DE3619930A1

DE3619930A1 - Stroemungskanal-duesenbefestigung fuer kernbrennstoffanordnungen

Info

Publication number: DE3619930A1
Application number: DE19863619930
Authority: DE
Inventors: Harold Lee Nelson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-06-20
Filing date: 1986-06-13
Publication date: 1987-02-05
Also published as: SE461486B; SE8602726L; IT1189570B; ES556182A0; IT8620822A0; ES8801464A1; IT8620822A1; DE3619930C2; SE8602726D0; US4663118A; JPH0463353B2; JPS628091A

Description

Bei einem bekannten Leistungskernreaktor, wie beispielsweise in dem Dresden-Kernreaktor nahe Chicago, Illinois, ist der Reaktorkern heterogen. In derartigen Reaktoren weist der Kernbrennstoff langgestreckte Stäbe auf, die aus abgedichteten Röhren aus einem geeigneten Material gebildet sind, wie beispielsweise eine Zirkonlegierung, und die Uranoxid und/oder Plutoniumoxid als Kernbrennstoff enthalten, wie es beispielsweise in der US-PS 33 65 371 beschrieben ist. Eine Anzahl derartiger Brennstoffstäbe können zu einer Gruppe zusammengefaßt und einen am Ende offenen rohrförmigen Strömungskanal enthalten, um eine getrennt herausnehmbare Brennstoffanordnung oder ein Bündel zu bilden. Eine ausreichende Anzahl von Brennstoffanordnungen ist in einer Matrix angeordnet, die einem kreisförmigen Zylinder angenähert ist, um den Reaktorkern zu bilden, der eine Spaltungskettenreaktion aufrecht erhalten kann. Der Kern ist in ein Strömungsmittel eingetaucht, wie beispielsweise leichtes Wasser, das sowohl als ein Kühlmittel als auch ein Neutronenmoderator dient.

Eine bekannte und vielfach verwendete Brennstoffanordnung ist in der US-PS 36 97 376 beschrieben. Eine derartige Brennstoffanordnung ist als ein Feld aus im Abstand angeordneten Stäben gebildet, die zwischen oberen und unteren Stützplatten gehaltert sind, wobei die Stäbe eine Länge von einigen Metern haben und einen Durchmesser in der Größenordnung von 1,25 cm besitzen und im Abstand zueinander angordnet sind, der einige Millimeter beträgt.

Wie in der US-PS 36 97 376 beschrieben ist, ist die untere Stützplatte einstückig mit einem konischen Nasenstück oder eine Düse ausgebildet, die mit einem Stützsockel der Kernhalterungsstruktur des Kernreaktors in Eingriff steht. Das Nasenstück ist mit Öffnungen versehen zum Aufnehmen von einem unter Druck stehenden Kühlmittel und zum Richten des Kühlmittels nach oben an den Brennstoffstäben vorbei.

Um die Kühlmittelströmung einzuschließen, ist die Brennstoffanordnung von einem am Ende offenen Kühlmittelströmungskanal umgeben. Das untere offene Ende des Strömungskanals besitzt eine nicht begrenzte Gleitpassung über die untere Stützplatte/Düse, was bei der Einrichtung gemäß der US-PS 36 97 376 zu einem Problem bei der Steuerung der Kühlmittelströmung wird.

Es sind noch andere Brennstoffanordnungen bekannt, wie sie beispielsweise in der US-PS 36 97 375 beschrieben sind, wo die untere Stützplatte und die Düse als getrennte Stücke ausgebildet sind und das untere Ende des Strömungskanals permanent an der Düse befestigt ist. Diese Anordnung löst das Kühlmittelleckageproblem und kann andere Vorteile erzielen, die in der vorgenannten US-PS 36 97 375 erläutert sind.

Der Strömungskanal ist üblicherweise aus einer Zirkon-Legierung hergestllt (um die Neutronenabsoption zu minimieren), während die Düse üblicherweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist. Somit ist das Anschweißen des Strömungskanals an der Düse als ein Befestigungsverfahren nicht praktikabel.

Deshalb wurde die Befestigung des Strömungskanals an der Düse durch die Verwendung von Nieten oder Schrauben erreicht, wie es in der US-PS 36 97 375 beschrieben ist. Diese Befestigung durch Nieten oder Schrauben ist jedoch nicht zufriedenstellend. Dies liegt daran, daß eine unterschiedliche thermische Expansion der Teile in einer Überbeanspruchung und infolgedessen ein Versagen (oder wenigstens Lösen der Nieten oder Schrauben zur Folge haben kann.

