DE69502864T2

DE69502864T2 - Kernbrennstoffbundel

Info

Publication number: DE69502864T2
Application number: DE69502864T
Authority: DE
Inventors: David J. Pasco Wa 99301 Barkhurst
Original assignee: Siemens Nuclear Power Corp
Current assignee: Framatome ANP Richland Inc
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1995-03-13
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2015-03-14
Also published as: EP0674321A1; TW280916B; JP3605171B2; ES2118463T3; DE69502864D1; US5434898A; JPH07287088A; EP0674321B1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennelemente für Kernreaktoren und insbesondere Kernbrennstababstandshalter oder -abstandshaltergitter, die in der Regel in einem vorbestimmten Abstand (in vorbestimmten Abständen) über die Länge des Brennelements angeordnet sind, um für eine seitliche Verstrebung und Beabstandung zu sorgen und die Kernbrennstäbe in festen Positionen zu halten.
Bei einem Kernreaktor enthält der Reaktorkern Kernbrennstoff, der in der Regel in Form von in Brennelementen zusammengruppierten Brennstäben vorliegt. Gruppen von Brennelementen sind in einer Matrix angeordnet, damit ein Kern gebildet wird, der zu einer kontrollierten Spaltreaktion in der Lage ist.
Jeder Brennstab ist in der Regel ein längliches Glied mit einem Durchmesser von ca. 10,16 mm (0,4 Zoll) und einer Länge von 2,44 bis 4,57 m (8 bis 15 Fuß), das Brennstoff enthält, welcher gewöhnlich in Form eines Stapels von Brennstofftabletten, die von einer röhrenförmigen Hülle umgeben sind, vorliegt. Die ein Brennelement bildenden Brennstäbe sind so zusammengruppiert, daß sie mehrere sich in Längsrichtung erstreckende Glieder bilden, die von zwei parallelen Endplatten gestützt werden, und zwar einer oberen und einer unteren Stabhalteplatte. Diese Platten sind in der Regel durch Zugstangen oder andere Bauelemente miteinander verbunden.
Jedes Brennelement oder Brennelementbündel kann des weiteren Glieder enthalten, die keinen Brennstoff tragen. Beispiele hierfür sind Führungsrohre zur Bildung von Durchgängen für Steuerstäbe, die die Steuerung der Spaltrate unterstützen, Meßgeräterohre für kerninnere Instrumentierung, Abstandshalter-Einfangstäbe und Wasserstäbe zur Änderung der Neutronenmoderierung im Brennelement. Die Zwischenräume zwischen benachbarten Brennstäben bilden Strömungskanäle, durch die das Kühlmittel und/oder der Moderator zirkulieren kann. In Leichtwasserreaktoren handelt es sich bei dem Kühlmittel und Moderator um Wasser. Abstandshalter oder Abstandshaltergitter sorgen für die seitliche Verstrebung und Beabstandung der Brennstäbe im Brennelement.
Die Aufgabe eines Brennelements oder Brennelementbündels besteht unabhängig davon, ob es sich in einem Druckwasserreaktor, Siedewasserreaktor, gasgekühlten Hochtemperaturreaktor oder einer anderen Art von Reaktor befindet, teilweise darin, die Brennstäbe in einer festen Position zu halten, und zwar idealerweise so, daß sie unter normalen und anderen Betriebsbedingungen schwingungsfrei sind und sich nicht biegen oder auf andere Weise seitlich verschieben können. Durch Halten der Brennstäbe in festen Positionen kann darüber hinaus eine ordnungsgemäße Kühlung und Neutronenmoderierung erreicht werden. Vorrichtungen, die das Halten der Brennstäbe in festen Positionen im Brennelement oder Brennelementbündel unterstützen und dadurch ein ordnungsgemäßes Kühlen des Brennstoffes erleichtern, sind Abstandshalter.
Abstandshalter oder Abstandshaltergitter, die für eine seitliche Verstrebung sorgen, sind in der Regel so ausgeführt, daß sie eine unterschiedliche axiale Ausdehnung der Brennstäbe gestatten. Meistens werden in den Abstandshaltergittern enthaltene Federn dazu verwendet, ein gewisses Gleiten der Brennstäbe bezüglich der Abstandshaltergitter zu gestatten. Bei einigen Ausführungen kann sich das Abstandshaltergitter in Axialrichtung etwas bewegen, um geringfügigen Änderungen der axialen Länge der Brennstäbe beim Abbrand Rechnung zu tragen.
Würden Abstandshalter mit den Brennstäben sowie mit den Baugliedern des Brennelements starr verbunden, könnte eine relative Axialbewegung aufgrund von Stabwachstum und Wärmeausdehnung benachbarter Stäbe ein örtliches Verschieben in eine Schieflage und Biegen der Brennstäbe verursachen.
Durch Anordnung in regelmäßigen Abständen erhalten Abstandshalter den Abstand zwischen den Stäben über die Länge des Brennelements aufrecht. Abstandshalter bestehen in der Regel aus Blech aus einer auf Zirkonium basierenden Legierung oder manchmal aus Inconel oder rostfreiem Stahl und sind aus einer relativ großen Anzahl von verschiedenen kompliziert geformten Stegen hergestellt, die von Hand aneinander angebracht und anschließend geschweißt oder hartgelötet werden. Die Abstandshalter weisen im allgemeinen eine Eierkartonform auf, und jede Abstandshalterzelle enthält Merkmale wie Noppen und/oder Federn zur Aufrechterhaltung des gewünschten Abstands zwischen den Stäben. Manchmal werden kurze Rohrabschnitte verwendet, die entlang Teilen ihrer Ränder miteinander verschweißt sind. Somit halten die Federn und Noppen die Brennstäbe in ihren ordnungsgemäßen seitlichen Positionen. Unter dem Einfluß von Strahlung können jedoch bei der Gitterteilung der Brennstäbe (d. h. bei dem Abstand zwischen den Stäben) ungewünschte Änderungen auftreten, die zu einer Entstehung von Lücken oder Zwischenräumen zwischen den Brennstäben und den Abstandshaltern führen und die Wahrscheinlichkeit erhöhen können, daß die Stäbe und/oder Abstandshaltergitter in Schwingung geraten. Derartige Lücken, Änderungen der Gitterteilung der Brennstäbe und Schwingungen können zu Reibverschleiß und Versagen der Brennstäbe führen. Beim Abbrand des Brennstoffes kommt es bei den Brennstäben außerdem zu Schrumpfung oder einer Verminderung des Durchmessers, dem sogenannten "Creepdown", wodurch Lücken zwischen der Brennstabhülle und dem Abstandshalter entstehen können und somit wiederum Reibverschleiß der Brennstäbe verursacht oder gefördert werden kann.
