DE1464839B1 - Abstandshaltersystem fuer gebündelte Kernbrennstoffstäbe - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Abstandshaltersystem für Die thermische Instabilität erfordert die Anwesen-Kernbrennstoffstäbe, die in konzentrischer Ring- heit von Abstandshaltern in einer bestimmten Höhe anordnung um einen mittleren Brennstoffstab zu der Brennstäbe (im allgemeinen in der Mitte), um einem Brennstoffelement für Kernreaktoren gebündelt einen gleichbleibenden Abstand aufrechtzuerhalten, sind, mit einer bestimmten Anzahl von je einen Stab 5 d. h. den Querschnitt der Durchtrittsöffnung für das ringförmig umgebenden Abstandshaltern, die mit Kühlmedium zwischen den Brennstäben gleich-Abstandsflügeln versehen sind, von denen ein Teil bleibend zu halten. Diese Abstandshalter verleihen sich gleichzeitig gegen drei Brennstoff stäbe abstützt, dem Bündel außerdem eine bestimmte mechanische und wobei mindestens die zum äußeren Ring, jedoch Widerstandsfähigkeit. Leider erhöhen sie die Drucknicht die zu verschiedenen Ringen gehörenden io Verluste und müssen daher so gebaut werden, daß Abstandshalter untereinander verschweißt sind. der Druckabfall möglichst gering ist.
Derartige Brennstoffelemente werden im Reaktor Es sind nun aus dem deutschen Gebrauchsmuster durch ein wärmeübertragendes Medium gekühlt. 1769065 Abstandshalter für Kernbrennstoffelemente

Das Bestreben, von einem Kernbrennstoffelement bekannt, die die Brennstoffstäbe ringförmig umgeben

mehr Wärme abzuführen, um die Energieausbeute 15 und mit Abstandsflügeln versehen sind. Diese

zu erhöhen, führt natürlicherweise zu einer mög- Abstandshalter sind so ausgebildet, daß sich ein Stab

lichsten Vergrößerung der durch das wärmeübertra- gleichzeitig gegen drei benachbarte Stäbe abstützt,

gende Medium gekühlten Oberfläche. Dafür sind die Hierbei verlaufen die Flügel der Abstandshalter längs

aus einer Gruppierung von nebeneinanderliegenden den Verbindungsgeraden der Stabachsen. Wenn sich

Brennstäben gebündelten Kernbrennstoffelemente ein 20 drei Stäbe gegeneinander abstützen, entstehen auf

Beispiel. Wenn man identische Brennstäbe in Betracht diese Weise Dreiecksmaschinen. Wenn man die

zieht, umfassen die dichtest gepackten Bündel, die Mindestanzahl der Abstandsflügel annimmt, die

aus aufeinanderfolgenden Kränzen zusammengesetzt nötig ist, um jeden Stab gegen mindestens drei

sind, 7,19 usw. ... Brennstäbe. benachbarte Stäbe abzustützen, beanspruchen diese

Wenn man jedoch möglichst befriedigende Eigen- 25 bekannten Abstandshalter einen verhältnismäßig schäften erzielen will, müssen eine Anzahl Bedin- großen Anteil der Querschnittsfläche der Zwischengungen beachtet werden, die unter anderem je nach räume zwischen den Brennstoffstäben, durch die das der Art des Kühlmediums, Druckwasser, Siedewasser wärmeübertragende Medium strömt. Diese Abstandsoder Gas unter Druck, verschieden sein können. Ein halter sind auch nicht in der Lage, die Brennstäbe gebündeltes Brennstoffelement wird durch Zusammen- 30 gegen eine Verdrehung ihrer Achsen zu sichern, da bau von Einzelbrennstäben gebildet, und diese An- bei einer Drehung eines Stabes die Abstandsflügel Ordnung ist bestimmten mechanischen Beanspruchun- an den benachbarten Stäben einfach tangential weggen unterworfen, die von der Handhabung des Brenn- rutschen würden, also einer Drehung nahezu keinen Stoffs im Kanal, den Spannungen infolge des Druck- Widerstand entgegensetzen.

abfalls, der Reibung des Kühlmediums, Schwingungen 35 Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die

und Wärme sowie von den Strahlungswirkungen Nachteile der bekannten Abstandshalter zu beheben

