DE29510594U1

DE29510594U1 - Abstandhalter eines Reaktorbrennelements

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Publication number: DE29510594U1
Application number: DE29510594U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2005-06-30

Description

Beschreibung

Abstandhalter eines Reaktorbrennelements

Die Erfindung betrifft einen Abstandhalter mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die Brennstäbe von Brennelementen, die von Leichtwasser als Kühlmittel durchströmt werden, sind üblicherweise seitlich durch Halteglieder in den Maschen eines Gitters gehalten, um zu verhindern, daß sie bei den Vibrationen, in die sie vom Kühlwasserstrom versetzt werden, aneinander schlagen. In Druckwasser-Reaktoren sind diese Abstandhalter in der Regel an Strukturrohren, insbesondere Steuerstab-Führungsrohren, gehalten, während in Siedewasser-Brennelementen einzelne Brennstäbe, die als Tragstäbe ausgebildet sind, oder sogenannte Wasserrohre die Abstandhalter tragen.

In modernen Brennelementen (insbesondere bei Druckwasser-Reaktoren) sind im oberen, heißen Bereich des Brennstabbündels die Abstandhalter mit Mischflügeln ausgerüstet. Diese fahnenartigen Flügel bewirken sowohl einen Austausch des Kühlmittels zwischen den einzelnen "Unterkanälen" (d.h. den Zwischenräumen zwischen benachbarten Brennstäben) als auch einen 5 Transport von kälterem Wasser aus dem Zentrum des Unterkanals an die Staboberfläche. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Kühlung der Brennstäbe verbessert wird, sich Temperaturunterschiede ausgleichen, Dampfblasen von den Staboberflächen gespült werden und praktisch kein Filmsieden auftritt.

Die Reichweite dieser Maßnahmen ist aber beschränkt, da die durch die Mischflügel hervorgerufene Ablenkung im Kühlwasserstrom mit dem Abstand von den Fahnen abnimmt. In den Unterkanälen sollten daher die Fahnen einen geringeren axialen Abstand voneinander haben als der Abstand, der aus statisch/mechanischen Gründen zur Abstützung der Brennstäbe erforderlich ist. Daher sind Brennelemente bereits bekannt, bei

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denen zwischen zwei Abstandhaltern, deren axialer Abstand durch die statisch/mechanischen Überlegungen bestimmt ist, jeweils sogenannte "Zwischengitter" geschaltet sind, die hauptsächlich als Träger von den Mischflügeln dienen. 5

Durch diese Maßnahmen erhöht sich aber der gesamte Druckverlust, den das Kühlwasser längs des Brennstabbündels erleidet. Dies kann zu einer reduzierten Durchströmung des Stabbündels führen. Aus diesen Gründen sind häufig im unteren Teil des Brennelements keine Zwischengitter und auch nur Abstandhalter ohne Mischflügel vorgesehen. In diesem unteren Bereich ist nämlich die Kühlmitteltemperatur noch niedrig und auch ohne zusätzliche Vermischung die Kühlwirkung ausreichend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Abstandhalter und/oder Zwischengitter eines derartigen Brennelements so zu gestalten, daß ein erhöhter Druckverlust möglichst vermieden wird.

Zwischengitter brauchen an sich keine Noppen, Federn oder andere Stützelemente zu tragen, da sie die Brennstäbe nicht abstützen müssen. Sie können daher als Gitter mit schmäleren und dünneren Stegen ausgebildet sein als Abstandhalter, die zum Abstützen ausgelegt sind. Da sich die Brennstäbe in Folge 5 der thermischen Belastung jedoch leicht verbiegen, können sie den Mischflügeln von Zwischengittern so nahe kommen, daß die Kühlmittelströmung an der Brennstaboberfläche gestört oder die Mischflügel sogar durch Scheuern an den Fahnen beschädigt werden können. Daher sind die erfindungsgemäßen Gitter, auch 0 wenn sie nur die Aufgabe haben, die Fahnen auf Abstand von den Brennstäben zu halten, mit Halteelementen {Haltegliedern) ausgestattet.

