeder Dkgonale einer Abstandshaltermasche gegeben und außerdem bei einem evtl. Auftreten zu stärke*-· seitlicher Kräfte eine Oberbeanspruchung der federnden Teile 41 vermieden, da dann eine weitere Bewegung des Bremstabes durch die oberhalb und unterhalb der federnden Anlageelemente 4 befestigten Ringe 3 verhindert wird. Dies entspricht der Forderung nach Erdbebensicherheit Wie auch aus F i g. 1 ersichtlich, ist ein Ausbrechen des Brennstabes aus dieser Halterung im Vergleich zu den Vorschlägen aus dem Stande der Technik nicht mehr möglich, so daß auch dies als Sicherung gegenüber seitlichen Kräften, wie sie z. B. auch durch ungleichmäßige thermische Belastung der Brennstäbe entstehen könnten, gegeben ist.

Es ist hieraus auch zu ersehen, daß die Kühlung der Brennstäbe innerhalb der Maschen gegenüber den Vorschlägen aus dem Stande der Technik verbessert wird, da in den engsten Stellen zwischen den B.-ennstäben 5 und den Stegwandungen 1 und 2 keine die Strömung behindernden Noppen oder Federn vorh'anden sind. Da aufgrund der hier gegebenen geometrischen Verhältnisse der Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel vergleichmäßigt ist, wird auch das Verhalten der Brennstäbe bei thermischen Überlastungen wesentlich verbessert. Dies wird insbesondere auch dadurch erreicht, daß das Kühlmittel ungestörter und in größerer Menge an die stets gefährdeten Stellen eines Brennstabes knapp hinter den entsprechenden Anliegestellen der Abstandshalterung gelangen können. Daraus ergibt sich dann auch, und ausführliche Messungen hat -n dieses bestätigt, daß die Druckverluste geringer als bei bisher üblichen Abstandshalterausführungen sind.

Neben diesen funktioneilen Verbesserungen der Abstandshalterkonstruktion ist auch deren Zusammenbau relativ einfach zu bewerkstelligen. Zunächst werden die für sich gefertigten federnden Anlageelemente 4 in die Öffnungen 11 der Blechstege 1 eingesetzt und in die Ausnehmungen 12 bis zum Anschlag vorgeschoben. Nachdem alle Plätze für die federnden Anlageelemente 4 besetzt sind, werden die Stege 2 in die Schlitze 21 der Stege 1 eingeschoben und umgreifen diese mit den Schlitzen 2Z Anschließend werden die Ringe 3 auf der Ober- und Unterseite des zusammengesteckten Abstandshaltergitters eingesetzt und automatisch durch

Schweißen befestigt. Dies selbstverständlich unter Berücksichtigung jener Maschen, an denen die Hülsen 6 für die Regelstabführungsrohre eingesetzt werden. Die diesen Maschen hineinragenden Anlagefedern 41

werden vorher aus den Anlageelcmenten 4 entfernt.

Ein derartig aufgebauter Abstandshalter für Kernreaktorbrennelemente wird selbstverständlich in bekannter Weise noch durch einen äußeren Umfassungssleg zusammengehalten. An den einzelnen Abstandshaltermaschen können außerdem an sich bekannte Kühlmittelablenkfahnen zur besseren Verwirbelung des Kühlmittels und damit nicht nur Verbesserung der Kühlwirkung, sondern auch Vergleichmäßigung der Kühirnitlelausirittslemperatur, angebracht sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentanprüche:

   t. Abstandshalter für die zu einem Kernreaktorbrennelement zusammengefaßten Brennstäbe, bestehend aus einem die Brennstäbe in seinen Zellen aufnehmenden Gitterwerk aus einander rechtwinklig durchdringenden, hochkant angeordneten Blechstegen, an denen federnde und starre Anlageelemen te befestigt sind, wobei jeder Brennstab durch zwei Dreipunktanlagesysteme, bestehend je aus einem, in axialer Richtung gesehen, in bezug auf die Blechbreite mittig angeordneten federnden Anlageelement und zwei starren, in der Zelle gegenüberliegenden Anlageelementen gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageelemente (41 und 3) der beiden Dreipunktanlagesysteme jeder Zelle in deren Ecke angeordnet sind, daß in an sich bekannter Weise über den Kreuzungspunkten der Blechstege (I₁ 2) des Gitterwerkes als starre Anlageelemente Ringe (3) in Form von kurzen Rohrabschnitten mit einem Durchmesser kleiner als dem Durchmesser der zu haitemden Brermhtäbe (5) mit entsprechenden Schlitzen (31,32) der Blechstege (1, 2) in Eingriff stehen und mit diesen verschweißt sind, daß diese Ringe (3) ober- und unterhalb des Gitterwerkes angebracht sind und daß in Aussparungen (12) der Blechstege (1) der einen Richtung im Querschnitt etwa dreieckige Elemente (4) eingehängt sind, in dieser Lage durch die Blechstege (2) der anderen Richtung gehalten werden und mit diagonal in zwei benachbarte Gitterzellen hineinragenden in ;■ :ialer Richtung verlaufenden Anlagefedern (41) versehen sind.
2. 2. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlag'federn (41) in axialer Richtung gesehen über die oberhalb und unterhalb angeordneten Ringe (3) in den Zellen so vorstehen, daß diese Ringe (3) den durch die Federn (41) gefaßten Brennstab (5) nicht berühren.
3. 3. Abstandshalter nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenwände mit großflächigen Durchbrechungen (11, 22) versehen sind.
4. 4. Abstandshalter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Anlageelemente (4) einstückig aus federndem Material gestanzt sind und durch Biegen je ein im Querschnitt dreieckiges Kopf- und Fußteil (42) erhalten haben, das mit Ausnehmungen (43, 44, 45) zur Führung in Durchbrechungen (12) der die eine Zellenwand bildende Blechstege (1) versehen sind.