Abstandshalter sollten dünne Glieder mit minimaler Querschnittsfläche sein. Idealerweise haben sie keinen Einfluß auf die Strömung von Moderator und Kühlmittel, sorgen aber für die erforderliche seitliche Festigkeit. Durch die Ausführungen der Abstandshalter wird die Strömungsfläche verkleinert und des weiteren der Strömungswiderstand erhöht und die Kühlmittelströmung eingeschränkt, was zu ungewünschten Druckabfällen führt. Somit kann durch die besondere physische Konfiguration eines Abstandshalters eine örtliche oder sogar globale unerwünschte Strömungsumverteilung, -begrenzung oder -verzerrung verursacht oder gefördert werden.
In der Regel ist die Herstellung von Abstandshaltern äußerst arbeitsaufwendig hinsichtlich der Formgebung der verschiedenen Teile und der Montage und Schweißung dieser Teile zur Bildung eines Abstandshaltergitters. Viele dieser Arbeitsgänge können automatisiert sein. Jedoch selbst bei automatisierter Abstandshalterherstellung, -montage und -verbindung ergeben sich aufgrund komplexer Ausführungen hohe Herstellungs- und Inspektionskosten.
Es wäre von Vorteil, wenn die jeden Brennstab umgebende effektive Kühlmittelströmungsfläche durch Minimierung der Querschnittsfläche des Abstandshalters, die die Kühlmittelströmung behindert, maximiert wäre. Des weiteren wäre es von Vorteil, wenn die Anbringung des Abstandshalters durch die Abstandshalterausführung selbst vereinfacht wäre.
Darüber hinaus wäre es weiter von Vorteil, wenn ein Abstandshalter mit all den obengenannten Vorteilen zu geringeren Kosten hergestellt, getestet und inspiziert werden könnte als herkömmliche Abstandshalter und sich gleichzeitig insgesamt durch eine verbesserte Qualität und Zuverlässigkeit auszeichnen würde.
Aus der gattungsbilden zugrundegelegten GB-A- 2022310 geht ein Abstandshalter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Kernbrennstoffelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13 als bekannt hervor. Der Abstandshalter enthält eine obere Gitterstruktur, eine untere Gitterstruktur und eine zusätzliche Gitterstruktur, die jeweils quadratische Zellen gemäß der Gitterteilung der Brennstäbe bilden. Die Positionen der Gitter sind bezüglich jedes Brennstabs, der drei übereinandergelagerte Zellen durchquert, exzentrisch: zwei benachbarte Seiten der oberen Zelle (obere Gitterstruktur) berühren direkt den Brennstab, während die gegenüberliegenden Seiten im Vergleich zu einer zentrischen Position des Brennstabs durch eine größere Lücke beabstandet sind. Wenn an diesen gegenüberliegenden Seiten Federn oder Noppen, die den Druckabfall bei herkömmlichen Ausführungen zum großen Teil verursachen, weggelassen werden, ist der Strömungswiderstand vermindert. Die obere Zelle wirkt jedoch nur an zwei benachbarten Seiten auf den Brennstab ein und führt zu einer diagonal in die Zelle gerichteten Kraft.
Die untere Zelle weist die gleiche Form auf, ihre Position liegt jedoch in einem Winkel von 180º zur oberen Zelle. Sie führt zu einer Kraft, die antiparallel zur Kraft der oberen Zelle verläuft. Die beiden Kräfte bilden ein Drehmoment für den Brennstab, das durch die resultierende Kraft der dritten Zelle, die die gleiche Position und Funktion wie die obere Zelle aufweist, ausgeglichen wird. Aus diesem Grunde ist die Summe aller Kräfte gleich Null und sind alle Drehmomente ausgeglichen.
Die dritte Gitterstruktur bedeutet einen erhöhten Materialaufwand und stellt ein zusätzliches Konstruktionsteil dar, wodurch sich eine erhöhte Neutronenabsorption, ein größerer Strömungswiderstand und Arbeit hinsichtlich Montage ergeben. Die zusätzliche Gitterstruktur kann durch eine Ausführung vermieden werden, bei der jede Gitterstruktur schon in ihrer individuellen Ebene von gegenüberliegenden Seiten auf den Brennstab einwirkt und die resultierende Kraft in jeder individuellen Ebene gleich Null ist.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden durch den Abstandshalter nach Anspruch 1 und das Brennelement nach Anspruch 13 gelöst. Zusätzliche und bevorzugte Merkmale werden in den Unteransprüchen aufgeführt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Kernbrennstoffelement einen Abstandshalter mit einer oberen Gitterstruktur und einer unteren Gitterstruktur zum Positionieren und Festhalten von Kernbrennstäben auf. Die untere Gitterstruktur und die obere Gitterstruktur umfassen jeweils: einen ersten Satz von flachen, im wesentlichen geraden, parallelen Gitterstegen, einen zweiten Satz von flachen, im wesentlichen geraden, parallelen Gitterstegen, die den ersten Satz von Gitterstegen so schneiden, daß ein Gitter von rechteckigen Zellen gebildet wird, durch das sich die Brennstäbe erstrecken, und die auf die Brennstäbe in den Zellen einwirken, und eine Randstegstruktur, die sich um den Umfang der sich schneidenden ersten und zweiten Gitterstege herum erstreckt. Die ersten Gitterstege und die zweiten Gitterstege sind an einem Steg der Randstegstruktur befestigt, wobei der Randsteg mehrere Noppen aufweist. Die untere Gitterstruktur und die obere Gitterstruktur sind parallel zueinander angeordnet und im wesentlichen in einem Winkel von 90º bezüglich einander ausgerichtet, so daß jede der rechteckigen Zellen in der oberen Gitterstruktur eine entsprechende der rechteckigen Zellen in der unteren Gitterstruktur überlagert und so mit ihr zusammen auf einen in der Zelle in der oberen Gitterstruktur und in der dazugehörigen Zelle in der unteren Gitterstruktur positionierten Kernbrennstab an vier Seiten des Kernbrennstabs einwirkt und diesen stützt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorhergehenden und andere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung leichter verständlich; es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht entlang der Länge eines Brennelements eines Siedewasserreaktors, bei dem der Abstandshalter gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 2 eine perspektivische bruchstückartige Ansicht des oberen Gitters des in Fig. 1 gezeigten Abstandshalters von oben, wobei jedoch die Brennstäbe, der innere Wasserkanal und der Außenkanal weggelassen sind;