Wenn der Strömungskanal starr an der Düse befestigt ist (wie durch Schrauben oder Nieten), dann kann die größere Expansion und Kontraktion der aus rostfreiem Stahl bestehenden Düse bei Temperaturänderungen im Vergleich zu dem aus der Zirkon-Legierung bestehenden Strömungskanal ein Biegen und Beanspruchen des unteren Endes des Strömungskanals zur Folge haben.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kanal-Düsen-Befestigung zu schaffen, die eine Beanspruchung der Teile bei unterschiedlicher thermischer Expansion im wesentlichen vermeidet.

Erfindungsgemäß wird eine Kanal-Düsen-Befestigung in der Form von konischen oder abgeschrägten Befestigungsstäben oder Blöcken (hergestellt aus einem ähnlichen Material wie demjenigen des Kanals, beispielsweise Zirkon-Legierung), die an den unteren innenseitigen Oberflächen der Kanäle befestigt sind, hergestellt. Diese Befestigungsstäbe sind in passende konische bzw. abgeschrägte Nuten in den außenseitigen Oberflächen der Düse eingepaßt, die das untere Ende des Kanals umgibt, wobei die Düse aus einem Material (beispielsweise rostfreier Stahl) mit einem unterschiedlichen (beispielsweise höherem) thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt ist.

Der Winkel der passenden Schräge zwischen den Befestigungsstäben und den Nuten in der Düse ist so gewählt, daß die Passung zwischen den Stäben und den Nuten bei Temperaturänderungen von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur in einem Kernreaktor beibehalten wird, ohne daß eine Biegung oder Beanspruchung des unteren Endes des Kanals auftritt.

Wenn sich der Kanal, die Befestigungsstäbe und die Düse mit steigender Temperatur ausdehnen, wird die größere Expansion der Düse einfach durch eine Bewegung der Befestigungsblöcke weiter in die Nuten hinein aufgenommen, wobei ein Anfangsspielraum zwischen den Stirnflächen der Blöcke und den Bodenflächen der Nuten vorgesehen ist, um eine derartige Bewegung zu gestatten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht einer Brennstoffanordnung mit der Befestigung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist eine auseinandergezogene, isometrische Teilansicht des Strömungskanals und der Düse.

Fig. 3 ist eine detaillierte Schnittansicht der Befestigungsanordnung.

Wie in der Längsschnittansicht gemäß Fig. 1 gezeigt ist, weist die Brennstoffanordnung 11 mehrere langgestreckte Brennstoffstäbe 12 auf, die zwischen einer unteren Stützplatte 13 und einer oberen Stützplatte 14 gehaltert sind. Obwohl es hier nicht gezeigt ist, sind üblicherweise mehrere Abstandshalter für die Brennstoffstäbe zwischen den unteren und oberen Stützplatten angeordnet für eine seitliche Halterung der Brennstoffstäbe 12.

Jeder der Brennstoffstäbe 12 weist ein langgestrecktes Rohr auf, das den spaltbaren Brennstoff enthält, gewöhnlich in der Form von Pellets, die in dem Rohr durch untere und obere Endstopfen 16 und 17 dicht eingeschlossen sind. Die unteren Endstopfen 16 sind mit einem Konus versehen für eine Übereinstimmung und eine Halterung in Halterungskammern 18, die in der unteren Stützplatte 13 ausgebildet sind. Die oberen Endstopfen 17 sind mit Schaften 19 versehen, die mit Halterungskammern 21 in der oberen Stützplatte 14 übereinstimmen.

Mehrere Halterungskammern 18 (beispielsweise ausgewählte Kammern am Rand oder Umfang, wie beispielsweise eine Kammer 18′) in der unteren Stützplatte 13 sind mit Gewinde versehen, um Brennstoffstäbe mit schraubbaren unteren Endstopfen aufzunehmen, wie beispielsweise einen Endstopfen 16′. Die Schafte 19′ der oberen Endstopfen dieser gleichen Brennstoffstäbe sind langgestreckt, um durch ihre entsprechenden Kammern 21 in der oberen Stützplatte 14 hindurchzuführen, und sie sind mit Gewinde versehen, um Gewindemuttern 22 zur Befestigung aufzunehmen. Auf den Schaften 19 angebrachte Federn 23 drücken die obere Stützplatte 14 nach oben in bezug auf die Brennstoffstäbe 12. Auf diese Weise sind die unteren und oberen Stützplatten und die Brennstoffstäbe zu einer einheitlichen Struktur oder einem Brennstoffbündel zusammengefaßt, wobei die obere Stützplatte 14 mit einem nach oben ragenden Handgriff oder Bügel 20 für eine Handhabung des Brennstoffbündels versehen ist.

