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Diese
Erfindung betrifft allgemein Kernreaktor-Brennelementstützgitter
und mehr im Einzelnen Stützgitter,
die diagonale Haltefedern aufweisen.
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Brennelemente
für Kernreaktoren
sind im allgemeinen aus einer Anordnung von länglichen Brennstäben gebildet,
die mittels einer skelettartigen Stützkonstruktion, die eine Mehrzahl
mit in Längsrichtung
beabstandeten Stützgittern,
ein unteres Endstück
und ein oberes Endstück
aufweist, in seitlich beabstandeter Anordnung gehalten werden. Das Brennelementskelett
umfaßt
auch Führungsrohre und
Instrumentierungsrohre, bei denen es sich um längliche Rohrteile handelt,
die symmetrisch unter den Brennstabpositionen verteilt und mit gleicher Ausdehnung
wie die Brennstäbe
positioniert sind. Die Führungsrohre
und Instrumentierungsrohre sind mit den Stützgittern fest verbunden, um
eine mechanische Verbindung zwischen den anderen Skelettteilen herzustellen.
Diese Stützgitter
bilden jeweils eine Anordnung von Brennstabstützöffnungen oder Zellen und haben
einen Umfang, der in einer von einer Vielzahl alternativer geometrischer
Formen konfiguriert ist, die durch die Reaktorkernauslegung vorgegeben ist.
Kernbrennstabgitter für
kommerzielle Druckwasserreaktoren mit quadratischen Brennelementen können typischerweise
zwischen 14 und 17 Zellen pro Seite haben. Andere polygonale Anordnungsauslegungen
finden ebenfalls Anwendung, wie beispielsweise die sechseckige Anordnung,
die im US-Patent 5 303 276, ausgegeben am 12. April 1994, dargestellt ist.
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Das
US-Patent 3 928 131 beschreibt ein Stützgitter nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
typische Brennelementstützgitterkonstruktion
weist einen etwa polygonalen Umfang auf, der eine innere Gitteranordnung
umgibt. Eine Mehrzahl von Brennstaböffnungen oder Zellen innerhalb des
Umfangs ist durch eine Anzahl gleichmäßig beabstandeter, geschlitzter
und ineinander greifender gitterbildender Elemente oder Streifen
definiert, die mit der Umfassung verschweißt und durch kleine Punktschweißungen an
den Enden ihrer Durchdringungslinien längs der geschlitzten Stellen
verbunden sind.
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Jedes
innere gitterformende Bauteil ist über eine Hälfte seiner Breite längs der
Durchdringungslinie mit den anderen gitterbildenden Bauteilen der
Anordnung geschlitzt. Die Bauteile sind zusammengebaut und an den
Durchdringungslinien ineinander gesteckt, wobei der Schlitz in einem
Bauteil in den entgegengesetzten Schlitz des kreuzenden Bauteils
in "eierkistenartiger" Weise passt. Dieses
Eierkistendesign ergibt ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
ohne wesentliche Behinderung des Kühlmittelstroms, der in einem
arbeitenden Kernreaktor durch das Gitter gelangt. Die gitterbildenden
Bauteile umfassen typischerweise vorspringende Federn und Noppen
zum Erfassen und Abstützen
der Brennstäbe
in einigen der Gitteröffnungen.
Die Federn erzeugen axiale, seitliche und drehmäßige Festlegung gegen eine
Brennsstabbewegung während
des Reaktorbetriebs unter der Kraft der Kühlmittelströmung, während seismischer Störungen,
oder im Falle äußerer Schlageinwirkung.
Diese Abstandsgiter dienen auch als seitliche Führungen während des Einführens und
Herausziehens der Brennelemente aus dem Reaktor.
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Eine
der betriebsmäßigen Beschränkungen bei
gegenwärtigen
Reaktoren ist durch das Einsetzen eines Filmsiedens auf den Oberflächen der Brennstäbe gegeben.
