DE1806432C3 - Abstandhaltegitter für ein Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

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)ie Erfindung betrifft ein Abstandhaltegitter für ein rnreaktor-Brennstoffelement, mit einem Bündel von ben aus Spalt- oder Brutmaterial, das in ein Gehäuse gebaut und von zwei starren Endrosten gehalten ist, sei ein die Stäbe umgebender Rahmen vorhanden ist, in seiner Ebene zumindest eine Lage von zueinander allelen Federn trägt, die an den Stäben anliegen.
Kernreaktor-Brennstoffelemente mit Abstandhaltegittern der oben erwähnten Art sind in der DT-AS 10 87 285 und in der FR-PS 14 56 400 beschrieben. Bei diesen bekannten Abstandhaltegittern bestehen die Federelemente aus wellenförmigen Siegen bzw. aus zickzackartig abgebogenen Drähten, die zwischen die einzelnen Brennstoffstäbe eingelegt sind und stellenweise daran anliegen, wobei die Anlagepunkte zwischen Abstandhaltegitter und Brennstoffstäben jeweils an den Abbiegungen der Federelemente liegen, bei deren elastischer Formänderung im Reaktorbetrieb also ständigen Änderungen unterliegen.

Damit ergibt sich zum einen keine Gleichförmigkeit für den Durchtritt des Kühlmediums zwischen den einzelnen Brennstoffstäben, wie sie für den Reaktorbetrieb als optimal anzustreben ist, und auch der Strömungswiderstand für das Kühlmedium als Ganzes bleibt nicht konstant. Darüber hinaus verlangt die spezielle Formgebung der Federelemente der bekannten Abstandhaltegitter ebenso wie ihr Einbau einen erheblichen Arbeitsaufwand bei Herstellung und Montage der Abstandhaltegitter, und schließlich erweist sich auch das Federverha/ten der bekannten Abstandhaltegitter im praktischen Reaktorbetrieb als nicht voll ausreichend für die Unterdrückung aller Schwingungen der einzelnen Brennstoffstäbe, wobei insbesondere auch ein Bruch ein/einer Federelemente den Zusammenhalt des gesamten Gitters in Frage stellen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abstandhaltegitter der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß es bei einfacher Herstellung und robustem Betriebsverhalten eine völlige Gleichförmigkeit und eine ausreichende innere Schwingungsdämpfung für das Netz der Brennstoffstäbe zu gewährleisten vermag.

Die gestellte Aufgabe w ird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Federn als Schraubenfedern ausgebildet sind.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Ausbildung der Federelemente des Abstandhaltegitters als Schraubenfedern führt zu einem einfachen und in sich stabilen Gebilde, innerhalb dessen jede Feder den anderen voll und ganz entspricht, und es ergibt sich insgesamt ein Federsystem für die Halterung der Brennstoffstäbe, das gleichzeitig deren gleichförmige Verteilung und eine weitgehende Schwingungsdämpfung bewirkt, wobei die elastischen Kräfte und Spannungen innerhalb des Netzes der Brennstoffstäbe an allen Stellen gleich groß werden, was wiederum unerwünschte Lageänderungen innerhalb des Brennstoffstabnetzes in für den praktischen Betrieb ausreichendem Maße verhindert. Hervorzuheben ist dabei auch, daß es selbst bei einem Bruch einzelner Schraubenfedern zu einer Selbstjustierung der betroffenen Brennstoffstäbe kommt, so daß auch ein solcher Schadensfall das einwandfreie Arbeiten der Brennstoffelemente als ganzes nicht beeinträchtigen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele veranschaulicht; es zeigen

Fig. 1 das Gehäuse eines Kernreaktor-Brennstoffelementes mit den darin angeordneten Abstandhaltegittern für die Brennstoffstäbe in einer teilweise aufgebrochenen Seitenansicht,

Fig. 2 das Gehäuse von Fig.! in einer teilweise aufgebrochenen Draufsicht,

Fig. 3 ein einzelnes Abstandhalteuitter aus Fiel in

einer schemaiisch gehaltenen Draufsicht,

Fig.4 das Abstandhaltegitter von Fig. 3 in einer Seitenansicht und

F i g. 5 verschiedene Varianten für die Anordnung der Schraubenfedern der Abstandhaltegitter zwischen den einzelnen Brennstoffstäben.