Die Erfindung sieht nunmehr ein Gitter - sei es als regulärer Abstandhalter mit oder ohne Flügel oder sei es als Zwischengitter ausgebildet - vor, bei dem die Maschen, die jeweils Halteglieder für einen Brennstab enthalten, schachbrettartig

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in zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei die Halteglieder der ersten Gruppe oberhalb der Halteglieder der zweiten Gruppe liegen und benachbarte Maschen auf der Höhe der Halteglieder strömungsmäßig miteinander verbunden sind. Dadurch sind die Einschnürungen, die von den Haltegliedern im Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle gebildet werden, auf mehrere Ebenen gestaffelt, wobei die Kühlmittelströmung dem jeweiligen Hindernis ausweichen kann.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Brennstäbe in einer Masche jeweils von zwei Noppen und einer Feder gehalten werden, wobei die Feder mit ihrem Materialquerschnitt in der Strömung steht. Vorteilhaft liegen die beiden Noppen und die Feder in einer Ebene. Diese Ausbildung der Halteglieder kann auch allgemein bei anders ausgebildeten Abstandhaltern vorteilhaft sein.

Das Ausweichverhalten der Kühlmittelströmung wird verbessert, wenn die Halteglieder der zweiten Gruppe an nach unten überstehende Teile der Stege angesetzt oder aus solchen Teilen geformt sind.

Alternativ oder zusätzlich können auch die Halteglieder der ersten Gruppe an nach oben überstehenden Teilen der Stege angesetzt oder aus diesen Teilen ausgeformt sein.

Für mischende Abstandhalter oder Zwischengitter ist allgemein vorgesehen, daß ihre Maschen auf der dem Leichtwasser-Strom abgewandten Oberseite des Gitters die Mischflügel tragen. Diese sind in einer Ebene angeordnet. Die Strömung kann dann den Mischflügeln nicht ausweichen, sondern wird auf effektive Weise verwirbelt. Bevorzugt sind die Mischflügel an Teilen der Stege angesetzt, die auf der Oberseite des Gitters überstehen. Diese Teile der Stege (insbesondere sich kreuzender Stege) bilden also dann nur ein geringes Hindernis für den von den Mischflügeln auf die Kühlmittelströmung ausgeübten Drall. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in jedem Strömungskanal

zwei Mischflügel vorgesehen sind, die derart gleichsinnig um die Mittelachse des Strömungskanals gebogen sind, daß sie dem Kühlwasser den gewünschten Drall versetzen.

Anhand von drei Ausführungsbeispielen und sechs Figuren wird die Erfindung näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Teilquerschnitt durch ein Zwischengitter für den oberen Teil eines Druckwasser-Reaktors, wobei die Brennstäbe weggelassen sind und auch die dargestellten Maschen nur zum Abstützen von Brennstäben vorgesehen sind. Maschen, die an Steuerstab-Führungsrohren gehalten sind, sind nicht dargestellt. Figur 1 zeigt dabei zwei benachbarte Maschen I, II, die von zueinander parallelen Längsstäben la, Ib, Ic und Querstäben 2a, 2b, 2c gebildet werden, die die Längsstege ungefähr rechtwinklig durchsetzen.

Figur 2 zeigt einen Schnitt längs der Schnittlinie B-B der Figur 1.

Die Masche I gehört, ebenso wie die Maschen I' und I¹', zu einer ersten Gruppe von Maschen, deren Halteelemente etwa in der Mittelebene M-M der Gitterstege angeordnet sind. Eine zweite Gruppe von Maschen (II, II', II¹') besitzt dagegen Halteelemente, die ungefähr in einer darunterliegenden Ebene M'-M¹ liegen. Die Maschen der beiden Gruppen sind schachbrettartig über den Querschnitt verteilt.

Als Halteelemente sind in jeder Masche jeweils zwei der aus 0 den Stege ausgeprägten Noppen 3a ... 3e und eine der aus den Stegen ausgestanzten Federn 4a, 4b vorgesehen. Die Federn sind dabei so in die Masche hineingebogen, daß sie einen möglichst geringen Strömungswiderstand haben, der nur von ihrem Materialquerschnitt, also der Wanddicke der Stege, bestimmt ist. Diese Halteelemente greifen an Haltepunkten, die ungefähr äquidistant über den Umfang der Brennstäbe verteilt sind, an den Brennstäben an.

Dabei sind die Noppen und Federn, 3a, 3b, 3e und 4a aus Stegteilen 5, 6 ausgeprägt oder ausgestanzt, die nach unten über das Gitter überstehen. Das Kühlmittel, dem die Federn und Noppen dieser Ebene M¹-M' einen Widerstand entgegenstellen, kann also durch die Zwischenräume zwischen diesen überstehenden Stegteilen hindurch in benachbarte Maschen ausweichen. Von diesen Nachbarmaschen kann nun das Kühlmittel durch die halbmond-förmigen Durchbrüche 7, die durch das Ausbiegen der ausgestanzten Federn in der Ebene M-M entstehen, wieder in die ursprüngliche Masche zurückkehren, wenn ihnen die Halteglieder in den Nachbarmaschen einen Strömungswiderstand entgegensetzen.

