DE29809271U1 - Abstandhalter für ein Brennelement - Google Patents

Description

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Beschreibung

Abstandhalter für ein Brennelement

Die Erfindung betrifft einen Abstandhalter für ein Brennelement eines Kernreaktors mit einem Außensteg, in welchem Innenstege befestigt sind.

Reaktorkernbauteile aus Zirkoniumlegierungen wachsen oder schrumpfen durch Bestrahlung mit Neutronen. Diese Veränderungen erfolgen in Abhängigkeit vom Texturfaktor. Ein Beispiel für derartige Kernreaktorbauteile ist ein Abstandhalter für ein Brennelement. Typische Bleche, wie sie für Abstandhalter in Kernreaktoren, insbesondere Siedewasserreaktoren, eingesetzt werden, wachsen in Richtung der Längsachse der Stege (also quer zum Brennelement), wofür auch noch andere Faktoren verantwortlich sein können. Damit vergrößert sich die Außenabmessung eines solchen Abstandhalters in Abhängigkeit von seiner Einsatzdauer im Reaktorkern. Bei der Anordnung von Brennelementbündeln in quadratischen, geschlossenen Kästen müssen die Kästen daher ein entsprechendes Übermaß ihrer lichten Weite bei der Fertigung aufweisen.

Innerhalb des durch die Innenwände des Kastens gebildeten Quadrats kann dann aber das darin angeordnete Brennstab-Bündel asymmetrisch angeordnet sein. Die Unterkanäle und damit der Abstand zur Siedeübergangsleistung der Randbrennstäbe unterscheiden sich in diesem Fall erheblich. Ein solches Brennelement ist in den ersten Zyklen thermohydraulisch pönalisiert, wodurch kein voller Betrieb möglich ist. In der Praxis wurden daher bisher Kompromisse zwischen den gewählten Werkstoffeigenschaften und der vorgesehenen Dimensionierung oder Zentrierung ausgewählt.

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Ähnliche Effekte treten auch in Druckwasser-Reaktoren auf:

Die Brennelemente sind dicht nebeneinander angeordnet, wobei sich die Abstandhalter benachbarter Brennelemente über Ab-.Standelemente (bisher starre, aus den Stegen ausgeprägte Noppen) aneinander abstützen, während die Füße der Brennelemente auf einer Kerngitterplatte fixiert sind. Die Kerngitterplatte zeigt eine andere Änderung ihrer Abmessungen bei Erwärmung bzw. Bestrahlung als die Abstandhalter, wodurch sich die Spaltbreite zwischen den Brennelementen ändern kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abstandhalter für ein Brennelement anzugeben, bei dem Betriebseinschränkungen/ die auf ausdehnungsbedingte Geometrieänderungen, insbesondere Asymmetrien, zurückgehen, verhindert sind.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Abstandhalter für ein Brennelement eines Kernreaktors mit einem Außensteg, an welchem Innenstege befestigt sind, wobei der Außensteg an wenigstens einer Befestigungsstelle zu dem jeweiligen Innensteg jeweils ein Federelement zum Erzeugen ei-. ner Spannkraft zwischen einem um den Außensteg anordbaren Kasten und dem Außensteg aufweist, und wobei vorteilhaft mehrere Federelemente derart vorgesehen sind, daß die jeweiligen Innenstege symmetrisch im Kasten angeordnet sind. Auf diese Weise sind die jeweiligen Innenstege federnd im Kasten gehalten, wodurch eine automatische Zentrierung gegeben ist. Bevorzugt sind die Federelemente symmetrisch am Umfang des Außensteges angeordnet.

Der Abstand des Abstandhalters zum Kasten wird also durch ein ■ federndes Element sichergestellt, das an der Stelle des Außensteges angeordnet ist, an der auch das Ende eines Innenstegs befestigt ist. Dieses Ende des Innenstegs kann daher benutzt werden, um die Bewegung des Federelements zu begrenzen. Beim Einsetzen des Brennelementes in den Kasten kann

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dann das Federelement nicht derart verbogen werden, daß es funktionsuntüchtig wird; außerdem kann auf diese Weise sichergestellt werden, daß sich zwar die Innenstege in Längsrichtung (also in der Ebene des Abstandhalters, d.h. senkrecht zur Längsachse des Brennelements) ausdehnen kann, aber ein Mindestabstand zum Kasten garantiert wird.