Die Brennstoffanordnung ist von einer dünnwandigen rohrförmigen Strömungskanalwand 24 mit einem im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt umgeben, die an ihrem oberen Ende offen ist. Die Brennstoffanordnung 11 paßt gleitend in den Strömungskanal 24, so daß sie einfach eingesetzt und herausgenommen werden kann. An seinem oberen Ende kann der Kanal 24 mit Löchern 25 oder ähnlichem für eine Handhabung versehen sein.

An seinem unteren Ende ist der Strömungskanal 24, wie es im folgenden noch näher erläutert wird, an einem konischen oder abgeschrägten Nasenstück 26 befestigt, das in einen Sockel der unteren Kernhalterungsstruktur (nicht gezeigt) hineinpaßt. Der untere Teil (nicht gezeigt) des Nasenstückes ist mit Öffnungen versehen, um unter Druck stehendes Kühlmittel aufzunehmen, das durch das Nasenstück 26 und den Strömungskanal 24 nach oben an den Brennstoffstäben 12 vorbei geleitet wird (siehe US-PS 36 97 376).

Das Nasenstück 26 ist mit einer Schulter 27 versehen, auf der die untere Stützplatte 13 ruht für eine Halterung der Brennstoffanordnung 11. Ein nach oben ragender Rand 28 umgibt die untere Stützplatte 13 und sorgt für eine seitliche Positionierung dieser Platte.

Üblicherweise ist der Strömungskanal 24 aus einem Material mit einem kleinen Neutronenabsorptionsquerschnitt, wie beispielsweise einer Legierung von Zirkon, hergestellt, während das Nasenstück 26 aus einer korrosionsbeständigen Eisen-Legierung hergestellt ist, wie beispielsweise rostfreiem Stahl. Aus praktischen Gründen können diese unterschiedlichen Materialien nicht miteinander verschweißt werden.

Bekannte Kanal-Düsen-Befestigungen besitzen eine Befestigung des Kanals direkt an der Düse mit Schrauben oder Nieten, wie es in der US-PS 36 97 375 beschrieben ist. Diese Befestigung ist zwar einfach, der Nachteil dieser Befestigung ist jedoch die Möglichkeit, daß die Schrauben oder Nieten sich lösen können oder überbeansprucht werden und versagen wegen der unterschiedlichen thermischen Expansion des Strömungskanals und der Düse aufgrund ihrer unterschiedlichen Materialien.

Die Nachteile der bekannten Anordnungen werden durch die Kanal-Düsen-Befestigung gemäß der Erfindung vermieden, die in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist. Dort sind abgeschrägte bzw. konische Befestigungsstäbe 29 an den innenseitigen unteren Rändern des Kanals 24 befestigt, wobei die Befestigungsstäbe 29 in ähnlich abgeschrägte bzw. konische Nuten 31 passen, die in den außenseitigen Oberflächen der Düse 26 gebildet sind.

Das Material der Befestigungsstäbe 29 ist so gewählt, daß es den gleichen oder einen sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Material des Kanals 24 aufweist.

Üblicherweise sind der Kanal 24 und die Befestigungsstäbe 29 aus einer Zirkon-Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 3,2 · 10^-6°C · 1/grd (3,2×10^-6 Zoll pro Zoll pro Grad F) hergestellt, während der rostfreie Stahl der Düse 26 einen wesentlich größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 9,45 · 10^-6°C · 1/grd- (9,45×10^-6 Zoll pro Zoll pro Grad F) hat. Der Temperaturbereich, dem diese Teile unterliegen, variiert von Raumtemperatur bis zu einer Betriebstemperatur im Reaktorkern von 315°C (600°F) oder mehr.

Wenn die Temperatur ansteigt, dehnt sich der Kanal 24 aus, d. h. die Strecke D _c von der Mittellinie CL _v zur Innenfläche des Kanals 24 wächst. Auch die Breite W der Befestigungsstäbe 29 nimmt zu. Zur gleichen Zeit expandiert die Düse 26 nach außen ein größeres Stück, und die Breite der konischen Nuten 31 wächst um ein größeres Stück.