Fig. 3 eine perspektivische bruchstückartige Ansicht der unteren Gitterstruktur von oben, bei der die meisten Brennstäbe sowie der Außenkanal weggelassen sind;
Fig. 4a eine Seitenansicht eines der Gitterstege, die einen Bestandteil der oberen Gitterstruktur bilden;
Fig. 4b eine Schnittansicht des in Fig. 4a gezeigten Gitterstegs entlang der Linie 4b-4b;
Fig. 4c eine. Seitenansicht des zweiten Gitterstegs, der einen Bestandteil der oberen Gitterstruktur bildet;
Fig. 4d eine Schnittansicht des in Fig. 4c gezeigten Gitterstegs entlang der Linie 4d-4d;
Fig. 4e und 4f Seitenansichten, die einen von einem Gittersteg gestützten Brennstab in seiner geladenen Position im Abstandshaltergitter darstellen;
Fig. 5a eine Draufsicht entlang der Linie 5a-5a von Fig. 2, in der ein Teil der oberen Gitterstruktur mit einer Eckbrennstabstützzelle und Randbrennstabstützzellen dargestellt wird;
Fig. 5b eine Schnittansicht einer in Fig. 5a gezeigten Stütznoppe entlang der Linie 5b-5b;
Fig. 5c eine Seitenansicht eines Teils des Randstegs, der sich um den Umfang der oberen Gitterstruktur herum erstreckt;
Fig. 6a eine Schnittansicht der oberen Gitterstruktur des Brennstababstandshaltergitters entlang der Linie 6a-6a von Fig. 1;
Fig. 6b eine Schnittansicht der unteren Gitterstruktur des Brennstababstandshaltergitters von oben entlang der Linie 6b-6b in Fig. 1;
Fig. 6c eine Schnittansicht entlang der Linie 6c-6c in Fig. 1 von oben, in der die Überlagerung eines Teils der unteren Gitterstruktur durch einen entsprechenden Teil der oberen Gitterstruktur dargestellt wird;
Fig. 6d eine perspektivische Ansicht eines Teils des Abstandshaltergitters, in der die Abstützung mehrerer Brennstäbe in ihren Brennstabstützzellen sowohl in der oberen als auch unteren Gitterstruktur dargestellt wird;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer ersten alternativen Ausführungsform des Abstandshaltergitters mit einem einzigen gemeinsamen Außenrandsteg, der die obere und die untere Gitterstruktur miteinander verbindet;
Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Länge eines Brennelements eines Siedewasserreaktors, in dem eine zweite alternative Ausführungsform des Abstandshalters gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 9 eine perspektivische bruchstückartige Ansicht der in Fig. 8 dargestellten alternativen Abstandshalteranordnung von oben, in der die obere Gitterstruktur dargestellt wird, die freitragende Federlaschen zur Bereitstellung weiterer Abstützung der Brennstäbe enthält;
Fig. 10 eine perspektivische bruchstückartige Ansicht der alternativen Abstandshalteranordnung in Fig. 8 von oben, in der die untere Gitterstruktur dargestellt wird, die freitragende Federlaschen enthält;
Fig. 11a eine Seitenansicht einer der Gitterstege der oberen Gitterstruktur des in Fig. 8 dargestellten alternativen Abstandshalters;
Fig. 11b eine Schnittansicht des in Fig. 11a dargestellten Gitterstegs entlang der Linie 11b-11b;
Fig. 11c eine Seitenansicht des zweiten Gitterstegs der oberen Gitterstruktur des in Fig. 8 dargestellten alternativen Abstandshalters;
Fig. 11d eine Schnittansicht des in Fig. 11 dargestellten Gitterstegs entlang der Linie 11d-11d;
Fig. 11e und 11f Seitenansichten, in denen ein Brennstab in seiner in das Abstandshaltergitter geladenen Position dargestellt wird, der von Gitterstegen und sich von diesen erstreckenden, freitragenden Federlaschen gestützt wird;
Fig. 12 eine Draufsicht der oberen Gitterstruktur entlang der Linien 12-12 von Fig. 9, in der ein Teil der oberen Gitterstruktur mit einer Eck- und Randbrennstabstützzellen und freitragenden Federlaschen dargestellt wird;
Fig. 13a eine Schnittansicht entlang der Linie 13a-13a der alternativen Ausführungsform in Fig. 8, in der die obere Gitterstruktur dargestellt wird;
Fig. 13b eine Schnittansicht entlang der Linie 13b-13b der alternativen Ausführungsform in Fig. 8, in der die untere Gitterstruktur dargestellt wird;
Fig. 13c eine Schnittansicht entlang der Linie 13c-13c der alternativen Ausführungsform in Fig. 8 von oben, in der die Überlagerung eines Teils der unteren Gitterstruktur durch einen entsprechenden Teil der oberen Gitterstruktur dargestellt wird; und
Fig. 13d eine perspektivische Ansicht der alternativen Ausführungsform in Fig. 8, in der die Abstützung mehrerer Brennstäbe durch die Brennstabstützzellen und freitragenden Laschen sowohl in der oberen als auch unteren Gitterstruktur dargestellt wird.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Auf Fig. 1 Bezug nehmend, wird ein Brennelement eines Siedewasserreaktors mit einer 9 · 9- Brennstabanordnung bei 10 allgemein gezeigt, die längliche, Kernbrennstofftabletten enthaltende Brennstäbe 12 umfaßt. Die Brennstäbe werden zwischen einer unteren Stabhalteplatte 14 und einer oberen Stabhalteplatte 16 gestützt. Die Brennstäbe 12 durchqueren vereinfachte Abstandshaltergitter 18 nach der vorliegenden Erfindung, von denen in dieser bruchstückartigen Ansicht nur zwei gezeigt werden. Die vereinfachten Abstandshaltergitter 18 sorgen für eine Zwischenabstützung der Stäbe 12 über die Länge des Brennelements 10 und halten sie in voneinander beabstandeter Beziehung, während sie ihre seitliche Verschiebung verhindern. Jedes vereinfachte Abstandshaltergitter 18 enthält zwei Gitterstrukturen, und zwar eine obere Gitterstruktur 18a und eine untere Gitterstruktur 18b. Die obere und die untere Gitterstruktur 18a, 18b sind mechanisch identisch, aber im Brennelement