DE1439362A1 - Abstandshalter fuer Brennelemente - Google Patents

Description

• Abstandshalter für Brennelemente Die Brennelemente von Atomreaktoren bestehen normalerweise aus einer Anzahl_von verhältnismäßig langen, aber auch verhältnismäßig dünnen Brennstäben,. die im gleichen Abstand nebeneinander angeordnet sind. Die in den Brennstäben während des Reaktorbetriebes frei werdende Wärme wird durch das zwischen den Brennstäben fließende Kühlmittel abgeführt. Für eine gleichmäßige Abfuhr der Wärme aus allen diesen Brennstäben ist es dabei wesentlich, daß sich die Zwischenräume praktisch nicht verändern. Zur Gewährleistung dieser Bedingung ist es aber notwendig, bei der verhältnismäßig großen Länge der Brennstäbe in regelmäßigen Abständen Abstandshalter zwischen den einzelnen Brennstäben einzufügen. Diese bestehen nach einer bekannten Ausführungsform aus hochkant angeordneten Blechstegen, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind und so ineinander greifen, daß ein Gitterwerk entsteht. Die damit entstehenden Maschen umfassen jeweils einen Brennstab, der durch von den Stegteilen vorspringende Laschen in der Mitte dieser Maschen gehalten wird.
• Da die Brennstäbe normalerweise kreisförmigen Querschnitt besitzen, ist der Strömungsquerschnitt durch das Brennstabgitter und auch durch die Maschen des Abatandshaltegitters unterschiedlich. In den Ecken dieses-Maschengitters wird der Strömungswiderstand kleiner sein und an den Mitten der Stege, wo der kleinste Abstand gegenüber dem zentrierten Brennstab und auch zwischen@den Brennstäben herrscht, wird er größer sein. Bei der Bemessung der zulässigen thermischen Belastung der Brennstäbe muß aber von der Zone där schlechtest möglichen Kühlung ausgegangen werden. Einem derartigen Brennstab kann also nicht _die Leistung entnommen werden, die sich bei einer gleichmäßigen . Wärmeabfuhr ergeben würde. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abstandshalter zur Verwendung in Brennelementen von Atomreaktoren aus einem Gitterwerk von hochkant angeordneten und ineinandergreifenden Blechstegen, von .denen Abstandsfahnen zu den zu halternden Brennstäben des Elementes abgebogen sind und vermeidet die bei bekannten Einrichtungen ähnlicher Art auftretenden geschilderten Nachteile. Erfindungsgemäß liegen die Berührungspunkte zwischen Brennstab und den federnden Kontaktfahnen auf gedachten, parallel zur Elementachse verlaufenden Ebenen der Winkelhalbierenden der Maschen des Gitterwerkes. Dadurch wird erreicht, daß die Abstandsfahnen nicht wie bei bekannten Abstandshaltern in den Zonen verringerter Strömungsgeschwindigkeit sondern in Zonen geringeren Strömungswiderstandes, also erhöhten Kühlmitteldurchflusses angeordnet sind. Es wird also damit eine Vergleichmäßigung des Strömungswiderstandes und auch der Kühlung der Brennstäbe ermöglicht, so daß die spezifische Oberflächenbelastung derselben erhöht werden kann. Durch die spezielle Formgebung der Abstandshalterfahnen, die also sozusagen aus den Ecken der Maschen des Abstandshaltergitters hervorwachsen, wird der Kühlmittelströmung ein Drall um den Brennstab herum eingeprägt, der seinerseits wieder zu einer Erhöhung der Wärmeabfuhr vom Brennstab führt. Von diesem Gesichtspunkt der Verwirbelung aus ist es zweckmäßig, die Abstandshaltergitter in entsprechenden Abständen übereinander anzuordnen. Diese neuartige Abstaridshalterform wirkt also in doppelter@Hinsicht in Richtung einer Erhöhung der Leistung eines damit ausgerüsteten Reaktors. Weitere . Einzelheiten dieser Erfindung sind anhand der Figuren 1 bis 8 zu entnehmen.