Die Brennstoffelemente zahlreicher Kernreaktoren und insbesondere die der Kernreaktoren mit Fliisngkeitskühlung enthalten innerhalb eines Gehäuses 1 (Fig. 1) ein Bündel von Stäben 2, die einen atomaren Brennstoff, spaltbares oder Brutmateril entahlten und in zwei Endrosten 4 und 6 festgelegt sind. Das Gehäuse 1 begrenzt um die Stäbe herum eine Strömungsführung für ein Kühlmedium. Das Gehäuse is: an seinem einen Ende über den Tragrost 4 hinaus durch einen kegelstumpfmantelförmigen Ansatz 12 verlängert, durch den das Kühlmedium eintritt.

Jeder der Trag- oder Stützroste 4 und 6 ist mit einer gewissen Anzahl von Durchbrüchen 8 für das Hindurchfließen des Kühl- oder Wärmetransportmediums versehen; zwischen diesen in regelmäßiger Anordnung vorgesehenen Durchbrüchen sind jeweils Ausnehmungen oder Bohrungen 10 /um Halten oder Einsetzen der Enden der Brennstoffsiiibe 2 angeordnet; die Durchbrüche 8 haben — wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist — einen genügend großen Durchmesser, so daß sie uas Hintreten des Kühlmediums in einen Raum /wischen jeweils mehreren Stäben 2gesutten.

Der kegclstiimpfförmige, an den unteren Rost 4 angeschweißte Ansatz 12 erlaubt das Festlegen des Brennstoffelements in einer nicht dargestellten Sockelplatte des Reaktorkerns, die mit Öffnungen für das Einführen des wärmeaufnehmenden Mediums in die Brennstoffelemente verschen ist.

Am anderen Ende des Brennstoffelements hat der Rost 6 seitliche Stüt/vorsprünge 7 /um Abstützen des Gehäuses 1 und trägt außerdem unterschiedliche O-gane, wie einen Tragbügel 14 zum Handhaben des Elements und Zentrierfedern 16 für das Zentrieren dieses Elements in einer Gleitführung im Reaktorkern.

Innerhalb des Gehäuses 1 sind in regelmäßigen Abständen zwischen den Brennstoffstäben 2 Abstandhaltegitter 18 derart eingebaut, daß sie den gleichmäßigen Abstand zwischen den Brennstoffstäben aufrechterhalten, sowie Vibrationen und Verformungen unterbinden, die sonst auftreten könnten. Diese Abstandhaltegitter sind durch Abstandgitter-Tragröhren 20 in ihren jeweiligen Einbaulagen gehalten.

Im Inneren des Gehäuses 1 (vgl. F i g. 3) hat jedes der Abstandhaltegitter 18 einen Rahmen mit einem Querschnitt, der dem des Gehäuses 1 angepaßt ist, d. h. bei dem ausgewählten Ausführungsbeispiel die Form eines im Querschnitt quadratischen Rahmens, der aus vier paarweise einander gegenübei angeordneten Platten 22 und 23 besteht, die mit axial oder quer gerichteten Durchtrittsöffnungen 24 (Fig.4) versehen sind, durch welche das wärmeabführende Medium hindurchtreten kann. Die vier Platten 22, 23 des Rahmens sind durch nach außen abgerundete Eckprofile 26 zusammengehalten.

Die jeweils einander gegenüberliegenden Platten 22 oder 23 tragen zumindest eine Lage von Schraubenfedern 28, 29, die parallel zueinander verlaufen und die Stäbe 2, zwischen denen sie hindurchgeführt sind, berühren. Die beiden Lagen des Abstandhaltegitters, die auf diese Weise gebildet werden, bestehen demnach aus Lagen zueinander senkrechter Schraubenfedern.

Die Schraubenfedern sind außerdem in Längsrichtung der Stäbe 2 derart gegeneinander versetzt, daß sie stets einen freien Abstand voneinander haben.

Nach dem Ausfühiungsbeispiel gemäß F i g. 3 hai die Schraubenlinie jeder Schraubenfeder 28, 29 eine Ganghöhe, die gleich dem Abstand zwischen den Achsen zweier benachbarter Stäbe 2 ist; die Schraubenfeder ist derart zwischen die Reihen von Stäben eingefügt, daß sie mit einem Gangbogen jeweils an den Stäben einer Reihe und der benachbarten Reihe in zwei symmetrischen Punkten tangential anliegt, leder Stab ist auf diese Weise mit jeder Schicht von Schraubenfedern in drei Punkten in Berührung.