parallel zueinander positioniert und in einem Winkel von 90º bezüglich einander ausgerichtet, wie weiter unten ausführlicher erläutert. Ein innerer Wasserkanal 44 befindet sich in der Mitte der Anordnung von Brennstäben 12. Der Innenkanal 44 ersetzt die am weitesten innen liegende 3 · 3-Anordnung von Brennstäben. Wie gezeigt, verläuft der Außenkanal 11 um die Brennstäbe 12 und Abstandshalter 18 herum. Obwohl in der Beschreibung auf eine 9 · 9-Brennstabanordnung Bezug genommen wird, wurde eine derartige Anordnung nur als Beispiel ausgewählt. Für Fachleute versteht sich, daß die vorliegende Erfindung mit einer beliebigen Art von SWR- Brennelement oder einer beliebigen Brennstabanordnung verwendet werden kann und nicht nur mit der in Fig. 1 gezeigten. Die vorliegende Erfindung kann mit anderen Anordnungen, wie zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, 8 · 8, 10 · 10 und 11 · 11, sowie mit denjenigen, bei denen Brennstäbe durch eine Teillänge aufweisende Brennstäbe, Wasserstäbe/-rohre/-kanäle sowie andere keinen Brennstoff tragende Bauteile ersetzt sind, verwendet werden.
Fig. 2 ist eine perspektivische bruchstückartige Ansicht der oberen Gitterstruktur 18a von einem der Abstandshaltergitter 18 von schräg oben, wobei der Außenkanal 11 weggelassen und der innere Wasserkanal 44 zum Teil weggelassen sind. Mit Ausnahme von drei Brennstäben sind alle Brennstäbe weggelassen worden; und aus Gründen der Übersichtlichkeit sind diese drei Brennstäbe gekürzt dargestellt.
Die obere 18a und die untere 18b Gitterstruktur des Abstandshaltergitters 18 bestehen jeweils aus zwei Sätzen paralleler Gitterstege. Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der die obere Gitterstruktur 18a dargestellt ist, die durch die Kreuzung der Gitterstege 20a und 22a gebildet wird. Jeder der Gitterstege 20a und Gitterstege 22a besteht aus einem flachen, schmalen, geraden Steg, wie in den Fig. 4a bzw. 4c gezeigt. Die Gitterstege 20a und 22a sind mit Schlitzen 24a bzw. 26a versehen, die beim Zusammenfügen der Gitterstege 20a und 22a zur Bildung eines Gitters aus rechteckigen Öffnungen oder Zellen 30a, 32a, 34a ineinandergreifen. Ein Brennstab erstreckt sich durch jede dieser Zellen 30a, 32a oder 34a. Die Stege 20a, 22a können verschweißt oder auf andere Weise an ihren Schnittpunkten an der oberen oder unteren Kante oder an beiden aneinander befestigt sein, oder das Verschweißen oder Befestigen kann ausgelassen werden. Jedes Ende jedes Gitterstegs 20a und 22a weist eine Zunge 40a auf, die so geformt ist, daß sie in eine damit zusammenpassende Aussparung 46a in einem Randsteg 42a paßt, der sich um den Umfang des Satzes von sich schneidenden Gitterstegen 20a und 22a herum erstreckt. Die Teile der Gitterstege 20a und 22a, die die neun am weitesten in der Mitte liegenden Zellen bilden, sind zur Bildung einer Verbindung mit dem inneren Wasserkanal 44 entfernt worden, wie in Fig. 2 gezeigt.
Die Brennstabstützzelle 30a weist eine quadratische Querschnittsfläche auf. Die Innenbreite jeder Seitenwand der Stützzelle 30a entspricht dem Außendurchmesser des Brennstabs. Jede Seitenwand der Zelle 30a berührt den Brennstab und stützt ihn dadurch. Die Brennstabstützzelle 32a weist eine rechteckige Querschnittsfläche auf. Die Innenbreite der Stützzelle 32a entspricht auch dem Außendurchmesser des Brennstabs. Die längeren Innenwände der Zelle 32a berühren den Brennstab und stützen ihn dadurch. Die kürzere Wand der Stützzelle 32a berührt den Außendurchmesser des Brennstabs nicht.
Die Zelle 34a weist eine quadratische Querschnittsfläche auf und wird durch die Wände der vier rechteckigen Zellen 32a, die sie umgeben, gebildet. Jede Wand der Zelle 34a ist größer als der Außendurchmesser des Brennstabs und berührt somit den die Zelle 34a durchquerenden Brennstab nicht.
Wie in Fig. 2 und Fig. 6a, bei der es sich um eine Schnittansicht der oberen Gitterstruktur 18a handelt, in der die meisten der Brennstäbe der Übersicht halber weggelassen sind, gezeigt, stützt jede Brennstabstützzelle 30a den sie durchquerenden Brennstab an vier Seiten, während die Brennstabstützzelle 32a den sie durchquerenden Brennstab an zwei Seiten stützt, die sich jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Zelle befinden. Die Zelle 34a stützt den Brennstab nicht, aber gestattet seine Durchquerung der Zelle, ohne ihn zu berühren. Die Brennstäbe, die die Zellen 32a und 34a durchqueren und von diesen nicht an allen vier Seiten in der oberen Gitterstruktur 18a gestützt werden, werden jeweils in den Stützzellen 32b und 30b der unteren Gitterstruktur 18b gestützt, so daß der Brennstab in jeder dieser Zellen durch jedes Abstandshaltergitter 18 an allen vier Seiten gestützt wird.
Jede der vier Eckstützzellen 36a und die Hälfte der am weitesten außen liegenden Zellen oder Randstützzellen 38a des oberen Abstandshaltergitters 18a enthalten Stütznoppen 48a, die im Randsteg 42a ausgebildet sind und zur Abstützung des Brennstabs in jeder der Eckstützzellen und Randstützzellen dienen. Wie in Fig. 5a gezeigt, enthält jede Eckstützzelle 36a der oberen Gitterstruktur 18a eine Stütznoppe 48a, die dem Gittersteg, der den Brennstab stützt, gegenüberliegt. Dadurch wird der Brennstab in jeder Eckzelle 36a an zwei gegenüberliegenden Seiten gestützt. Die Hälfte der Randstützzellen 38a weist jeweils eine dem Steg 26a gegenüberliegende Stütznoppe 48a auf.
Wie oben erwähnt, ist die untere Gitterstruktur 18b mechanisch identisch mit der oberen Gitterstruktur 18a. Jedes Element der unteren Gitterstruktur 18b ist das gleiche wie jedes entsprechende Element in der oberen Gitterstruktur 18a. Zur Unterscheidung jedes Elements der oberen Gitterstruktur von der unteren Gitterstruktur wird jedes Element mit der gleichen Elementzahl, aber mit dem Zusatz "a" oder "b" bezeichnet, um anzugeben, ob das Element in der oberen bzw. in der unteren Gitterstruktur positioniert ist. Das Abstandshaltergitter 18 besteht aus der unteren Gitterstruktur 18b, die parallel zur oberen Gitterstruktur 18a positioniert und durch Drehen der unteren Gitterstruktur um 90º um eine durch den inneren Wasserkanal 44 gebildete Achse (siehe Fig. 2 und 3 und Fig. 6a und 6b) in einem Winkel von 90º bezüglich der oberen Gitterstruktur 18a ausgerichtet ist.