Auf ähnliche Weise ist auch allgemein (also z.B. bei Druckwasser-Brennelementen, die keinen Kasten besitzen, deren Abstandhalter aber in einem vorgegebenen Mindestabstand voneinander gehalten werden müssen) der Abstand des Außensteges von einem benachbarten Bauteil sichergestellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Außensteg an der Stelle, an der an ihm das Ende eines Innenstegs befestigt ist, ein Federelement trägt, das an dessen dem Innensteg abgewandten Seite (der Außenseite) herausgewölbt ist.

Vorteilhaft ist das Federelement w-förmig gewölbt, wodurch sich günstige Federkräfte ergeben. Bevorzugt trägt das am Außensteg befestigte Ende des Innenstegs ein Profil (z.B. ein Fenster), und nur ein Teil des Profils ist am Außensteg befestigt, während der andere Teil des Profils dazu dient, eine Bewegung des Federelements nach innen (also in Richtung auf den Innensteg) zu begrenzen.

Diese und andere Ausbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, weitere Vorteile und Details werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Prinzipdarstellung eines Brennelements im Querschnitt mit Federelementen, die parallel zu den Brennstäben ausgerichtet sind;

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FIG 2 bis 6 Detail A aus Figur 1 in verschiedenen Darstellungen;

FIG 7 eine den Figuren 1 bis 6 entsprechende Aus-

. führungsform mit einem in den Außensteg ein

gehängten Federelement;

FIG 8 und 9 Ausführungsformen mit Federelementen, die senkrecht zu den Brennstäben ausgerichtet sind; und

FIG 10 und 11 Verschiedene Anordnungen der Federelemente am

Außensteg. ·'

. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit sinngemäß den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt ein Brennelement 1 mit einem Kasten 3, in welchem schachbrettartig einander kreuzende Innenstege 5 angeordnet sind. Die Innenstege 5 sind dabei von einem Außensteg 7 umfaßt. In den von den Innenstegen 5 gebildeten Zwischenräumen sind Brennstäbe einsetzbar. Beispielhaft ist hierzu ein Brennstab 9 in einem der Zwischenräume angeordnet. Noppen und Federn, die den Brennstab innerhalb der Gittermäschen 10 zentrieren, sind vorgesehen, aber nicht dargestellt.

Eine derartige Anordnung von Außensteg 7 mit Innenstegen 5 wird auch als Abstandhalter für Brennelemente bezeichnet. Die Bauteile eines derartigen Abstandhalters sind in der Regel aus Zirkoniumlegierungen oder Inkonel gefertigt. Bei der Bestrahlung mit Neutronen verändern die Bauteile entsprechend dem Texturfaktor der Legierung und/oder anderen Einflüssen ihre Abmessungen in Richtung der gezeigten Pfeile. Damit eine vorgegebene Plazierung oder Zentrierung der Brennstäbe gegeben ist, ist vorliegend vorgesehen, daß die Innenstege 5

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durch Federelemente. 11 zentriert werden. Die Federelementen

11 sind dabei am Außensteg 7 angeordnet und stützen sich gegenüber
dem Kasten 3 des Brennelements 1 ab.

Die Federelemente 11 können dabei Teil des Außensteges 7 (als Baueinheit ausgeführt) oder als am Außensteg 7 angeordnete
Elemente ausgeführt sein.· Gegebenenfalls ist bei einer zweistückigen
Ausführung lediglich eine lose Halterung der Federelemente 11 am Außensteg 7 vorgesehen.

Nachfolgend wird näher auf das Detail A eingegangen, welches
beispielhaft eine Berührungsstelle zwischen einem Innensteg 5 und dem Außensteg 7 naher zeigt. Dabei wird sinngemäß gleichzeitig auf alle Figuren 1 bis 6 Bezug genommen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2 bis 6 zeigt eine
Ausführungen, bei der das Federelement 11 mit dem Außensteg 7 eine Baueinheit bildet. Das Federelement 11 ist dabei aus dem Material des Außensteges 7 (Zircaloy) herausgeformt. Das Fe-

derelement 11 ist dabei als W-förmige Blattfeder ausgebildet, welche an ihren Längsenden beidseitig in den Außensteg 7
übergeht. Ihre mittlere Erhebung 13 reicht außen über den Außensteg 7 des Abstandhalters hinaus und ist zur Kontaktierung mit dem Kasten 3, der in den Figuren 2 bis 6 nicht gezeigt

ist, ausgebildet. Die beiden die W-Form bildenden innenseitigen Erhebungen 15 reichen in den Innenraum des Außensteges 7
hinein und ragen in jeweils zugeordnete Vertiefungen 17 in
den jeweiligen Innenstegen 5 hinein. Die Vertiefungen 17 können auch als U- oder V-förmig bezeichnet werden. In der Figur 3 ist zu sehen, daß die innenseitigen Erhebungen 15 mit einem . vorgegebenen Spiel oder Abstand in die jeweiligen Vertiefungen
17 hineinragen. Die Erhebungen 15 können nicht weiter aus dem Außensteg 15 heraus und in die Vertiefungen hineingebogen werden, als die Vertiefungen zulassen, die somit die Bewegung des Federelements begrenzen.