Wenn der Kanal 24 starr an der Düse 26 angebracht ist, wie es bei der bekannten Anordnung der Fall ist, dann würde die größere Expansion der Düse 26 bewirken, daß das untere Ende des Kanals 24 nach außen gebogen wird, wodurch dieses untere Ende und die Befestigungsschrauben oder -nieten unter Spannung gesetzt werden. Bei der dargestellten Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung bewegen sich jedoch die konischen Befestigungsstäbe 29 einfach weiter in die schneller expandierenden konischen Nuten 31 hinein, wobei ein Spielraum C vorgesehen ist, um diese Bewegung nach innen zu gestatten.

Bei richtiger Wahl des Schrägwinkels bzw. der Konizität A können sich die Stäbe 29 mehr oder weniger tief in die Nuten 31 bewegen, wenn eine unterschiedliche thermische Expansion auftritt, ohne daß irgendeine Biegung des unteren Endes des Kanals 24 auftritt, wobei die Stäbe 29 fest in die Nuten 31 eingepaßt bleiben.

Der optimale Schrägwinkel ist graphisch in Fig. 1 dargestellt. Ein Teil (die Düse 26) ändert bei thermischer Expansion seine Form entlang Linien (wie beispielsweise den Linien 32 und 33), die von einem Mittelpunkt 34 ausgehen. Somit verändern die Nuten 31 ihre Größe entlang den Linien 32 und 33 und deshalb bilden die Linien 32 und 33 den optimalen Schrägwinkel A, d. h. den Winkel zwischen gegenüberliegenden Schrägflächen der Nuten 31.

Mit anderen Worten wird der Konuswinkel A so gewählt, daß die schräge Oberfläche der Nut 31 auf der einen Seite in der gleichen Ebene liegt wie die schräge untere Oberfläche der Nut 31 auf der gegenüberliegenden Seite der Düse 26.

Zwar hat im üblichen Fall die Düse 26 einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Kanal 24 und die Befestigungsstäbe 29, aber die Erfindung kann bei irgendeiner Kombination von unterschiedlichen Materialien verwendet werden.

Mathematisch kann der optimale Schrägwinkel A anhand von Fig. 3 wie folgt ermittelt werden.

Die Änderung der Teilgröße aufgrund einer Temperaturänderung dD ist durch die folgende Beziehung gegeben:

(1) dD = a dT × D
wobei:
a der thermische Ausdehnungskoeffizient ist,
dT der Temperaturbereich ist und
D die Länge des Teils ist.

Für jeden Punkt P auf der Grenzlinie zwischen dem Stab 29 und der Nut 21 gilt: darin ist:
X das radiale (seitlich von CL _v) thermische Wachstum des Stabes 29,
Y das axiale (vertikal von CL _r) thermische Wachstum des Stabes 29,
X′ das radiale thermische Wachstum der Düse 26,
Y′ das axiale thermische Wachstum der Nut 31.

Aus Gleichung (1) folgt:
X = a _z dT D _c
X′ = a _s dT D _n
Y = a _z dt W
Y′ = a _s dT W
darin ist:
a _z der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Kanals 24 und der Stäbe 29,
a _s der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Düse 26,
D _c der Abstand von der vertikalen Mittellinie CL _v zur Innenfläche des Kanals 24,
D _n der Abstand von der Mittellinie CL _v zur Außenfläche der Düse 26 und
W der Abstand von der radialen Mittellinie CL _r zum Punkt P.

Durch Einsetzen in Gleichung (2) wird erhalten:

Unter der Annahme, daß D _n und D _c sich nur unbedeutend unterscheiden, gilt:

D _n angenähert D _c = D

Somit gilt vereinfacht:

In einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verwendung in einem üblichen Siedewasserreaktor ist W = 7,6 mm (0,3 Zoll) und D = 66,8 mm (2,63 Zoll).

Dann gilt

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, können die Befestigungsstäbe 29 an dem unteren Ende des Strömungskanals 24 durch Flachkopfschrauben 36 befestigt sein. Alternativ können Nieten oder Schweißverbindungen für diesen Zweck verwendet werden.