Jeder Brennstab 12 wird an vier Seiten von dem Abstandshaltergitter 18 gestützt. Jeder einer Gruppe von Brennstäben im Innenteil des Brennelements durchquert die Zelle 30a in der oberen Gitterstruktur 18a und die Zelle 34b in der unteren Gitterstruktur 18b. Diese Brennstäbe werden jeweils in der Stützzelle 30a der oberen Gitterstruktur 18a an vier Seiten, aber nicht in der Zelle 34b in der unteren Gitterstruktur 18b gestützt. Jeder Brennstab einer zweiten Gruppe von Brennstäben wird in der Stützzelle 32a der oberen Gitterstruktur 18a an zwei gegenüberliegenden Seiten und auch an den zwei anderen gegenüberliegenden Seiten in der Stützzelle 32b der unteren Gitterstruktur 18b gestützt. Jeder Brennstab einer dritten Gruppe von Brennstäben, die die Zelle 34a der oberen Gitterstruktur 18a durchqueren, wird in der Stützzelle 30b der unteren Gitterstruktur 18b an vier Seiten gestützt.
Wie bei jeder Eckstützzelle 36a der oberen Gitterstruktur 18a weist jede Eckstützzelle 36b in der unteren Gitterstruktur 18b gegenüber dem den Brennstab in der Eckzelle stützenden Gittersteg eine Stütznoppe 48b auf. Der Brennstab in jeder Ecke des Brennelements wird von beiden Noppen 48a und 48b und den Gitterstegen 20a und 20b der oberen und der unteren Gitterstruktur an vier Seiten gestützt. Wie bei jeder Randzelle 38a der oberen Gitterstruktur 18a weist jede der Randstützzellen 38b in der unteren Gitterstruktur 18b gegenüber dem den Brennstab in der Randzelle stützenden Gittersteg eine Stütznoppe auf. Der Brennstab in jeder Randzellposition im Brennelement wird an vier Seiten von einer Noppe im Randsteg zusammen mit entweder zwei parallelen Gitterstegen einer Gitterstruktur (z. B. der oberen Gitterstruktur) und einem Gittersteg der zweiten (z. B. unteren) Gitterstruktur oder drei sich schneidenden Gitterstegen einer Gitterstruktur gestützt (siehe Fig. 6c).
Fig. 6b ist eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Brennelements entlang der Linie 6b-6b, in der die untere Gitterstruktur 18b gezeigt wird, bei der der Übersicht halber die meisten Brennstäbe weggelassen wurden. Jeder Brennstab durchdringt eine Zelle in der unteren Gitterstruktur 18b. Die Brennstäbe, die sich durch die Zelle 34a der oberen Gitterstruktur 18a erstrecken, werden von der Brennstabstützzelle 30b der unteren Gitterstruktur 18b an vier Seiten gestützt. Ebenso erstrecken sich die Brennstäbe, die sich durch die Brennstabstützzelle 32a der oberen Gitterstruktur erstrecken und von ihr an zwei Seiten gestützt werden, durch die Brennstabstützzelle 32b der unteren Gitterstruktur 18b und werden von ihr an zwei gegenüberliegenden Seiten gestützt. Und die Brennstäbe, die sich ungestützt durch die Zelle 34a der oberen Gitterstruktur 18a erstrecken, erstrecken sich durch die Brennstabstützzelle 30b der unteren Gitterstruktur 18b und werden von ihr an vier Seiten gestützt.
Die Überlagerung der Zellen in der oberen Gitterstruktur 18a und der Zellen in der unteren Gitterstruktur 18b wird in der Schnittansicht in Fig. 6c gezeigt. Jeder Brennstab des Brennelements wird an allen vier Seiten gestützt. Die Abstützung an den vier Seiten jedes Brennstabs erfolgt entweder durch (a) eine Brennstabstützzelle 30a in der oberen Gitterstruktur; oder (b) eine Brennstabstützzelle 30b in der unteren Gitterstruktur; oder (c) eine Brennstabstützzelle 32a in der oberen Gitterstruktur zusammen mit einer Brennstabstützzelle 32b in der unteren Gitterstruktur; oder (d) eine Eckbrennstabstützzelle 36a der oberen Gitterstruktur 18a zusammen mit einer Eckbrennstabstützzelle 38b der unteren Gitterstruktur 18b; oder (e) eine Randbrennstabstützzelle 38a der oberen Gitterstruktur zusammen mit einer Randbrennstabstützzelle der unteren Gitterstruktur.
Fig. 6d ist eine perspektivische Ansicht des Abstandshalters 18, in der die Abstützung dreier Brennstäbe durch (1) die Stützzelle 30a des oberen Abstandshaltergitters 18a; (2) die Stützzellen 32a und 32b; und (3) die Stützzelle 30b des unteren Abstandshaltergitters 18b gezeigt wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform ersetzt ein gemeinsamer Randsteg 43 die Randstege 42a und 42b. Die obere Gitterstruktur und die untere Gitterstruktur sind durch den gemeinsamen Randsteg 43 miteinander verbunden, der sich vertikal von der oberen Gitterstruktur zu der unteren Gitterstruktur erstreckt, wie in Fig. 7 gezeigt. Jede der vier Eckbrennstabstützzellen weist zwei Stütznoppen 48a bzw. 48b auf, die zur Abstützung jedes der Eckbrennstäbe aus dem gemeinsamen Randsteg 43 ausgebildet sind. Die Hälfte der Randbrennstabstützzellen 36a und die Hälfte der Randbrennstabstützzellen 36b weisen jeweils eine Noppe 48a bzw. 48b auf, die zur Abstützung jedes der Brennstäbe in den Randzellen aus dem gemeinsamen Randsteg 43 ausgebildet ist.
Bei der in den Fig. 1-6D gezeigten Ausführungsform sind die beiden Gitterstrukturen, d. h. die obere Gitterstruktur 18a und die untere Gitterstruktur 18b nicht miteinander verbunden.
