DE1464452A1 - Abstandhalter fuer stabfoermige Kernbrennstoffelemente - Google Patents
Abstandhalter fuer stabfoermige KernbrennstoffelementeInfo
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Description
A 39063 ' 20. August 1963
THE BABCOCK & WILCOX COMPANY, 161 East 42nd Street,
New York 17, N. Y.
Abstandhalter für stabförmige Kernbrennstoffelemente
Die Erfindung bezieht ,sich auf Kernbrennstoff-Anlagen
für Kernreaktoren und sie betrifft insbesondere einen
Abstandhalter für Brennstoffstäbe einer Brennstoffanordnung.
Beim Bau von Kernkraftwerken betrifft eine der wesentlichsten
Erwägungen die Anordnung des Brennstoffs in der Reaktor-Spaltzone. Der Brennstoff muß so angeordnet sein,
daß aus der Spaltzone eine optimale Leistung abgenommen werden kann. Zur Erreichung einer optimalen Leistung müssen mehrere
Paktoren betreffend die Anordnung des Brennstoffs in der
Spaltzone berücksichtigt werden. Einer dieser Paktoren ist die Gestalt der den Brennstoff enthaltenden Elemente, die so
sein muß,.daß ein hoher Oberfläche/Volumen-Wert erreicht wird,
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um eine maximale Abgabe der erzeugten Wärme zu erreichen.
Eine bevorzugte Gestalt der den Brennstoff enthaltenden Elemente ist die Stangen- oder Stabform, bei welchem der
Kernbrennstoff innerhalb eines relativ dünnwandigen Rohres kreisrunden Querschnitts aus Umkleidungsmaterial eingeschlossen
ist. Die Brennstäbe sind jedoch im allgemeinen im Vergleich zu ihrem Durchmesser sehr lang und aufgrund die-
ser schlanken Gestalt stellen die Mittel zum Einhalten des erforderlichen Abstands und zum Pesthalten der Brennstäbe
in der Brenneranordnung einen weiteren in Betracht zu ziehenden Paktor dar. In Bezug auf das Einhalten der Abstände
zwischen den Brennstäben muß noch ein weiterer Paktor beachtet werden, nämlich derjenige, der sich bei der Anordnung
der Brennerstäbe im Brenner addierenden Toleranzen. Die Querdimensionen der Brennereiemente müssen demzufolge in engen
Grenzen gehalten werden und die einzelnen Brennstoffstäbe
, und deren Abstandhalter dürfen nicht zu wesentlichen, sich
addierenden Toleranzen führen.
Bei einer Brenneranordnung ist es von Bedeutung, daß die Abstandhalter für die Brennstoffstäbe die folgenden
Merkmale aufweisen: (1) hohe mechanische Stabilität, (2) minimale Berührungsflächen zwischen den Abstandhaltern und den
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Brennstoff stäben, um so eine maximale Wärmeabgabe zu er·»
reichen und das Auftreten von Brennflecken infolge ungenügender
KUhlung zu vermeiden, (5) minimale Behinderung des Kühlmittel-Durchflusses, so daß der Druckabfall des
Kühlmittels in der Spaltzone des Reaktors auf einem minimalen Wert gehalten wird, und (k) einen einfachen Aufbau
zur Erleichterung der Herstellung eines Stabbündels oder Brennerelementes aus den einzelnen Brennstoffstäben.
Hauptziel der Erfindung ist eine elastische Abstandhalter-Anordnung
für die Brennstoffelemente einer Brenner anordnung. Bisher wurden in der Reaktortechnik die verschiedensten
Abstandhalter für die Brennstoffelemente verwendet.
Im allgemeinen werden diese bekannten Abstandhalter starr ausgebildet, so daß sie bei Berührung mit den Brennstoff
elementen keine Anpassungsbewegungen durchführen können. Zusätzlich sind diese bekannten Abstandhalter mit den
Brennstoffelementen verbunden oder auf andere Weise an diesen befestigt, in einer Weise, daß eine Bewegung verhindert
wird. Im Gegensatz dazμ wird mit der Erfindung ein Abstandhalter
geschaffen, der sich zu verbiegen vermag und so sich den Brennstoffelementen anpasst und diese auf elastische
Weise in der gewünschten Stellung festhält, und der außerdem sicherstellt, daß eine Relativbewegung der Brennstoff-
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elemente gegenüber den Abstandhaltern in der Brenneranordnung nicht unterbrunden wird.