• Fig. 1 zeigt in der Draufsicht ein Abstandshaltergitter, das aus den sich kreuzenden Blechstegen 3 und 3° besteht. Die Maschen dieses Gitters sind quadratisch. Die durch jede Maschine hindurchlaufenden Brennstäbe 2 werden dabei durch die Fahnen 4 und 4', die von den die einzelnen Naschen begrenzenden Stegteilen abgewinkelt sind, zentriert. Mit 4-sind dabei jene Fahnen bezeichnet, die von der Oberseite und mit 4' jene, die von der Unterseite des Maschengitters abgewinkelt sind. Dadurch, daß diese Abstandsfahnen aus den Eckpartien der Maschen hervorwachsen und die Berührungspunkte zwischen den Fahnen und den Brennstäben auf den Halbierenden der Maschenwinkel liegen, verbleiben im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen die-Zwischenräume zwischen den Stegteilen und den Brennstäben an ihren engsten Stellen frei von weiteren störenden Bauelementen. Die Abstandshalterfahnen 4 sind vielmehr im Weg des geringsten Strömungswiderstandes angeordnet und sorgen damit für eine Vergleichmäßigung der Strömung um den ganzen Brennstab herum.
• Wie bereits erwähnt, sorgen sie auch für eine entsprechende Drallbewegung der Kühlmittelströmung, wie sie durch die Pfeile eingezeichnet ist.
• Selbstverständlich sind auch andere Gitterformen denkbar, siehe Fig. 2. Dort ist ein Ausschnitt aus einem Dreiecksgitter dargestellt, bei dem selbstverständlich jeweils dann nur drei Laschen zur Zentrierung des umfaßten Brennstabes 2 dienen. Auch hier wird eine Drehströmung in Richtung des gezeichneten Pfeiles erreicht.
• Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem quadratischen Abstandshaltergitter, das ebenfalls wieder aus den Stegteilen 3 und 3' zusammengefügt ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Abstands-, halterfahnen lediglich nach der einen Seite ausgebildet und besitzen infolge ihrer gewölbten Ausführungsform einen ausgeprägten progressiven Federcharakter. Damit ist es möglich, die Brennstäbe von der einen Seite her ohne jegliche zusätzliche Werzeuge durch die Maschen hindurchzuführen. Die Fahnen befinden sich alle auf der Abstandshalteroberseite. Von jeder Fahne wird dabei ein Teilstrom des Kühlmittels auf die Rückseite der nebenliegenden gelenkt. Die Federeigenschaften verhindern zudem eine Berührung der Brennstäbe mit den senkrechten Stegen, wenn sich die Brennstäbe infolge ungleicher thermischer Belastung durch einen anormalen Betriebszustand verbiegen sollten. Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine quadratische Abstandshaltermasche. Bei dieser Ausbildungsform sind die oberen Laschen zur Zentrierung des umfaßten Brennstabes 2 vorgesehen, während die unteren Laschen 4' zur Zentrierung der Brennstäbe der benachbarten Maschen dienen. Auch aus dieser Darstellung ist wiederum die Entstehung der Kühlmitteldrehströmung zu ersehen. Beim Zusammenbau des Brennelementes ist es bei dieser Bauform zweckmäßig, die Brennstäbe abwechselnd von beiden Seiten einzuführen, wenn zusätzliche Hilfsgeräte zur Vermeidung von Verklemmungen beim Einsetzen der Brennstäbe 2 vermieden werden sollen. Aus dieser Darstellung ist auch besonders deutlich die Ineinanderfügung der Blechstege 3 und 3' ersichtlich. Zweckmäßig werden diese Durchdringungsstellen nachträglich noch miteinander hartverlötet.