Dieses Phänomen
wird gewöhnlich
als Abweichung von Kernsieden (DNB (departure from nuclear boiling))
bezeichnet und wird vom Brennstababstand, Systemdruck, Wärmefluß, der Kühlmittel
Enthalpy und der Kühlmittelgeschwindigkeit
beeinflusst. Wenn DNB auftritt, findet ein schneller Temperaturanstieg
des Brennstabs aufgrund des reduzierten Wärmeübergangs statt, der unter diesen
Bedingungen als Ergebnis des gasförmigen Film auftritt, der sich
auf Teilen der Brennstaboberfläche
bildet, was schließlich
im Bruch des Brennstabs resultieren kann, wenn es weitergeht. Daher
müssen
Kernreaktoren, um einen Sicherheitsfaktor beizubehalten, auf einem
Wärmeflusspegel betrieben
werden, der etwas niedriger ist als derjenige, bei dem DNB auftritt.
Dieser Sicherheitsabstand wird üblicherweise
als "thermischer
Sicherheitsabstand" bezeichnet.
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Kernreaktoren
haben normalerweise Bereiche im Kern, die einen höheren Neutronenfluß und eine
höhere
Leistungsdichte als andere Bereiche haben. Die Schwankung im Fluß und in
der Leistungsdichte kann durch eine Anzahl von Faktoren verursacht
werden, von denen einer das Vorhandensein von Steuerstabkanälen im Kern
ist. Wenn die Steuerstäbe
herausgezogen werden, füllen
sich diese Kanäle
mit Kühlmittel,
einem Moderator der die örtliche Moderationskapazität steigert
und dadurch die im angrenzenden Brennstoff erzeugte Leistung steigert.
In diesen Bereichen hoher Leistungsdichte, die als heiße Kanäle bekannt
sind, findet eine höhere
Enthalpyanstiegsgeschwindigkeit statt als in anderen Kanälen. Diese
heißen
Kanäle
setzen die maximalen Betriebsbedingungen für den Reaktor fest und begrenzen
die Leistungsmenge, die erzeugt werden kann, da in diesen Kanälen der
kritische thermische Sicherheitsabstand zuerst erreicht wird.
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Im
Stand der Technik wurde versucht, die Schwankung der Leistungsdichte über dem
Kern zu verringern und dadurch die DNB-Leistung zu steigern, indem
Kühlmittelströmungsablenkflügel als
integraler Teil der Brennstabstützgitter
vorgesehen wurden. Diese Flügel
verbessern die Leistung durch Steigerung des Wärmeübergangs zwischen den Brennstäben und
dem Kühlmittel
stromab der Flügelpositionen.
Die Flügel
sind besonders in den an die heißen Kanäle angrenzenden Bereichen vorteilhaft, welche
die Brennstabpositionen in der Nachbarschaft der Steuerstabführungsrohrpositionen
sind.
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Um
den vollen Vorteil der Flügel
zu erreichen, ist es auch wünschenswert,
die verbleibenden Gitterkomponenten, d. h. die Gitterstreifen einschließlich der
Federn, Noppen und Schweißungen, strömungsgünstig auszugestalten,
um die stromauf der Flügel
erzeugte Turbulenz zu verringern. Andere Ziele bei der Optimierung
der Brennstabgitterauslegungen umfassen das Minimieren des Gitterdruckabfalls
und das Maximieren der mechanischen Gitterbelastbarkeit. Die Federn,
die die Kraft zum Halten der Brennstäbe in ihrer Position bereitstellen,
sind normalerweise aus ausgeschnittenen Abschnitten der die Gitter
bildenden Bauteile geformt, die in die Brennstabstützgitteröffnungen
hinein vorspringen. Die aufgebrachte Federkraft ist als Gleichgewicht zwischen
den Kräften
ausgelegt, die zur Bereitstellung der notwendigen axialen, seitlichen
und drehmäßigen Festlegung
erforderlich sind, um die Brennstäbe in Position zu halten, und
den Kräften,
die die Oberfläche
des Brennstabs verkratzen oder sonst beschädigen würden, wenn dieser während der
Fertigung in das Brennelement eingeführt wird. Um sowohl eine Beschädigung des
Brennstabs zu vermeiden als auch maximale Haltekräfte aufzubringen,
ist es wünschenswert,
die Kontaktfläche
der Feder mit dem Brennstab sowie auch die Biegeelastizität der Feder
zu maximieren. Eine bevorzugte Methode zum Erreichen einer maximalen
Kontaktfläche
ist das Vorsehen einer diagonalen Feder, die von einem unteren Teil
einer der Wände
der Brennstabstützgitteröffnung zu
einem diagonal entgegengesetzten oberen Bereich derselben Wand verläuft, wie
in der den Stand der Technik zeigen 2. 2 zeigt
einen einzigen Wandabschnitt eines Gitterstreifens 110 mit
einer diagonalen Feder 112. Die ausgeschnittenen Abschnitte 114 springen
in eine angrenzende Brennstabstützgitteröffnung vor
und bilden den Noppen zur Herstellung einer Punktkontaktabstützung für einen
benachbarten Brennstab, der durch einen in ähnlicher Weise gebildete Feder
gegen den Noppen gedrückt
wird, die von der gegenüberliegenden
Wand dieser Gitteröffnung
einwärts
vorspringt. Typischerweise ist eine Brennstabstützgitteröffnung mit Federn an mindestens
zwei Wänden
und Noppen an den entgegengesetzten Wänden ausgebildet, um die Brennstäbe zu zentrieren
und eine maximale Kühlmittelströmung um
ihre Oberfläche
zu erhalten. Beim Stand der Technik sind auch Ausschnitte 116 vorgesehen,
wie in 2 dargestellt, um die Masse des Wandmaterials
um die Feder zu verringern und dadurch ihre Flexibilität zu steigern.
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Wie
in der EP-A-0 993 675 (die nicht zum Stand der Technik gehört) gezeigt
ist, ist es wünschenswert,
Mischflügel 120 über den
den Brennstab abstützenden
Gitteröffnungen
anzubringen, um den Wärmeübergang
zu verbessern. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Flügel den
Druckabfall in den Brennstabstützgitteröffnungen
erhöhen.
Dies erzeugt eine Druckdifferenz zwischen den Brennstabstützgitteröffnungen,
die sich an Steuerstabführungsrohr- und
Instrumentierungsrohrstellen anschließen, und den Führungsrohr-
und Instrumentierungsrohrstellen, die keine Mischflügel haben.
Als Ergebnis tendiert während
des Betriebs das durch die Gitteröffnungen angrenzend an die
Führungsrohr-
und Instrumentierungsrohrstellen strömende Kühlmittel dazu, den Weg des
geringsten Widerstands zu suchen und aus den Fenstern 116 an
beiden Seiten der diagonalen Feder 112 heraus und nach
oben durch die Instrumentierung- und Führungsrohrstellen zu strömen. Das
Ergebnis ist ein verringerter Wärmeübergang
im Bereich des höchsten
Bedarfs und eine weniger effiziente Ausnutzung der Flügel.
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Dementsprechend
ist wünschenswert,
dass eine verbessern Gitterkonstruktion die DNB-Leistungsfähigkeit verbessert. Aufgabe
dieser Erfindung ist es, dieses Ergebnis durch Minimieren des Leckpfads
um die Gitterfedern unter Beibehaltung der Federflexibilität zu erreichen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Flexibilität der Diagonalfederanordnung
ohne Verringerung der Druckfestigkeit des Gitters zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ein Stützgitter, wie es im Anspruch
1 angegeben ist.
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Die
Konstruktion nach dieser Erfindung überwindet einige der Nachteile
der herkömmlichen
Gitterfederkonstruktionen durch Verringerung des für Querströmungen offenen
Fläche
in den Brennstabstützzellen
unter Beibehaltung der Flexibilität der Gitterfedern. Ge mäß dieser
Erfindung sind bei einer diagonalen Federkonfiguration die Schlitze
in den Gitterwänden,
welche die Federn bilden, an ihren Enden in einer Richtung parallel
mit der Schnittlinie der benachbarten Wand und von der Feder weg
erweitert. Dadurch wird durch die Flexibilität der Federn gesteigert, während ein
verringerter offener Wandbereich für eine Querströmung verfügbar ist.
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Diese
und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich für
den Fachmann beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit den Zeichnungen, in denen illustrative Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt und beschrieben sind.
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Während die
Beschreibung mit Ansprüchen abschließt, die
den Gegenstand der Erfindung spezifisch zum Ausdruck bringt und
deutlich beansprucht, erscheint die Erfindung aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen besser
verständlich,
in denen zeigt:
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1 eine
Draufsicht einer Stützgitteranordnung,
welche die Merkmale der Erfindung verkörpert,
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2 eine
Teilseitenansicht eines Wandabschnitts eines herkömmlichen
Brennelementengitterstreifens losgelöst von den ihn schneidenden Gitterstreifen,
und
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3 eine
Teilseitenansicht eines Wandabschnitts eines Kernbrennelementgitterstreifens
mit den Merkmalen dieser Erfindung, losgelöst von den ihn schneidenden
Gitterteilen.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Bei
einem typischen Kernreaktor wird Wärme im Kern des Reaktorbehälters als
Ergebnis der Kernspaltung erzeugt. Die Wärme wird zur Erzeugung von
Dampf verwendet, der wiederum Turbinengeneratoren zum Erzeugen elektrischer
Energie antreibt. Bei einem Druckwasserreaktor wird die Wärme im Kern
auf einen Kühlmittelmoderator übertragen, das üblicherweise
mit Bor versetztes Wasser ist, das unter Druck zu einem Dampferzeuger transportiert wird,
der das Kühlmittel
in Wärmeaustausch
mit einem Sekundärmedium
bringt. Das Sekundärmedium wird
zu Dampf verdampft, der zum Antrieb der Turbinengeneratoren verwendet
wird.
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Der
Kernbrennstoff innerhalb des Kerns ist typischerweise in zylindrischen
langgestreckten Stäben
gekapselt, die als Brennstäbe
bezeichnet werden. Die Brennstäbe
werden in einer polygonalen Anordnung gehalten und verlaufen bei
einer bevorzugten Ausführungsform
in Längsrichtung über eine
Länge von
etwa 14 Fuß.
Die Anordnung wird allgemein als Brennelement bezeichnet und ist
durch eine obere und eine untere Düse begrenzt und wird durch Brennstabstützgitter
in Position und in geeigneter Weise beabstandet gehalten, die an
beabstandeten Stellen entlang der Länge des Brennelements befestigt
sind.
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Unter
die Brennstäbe
innerhalb des Brennelements eingestreut sind Steuerstabführungsrohre und
Instrumentierungsrohre, die symmetrisch anstelle von Brennstabpositionen
angeordnet sind und zum Führen
der Steuerstäbe
und als Leitungen für
die kerninterne Instrumentierung benutzt werden. Die Steuerstäbe werden
zur Steuerung des Spaltprozesses durch Adsorbieren von Neutronen
im Kern benutzt, die ansonsten mit dem Kernbrennstoff reagieren
würden.
Die Steuerstäbe
sind durch die Führungsrohre
in den und aus dem Kern bewegbar, um den Reaktivitätspegel
zu steuern.
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Das
Kühlmittel
im Kern strömt
aus einem Bereich unterhalb des Brennstoffs nach oben durch jedes
Brennelement hindurch und aus dessen Düse heraus. Das Kühlmittel
ist ein Moderator, das die Geschwindigkeit der Neutronen verlangsamt,
um die Effizienz des Spaltprozesses zu steigern. Wenn die Steuerstäbe aus dem
Kern herausgezogen werden, füllen
sich die entsprechenden Führungsrohre
mit dem Kühlmittelmoderator,
was die Spaltreaktionen im Brennstoff in den diese Führungsrohre
umgebenden Zellen steigert. Ein detaillierteres Verständnis des
Betriebs eines Druckwasserkernreaktors kann aus dem US-Patent No. 5 303
276, ausgegeben am 12. April 1994, mit dem Titel "FUEL ASSEMBLY INCLUDING
DEFLECTIVE VANES OR DEFLECTING A COMPONENT OF THE FLUID STREAM FLOWING
PAST SUCH A FUEL ASSEMBLY" erlangt werden.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf ein Brennelementenstützgitter mit den Merkmalen
dieser Erfindung und einem in Gestalt eines Quadrats gebildeten Umfangs.
Es versteht sich je doch, dass die Konzepte dieser Erfindung auch
auf Brennstabstützgitter
mit anders geformten Umrissen angewendet werden können, wie
beispielsweise das sechseckige Brennelement, das in dem zuvor erwähnten US-Patent
Nr. 5 303 276 dargestellt ist. Die in 1 gezeigte
Gitterbaugruppe ist aus einer gleichmäßig beabstandeten parallelen
Anordnung von Gitterstreifen 14 aufgebaut, die eine ähnliche,
orthogonal positionierte, gleichmäßig beabstandete parallele
Anordnung von Gitterstreifen 16 schneiden. Die Gitteranordnung
ist mit einem Umfangsstreifen 20 verschweißt, der
den Umfang des Gitters bildet. Die Wände der Streifen bilden zwischen
den Schnittstellen mit den entsprechenden orthogonalen Streifen
Zellen, durch welche die Brennstäbe,
Führungsrohre
und Instrumentierungsrohre hindurchverlaufen.
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1 zeigt
eine Anordnung von 17 mal 17 Zellen, obwohl es sich versteht, dass
die Anwendung der Prinzipien dieser Erfindung nicht durch die Anzahl
der Brennstäbe
in einem Brennelement beeinflusst wird. Die Gitterstreifen, welche
die in 1 gezeigten orthogonalen Bauteile 14 und 16 bilden,
sind im wesentlichen identisch konstruiert. Während die Gitterstreifen 14 und 16 im
wesentlichen identisch sind, versteht es sich, dass die Ausbildung
einiger Gitterstreifen 16 von anderen Gitterstreifen 16 abweicht,
sowie manche Gitterstreifen 14 von anderen Streifen 14 abweichen,
um den Führungsrohr-
und Instrumentierungsrohrstellen zu entsprechen. Die Bezugszahl 42 in 1 identifiziert
diejenigen Zellen, welche Brennstäbe abstützen, und die Bezugszahl 34 zeigt
die Zellen, die an den Führungsrohren und
Instrumentierungsrohren befestigt sind. Wie in 3 gezeigt
ist, sind die meisten Wände
der Zellen, die Brennstäbe
aufnehmen, mit einer Anzahl ausgestanzter vorspringender Segmente
ausgebildet, die durch geeignete Matrizen bearbeitet sind, wie sie
in der Industrie bekannt sind und verwendet werden. Die oberen und
unteren ausgestanzten Segmente 22 sind in einer Richtung
ausgebaucht und bilden Noppen zum Abstützen der Brennstäbe gegen
gegenüberliegende
diagonale Federn, die aus der gegenüberliegenden Zellenwand vorspringen.
Der verbleibende, mittig angeordnete ausgestanzte Abschnitt 28 in
der gleichen Wand wie die zuvor beschriebenen Noppen ist in der
entgegengesetzten Richtung in die benachbarte Zelle ausgebaucht
und bildet eine diagonale Feder zum Drücken des Brennstabs gegen Noppen 26,
die in diese benachbarte Zelle von der entgegengesetzten Wand vorspringen.
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3 zeigt
einen Teil des Gitterstreifens, der die Wand für eine einzelne Zelle bildet
und sich bis gerade über
die Stelle erstreckt, wo er die entsprechenden angrenzenden orthogonalen
Gitterstreifen schneiden würde,
an denen er befestigt wäre.
Gemäß der Erfindung,
wie in 3 gezeigt ist, sind die diagonalen Federn 28 mit
zwei schmalen parallelen Einschnitten in der Zellenwand ausgebildet,
die an einer diagonalen im wesentlichen über die Breite der Wand verlaufen.
Die schmalen Schlitze, welche die Feder bilden, endigen an beiden
Enden so, dass eine zwischen den Enden der benachbarten Schlitze
gezogene gedachte Linie 27 parallel zu der Schnittlinie der
Zellenwände
verläuft.
Auf diese Weise ist das einzige Hindernis für die Kühlmittelströmung an irgendeiner Stelle
entlang der Feder auf die Dicke des Federmaterials begrenzt. Auf
diese Weise konstruierte Diagonalfedern maximieren die Berührungsfläche mit
dem Brennstab, während
die Behinderung der Kühlmittelströmung minimiert
wird. Vorzugsweise ist die Feder an ihren Rändern 29 abgeschrägt, wo sie das
Brennelement berührt,
und die Gefahr einer Beschädigung
der Oberfläche
der Brennstäbe
zu verringern, wenn diese in das Gitter eingesetzt werden. Zur Steigerung
der Biegeelastizität
der Feder und zum Weichmachen ihres Aufschlags sind die Schlitze, welche
die Feder bilden, an jedem Ende in zur Schnittlinie mit der benachbarten
Wand paralleler Richtung und von der Feder weg verlängert, wie durch
das Bezugszeichen 31 dargestellt.
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Mischflügel 32 erstrecken
sich von den Oberkanten der Gitterstreifen an einigen der Segmente, welche
die Wände
der Zellen 42 bilden, durch welche die Brennstäbe hindurch
verlaufen. Die Mischflügel sind
in einem vorgegebenen Muster angeordnet, das man besser durch Bezug
auf die EP-A-0 913 675 erkennt.
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Wie
in 1 dargestellt ist, halten die Zellen 34 die
Führungsrohre
und Instrumentierungsrohre, durch welche die Steuerstäbe und die
kerninterne Instrumentierung verlaufen. Die Zellen 34 unterscheiden
sich von den Brennstabstützzellen 42 dadurch, dass
sie keine der Stützelemente 26 oder 28 in
ihr Inneres vorspringend oder von ihren Wänden abstehende Mischflügel 32 haben.
Die Mischflügel
führen zu
einem Druckabfall über
den Zellen, die die Brennstäbe
abstützen,
was wiederum ein mögliches
Druckdifferenzial zwischen solchen benachbarten Zellen hervorruft,
die die Führungsrohre
oder Instrumentierungsrohre halten. Durch Verringern der Öffnung zwischen
Zellen minimiert diese Erfindung die Wirkung diese Druckdiffernzials.
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Durch
Verringerung der Öffnung
in den Zellenwänden
steigert diese Erfindung die Materialmasse in den Wänden, welche
die Federn tragen, über die
in 1 gezeigte Konfiguration des Standes der Technik,
was zur Steifigkeit der Wand beiträgt und die Gesamtfestigkeit
des Gitters verbessert. Die gesteigerte Masse trägt auch zur Steifigkeit der
Feder bei. Dementsprechend wird bevorzugt, weitere Federelastizität für die Feder
zu schaffen, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass die Brennstäbe beim
Zusammenbau verkratzt werden. Bei einer herkömmlichen Brennelementengitterkonstruktion,
wie in 2 gezeigt, sind die Streifen mit Schlitzen 118 versehen,
die vom Boden des Streifens bis zur halben Höhe an der Schnittstelle verlaufen,
wo sie sich mit der in der Orthogonalrichtung verlaufenden Streifen
treffen. Die kreuzenden Streifen sind mit ähnlichen Schlitzen 118 versehen,
die von ihrer Oberseite abwärts
zur halben Höhe
des Streifens verlaufen. Die Streifen sind dann an ihren Schlitzen
ineinander gesteckt, wobei an jeder Schnittstelle ein Schlitz über den
anderen greift, um ein Eierkistenmuster zu bilden, das die Kreuzungsstellen
verriegelt und die Zellen bildet. Gemäß dieser Erfindung, wie in 3 gezeigt,
sind die Schlitze 44 über
mehr als die halbe Breite über
die Streifen ausgedehnt, um mehr Flexibilität für die Federn zu erzeugen, wenn
die Streifen an ihren Schnittlinien verschweißt werden.
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Dementsprechend
schafft die Erfindung ein verbessertes Brennelement mit einer Stützgitter-Federkonstruktion,
die die Reaktorkühlmittelströmung während des
Betriebs in einer Weise optimiert, dass die DNB-Leistungsfähigkeit
verbessert, der Druckabfall verringert und die Gitterdruckfestigkeit
verbessert wird.