Bei der Erfindung wird ein kurzes Rohrstück konzentrisch
um jedes der Brennstoffelemente vorgesehen. Die Wände des Rollstückes sind mit einer Mehrfachvertiefung versehen,
die bildlich als mit einer Einkörnung versehene Eintiefung bezeichnet werden kann. Die Wände springen zunächst
nach innen gegen das von ihnen umgebene Brennstoffelement
vor, ohne jedoch damit in Berührung zu kommen. Dies stellt die Eintiefung dar. Dann springt ein relativ kleiner Flächenbereich
der ursprünglichen Eintiefung noch stärker nach innen vor, so daß er die Oberfläche des Brennstoffelementes berührt,
welcher Bereich <3e Einkörnung der Vertiefung bildet.
Durch Bilden von zumindest drei derartigen nach innen vorspringenden
Flächen an raumsymmetrischen Stellen des Abstandhalters wird eine federnde Halterung für das Brennstoffeleajent
geschaffen.
Zusätzlich zur Vertiefung der Oberfläche des Abstandhalters
sind die Ecken teilweise weggeschnitten oder geschlitzt. Das Sehlitzen der Ecken erlaubt eine verbesserte
und unabhängige Biegemöglichkeit für die einzelnen nach innen vorspringenden Wandflachen des Abstandhalters.
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Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil einer Brenneranordnung
nach der Erfindung,
Pig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abstandhalters, gemäss Fig. 1,
Fig. > eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf
den Abstandhalter von Fig. 2, wobei der Teilschnitt entlang der Linie III - III von
Fig. 3A verläuft,
Fig.JA eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt entlang der Linie j5A - JA von Fig. 3,
Fig. 4 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt entlang der Linie IV - IV von Fig. 4A, auf eine
weitere Ausführungsform der Abstandhalteranordnung
nach der Erfindung,
Fig. 4A eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt entlang der Linie 4 A - 4 A von Fig. 4,
Fig. 5 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt entlang
der Linie 5-5 von Fig. 5A, auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen
Abstandhalters, und
Fig.5A eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt entlang
der Linie 5A- 5A von Fig. 5.
Sich entsprechende Teile der beschriebenen und auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sind mit ähn-
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lichen Bezugszeichen versehen, d. h. mit Bezugszeichen, die sich lediglich durch die erste Stelle (Hunderterstelle) unterscheiden.
Auf. Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Teil einer Brenneranordnung 100 gezeigt, die aus einer Vielzahl von
Brennstoffelementen 102 in Form von Stangen oder Stäben besteht, die in geometrisch regelmässiger Reihe angeordnet sind
und voneinander mit Hilfe eines Abstandhaltergitters 104 getrennt sind, das aus einer Anzahl von einzelnen Abstandhalter-Rohrstücken
106 besteht. Bei der gesamten Brenneranordnung 100 ist eine Anzahl derartiger Abstandhaltergitter 104
vorgesehen, die in Zwischenstellungen entlang der Länge der Anordnung angeordnet sind, wobei ein typischer Zentrum-Abstand
der Gitter 12 Inch (30,5 cm) beträgt.
Wie auf den Fig. 2, J und ^A gezeigt, besteht das
Abstandhalterrohr 106 aus einem kurzen Rohrabschnitt 108 quadratischen
Querschnitts. Die vier Eekenkanten des Abstandhalterrohres 106 sind im mittleren Längsabschnitts weggeschnitten,
so daß Schlitze 110 entstehen. Umfangsgieich zu den Schlitzen sind die Mittelteile der Wände des Rohres nach innen
versetzt und bilden ebene Flächen 112, derart, daß bezüglich
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r. 7 -
ihrer Höhe öle versetzten Teile einen Querschnitt gleich-' massiger Flache aufweisen. In der Mitte jeder dieser nach
innen vorspringenden ebenen Flächen 112 ist ein weiterer,
kugelkalottenföriniger Vorsprung 114 vorgesehen, der vorausgehend
als Einkörnung bezeichnet worden ist. Gemäss Flg. 1
stehen die Einköraungen 114 in Punktberührung mit den Brennstoffelementen 102» und zwar an Stellen, die gegeneinander
um 9/0° versetzt sind.