• Die Abbildungen 5 bis 8 zeigen jeweils in einer Seitenansicht und einer ausschnittsweisen Draufsicht verschiedene Modifikationen der Abstandshalterfahnen sowie von Ausbuchtungen, Stollen z.dgl. in der Mitte der Abstandshalterstege 3. Diese zusätzlichen Vorsprünge befinden sich an der Stelle des engsten Zwischenraumes zwischen Brennstab und Steg und berühren in keinem Falle den jeweiligen Brennstab. Sie sind lediglich als Sicherheitsanschlag bei evtl. zu großen Verbiegungen der Brennstäbe vorgesehen, damit auch bei Störungen in der Kühlmittelströmung stellenweise weitere Überhitzungen der Hüllrohre der Brennstäbe vermieden werden.
• Nach Fig. 5 und 5a sind solche Stege 5 von den Abstandshalterfahnen ober- und unterhalb der eigentlichen Stege'3 abgebogen. , Insbesondere aus Fig. 5a ist zu sehen, daß noch ein großer Abstand zwischen diesen Vorprüngen und dem Brennstab 2 besteht, so daß dadurch keine wesentliche Kühlmitteldrosselung erfolgt. Vielmehr tragen diese Vorsprünge ebenfalls zur Ablenkung der Kühlmittelströmung bei.
• Nach Fig. 6 sind in der Mitte der maschenbegrenzten Stege Ausbuchtungen 6 eingeprägt, die gleichfalls einen Sicherheitsabstand bewirken und zusätzlich als Strömungsleiteinrichtung dienen.
• Fig. 7 zeigt in den Stegen 3 eine schräggestellte Wellung 7, die ebenfalls die Einhaltung des Sicherheitsabstandes und eine Strömungsumleitung bewirken. Die letzte Fig. 8 - 8a zeigt eine weitere Variante dieser Hilfseinrichtung 8, die in diesem Falle durch Stanzen-und Ausbiegen aus dem Mittelteil des Steges 3 gebildet wird. Für diese Ausführung gelten dieselben Richtlinien wie für die vorbesprochenen.
• Diese Ausbuchtungen, Stollen u.dgl. bringen teilweise noch den weiteren Vorteil einer Versteifung der Stege mit sich und erhöhen damit die Stabilität des gesamten Abstandshaltergitters.
• Aus den dargestellten Beispielen des erfindungsgemäßen Abstandshalters geht weiterhin hervor, daß die Abstandshalterfahnen benachbarter Brennstäbe immer entgegengesetzt gebogen sind, wodurch der Kühlmitteldrall um die Brennstäbe herum sinngemäß weitergeführt wird bzw. die entsprechenden Impulse erfährt. Selbstverständlich sind noch eine Vielzahl anderer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abstandshalters denkbar; allen ist jedoch gemeinsam die Vergleichmäßigung des Strömungswiderstandes um den Brennstab herum durch die Wahl der Anlagepunkte in den Zonen des geringsten Strömungswiderstandes sowie die Zeitung der Strömung um den jeweiligen Brennstab herum und die damit erreichte Verbesserung der Kühlwirkung.

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Abstandshalter zur Verwendung in Brennelementen von Atomreaktören aus einem Gitterwerk hochkant angeordneter und ineinander greifender Blechstege, von denen Kontaktfahnen zu den zu halternden Brennstäben des Elementes abgebogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungspunkte zwischen Brennstab und den federnden, eine Ablenkung der Kühlmittelströmung bewirkenden Kontaktfahnen in gedachten, parallel zur Elementachse verlaufenden Ebenen der Winkelhalbierenden der Maschen des Gitterwerkes und dort jeweils ober- und unterhalb desselben liegen.
2. 2. Abstandshalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfahnen seitlich der Mitte der jeweils eine Maschenseite bildenden Stegteile-nach oben bzw. und nach unten abwechselnd.in Richtung der benachbarten Maschenräume abgewinkelt sind.
3. 3. Abstandshalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahnen derart in sich verwunden sind, daß die Berührungspunkte einen größtmöglichen Abstand von den die Maschen begrenzenden Stegteilen haben. Abstandshalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Maschen bildenden Stegteile in ihrer Mitte mit nach beiden Seiten vorspringen, die Brennstäbe nicht berührenden Ausbuchtungen, Stollen o.dgl. versehen sind.