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Figur 4 zeigt ein Federelement 11 in einer Draufsicht. Die Figuren 5 und 6 zeigen jeweils ein Federelement 11 im Außensteg 7 mit einem zugeordneten Innensteg 5 in einer räumlichen Darstellung. Die Figuren 3 und 2 zeigen das Detail A von Figur 1 in einer Draufsicht bzw. das Federelement 11 in einer Seitenansicht.

Das zwischen Federelement 11 und Innensteg 5 vorgegebene Spiel ist abhängig von dem erwarteten Wachstum des Abstandhalters. Wächst der Abstandhalter, insbesondere die jeweiligen Innenstege 5, so werden die Federelemente 11 oder ihre Bewegung vom außen umgebenden Kasten 3 begrenzt, wodurch sich das Spiel zwischen Federelement 11 und Innensteg 5 verringert. Relativ gesehen werden dadurch die innenseitigen Erhebungen 15 nach innen in den Innenraum des Außensteges 7 hineingedrückt. Beim Ende der Lebensdauer eines derartigen Abstandhalters ist das vorgegebene Spiel nahezu aufgezehrt. Bei Service-Maßnahmen (Neubekastungen) ■ können die Federelemente 11 nicht unbeabsichtigt so verbogen werden, daß sie bleibend verformt sind. Selbst wenn die Elastizität nachläßt und die durch die Federelemente 11 bewirkte Zentrierung nach einigen Zyklen verschlechtert ist, ist zunächst ein erheblicher Vorteil gegenüber einer schlecht zentrierten, asymmetrischen Anordnung gegeben, und die mangelnde Zentrierung tritt erst ein, wenn die Leistung des Brennelements 1 ohnehin durch Ausbrand bereits reduziert ist.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel zeichnet sich besonders durch eine sehr günstige Einfädel- und Abgleiteigenschaft der Federelemente 11 aus, da diese keine herausstehenden Enden haben und beidseitig mit dem Außensteg 7 in Verbindung stehen. Auch ist eine besonders einfache Herstellung gegeben, da die Federelemente 11 als Bestandteil innerhalb des Außensteges 7 ausgebildet sind.

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Es ist auch denkbar, daß die Federelemente als getrenntes

Bauteil 21 am Außensteg 22 gehalten sind (Figur 7).

Dazu trägt das langgestreckte Federteil· an seinen beiden Enden 23, 24 jeweils seitliche Laschen 25, 26, die hakenförmig gebogen sind. Zur Montage wird das Federteil zunächst gestreckt, wodurch der Abstand zwischen den hakenförmigen Laschen 25, 26 größer wird und diese Haken um die Oberkante und Unterkante des Außenstegs 22 gelegt werden können, wobei das w-förmige Mittelteil, das von oben nach unten (also parallel zu den Brennstäben) ausgerichtet ist, in einer Aussparung 27 des Außensteges plaziert wird. Beim Entspannen des Federteils umschiießen die Laschen 25, 26 die Kanten des Außensteges 22 krallenförmig und lassen an der Innenseite des Außensteges Befestigungsstellen 28 für das Ende des Innenstegs frei. Dieses Ende weist ein Profil 29 auf, das ein Fenster mit den beiden Vertiefungen 29a biidet, in die entsprechende Wölbungen des Federteils 21 eingreifen. Oben und unten bildet das Profil 29 Kanten 29b, die an den Stellen 28 verschweißt oder 0 verlötet werden können.

Wesentlich für die neue Idee ist, daß der Außensteg 7 elastisch gegen die Kastenwand bzw. ein ähnliches, dem Steg benachbartes Bauteil gedrückt und für den Abstand durch einen Innensteg ein gewisser Mindestwert auch dann vorgegeben ist, wenn die Federkraft nachläßt oder eine übermäßige Belastung auftritt.

