DE2841535A1

DE2841535A1 - Abstandshalter fuer ein kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2841535A1
Application number: DE19782841535
Authority: DE
Inventors: David W Christiansen
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1978-09-23
Publication date: 1979-04-19
Also published as: IL54954A; CA1091828A; FR2405538B1; AT365829B; IT7826012A0; DE2841535C2; NL7806620A; SE433270B; BE869534A; ES472395A1; GB2005898A; US4294660A; SE7807921L; JPS5460689A; LU80066A1; FR2405538A1; CH635208A5; IT1097380B; JPS5721679B2; GB2005898B

Description

Anw.-Akte: 27.152 20. Sepi;. ί978

PATENTANMELDUNG

Anmelder; The Babcock & Wilcox Company 161 East 42nd Street, New York. N.Y. 10017-USA-

Titel: Abstandshalter für ein Kernbrennstoffelement

Die Erfindung "betrifft einen Abstandshalter für ein Kernbrennstoffelement bzw. eine Vorrichtung zur Einschränkung der Bewegung der Abstandshalterkonstruktionen für Brennelemente,

In wassergekühlten heterogenen Kernreaktoren enthält der Reaktorkern, im allgemeinen eine Vielzahl von Brennelementen die in ihrer mechanischen Konstruktion identisch und für jede Stelle der Kernbrennstoffelementanordnung untereinander austauschbar sind. Jede Brennstoffanordnung ist so konstruiert, daß ihre strukturelle Intaktheit während des Reaktoranwärmens, Abkühlens, Abschaltens und des Leistungsbetriebes einschließlich der ungünstigsten Konstellation der während der Lebensdauer des Reaktors zu erwartenden Betriebsbedingungen erhalten bleibt. Die Auslegungsgesichtspunkte für den Reaktorbetrieb umfassen die kombinierten Wirkungen von strbmungsinduzierten Schwingungen, Temperaturgefällen und seismischen Störungen, sowohl bei stationären als auch bei Übergangsbedingungen.

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Jede Brenns to ff anordnung eniiält eine Vielzahl dünner, länglicher Brennelemente, eine Anzahl von Äbstandsgitterkonstruktionen von Führungsrohren, ein Instrumentierungsrohr und Endfittings.

Die häufig in der heutigen Anwendung benutzten Brennelemente setzen sich aus Brennstäbe zusammen und umfassen zylindrische UO₂ Brennstoff-Pellets, die Ende an Ende innerhalb dünnwandiger Rohre geschichtet sind, welche federbelastete Kammern an jedem Ende des Rohres aufweisen und mit Endkappen oder Stopfen verschlossen sind. Die Brennstabumhüllung besteht aus einem Werkstoff wie z.B. einer Zirkonlegierung, die eine gute Neutronenökonomie aufweist, also die einen niedrigen Einfang-Querschnitt hat. Jeder Brennstab ist imstande, die durch Spaltung erzeugte Wärme an ein UmIauf-Kühlmittel zu übertragen, während Spaltprodukte und Brennmaterial eingeschlossen bleiben. Die Brennstäbe müssen die Auswirkungen des thermischen Kreislaufs, der Spaltgasfreigabe an die Brennstoffkammer, der Brennstoffverdichtung, der Rißbildung und der unerwünschten Verschiebung der Brennstoff-Pellets, der mechanischen Wechselwirkungen zwischen Umhüllung und Pellets sowie korrosions- oder strahlungsinduzierte Veränderungen der mechanischen Eigenschaften der Umhüllung aushalten können.

Je nach der Lage einer Brennstoffanordnung innerhalb des Reaktorkerns wird eine Anzahl länglicher zylindrischer Führungsrohre, die parallel zu den Brennstäben angeordnet sind, in verschiedener Weise verwendet, um eine kontinuierliche Umhüllung und Führung für die Regelstäbe, die Trimmstäbe (APS-Stäbe), die Vergiftungsstäbe oder die Blindstäbe zu schaffen. Die Führungsrohre, die gewöhnlich einen größeren Durchmesser als die Brennstäbe haben, verfügen über

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ausreichenden Innenabstand, um Kühlmittel hindurch strömen zu lassen, um die Betriebstemperaturen der Absorberwerkstoffe zu begrenzen, die darin eingeschoben werden können, und um die Bewegungen des Einführens und Heranziehen der Stäbe innerhalb der Führungsrohre entsprechend den Erfordernissen aller Phasen des Reaktorbetriebes zu ermöglichen.