Abstandshaltergitter sollten sich nicht bezüglich der Achsen der Brennstäbe wesentlich drehen können, damit die Brennstäbe oder Abstandshalter nicht beschädigt werden. Eine derartige Drehung kann sich aus unterschiedlichem axialen Wachstum der Brennstäbe oder bei der Handhabung des Brennelements ergeben. Abstandshalter, deren Berührungspunkte mit den Brennstäben auf zwei weit voneinander beabstandeten Ebenen liegen (die senkrecht zu den Achsen der Brennstäbe verlaufen), widerstehen im allgemeinen einer derartigen Drehung. Die getrennten Gitterstrukturen 18a und 18b der in den Fig. 1-6D gezeigten Ausführungsform weisen keinen derartigen Widerstand auf, sind jedoch zur Verhinderung einer derartigen Drehung mit dem inneren Wasserkanal 44 verbunden. Durch Verbinden der beiden Gitterstrukturen durch den gemeinsamen Randsteg 43 zu einer gemeinsamen Struktur wird bei der vorliegenden in Fig. 7 gezeigten alternativen Ausführungsform dieses Erfordernis unnötig, indem eine Brennstabberührung auf zwei weit voneinander beabstandeten Ebenenbereitgestellt wird, wobei entweder eine direkte Befestigung an dem Abstandshaltergitter und Wasserkanal oder ein Gleitkontakt dazwischen gestattet wird.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform (Fig. 8-13D) wird eine zusätzliche seitliche Abstützung der Brennstäbe in allen Brennstabstützzellen durch freitragende Federlaschen 28a und 28b erreicht, damit im Betrieb auftretenden Schwingungen entgegengewirkt wird, die durch ein Creepdown der Brennstäbe und/oder Lockern der Stege 20a und 22a entstehen können. Derartige Schwingungen können zu einem Reibverschleiß der Brennstäbe und einer vorzeitigen Außerbetriebnahme beitragen. Obgleich die Innenabmessung aller Zellen, bei denen es sich um Brennstabstützzellen handelt, gleich dem Außendurchmesser des Brennstabs ist und eine Berührung und Abstützung des Brennstabs durch die Brennstabstützzellen gestattet, ist die Federkonstante von freitragenden Federlaschen viel kleiner als die der Gitterstege. In ihrer unbelasteten Position ist jede Federlasche 28a, 28b wie in den Fig. 11b und 11d gezeigt in den Brennstabstützzellen positioniert und in sie hinein abgewinkelt. Die Federlaschen 28a sind aus dem Körper 21a des Stegs 20a und dem Körper 23a des Stegs 22a ausgebildet und in einem Winkel α dazu profiliert. Die freitragenden Federlaschen 28 werden durch die Anordnung eines Brennstabs in den Brennstabstützzellen in eine gerade Position gedrückt, wie in den Fig. 11e und 11f gezeigt. Jede Federlasche 28a ist vertikal auf den Gittersteg, aus dem sie sich erstreckt, ausgerichtet, und bewirkt deshalb praktisch keinen "Schatten" oder Profilwiderstand und nur minimale Strömungsbegrenzungen des Kühlmittels/Moderators.
Eine Verminderung des hydraulischen Widerstands des Abstandshalters 18 wird dadurch weiter unterstützt, daß die Gitterstege, freitragenden Federlaschen und der Randsteg bzw. die Randstege aus einem dünnen Material hergestellt werden. Durch Verwendung eines dünnen Materials in Verbindung mit der oben beschriebenen Konfiguration des Abstandshalters 18 ist die Kühlmittel- /Moderatorströmung nur einem minimalen vorstehenden Bereich ausgesetzt. Herstellungsmaterialien sind u. a. eine wärmebehandelbare Nickellegierung, rostfreier Stahl oder eine Zirkoniumlegierung. Die Herstellung der Abstandshaltergitter 18 aus einer wärmebehandelbaren Nickellegierung mit einem hohen Elastizitätsmodul und einer hohen Streckgrenze bei Betriebstemperatur des Reaktors und einer Dicke von ca. 103 Zoll wird bevorzugt. Ein Beispiel dafür ist Inconel und vorzugsweise Inconel 718, das in der [Werkstoffspezifikation für Luft- und Raumfahrt] Nr. 5596 der 'Society of Automotive Engineers', Aerospace Material Specification, Überarbeitung C, November 1968, beschrieben wird, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Abstandshalteranordnungen müssen seitlichen oder Querbelastungen widerstehen können, die bei angenommenen Erdbeben auftreten können. Eine derartige Belastung führt in der Regel zu örtlich begrenzten Knickungen (d. h. Eulerschen Knickungen) der Abstandshalterstegteile zwischen Schnittpunktschweißungen oder -fugen. Nach einem solchen angenommenen Erdbeben darf der Abstand zwischen Brennstäben, der durch den Abstandshalter aufrechterhalten wird, nicht so weit reduziert sein, daß Kühlmittel nicht mehr frei zwischen ihnen hindurchfließen kann.
Neben dem Widerstehen derartiger Belastungen weist die vorliegende Erfindung ein sehr hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf. Die Gitterstege 20, 22 des Abstandshaltergitters 18 sind alle gerade ohne Wellungen und sind zwischen ihren Schnittpunkten nicht unterbrochen. Infolgedessen treten im Abstandshaltergitter 18 der vorliegenden Erfindung weder die exzentrische Knickwirkung noch Spannungskonzentratoren auf. Darüber hinaus wird durch die freitragenden Federlaschen der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine erhöhte Festigkeit in dem Bereich geboten, in dem nach der Knicktheorie ein Auftreten von Knickungen ansonsten zu erwarten ist. Abstandshalter nach dem Stand der Technik erzeugen Exzentrizität und/oder Spannungskonzentratoren, da man sich zur Abstützung der Brennstäbe auf die Verwendung herkömmlicher Noppen und Federschlitze verläßt. Schließlich besitzt Inconel, eine bevorzugte wärmebehandelte, nickelreiche Legierung, einen sehr hohen Elastizitätsmodul und eine sehr hohe Streckgrenze bei Betriebstemperaturen des Reaktors, wodurch dem Abstandshalter gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Knickfestigkeit verliehen wird.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen gegenüber Abstandshaltern nach dem Stand der Technik sind die Herstellungskosten für das Abstandshaltergitter gemäß der vorliegenden Erfindung aus folgenden Gründen geringer: (a) es werden keine getrennten Federn verwendet; (b) es wird nur eine geringe Anzahl verschiedener Teilearten verwendet; (c) jedes der Teile kann durch einfache und daher kostengünstige Stanz- und Formwerkzeuge hergestellt werden; und. (d) durch die Verwendung von geraden Stegen kann der Abstand zwischen den Brennstäben allein durch die Genauigkeit des sehr leicht zu steuernden Schnittpunktschlitzabstands gesteuert werden, woraus sich sehr geringe Inspektionskosten für die fertige Abstandshalteranordnung ergeben.