In Fig. 2 sind die Enden der Nuten 31 abgerundet gezeigt, da diese Form aus dem konischen Drehschneidewerkzeug resultiert, das normalerweise zur Herstellung der Nuten 31 verwendet wird. Obwohl es nicht dargestellt ist, können die Enden der Befestigungsstäbe 29 in ähnlicher Weise abgerundet sein, aber in jedem Fall ist die Länge L der Stäbe 29 so gewählt, daß sie etwas kürzer ist (in Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen) als die Länge der Nuten 31. Damit soll gestattet werden, daß die Stäbe 29 ihre natürliche und seitlich unbelastete Position in den Nuten 31 finden.

Gemäß Fig. 2 wird der Kanal 24 dadurch an der Düse 26 montiert, daß die Befestigungsstäbe 29 in den Nuten 31 angeordnet werden, das untere Ende des Kanals 24 über die Stäbe 29 geschoben wird, bis die Schraublöcher fluchtend ausgerichtet sind und dann die Schrauben 36 eingesetzt und festgezogen werden.

Vorstehend wurde eine Strömungskanal-Düsen-Befestigung beschrieben, die bei Temperaturänderungen fest eingepaßt bleibt, ohne daß Beanspruchungen in den Teilen auftreten.

Ein zusätzlicher Vorteil dieser Anordnung ist eine hervorragende Steuerung der Bypaß-Leckageströmung (erläutert in der US-PS 36 97 376). Die einzige offene oder Querschnittsfläche für eine Leckageströmung besteht zwischen der Düse und dem Kanal an den vier Ecken, und diese Fläche bleibt während der Lebensdauer im wesentlichen konstant.

Claims

1. Kernbrennstoffanordnung mit mehreren Brennstoffstäben (12), die im Abstand in einem Feld auf einer unteren Stützplatte (13) gehaltert sind, einer Düse (26) neben der unteren Stützplatte zur Aufnahme einer Kühlmittelströmung, einem rohrförmigen Strömungskanal (24), der das Brennstoffstabfeld umgibt, um das Kühlmittel durch das Feld der Brennstoffstäbe zu richten, wobei das untere Ende des Strömungskanals die Seiten der Düse umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (26) aus einem Material mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Kanals (24) hergestellt ist und daß Befestigungsmittel vorgesehen sind zum Befestigen des unteren Endes des Kanals (24) an den Seiten der Düse (26), wobei die Befestigungsmittel mehrere Nuten (31) mit schrägen Seiten, die in den Seiten der Düse ausgebildet sind, eine gleiche Anzahl von Befestigungsstäben (29), die aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind, der demjenigen des Kanals ähnlich ist, wobei jeder Stab in eine entsprechende Nut der Düse eingepaßt und mit schrägen Seiten versehen ist, die mit den schrägen Seiten der entsprechenden Nut zusammenpassen, und Mittel aufweisen zum Befestigen der Stäbe (29) an den innenseitigen Oberflächen des unteren Endes des Kanals (24), wobei der Winkel der zusammenpassenden Abschrägung zwischen den Befestigungsstäben (29) und den Nuten (31) so gewählt ist, daß die Passung zwischen den Stäben und den Nuten bei Temperaturänderungen beibehalten wird, ohne daß eine wesentliche Beanspruchung des unteren Endes des Kanals auftritt.

2. Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spielraum (C) zwischen den Stirnflächen der Stäbe (29) und den Bodenflächen der Nuten (31) bei einer vorbestimmten Temperatur vorgesehen ist, damit sich die Stäbe weiter in die Nuten hineinbewegen können, wenn die Temperatur steigt.

3. Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Winkel der passenden Abschrägung A aus der folgenden Beziehung ergibt:
Tangens A/2 = W/D
wobei:
W die halbe Breite der Nuten und
D die halbe Breite der Düse ist.

4. Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (26) gegenüberliegende Seiten aufweist und daß die obere Schrägfläche der Nut auf der einen Seite in der gleichen Ebene liegt wie die untere Schrägfläche der Nut auf der gegenüberliegenden Seite.

5. Kernbrennstoffanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (26) aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und daß der Kanal (24) und die Befestigungsstäbe (29) aus einer Zirkon-Legierung hergestellt sind.

6. Kernbrennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (26) aus einem Material mit einem anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als dem Material des Kanals (24) hergestellt ist.

7. Kernbrennstoffanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld aus Brennstoffstäben zwischen einer unteren Stützplatte und einer oberen Stützplatte gehaltert ist und das Feld von einem am Ende offenen, rohrförmigen Strömungskanal umgeben ist, der aus einem Material mit einem anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als dem Material der Düse hergestellt ist.