In jeder der Plattengruppen 22, 23 eines Halterahmens sind vorzugsweise noch Schraubenfedern einer zweiten Schraubenfederlage 30, 31 eingeschweißt, deren Schraubenlinien parallel zu den Schraubenlinien der ersten beiden Lagen aus den Schraubenfedern 28,29 sind, aber um eine halbe Ganghöhe in axialer Richtung versetzt. Jede dieser zweiten Schraubenfcderlagen mit den Federn 30, 31 ist also mit jedem Stab des Brennstoffelements in drei Punkten in Berührung, die den Berührungspunkten mit den ersten Schraubenfederlagen diametral gegenüberliegen, aber in Richtung der Länge des Stabes 2 einen Abstand von den drei Punkten der ersten Lagen haben.

Die zueinander parallel verlaufenden Lagen au-, den Schraubenfedern 28 und 30 wechseln so mit /vsei anderen Lagen aus den Schraubenfedern 29 und 31 ab. die in senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen liegen, während sie relativ zueinander in Umfangsrich-[ung der Stäbe 2 versetzt an diesen anliegen.

leder Stab 2 ist infolgedessen mit den Federn, die ihn halten, in vier achsparallelen Reihen von Berührungspunkten in Berührungs-Verbindung, die gleichmäßig über seine Unifangsfläche b/w. Mantelfläche verteilt sind.

Trot/ ihrer großen Anzahl bilden die relativ dünndrähtigcn Schraubenfedern mit ihrem geringen Raumfüllfaktor zwischen den Stäben keinen nennenswerten Widerstand für die Strömung des Wärmeiransport- oder Kühlmediums, das durch die Abstandhaltegitter hindurchströnit. Weiterhin haben die Schraubenfeder:! eine große Nachgiebigkeit und üben auf die Stäbe leichte, federnde Druckkräfte aus, was wesentlich zum Verhindern oder Dämpfen von Schwingungen beiträgt, die durch den Strömungsmittelumlauf angeregt werden könnten, und weiterhin eine wirksame Verhinderung von durch Strahlung bewirkbaren Deformationen gestattet.

Die Stäbe sind bei einer derartigen Abstandhaltcgitter-Ausführung in ganz genau gleichen Abständen zueinander sicher gehalten, während das Kühl- oder Wärmetransportmedium frei umläuft.

Die Anzahl und die Verteilung der Abstandhaltegitter über die Länge der Brennstoffelemente iassen sich leicht derart wählen, daß man eine hohe Lebensdauer des Brennstoffelements erzielt.

Selbstverständlich könnten die Ganghöhe der Schraubenlinien und die Verteilung der Schraubenfedern zwischen den Stäben jeweils entsprechend den gegebenen Bedingungen und den technischen Anforderungen geändert werden, denen das Brennstoffelement genügen muß.

Unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten r.ind beispielsweise schematisch in der Fig. 5 veranschaulicht:

Schraubenfedern 32 und 34 mit einer Ganghöhe gleich dem Abstand zwischen den Achsen der Stäbe können /wischen diesen Stäben derart angeordnet

werden, daß jede dieser Federn nur einen einzigen Berührungspunkt mit jedem Stab hat. Die Stäbe werden dann jeweils nur durch zwei Berührungs- oder Haltepunkte in jeder Schraubenfederlage gehalten. Eine abwechselnde Anordnung von Schraubenfederlagen mit senkrecht zu den Schraubenfedern der ersten gerichteten Schraubenfedern und das Versetzen der Schraubenlinien um jeweils eine halbe Ganghöhe in den Lagen mit gleichsinnig angeordneten Schraubenfedern ergeben jedoch acht Berührungspunkte an jedem Stab, womit ein wirksames und einwandfreies Festhalten zu erzielen ist.

Man könnte außerdem Schraubenfedern verwenden, deren Ganghöhe doppelt so groß ist wie der Achsabstand zwischen zwei benachbarten Stäben.