Claims

1. Abstandshalter (18) zum Positionieren und Festhalten von Kernbrennstäben eines Kernbrennelements, wobei der Abstandshalter (18) eins obere Gitterstruktur (18a) und eine untere Gitterstruktur (18b) umfaßt und die Gitterstrukturen parallel zueinander positioniert sind und zusammen auf die Brennstäbe einwirken, um eine Abstützung der Kernbrennstäbe an vier Seiten bereitzustellen,

wobei die untere Gitterstruktur und die obere Gitterstruktur jeweils einen ersten Satz von flachen, im wesentlichen geraden, parallelen Gitterstegen (20a, 20b) und einen zweiten Satz von flachen, im wesentlichen geraden, parallelen Gitterstegen (22a, 22b), die den ersten Satz von Gitterstegen (20a, 20b) schneiden, enthalten und ein Gitter von rechteckigen Zellen (30a, 32a, 34a; 30b, 32b, 34b) bilden, die die Brennstäbe aufnehmen,

wobei die Verbesserung nichtquadratische rechteckige Zellen (32a, 32b) umfaßt, wobei eine nichtquadratische Zelle (32a) in der oberen Gitterstruktur (18a) von gegenüberliegenden Seiten der nichtquadratischen Zelle (32a) auf einen Brennstab einwirkt und einer nichtquadratischen Zelle (32b) der unteren Gitterstruktur (18b) entspricht, wobei die entsprechende Zelle (32b) der unteren Gitterstruktur (18b) bezüglich der nichtquadratischen Zelle (32a) der oberen Gitterstruktur (18a) in einem Winkel von im wesentlichen 90º ausgerichtet ist.

2. Abstandshalter nach Anspruch 1, bei dem der erste Satz von Gitterstegen (20a) Schlitze (24a) und der zweite Satz (22a) von Gitterstegen entsprechende, damit zusammenpassende Schlitze: (26a) aufweist, die zur Bildung des Gitters von rechteckigen Zellen, durch die sich die Brennstäbe erstrecken, darin eingreifen.

3. Abstandshalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens einer des ersten Satzes von Gitterstegen (20a) an einem Ende eine Zunge (40a) aufweist, die in eine damit zusammenpassende Aussparung (46a) in einem Randsteg (42a) eingreift.

4. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Abstandshalter aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von Metallen, umfassend rostfreien Stahl, Zirkoniumlegierung und Nickellegierung, ausgewählt ist.

5. Abstandshalter nach Anspruch 4, bei dem es sich bei der Nickellegierung um Inconel handelt.

6. Abstandshalter nach Anspruch 4, bei dem es sich bei der Nickellegierung um eine wärmebehandelbare Nickellegierung mit einem hohen Elastizitätsmodul und einer hohen Streckgrenze bei Betriebstemperatur des Reaktors handelt.

7. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Gitterstege eine Dicke von ca. 0,258 mm/103 Zoll aufweisen.

8. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der erste und der zweite Satz von Gitterstegen (20a, 22a, 20b, 22b) in der obere = n Gitterstruktur (18a) und der unteren Gitterstruktur (18b) an einer Randstegstruktur befestigt sind, die einen die Gitterstrukturen umgebenden gemeinsamen Randsteg (43) enthält.

9. Abstandshalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der erste und der zweite Satz von Gitterstegen (20a, 22a, 20b, 22b) der oberen Gitterstruktur (18a) und der unteren Gitterstruktur (18b) an einer Randstegstruktur befestigt sind, wobei die Randstegstruktur einen die obere Gitterstruktur (18a) umgebenden oberen Randsteg (42a) und einen die untere Gitterstruktur (18b) umgebenden unteren Randsteg (42b) enthält.

10. Abstandshalter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Randstegstruktur mehrere Noppen (48a) zur Abstützung von Kernbrennstäben, die am Umfang des Brennelements angeordnet sind, enthält.

11. Abstandshalter nach Anspruch 10, bei dem eine Gruppe der Noppen (48a) an gegenüberliegenden Seiten des Umfangs des Brennelements und in der Ebene der oberen Gitterstruktur (18a) positioniert ist.

12. Abstandshalter nach Anspruch 11, bei dem eine andere Gruppe der Noppen (48b) an anderen gegenüberliegenden Seiten des Umfangs des Brennelements und in der Ebene der unteren Gitterstruktur (18b) positioniert ist.

13. Kernbrennelement mit mehreren länglichen Brennstäben (12), die zwischen einer unteren Stabhalteplatte (14), die zum Boden des Brennelements hin positioniert ist, und einer oberer. Stabhalteplatte (16), die zum oberen Ende des Brennelements hin positioniert ist, gestützt werden, und mindestens einem Abstandshalter (18) zum Positionieren und Festhalten der Brennstäbe;

wobei der Abstandshalter jeden Brennstab an vier Seiten stützt und eine obere Gitterstruktur (18a), eine untere Gitterstruktur (18b) und eine Randstegstruktur (42a, 42b), die sich um den Umfang des Abstandshalters herum erstreckt, umfaßt;

wobei die obere Gitterstruktur (18a) und die untere Gitterstruktur (18b) jeweils an der Randstegstruktur (42a, 42b) befestigt sind und einen ersten Satz von flachen, im wesentlichen geraden, parallelen Gitterstegen (20a, 20b) und einen zweiten Satz von flachen, im wesentlichen geraden, parallelen Gitterstegen (22a, 22b) umfassen, die den ersten Satz von Gitterstegen so schneiden, daß ein Gitter von Zellen gebildet wird, durch das sich die Brennstäbe erstrecken, und die auf die Brennstäbe in den Zellen einwirken, gekennzeichnet durch die folgende Ausführungsform der oberen und unteren Gitterstruktur:

i) jeder einer ersten Gruppe der Brennstäbe durchquert eine quadratische Zelle (30a) der oberen Gitterstruktur (18a) und wird an vier Seiten der Zelle gestützt, wobei diese Brennstäbe auch jeweils eine Zelle (34b) der unteren Gitterstruktur (18b) durchqueren, aber nicht in der Zelle (34b) der unteren Gitterstruktur (18b) gestützt werden,

ii) jeder einer zweiten Gruppe der Brennstäbe erstreckt sich durch eine rechteckige Zelle (32a) der oberen Gitterstruktur (18a) und wird an zwei gegenüberliegenden Seiten der Zelle gestützt, wobei sich diese Brennstäbe auch jeweils durch eine rechteckige Zelle (32b) der unteren Gitterstruktur (18b) erstrecken und an zwei gegenüberliegenden Seiten der Zelle gestützt werden, und

iii) jeder einer dritten Gruppe der Brennstäbe durchquert eine quadratische Zelle (34a) der oberen Gitterstruktur (18a) und wird nicht von der Zelle gestützt, wobei diese Brennstäbe eine quadratische Zelle (30b) der unteren Gitterstruktur (78b) durchqueren und an vier Seiten von der Zelle gestützt werden.

14. Brennelement nach Anspruch 13, bei dem ein Außenkanal (11) die mehreren Brennstäbe (12) zum Leiten von Kühlmittel/Moderator um die Brennstäbe herum vom Boden des Brennelements zum oberen Ende des Brennelements hin umgibt.

15. Brennelement nach Anspruch 14, bei dem sich der Abstandshalter (18) zwischen dem Außenkanal (11) und mindestens einer Wand eines inneren Wasserkanals (44) zum Leiten von Kühlmittel/Moderator durch denselben vom Boden des Brennelements zum oberen Ende des Brennelements hin befindet.

16. Brennelement nach Anspruch 15, bei dem der Abstandshalter (18) mit dem inneren Wasserkanal (44) verbunden ist.

17. Brennelement nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Gitterstege Laschen (28a, 28b) umfassen, die die Brennstäbe berühren.

18. Brennelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem der Abstandshalter aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von Metallen, umfassend rostfreien Stahl, Zirkoniumlegierung und Nickellegierung, ausgewählt ist.

19. Brennelement nach Anspruch 18, bei dem es sich bei der Nickellegierung um Inconel handelt.

20. Brennelement nach Anspruch 18, bei dem es sich bei der Nickellegierung um eine wärmebehandelbare Nickellegierung mit einem hohen Elastizitätsmodul und einer hohen Streckgrenze bei Betriebstemperatur des Reaktors handelt.

21. Brennelement nach einem der Ansprüche 13 bis 20, bei dem die Gitterstege eine Dicke von ca. 10&supmin;³ Zoll aufweisen.

22. Brennelement nach einem der Ansprüche 13 bis 21, bei dem die Randstegstruktur Noppen (48a, 48b) zur Abstützung von Brennstäben aufweist, die am Umfang des Brennelements angeordnet sind.