(Spaltprodukten) herrühren. und ein den Erfordernissen der Praxis entspre-

Offensichtlich wird von dem Brennstoffelement chendes System von Abstandshaltern zu schaffen, die verlangt, diesen verschiedenen Banspruchungen wäh- bei geringsten Druckverlusten des wärmeübertrarend der vorgesehenen Brenndauer zu widerstehen 40 genden Mediums dem Brennstoffelement die größt- und eine möglichst geringe Neutronenabsorption auf- mögliche Stabilität auch gegen Verdrehung der einzuweisen. Im Hinblick auf Neutronenverluste ist vor- zelnen Brennstäbe verleihen.

zuziehen, möglichst lange Brennstäbe zu verwenden, Diese Aufgabe wird bei einem Abstandshalterung einerseits die Masse des zur Herstellung der End- system für Kernbrennstoffstäbe, die in konzentrischer abschnitte (Stopfen, Haltegitter) verwendeten Werk- 45 Ringanordnung um einen mittleren Brennstoffstab zu Stoffs möglichst gering zu halten und andererseits einem Brennstoffelement für Kernreaktoren gebündelt unter im übrigen gleichen Umständen die Höchst- sind, mit einer bestimmten Anzahl von je einen Stab menge von Spaltmaterial unterzubringen. ringförmig umgebenden Abstandshaltern, die mit

Um jedoch günstige Eigenschaften zu erzielen, Abstandsflügeln versehen sind, von denen ein Teil sich muß eine Höchstmenge von Kalorien pro Volum- 50 gleichzeitig gegen drei Brennstoffstäbe abstützt, und einheit des Brennstoffs abgegeben werden, was sehr wobei mindestens die zum äußeren Ring, doch nicht starke Wärmegradienten in seinem Inneren und eine die zu verschiedenen Ringen gehörenden Abstandsgute Wirksamkeit des wärmeübertragenden Mediums halter untereinander verschweißt sind, gemäß der voraussetzt. Diese für die Wirtschaftlichkeit des Erfindung dadurch gelöst, daß ein Teil der Abstands-Reaktors wesentliche Bedingung hat jedoch zur Folge: 55 flügel als Y-förmige Knotenpunkte ausgebildet sind

1. Eine Wärmestabilität des Brennstabs. Wenn sich oder sich mit den Abstandsflügeln benachbarter der Brennstab leicht krümmt, verringert sich die Abstandshalter zu solchen Y-förmigen Knotenpunkten für das Kühlmedium gelassene Durchtritts- ergänzen, durch die ein Brennstoffstab gleichzeitig Öffnung, der längste Abschnitt der Hülle wird gegen zwei benachbarte Brennstoffstäbe abgestützt am wenigsten gekühlt, und die Erscheinung be- 60 wird.

schleunigt sich hinsichtlich Temperatur und Ver- Vorzugsweise stützt sich jeder Stab eines Ringes

formung bei örtlichem Schmelzen der Hülle. mit einem Y-förmigen Knotenpunkt gegen zwei Stäbe

2. Einen erheblichen Druckabfall. Da das Kühl- des nächstäußeren Ringes ab.

medium mit großer Geschwindigkeit strömt, Außerdem ist es vorteilhaft, wenn mindestens

erfordern die Druckverluste erhöhte Pumpen- 65 einige der Knotenpunkte durch je einen sich Y-förmig

bzw. Gebläseleistungen zum Nachteil der Wirt- verzweigenden Abstandsflügel eines Abstandshalters

schaftlichkeit des Reaktors; dieser Punkt wird oder durch je zwei aneinanderstoßende Abstands-

rasch sehr kritisch. flügel zweier benachbarter Abstandshalter oder auch

ORIGINAL INSPECTED

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durch je drei aneinanderstoßende Abstandsflügel In einer ersten Ausführungsform eines in den

dreier benachbarter Abstandshalter gebildet werden, Fig. 2 und 3 dargestellten Satzes von Abstands-

wobei im letztgenannten Fall alle Abstandshalter haltern trägt der um den mittleren Stab angeordnete

vorteilhafterweise identisch ausgebildet sein können. Abstandshalter 11 einen einfachen Kragen.