Dieser Mindestabstand ist in Figur 8 mit d bezeichnet und durch ein vorspringendes Profilteil 30 am Ende eines Innensteges 31 gegeben. Das Federelement ist dabei aus dem Außensteg 33 in Form eines zu den Brennstäben senkrechten Bandes 32 gebildet, das mit einer Wölbung über die dem Innensteg abgewandte Seite hervorsteht, also über die Außenseite des Abstandhalters hinaus und in Richtung auf die Kastenwand 34

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(oder das andere Bauteil, von dem Abstand gehalten werden soll). Während der Innensteg 31 oben und unten z.B. über eine Schweißnaht 35 an den.geraden Teilen des Außensteges befestigt ist, entsteht durch die Wölbung, des Bandes 32 eine Aussparung im Außensteg 33, durch den das vorspringende Profilteil 30 ragt.

Während das Band 32 (Federelement) in Figur 8 nur eine einzige (konvexe) Wölbung zeigt, ist das entsprechende Band 42 (Federelement) in Figur 9 w-förmig gewölbt, ähnlich den Figuren 2 bis 6. Jedoch verläuft dieses Band 42 senkrecht zu den Brennstäben, also gegenüber den Figuren 2 bis 6 um 90° gedreht.

Durch die Federelemente ist der Abstandhalter insbesondere symmetrisch im Kasten gelagert. Dazu werden bevorzugt die Federelemente 50 (Figur 10) derart symmetrisch am Außensteg angeordnet, daß die linke Abstandhalterhälfte zur rechten und die vordere Hälfte symmetrisch zur hinteren Hälfte ist.

Figur 11 zeigt, daß solche Gedankengänge auch für nebeneinander angeordnete Brennelemente 60, 61 in Druckwasser-Reaktoren sinnvoll sind. Hier können die Federelemente benachbarter Brennelemente direkt aneinander anliegen; im dargestellten Fall sind zwischen zwei Brennelement-Ecken jeweils zwei.Federelemente 62, 63 mit etwas unterschiedlichem Abstand von den Ecken angeordnet. Über den ganzen Umfang des Brennelements 60 jedoch sind die Federelemente derart rotationssymmetrisch verteilt, daß ihre Positionen jeweils nach einer Drehung um 90° ineinander übergehen. Zwischen zwei benachbarten Brennelementen 60, 61 und deren Außenstegen 66, 67 halten also die Federelemente 62, 63 des einen Brennelements und die entsprechenden Federelemente 64, 65 des anderen Brennelements einen Abstand aufrecht, wobei die Enden der Innenstege dafür

sorgen, daß dieser Abstand einen Mindestwert nicht unter schreitet.

Claims (8)

GR 98 G 3359 .. .··..·' • · ·■ w - - • · &iacgr;&ogr; Schutzansprüche

1. Abstandhalter für ein Brennelement (1) eines Kernreaktors mit einem Außensteg (7), an welchem Innenstege (5) befestigt sind, wobei der Außensteg (7) wenigstens einer Befestigungsstelle eines Innensteges (5) jeweils ein Federelement (11) zum Erzeugen einer Spannkraft zwischen einem um den Außensteg anordbaren Kasten (3) und dem Außensteg (7) aufweist.

2. Abstandhalter nach Anspruch 1, wobei mehrere der Federelemente (11) derart am Außensteg angeordnet sind, daß die jeweiligen Innenstege (5) symmetrisch im Kasten (3) angeordnet sind.

3. Abstandhalter für ein Brennelement eines Kernreaktors, mit einem Außensteg, an dem Innenstege befestigt sind, wobei der Außensteg an wenigstens einer Befestigungsstelle eines Innenstegs ein Federelement trägt, das an der dem Innensteg abgewandten Außenseite des Außensteges herausgewölbt ist.

4. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement w-förmig gewölbt ist.

5. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das am Außensteg befestigte Ende des Innenstegs ein Profil trägt und nur mit einem Teil des Profils am Außensteg befestigt ist, während ein anderer Teil des Profils eine auf den Innensteg gerichtete Bewegung des Federelements begrenzt.

6. Abstandhalter nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Profil auf der dem Innensteg zugewandten Innenseite des Außen-

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11
stegs ein Fenster bildet, in den eine auf der Innenseite des

Außenstegs vorstehende Wölbung des Federelementes hineinragt

7. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement ein aus dem Außensteg ausgeprägtes Teil des Außensteges ist.

8. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Federelemente (11) symmetrisch am Umfang des Außensteges (7) angeordnet sind.