Die Linien, an denen sich einander kreuzende Stege durchsetzen, stellen jeweils die Mittelachse von sogenannten "Unterkanälen" oder "Strömungskanälen" dar, die jeweils von benachbarten (nicht dargestellten) Brennstäben begrenzt sind. Mit den Mischflügeln 8a, 8b ist gezeigt, daß in jedem Unterkanal ein Paar von Leitflügeln angeordnet ist, die gleichsinnig derart seitlich in den Kühlmittelstrom hineinragen, daß dem Kühlmittel ein Drall um die Mittelachse des Strömungskanals eingeprägt wird.

In den Figuren 3 und 4 sind ein entsprechender Längsschnitt und Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform gezeigt, bei der auch die Halteelemente 10 (obere Ebene N-N) an vorspringenden Stegteilen 11 angeordnet sind, die nach oben über das Gitter überstehen. Diese überstehenden Teile 11 tragen die Mischflügel 12. Die in der Ebene N¹-N¹ liegenden Halte-0 elemente 13 sind, wie bereits in den Figuren 1 und 2 gezeigt, von nach unten überstehenden Stegteilen 14 gebildet.

Während beim ersten Ausführungsbeispiel {Figuren 1 und 2) die Unterkante der Stege und beim zweiten Ausführungsbeispiel (Figur 3 und 4) auch noch die Oberkanten (Biegekanten), an denen die Leitflügel angesetzt sind, jeweils einen zickzackförmigen Verlauf haben, ist bei den entsprechenden Figuren 4

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und 5, die ein drittes Ausführungsbeispiel zeigen, der übliche Verlauf der Ober- und Unterkanten von derartigen Abstandhaltern und/oder Mischgittern gezeigt. Abweichend von den Figuren 1 bis 4 sind ferner die Federn 2 0 hier aus Inconnel oder einem anderen Federmaterial gebildet und in die Stege, die aus Zircaloy bestehen, eingehängt. Die Art dieser Befestigung, bei der die Feder durch entsprechende Fenster in den Stegen greift, ist aus der überproportional stark gezeichneten Feder 21 {Figur 5) erkennbar.
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Claims

956 3 4 69 Schutzansprüche

1. Abstandhalter für ein Brennelement eines mit Leichtwassergekühlten Kernreaktors, bei dem die Brennstäbe und gegebenenfalls Strukturrohre des Brennelements durch die Maschen (I, 1'...1I¹¹) eines Gitters geführt und die Brennstäbe durch Halteglieder (3a...3e, 4a, 4b) in den Maschen seitlich fixiert sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Masehen, die Halteglieder enthalten, schachbrettartig in zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei die Halteglieder (I, I¹, I'¹) der ersten Gruppe oberhalb {Ebene M-M) der Halteglieder der zweiten Gruppe (Ebene M'-M') liegen und benachbarte Maschen auf der Höhe der Halteglieder strömungsmäßig miteinander verbunden sind.

2. Abstandhalter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe jeweils von zwei Noppen (3a, 3b) und einer Feder (4a) 0 in einer Maschen gehalten werden, wobei die Feder (4a) mit ihrem Materialquerschnitt in der Strömung steht.

3. Abstandhalter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Halteglieder (3a, 3b, 3e) in den Maschen der zweiten Gruppe aus nach unten überstehenden Teilen (5, 6) der das Gitter bildenden Stege ausgeformt oder an den Teilen angesetzt sind.

4. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Halteglieder in den Maschen der ersten Gruppe aus nach oben überstehenden Teilen (11) der das Gitter bildenden Stege ausgeformt oder an den Teilen angesetzt sind.

5. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschen auf der dem Strom des Leichtwassers abgewandten Ober-

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seite des Gitters Mischflügel tragen, die in einer Ebene angeordnet sind.

6. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Maschen auf der dem Strom des Leichtwassers abgewandten Oberseite an überstehenden Teilen der Stege angesetzt sind.

7. Abstandhalter nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, daiS jeweils in einem von benachbarten Brennstäben umgebenen Strömungskanal des Brennelements zwei Mischflügel· vorgesehen sind, die dem Leichtwasser einen Drall um die Mittelachse des Strömungskanals geben.

8. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschen von einander kreuzenden Stegen gebildet werden.