Die Abstandshalter werden maschinell mittels 5 Die an den Stäben des Kranzes, der den mittleren

Werkzeugmaschinen, gegebenenfalls nach vorherigem Stab unmittelbar umgibt, angeordneten Abstands-

Strangpressen-Ziehen, hergestellt. Sie werden an den halter 12 tragen außer einem Kragen entsprechend

Hüllen der Kernbrennstoffstäbe vorzugsweise durch dem obigen zwei Flügel 13 und 14, von denen der

Hartlöten, insbesondere unter Vakuum, befestigt. erste gegen den Kragen eines benachbarten Abstands-

Die Abstandshalter bestehen vorzugsweise aus io halters des gleichen Kranzes drückt und der zweite

einer Zinn-Eisen-Chrom-Nickel-Zirkonium- bzw. zwei Auflageflächen aufweist, von denen die eine, 15,

Zinn-Eisen-Zirkonium-Legierung oder aus rostfreiem gegen den Kragen des anderen benachbarten Ab-

Stahl oder aus einer Nickel-Chrom-Legierung. Standshalters des gleichen Kranzes und die zweite, 16,

Das Abstandshaltersystem gemäß der Erfindung gegen den Kragen des mittleren Stabs drückt. Alle

ermöglicht bei einfachem Aufbau und damit auch 15 Abstandshalter 12 dieses ersten Kranzes von Stäben

einfacher Herstellung eine verdrehungssichere Ab- sind identisch.

Stützung und nur relativ geringe Erhöhung des Im Gegensatz dazu sind die Abstandshalter des

Strömungswiderstandes des gebündelten Kernbrenn- folgenden Kranzes, der im beschriebenen Beispiel

Stoffelements. der äußere Kranz ist, abwechselnd von verschiedener

Die Erfindung wird erläutert mit Bezug auf die ao Art 17 und 18. Die Abstandshalter 17 tragen an

folgende Beschreibung und die Zeichnungen. In den ihrem Kragen zwei Flügel 19 und 20, die beide gegen

Zeichnungen ist die Flügel von zwei benachbarten Abstandshaltern

Fig. 1 ein Axialschnitt eines erfindungsgemäßen des gleichen Kranzes drücken; die Abstandshalter 18

.Kernbrennstoffelements, tragen an ihrem Kragen zwei Hügel 21 und 22, die

F i g. 2 und 3 zwei Querschnitte einer ersten Aus- 25 gleichfalls gegen die Flügel der benachbarten Abführungsform einer Gruppe von erfindungsgemäßen Standshalter des gleichen Kranzes drücken, wobei Abstandshaltern, jeweils zusammengefügt und aus- der Flügel 22 außerdem noch eine Auflagefläche 23 einandergenommen dargestellt, aufweist, um mit dieser gegen einen Kragen eines

F i g. 4 und 5 zwei Querschnitte einer zweiten Aus- Abstandshalters des dazwischenliegenden Kranzes zu

führungsform einer Gruppe von erfindungsgemäßen 30 drücken.

Abstandshaltern, jeweils zusammengefügt und aus- Dieser Satz von Abstandshaltern, bestehend aus

einandergezogen dargestellt, vier verschiedenen Sorten von Abstandshaltern, ge-

F i g. 6 ein Querschnitt eines Rohlings zur Her- stattet, jedes Ausweichen von Stäben unter dem

stellung eines Abstandshalters gemäß der zweiten Einfluß von radialen Spannungen, die gegebenenfalls

Ausführungsform. 35 zu einer Drehung der Stäbe um sich selbst führen

Die erfindungsgemäßen Abstandshalter sind für könnten, zu vermeiden.