Die Brennstäbe und Führungsrohre sind in einer viereckigen Gruppierung in Abständen entlang ihrer Längsrichtung durch Abstandshalter-Konstruktionen gehaltert, welche die seitlichen Abstände zwischen diesen Komponenten aufrecht erhalten. Die Abstandshalter-Konstruktionen bestehen im allgemeinen aus einer Vielzahl von mit Schlitzen versehenen rechteckigen Gitterplatten, die so angeordnet sind, daß sie sich gitterrostartig schneiden und ineinandergreifen, so daß sie Zellen bilden, durch die die Brennstäbe und Führungsrohre gehen.

Beispielsweise können die Gitterplatten so ausgeführt sein, wie es z.B. in der US-PS 3 665 586 beschrieben ist, Dabei weisen die Gitterplatten Ausbuchtungen auf, die sich seitlich lotrecht zu den Längsachsen der Brennstäbe zwecks Eingriff und Halterung in diejenigen Zellen erstrecken, die Brennstäbe aufweisen.

Die Abstandshalterkonstruktionen sorgen für einen notwendigerweise präzisen Abstand zwischen den Brennstäben, um Spitzen im Neutronenfluß sowie Zonen anormal hoher Temperaturen (heiße Stellen) zu vermeiden, wo Ausbrand, d. h. schwere örtliche Schäden an den Brennstäben, auftreten könnten. Die Abstandshalterkonstruktionen gewährleisten die mechanische

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Stabilität, die wesentlich ist, tun die Verformung auszuschließen, die anderenfalls durch strömungsinduzierte Schwingungen, Druckdifferenzen und Wärmespannungen verursacht werden können. Jedoch muß die Anzahl der Äbstandshalterkonstruktion zur Halterung der Brennstoffelemente innerhalb des Reaktorkerns abgestimmt werden mit der entgegenstehenden Notwendigkeit, dieses Baumaterial auf ein Minimum zu reduzieren, da es zum parasitären Neutroneneinfang beiträgt. Die Kühlmittel-Zirkulation durch den Abstand zwischen den Brennstäben muß ausreichend sein, um die durch Spaltung erzeugte Wärme zu beseitigen. Der Abstand zwischen den Brennstäben ist ziemlich eingeschränkt, z.B. in der Größenordnung von 4 mm . Somit beeinträchtigen beginnende Abweichungen von den Auslegungsabstandsmaßen, Exzentritäten in der Umhüllung, Oberflächenrauheit und Verziehen deutlich die Verteilung der Kühlmittelströmung um die Brennstäbe und Können zu örtlicher Drosselung der Strömung in den Kühlmittelkanälen führen und an den Drosselungsstellen ein Ansteigen der Brennstaboberflächen-Temperatur verursachen. Daher ist es außerordentlich wichtig, daß die Äbstandshalterkonstruktion während der gesamten Lebensdauer einer Brennelementanordnung unbeweglich bleiben.

Es ist bekannt, eine Anzahl von Mitteln zu verwenden, um die Bewegung der Äbstandshalterkonstruktion einzuschränken. So wurde z.B. der Führungsrohrwand-Durchmesser so ausgezogen, daß er in die Oberflächen umgebender Hülsen eingreift, die angrenzend an jedes Ende der Gitterplatten einer Äbstandshalterkonstruktion befestigt sind. Dies bewirkt jedoch eine Verformung der Führungsrohre und Abstandshaltergitter infolge des Werkstoff-Ziehmechanismus beim Ziehvorgang, wodurch nicht nur Änderungen in der Parallelität der Äbstandshalterkonstruktionen sondern auch eine Biegung