Die Schraubenfedern haben dann jeweils entsprechend ihrer Anordnung, beispielsweise in der Anordnung der Federn 36, einen einzigen Berührungspunkt mit jedem der Stäbe oder bei der Anordnung gemäß der Schraubenfeder 42 nur einen Berührungspunkt mit einem von jeweils zwei Stäben.

Die Schraubenfedern sind, wie in dem Fall der F i g. 3. in vier übereinanderliegenden Lagen 36, 37, 38, 39 oder 42, 43, 44, 45 jeweils abwechselnd in zwei zueinander

15 senkrechten Richtungen angeordnet und um eine halbe Ganghöhe verschoben; sie liefern damit eine große Anzahl von Halte- und Stützpunkten in gleichmäßig verteilten Richtungen. Bei dem am wenigsten günstigen Fall halten die Schraubenfedern 42,43, 44 und 45 jeden Stab in vier in seinem Umfang und seiner Längsrichtung verteilten Punkten im Bereich jedes Abstandsgitters. Dies kann in gewissen Fällen zum wirksamen Dämpfen der Schwingungen und Unterbinden der Deformationen genügen, zumal bei einer derartigen Ausführungsform die Strömungswiderständc oder Druckabfälle in der Kühlmittclsirömung auf einen sehr kleinen Wert verringert sind.

Es dürfte für jeden Fachmann klar sein, daß andere abweichende Anordnungen ohne Verlassen des Rahmens der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden könnten; die Maß-Verhältnisse zwischen der Netzteilung der Brennstoffstäbe und der Ganghöhe der Schraubenfedern können jeweils entsprechend den Anforderungen des Einzelfalles geändert werden, ebenso die Anordnung der Schraubenfedern relativ zu den Stäben und auch die Anzahl der Schichten oder Lagen in jedem Abstandhaltegitter.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Abstandhaltegitter für ein Kernreaktor-Brennstoffelement, mit einem Bündel von Stäben aus Spalt- oder Brutmaterial, das in ein Gehäuse eingebaut und von zwei starren Endrosten gehalten ist, wobei ein die Stäbe umgebender Rahmen vorhanden ist, der in seiner Ebene zumindest eine Lage von zueinander parallelen Federn trägt, die an ι ο den Stäben anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn als Schraubenfedern (28,29,30 oder 31) ausgebildet sind.

2. Abstandhaltegitter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere übereinander angeordnete Lagen von Schraubenfedern (28, 29, 30,31), weiche die Stäbe (2) berühren, wobei die Schraubenfedern aufeinanderfolgender Lagen abwechselnd in zwei zueinander senkrechten Richtungen verlaufen und die Schraubenwindungen in den Lagen gleicher Ausrichtung um eine halbe Ganghöhe gegeneinander versetzt sind.

3. Abstandhaltegitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen seitliche Durchtrittsöffnungen (24) für ein Kühlmedium aufweist. *5

4. Abstandhaltegitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen aus vier gelochten Platten (22, 23) besteht, die durch abgerundete Winkelprofile (26) verbunden sind, und die zueinander parallelen Schraubenfedern (28, 30 bzw. 29, 31) in zwei einander gegenüberliegenden Platten festgelegt sind.

5. Abstandhaltegitter nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß es aus vier übereinanderliegenden Lagen von Federn besteht, von denen jeweils zwei (28, 30 bzw. 29, 31) in jeder der beiden zueinander senkrechten Richtungen verlaufen.

6. Abstandhaltegitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie jeder Feder (28,29,30,31,32,34) eine Ganghöhe gleich dem Achsenabstand der Brennstoffstäbe (2) hat.

7. Abstandhaltegitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie jeder Schraubenfeder eine Ganghöhe hat, die gleich dem doppelten Abstand zwischen benachbarten Brennstoffstäben (2) ist.

8. Abstandhaltegitter nach den Ansprüchen 5 und

6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schraubenfeder (32, 34, 33 bis 39) an jedem der Stäbe (2) an einem Punkt anliegt und das Abstandhaltegitter insgesamt die Stäbe an jeweils acht Punkten berührt.

9. Abstandhaltegitter nach den Ansprüchen 5 und

7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lage von Schraubenfedern (28) jeden Stab (2) in drei Punkten berührt und das gesamte Abstandhaltegitter die Stäbe infolgedessen in je zwölf Punkten berührt.