ein gebündeltes Brennstoffelement der in F i g. 1 dar- Die Abstandshalter können aus rostfreiem Stahl gestellten Art bestimmt, das um einen mittleren oder aus einer Zinn-Eisen-Chrom-Nickel-Zirkonium-Brennstab 1 mehr als einen Kranz von Brennstäben, bzw. Zinn-Eisen-Zirkonium-Legierung bestehen, je wie 2 und 3, d. h. mehr als sieben Brennstäbe ent- 40 nachdem ob das wärmeübertragende Medium hält. Tatsächlich wird in diesem Fall, wenn man die Kohlendioxyd oder überhitzter Dampf ist. Sie können Abstände zwischen den Brennstäben konstant halten durch Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen hergestellt und jede Gefahr einer Relativverschiebung vermeiden und auf die Hülle des Brennstabs gelötet werden, will, die Zahl der zwischen den Brennstäben not- wenn Hülle und Abstandshalter aus rostfreiem Stahl wendigen Haltepunkte sehr groß, wobei gleichzeitig 45 bestehen, oder unter Vakuum aufgelöst werden, wenn die Druckverluste sehr rasch anwachsen. Die Brenn- es sich um eine Nickel-Chrom-Legierung handelt. Im stäbe, ζ. B. 1, 2 oder 3, sind an einem unteren Fall der erwähnten Zirkoniumlegierungen kann Gitter 4 mittels Spitzen 5 befestigt; in einem oberen man eine Lötung vom Typ Zirkon—Beryllium mit Gitter 6 können sie sich mittels Spitzen 7 frei aus- 5°/o Beryllium verwenden. Die Lötung an jedem Stab dehnen, die beispielsweise um einige Millimeter in 50 kann leicht überwacht werden.

den Sitzen 8 gleiten. Die beiden Gitter 4 und 6 sind Beim Zusammenbau des Satzes von Abstands-

in der dargestellten Ausführungsform durch einen haltern, die mit Bezug auf die F i g. 2 und 3 beschrie-

Außenmantel 9 zusammengehalten; es können aber ben wurden, beginnt man durch Aufbau des ersten

auch Zugstangen verwendet werden, die einem Kranzes um den Mittelstab, wobei man alle Stäbe

solchen gebündelten Brennstoffelement die notwen- 55 dieses Kranzes mit Bezug aufeinander frei läßt,

dige axiale mechanische Widerstandsfähigkeit ver- Darauf wird der Kranz von äußeren Stäben zu-

leihen. In bestimmten Fällen kann man zu diesem sammengebaut, und man schweißt untereinander die

Zweck den mittleren Stab verwenden, der dann kein Flügel der Abstandshalter dieses Kranzes zusam-

Brennstab mehr ist. In einem solchen gebündelten men, um den Durchmesser des Bündels mecha-

Brennstoffelement sind die Stäbe Bedingungen von 60 nisch aufrechtzuerhalten; diese Schweißungen wer-

thermischer Instabilität unterworfen, die zur Ver- den bei 24 und 25 durch Elektronenbeschuß vor-

änderung des Abstandes zwischen ihren Achsen genommen.

führen. Deshalb sieht man im allgemeinen in der Diese Art des Zusammenbaus eines gebündelten Mitte ihrer Länge einen Satz Abstandshalter 10 vor, Brennstoff elements beseitigt die Probleme der Schwinum die Abstände zwischen den Stäben richtig zu 65 gungen zwischen den Stäben und macht es überhalten. Diese Abstandshalter 10, deren Platz und flüssig, sie durch einen weiteren Kragen zusammen-Rolle im folgenden beschrieben sind, stellen den zuhalten, der die Druckverluste stark erhöhen Gegenstand der Erfindung dar. würde.

Bei einer zweiten, in den F i g. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform eines Satzes von Abstandshaltern wurde eine Vereinfachung ihrer Herstellung ins Auge gefaßt.

In diesem Fall trägt der um den Mittelstab angeordnete Abstandshalter 26 drei Flügel 27, die um jeweils 120° versetzt, um seinen Kragen angeordnet sind; diese drei Flügel sind identisch.

Die Abstandshalter 28 des mittleren Kranzes sind jeweils spiegelsymmetrisch, d. h. durch einfaches Umdrehen identisch. Sie tragen jeder drei Flügel 29, 30 und 31, von denen der Flügel 29 gleichzeitig gegen einen Flügel eines benachbarten Abstandshalters des gleichen Kranzes und einen Flügel des Abstandshalters des Mittelstabs, der Flügel 30 gleichzeitig gegen zwei Flügel zweier benachbarter Abstandshalter des äußeren Kranzes und schließlich der Flügel 31 gegen einen Flügel des anderen benachbarten Abstandshalters des gleichen Kranzes drücken.