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des Brennelementes verursacht wird. Versuche, die Bewegung der Äbstandshalterkonstruktion durch direktes Verschweißen der Führungsrohre mit den Gitterplatten einzuschränken, haften es ebenfalls schwierig gemacht, die Parallelität zu erhalten.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die die Abstandshalterkonstruktion einspannt und an Ort und Stelle hält, ohne daß die Neigung "besteht, Änderungen in der Parallelität mehrerer Abstandshalterkonstruktionen zueinander innerhalb einer Brennelementanordnung zu verursachen, und ohne daß ein Biegen der Brennstoffstäbe verursacht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Abstandshalter-Konstruktion, die aus einem Gitter mit Schlitzen versehener, rechteckiger Platten besteht, die so angeordnet sind, daß sie sich gitterrostartig schneiden und ineinander greifen, wobei ihre Längsachsen lotrecht zu den Achsen der Brennelemente und Führungsrohre verlaufen, jedes Führungsrohr mit einer Anzahl in Längsrichtung im Abstand dazu angeordneter Hülsen versehen wird, die durch Schweißen an ihm befestigt sind und die die Führungsrohre innerhalb und angrenzend an die zellenartigen Öffnungen in der Abstandshalter-Konstruktion umgeben, welche die Führungsrohre aufnehmen. Bunde, die bearbeitete Schlitze aufweisen, welche so ausgebildet sind, daß sie jeden Bund mit jeder entsprechenden Zelle der Abstandshalter-Konstruktion ineinander greifen lassen, welche ein Führungsrohr aufnimmt, sind an jeder solchen Zelle vorgesehen und befestigt. Die Hülsen haben dabei Öffnungen in den Abschnitten, die sich über die Gitterplatten hinaus erstrecken. So umgeben nach dem Zusammenbau die Gitterplattenbunde im allgemeinen die Hülsenteile der Führungsrohre.

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Aix-w.-AIjte;

Die Führungsrohre sind fest an den Abstandshalter-Konstruktionen befestigt um die Bewegung der Abstandshalter-Konstruktion einzuschränken, und zwar durch Einbördeln von Teilen der an die Öffnungen der Hülsen angrenzenden Bunde in diese Öffnungen,, Daher sind die Führungsrohre fest, ohne Schweißen oder Löten und ohne anderweitig die Führungsrohre zu verformen, an den Abstandshalterkonstruktionen "befestigt.

Ein AusführungsTbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher heschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Aufriß einer Brennstoffanordnung, teilweise , weggekrochen und teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht eines Teiles der Brennst off anordnung nach Fig. Ij

Fig. 3 eine Seitenschnittansicht der Anordnung der Fig. entlang der Linie 3 = 3;

Fig. 4 einen Aufriß einer Hülse für ein Führungsrohr; Fig. 5 einen Aufriß einer Albstandshalter-Konstruktion;

Fig. 6 eine Ansicht der Anordnung der Fig. 3_S bei der zusätzliche Teile der Klarheit halber weggelassen worden sind;

Fig. 7 eine vergrößerte Detailansicht im Schnitt, die einen Teil der Brennstoffanordnung der Fig. 2 zeigt;

Fig. 8 eine Ansicht entlang der Linie 8»$ der Fig. 5 und

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Pig. 9 eine andere Ansicht der Fig. 2, bei der eine Anzahl der Brennelemente, das Führungsrohr und die Führungsrohrhülse der Klarheit halber weggelassen worden sind,,

Die Fig. 1 zeigt eine KernreaktorTBrennelementanordnung mit Ausrichtung ihrer Längsachse in der lotrechen Ebene, einschließlich eines unteren End-Fittings 11, eines oberen End-Fittings 12, einer Vielzahl länglicher zylindrischer Brennelemente 13, hohler zylindrischer Führungsrohre 14 und Abstandshaltergitter-Konstruktionen 15. Die Brennelemente 13 und Führungsrohre 14 sind in seitlichem Abstand zueinander angeordnet und durch die Abstandshalter-Gitterkonstruktionen 15 in einer viereckigen parallelen Gruppierung gehaltert. Die äußeren Enden der Führungsrohre 14 sind mechanisch an den oberen und unteren End-Fittings befestigt.

Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen deutlicher einen Teil der Brennelementanordnung 10, der Brennelemente 13 und des Führungsrohrs 14 und schließen die bekannten Gitterplatten 19, 20, 21, 22 eine Führungsrohrhülse 23 und einen Gitterbund 24 in der Anordnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ein.

Die Gitterplatten 19, 20, 21, 22 sind mit Schlitzen versehene» rechteckige Bauteile, wie sie in der US-PS 3 665 beschrieben sind. Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, sind die Platten mit Ausbuchtungen 25 und 26, gekennzeichnet als elastisch bzw„ starr, versehen, die Vorsprünge der Plattenstirnseiten sind, welche in Abständen über deren Länge und Breite angeordnet sind. Im Fall der

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Gitterplatten 21 und 22 sind außerdem auch angrenzend an die Längskanten der Platten gobenartige, sattelförmige Oberflächen 27 (s. Fig. 9) in versetzten Abständen ausgebildet. Die Öffnung 28 dient als Einbringeöffnung für Werkzeuge (gehört nicht zur vorliegenden Erfindung), die verwendet werden für den Zusammenbau und Ausbau der Brennelementanordnungen und um die relative Elastizität der elastischen Einbuchtungen zu bewirken, die an den Plattenwänden zwischen den Öffnungen angeordnet sind.

Die in Fig. h dargestellte Führungsrohrhülse 23 ist ein hohler Zylinder, der eine Vielzahl von über den Umfang in Abständen angeordneter Öffnungen 31 aufweist, die in Längsabständen von einer zweiten Vielzahl von über den Umfang in Abständen angeordneten Öffnungen 32 ausgebildet sind.

Die Figuren 5 und 8 zeigen einen zylindrischen Gitterbund 24, der in den dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel mit vier konzentrisch angeordneten Längsschlitzen versehen ist, die über den Umfang in Abständen von 90 zwischen den Endteilen ^k, 35 angeordnet sind.

Wie am besten aus der Fig. 9 zu ersehen ist, sind die Gitterplatten 19} 20, 21, 22 so angeordnet, daß sie sich gegenseitig gitterrostartig schneiden und ineinandergreifen, so daß sie eine Vielzahl von Brennelementzellen l6 bilden, von denen jede an 4 Seiten begrenzt ist durch einen Teil der Gitterplatten, einschließlich einer elastischen Ausbuchtung 25 oder starren Ausbuchtungen 26, die in die Zellen l6 vorspringen, und einer Führungsrohrzelle 30. Die Führungsrohrzelle 30 ist auf vier Seiten begrenzt durch die Teile der Gitterplatten 21, 22, die die bogenartigen, sattelförmigen Oberflächen 27 enthalten. In jeder Brennele-

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mentzelle l6 ragt eine elastische Ausbuchtung 25 in die Zelle, und zwar in entgegengesetzter Richtung zu der Richtung der starren Ausbuchtungen 26, die in dieselbe Zelle von der entgegengesetzten Seite der Zelle 16 vorspringen.

Ein Gitterbund 24 ist innerhalb der Ahstandshalter-Konstruktion 15 mit jeder Zelle durch mechanisches Eingreifen so verbunden, daß die begrenzenden Gitterplatten 21, 22 so angeordnet sind, daß sie peripher durch die Schlitze !(Fig. 5) gehen. In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 2 und 9) hat der Gitterbund 24 einen solchen Durchmesser, daß die Endteile 34, 35 in Längsrichtung ausgerichtet sind mit einem Teil, d. h. dem Rücken zwischen den Spitzen, der bogenartigen sattelförmigen Oberflächen 27 der durch die Schlitze 33 gehenden . Gitterplatten 21, 22. Daher umfaßt eine Abstandshalter-Gitterkonstruktion 15 eine Vielzahl mechanisch ineinandergreifender und sich schneidender Platten 19, 20, 21, 22 und Bunde 24.

Wie es in Fig. 2 und 9 dargestellt ist, nimmt jede Zelle l6 ein Brennelement 13, und die Zelle 30 das Führungsrohr 14 auf. Die Ausbuchtungen 25, 26 ragen von der Oberfläche der Gitterplatte in die Zellen 16 hinein, um die Brennelemente zu halten. Die bogenartigen, sattelförmigen Oberflächen 27 der Teile der Platten 21, 22, die jede Zelle begrenzen, vervollständigen die zylindrische Kontur der Führungsrohre 40, um die Positionierung der Führungsrohre 14 in Bezug auf die Zellen 30 zu erleichtern. Eine elastische Ausbuchtung ist im allgemeinen so ausgebildet, daß sie in Längsrichtung fluchtend ausgerichtet ist. mit zwei starren Ausbuchtungen an den gegenüberliegenden Seiten

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jeder Gitterplatte 20_s 21_S 22, 23„ An den Abständen jedoch, wo die Sättel 27 ausgebildet sind, sind eine elastische Ausbuchtung oder starre Ausbuchtungen nur an der Plattenseite gegenüber der Sattelseite ausgebildet, das heißt gegenübei" den Führungsrohrzellen_o

Jede Führungsrohrhülse 23 wird koaxial über die Führungsrohre 14 gebracht und an der Stelle 40 mit ihnen verschweißt, wie in typischer Darstellung in Fig« 6 gezeigt, und zwar in Längabständen an den (nicht gezeigten) Stellen der Ab= standshalter-Konstruktion» So werden die Führungsrohrhülsen ein integrierender Bestandteil des Führungsrohres„ Jede Hülse 23 wird annähernd in Längsrichtung innerhalb einer Abstandshalter-Gitterlconstruktion zentriert, wenn die Brenneleinent-Anordnung zusammengebaut wird.

Zum Zusammenbau werden (Figo 3) die Teile der Führungsrohre 14, die die Führungsrohrhülsen 23 tragen, ungefähr in Längsrichtung innerhalb der Abstandshalter^Gitterkonstruktionen so zentriert, daß ein Teil jeder Hülse 23 von einem Gitterbund 24 umgeben ist„ Wie in Figo 7 veranschaulicht, wird der Bund 24 dann an der Stelle 50 in die radial angrenzenden Öffnungen 31 oder 32 (nicht dargestellt) der Hülse 23 gefaltet» Auf diese Weise ist das Führungsrohr 14 mechanisch an der Abstandshalter-Gitterkon= struktion 15 befestigt, ohne daß es notwendig ist, direkt zu schweißen oder zu löten oder metallurgische Verbindungen zwischen Abstandshalter-Gitterkonstruktion und Führungsrohr herzustellen» So werden eine falsche Ausrichtung der Führungsrohre und der Abstandshaltergitter infolge Ziehen des Werkstoffes, Veränderungen in der Parallelität zwischen den in Längsabständen angeordneten Abstandshalter-Gitterkonstruktionen sowie Verbiegen des Brennele-

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inentes vermieden.Es ist für Fachleute offensichtlich, daß änderungen vorgenoiunien werden können; zum Beispiel direkte Befestigung der Bunde an jedem Ende der Führungsrohrzellen, statt einen Bund eingreifen zu lassen in die Begrenzungen der Führungsrohrzellen, oder Verwendung einer verschiedenen Anzahl, verschiedener Formen oder liichtungen von Schlitzen und Hülsenöffnungen, oder Verwendung anderer Formen des Eingreifens zwischen Bund und Platten.

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Claims

U)e. (Z-beeUaecL i/CaestetLt

PATENTANWALT

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PATENTANSPRÜCHE:

I₀) Kernbrennstoffelement mit einer Vielzahl sich lotrecht erstreckender Brennelemente und mit Führungsrohren, die in einer in seitlichem Abstand zueinander angeordneten Gruppierung von mindestens einer Abstandshalter-Konstruktion mit einer Vielzahl von mit Schlitzen versehenen Gitterplatten gehalten werden, welche Zellen bilden, durch die die Brennelemente eingeführt sind, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anordnung zur Hemmung der Bewegung der Abstandshalter-Konstruktion aus Führungsrohrhülsen, die jeweils so positioniert sind, daß sie das Führungsrohr innerhalb jeder Führungsrohrzelle und teilweise darüber hinaus vorgesehen ist, die von Bunden umgeben sind und Mittel zur Verbindung jedes Bundes mit einer entsprechenden Führungsrohrzelle, sowie Mittel zur Befestigung jedes Bundes an einer Führungsrohrhülse dienen.

Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Eingriffsverbindung jedes Bundes mit einer entsprechenden Führungsrohrzelle dieser Bund mindestens einen Schlitz aufweist, und eine Gitterplatte in und durch diesen Schlitz geht, so daß der Bund mit der Gitterplatte im Eingriff eng verbunden ist.

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Kernbrennstoffelement nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Mittel zur Befestigung jedes Bundes an einer Fiihrungsrohrhülse diese Hülse mindestens eine Öffnung aufweist und der Bund teilweise so gebördelt ist, daß er sich in diese Öffnung erstreckt.

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