BIe Endflachen bzw* nicht-vertief ten Flächen 116
und 118 der Rohrstücke berühren «He entsprechenden Flächen
der anliegenden Abstandhalterrohre 106, derart, daS die Rohrstücke aneinander anliegen und ein Gitter bilden. Die einzelnen
Rohretücke können miteinander auf verschiedenste Welse
verbunden sein, ^beispielsweise dtirch Verlöten der Beröfarongaflächen,
durch Punkt schweißen entlang der oberen und unteren Kanten der Rohstück« oder durch Zusammenbündeln mit Hilfe
eines Bandstreifens, der um den Umfang der einzelnen Rohrstücke
des Gitters beruajgelegt wird.
Auf den Flg. 4 und 4A 1st als weitere AusfOhruogef
orm ein Abetaafiialfcerrofar 206 dargestellt, das ähnliche Ekkenschlitze
210 «ad Abecfcnitte 216 und 218 aufweist wie das
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Abstandhalterrohr 106 von Pig. 2. Der Unterschied zwischen diesen beiden Abstandhalterrohren liegt in der Gestalt der
zwischen den Enden 216 und 218 nach innen vorspringenden
Flächen. Beim Abstandhalterrohr 206 sind die Mittelteile der Wände nach innen vertieft und bilden dabei eine gekrümmte
Fläche 212, wie aus Fig. 4A zu ersehen und unterscMden
sich damit von den ebenen Vertiefungsflächen 112 des Rohres 106. Die Fläche 212 ist also gekrümmt, und zwar nur in Querebene
gesehen, jedoch nicht bei Betrachtung in Längsebene. Der zusätzliche kugelkalottenförmige Vorsprung 214 entspricht
demjenigen von Fig. J5.
Auf den Fig. 5 und 5A ist eine weitere Ausführungsform eines Abstandhalterrohres 506 dargestellt, bei welcher
die gleiche Vertiefung wie bei den Rohren I06 und 206 vorhanden ist. Der Unterschied beim Rohr 506 liegt darin, daß
seine Eckenkanten nicht geschlitzt und die nach innen vorspringenden Flächen 312 bezüglich beider Achsen des Abstandhalterrohres,
d. h. bezüglich der Längs- und der Quera-ctxe,
gekrümmt sind, während die kugelkalottenförmige Einkörnung
J514 gleich ist. Die vorspringenden Flächen der Rohre 10 6
und 206 weisen eine Fläche konstanten Querschnitts durch ihre Höhe auf, wohingegen die vorspringenden Flächen 5I2 und
314 eine Querschnittsfläche besitzen, die sich über die Höhe
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der Flächen verändert.
Bei jeder Äusführungsform sind die Einkörnungen in den vorspringenden Flächen, welche die Brennstoffelemente
berühren, in gleichen Entfernungen voneinander angeordnet. Wenn auch bei allen Ausführungsbeispielen ein Rohr quadratischen
Querschnitts dargestellt ist, so wäre es auch möglich, Rohre mit rundem Querschnitt oder anderem mehrseitigem
Querschnitt zu verwenden. Weiterhin ist es möglich, Brennstoffelemente
mit nicht kreisrundem Querschnitt zu verwenden und die Abstandhalterrohre so zu vertiefen,daß sie sich der
Gestalt dieser Elemente anpassen.
Die Abstandhalterrohre nach den verschiedenen Figuren zeigen vorspringende Flächen, die um 90° versetzt um
die Brennstoffelemente angeordnet sind. Es wäre jedoch auch möglich, weniger als vier Vertiefungen zu verwenden und zusätzlich
äquivalente Mittel zum Festhalten der Brennstoffelemente. Je nach der Gestalt der Abstandhalterrohre und der
Brennstoffelentente können auch mehr als vier vorspringende
Flächen vorgesehen sein, um die Brennstoffelemerte geeignet
festzuhalten. Obwohl vorzugsweise alle vorspringenden Flächen die Font von doppelten Vertiefungen aufweisen, kann
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auch eine Kombination von Flächen mit doppelter Vertiefung und solchen mit nur einer einfachen Einkörnung verwendet
werden.
Das wesentlichste Merkmal des Abstandhalterrohres
nach der Erfindung ist, daß es eine elastische Halterungsvorrichtung
für die Brennstoffelemente darstellt. Insbesondere bei den Abstandhalterrohren 106 und 206, bei denen
jede Eckenkante geschlitzt ist, kann sich jede Wandung unabhängig bewegen und federnd wirken. Aufgrund der unabhängigen
Bewegung jeder Wand kann sich jede Wand gesondert den Toleranzen der Außendurchmesser der Brennstoffelemente anpassen,
ohne daß die benachbarten vorspringenden Flächen davon beeinflusst werden. Zusätzlich wird durch die Möglichkeit
der vorspringenden Flächen sich zu verbiegen verhindet, daß sich Toleranzabweichungen addieren. Jede Toleranzabweichung
im Durchmesser oder Querschnitt der Brennstoffelemente
wird durch entsprechende Anpassung der vorspringenden Flächen der Abstandhalterröhre ausgeglichen. Auf diese Weisen können
sich Toleranzabweichungen der Brennstoffelemente nicht derart addieren, daß die Gesamtdimension der Brenneranordnung
verändert wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Herstellungskosten für die Brennstoffelemente vermindert werden, da
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1 - 11 -
ein größerer Toleranzbereich für die Schutzumkleidung der
Brennstoffelemente zulässig ist.
Ein weiteres Problem, das mit den Abstandhalterrohren
nach der Erfindung überwunden wird, ist das Auftreten
von Vibrationen. Infolge der Längenausdehnung der Brennstoffelemente
im Vergleich mit ihrer Querschnittsfläche neigen diese, wenn sie vom Kühlmittel umströmt werden, zu Vibrationen.
Diese Vibrationen können eine beträchtliche Abnützung zwischen den Brennstoffelementen und den Abstandhaiterii
hervorrufen, was schließlich zu einem Bruch der Umkleidung der Brennstoffelemente oder zu einer Zerstörung der Abstandhalter
führt. Mit der sicheren aber federnden Halterung der Brennstoffelemente gemäss der Erfindung mit Hilfe der
nach innen vorspringenden Flächen der Abstandhalt erröhre
jedwoch werden Vibrationen der Brennstoffelemente im Gebiet
4er Abstandhalter verhindert.
Ein weiterer Vorteil der Abstandhalterrohre nach der Erfindung ist, daß sie aus relativ dünnem Material gefertigt
werden können, etwa Material einer Dicke von 10 mm, so daß sie den Durchfluß des Kühlmittels durch die Brenneranordnung
kaum beeinflußen. Außerdem erbringt die Punktbe-
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rührung zwischen den Einkörnungeri und den Brennstoffelementen
nur eine geringe Unterbrechung des Kühlmittelflusses, so daß so weitgehend wie möglich das Auftreten von
Brennflecken bzw. überheißen Stellen an den Kontaktpunkten vermieden wird.
Brennflecken bzw. überheißen Stellen an den Kontaktpunkten vermieden wird.
Aufgrund dieser zahlreichen Vorteile schafft die
ψ Erfindung einen höchst wirksamen Abstandhalter, der einfach
und kostensparend hergestellt werden kann.
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809804/0747
Claims (1)
- Patentansprüche1J Abstandhalter für eine Vielzahl von in regelmässiger Reihe angeordneten Brennstoffelementen eines Reaktorbrenners, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand um jedes Brennstoffelement (102) ein Rohrstück (106) angeordnet ist, dessen Oberfläche an zumindest drei räumlich getrennten gStellen (112) nach innen gegen das Brennstoffelement, ohne dieses zu berühren, vorspringt, und daß relativ kleine Bereiche (114) dieser vorspringenden Flächen (112) noch weiter nach innen vorstehen und zum Zweck einer federnden Halterung die Brennstoffelemente im wesentlichen in Punkten berühren.2. Abstandhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstücke (106) mehrseitig ausgebildet und in Seitenberührung aneinander angeordnet sind, derart, daß eine Gitterstruktur entsteht»25. Abstandhalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrseite eine doppelte, nach innen vorspringende Vertiefung (112, 114) aufweist und daß die Rohrstücke (106) zum Zweck einer voneinander unabhängigen Bewegung der vorspringenden Flächen (112, 114) geschlitzt sind.909804/07474. Abstandhalter nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstücke (106) quadraitisch ausgebildet und Seite an Seite angeordnet sind, und daß jede Ekkenkante der Rohrstücke im bezüglich der Höhe Mittelbereich geschlitzt und jede Seite der Rohrstücke mit einer doppelten Vertiefung versehen ist, deren innerer Teil seitlich gekrümmte, elastische Kontaktflächen bildet, welche die Brennstoffelemente festhalten, ohne jedoch eine freie Axialbewegung dieser Elemente zu verhindern.909804/0747ORIGINAL INSPECTED
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