Schließlich sind die Abstandshalter 32 und 33 des äußeren Kranzes ebenfalls spiegelsymmetrisch, d. h. durch Umdrehen identisch und tragen jeder zwei Flügel 34 und 35, von denen der Flügel 34 gegen einen Flügel eines benachbarten Abstandshalters des gleichen Kranzes und der Flügel 35 gleichzeitig gegen einen Flügel des anderen benachbarten Abstandshalters des gleichen Kranzes und einen Flügel eines Abstandshalters des dazwischenliegenden Kranzes drücken.

Wie aus den Figuren ersichtlich, gibt es in dieser Anordnung nur drei Arten von Abstandshaltern 26, 28 und 32, von denen der erste, nämlich der des Mittelstabs, nur einmal vorkommt und die beiden anderen auf wirtschaftliche Weise durch Strangpressen-Ziehen eines in F i g. 6 gezeigten Rohlings 36 hergestellt werden können, der anschließend nur abgeschnitten und bearbeitet zu werden braucht, um nach Belieben einen Abstandshalter 28 oder einen Abstandshalter 32 zu erhalten.

Zum Zusammenbau des mit Bezug auf die F i g. 4 und 5 beschriebenen Satzes von Abstandshaltern beginnt man mit dem Aufbau des ersten Kranzes um den Mittelstab herum, jedoch weist dieser erste Kranz im Gegensatz zu der Ausführungsform nach den Fig.2 und 3 Schweißstellen an den Punkten37 und 38 auf. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Anschweißen der Flügel des Abstandshalters des Mittelstabs vermieden wird. Darauf wird der Kranz von äußeren Stäben aufgebaut, und man verschweißt untereinander die Flügel dieses Kranzes an den Punkten 39 und 40. Es sei bemerkt, daß die verschiedenen Schweißpunkte 37, 38, 39 und 40 so angeordnet sind, daß sich die Kränze untereinander

sowie bezüglich des Mittelstabs frei ausdehnen können.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Abstandshaltersystem für Kernbrennstoffstäbe, die in konzentrischer Ringanordnung um einen mittleren Brennstoffstab zu einem Brennstoffelement für Kernreaktoren gebündelt sind, mit einer bestimmten Anzahl von je einen Stab ringförmig umgebenden Abstandshaltern, die mit Abstandsflügeln versehen sind, von denen ein Teil sich gleichzeitig gegen drei Brennstoffstäbe abstützt, und wobei mindestens die zum äußeren Ring, jedoch nicht die zu verschiedenen Ringen gehörenden Abstandshalter untereinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Abstandsflügel als Y-förmige Knotenpunkte ausgebildet sind oder sich mit den Abstandsflügeln benachbarter Abstandshalter zu solchen Y-förmigen Knotenpunkten ergänzen, durch die ein Brennstoffstab gleichzeitig gegen zwei benachbarte Brennstoffstäbe abgestützt wird.

2. Abstandshaltersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stab eines Ringes sich mit einem Y-förmigen Knotenpunkt gegen zwei Stäbe des nächstäußeren Ringes abstützt.

3. Abstandshaltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Knotenpunkte durch je einen sich Y-förmig verzweigenden Abstandsflügel eines Abstandshalters gebildet werden.

4. Abstandshaltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Knotenpunkte durch je zwei aneinanderstoßende Abstandsflügel zweier benachbarter Abstandshalter gebildet werden.

5. Abstandshaltersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Knotenpunkte durch je drei aneinanderstoßende Abstandsflügel zweier benachbarter Abstandshalter gebildet werden.

6. Abstandshaltersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Abstandshalter identisch ausgebildet sind.

7. Abstandshaltersystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter an den Umhüllungen der Kernbrennstoffstäbe durch Hartlöten befestigt sind.

8. Abstandshaltersystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus einer Zinn-Eisen-Chrom-Nickel-Zirkonium- bzw. Zinn-Eisen-Zirkonium-Legierung oder aus rostfreiem Stahl oder aus einer Nickel-Chrom-Legierung bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen