DE3832910A1 - Kernbrennstoff-abstandshalter vom einzelzellentyp und verfahren fuer dessen herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen als Träger einer Brennstoff­ kassette in einem Kernreaktor verwendbaren Kernbrennstoff- Abstandshalter vom Einzelzellentyp und ein Verfahren für dessen Herstellung.

Aus US 45 08 679 A ist ein als Träger einer Brennstoff­ kassette in einem Kernreaktor verwendbarer Kernbrenn­ stoff-Abstandshalter vom Einzelzellentyp bekannt. Dieser Kernbrennstoff-Abstandshalter besteht aus einer Anzahl von die Brennstäbe aufnehmenden zylindrischen Bauteilen oder Einzelzellen. Diese zylindrischen Bauteile sind in einem quadratischen Schema angeordnet, wobei benachbarte Bautei­ le in Verbindungsbereichen miteinander verschweißt sind und wobei jede solche Gruppe von Bauteilen entlang ihrer Umfangslinie von Seitenbändern umgeben ist, die im Verbin­ dungsbereich der zylindrischen Bauteile ebenfalls mit diesen verschweißt sind. Jedes der zylindrischen Bauteile ist mit einer Feder befestigt und mit Vorsprüngen an seiner inneren Oberfläche ausgebildet, um einen Brennstab zu halten.

In den Fig. 3A, 3B und 3C ist der in der obengenannten US-Anmeldung offenbarte Kernbrennstoff-Abstandshalter ge­ zeigt: Die Seitenwand des zylindrischen Bauteils ist mit einem eine Feder aufnehmenden Schlitz 7 in Form eines ge­ drehten U und mit länglichen Schlitzen 9 für die Formung von Vorsprüngen 5 ausgebildet.

Die Feder für diesen Kernbrennstoff-Abstandshalter ist als ringförmige Endlosblattfeder mit rhombischem Querschnitt ausgebildet. Wird die Feder in das zylindrische Bauteil 3 eingepaßt, so wird zunächst die Endlosblattfeder durch den U-förmigen Schlitz 7 zur Hälfte in das Innere eines zylindrischen Bauteils 3 eingebracht, anschließend wird das zylindrische Bauteil in bezug auf die Feder gedreht, so daß der durch den U-förmigen Schlitz 7 in der Seiten­ wand gebildete überhängende Bereich 8 in eine Öffnung der Endlosfeder 4 eingebracht wird, wodurch der Bereich 8 von der Blattfeder abgedeckt wird. Anschließend wird ein wei­ teres zylindrisches Bauteil 3 so in die Nähe des ersten zylindrischen Bauteils gebracht, daß sich deren U-förmige Schlitze 7 einander gegenüberstehen. Dieses zweite zylindrische Bauteil 3 wird in bezug auf die Feder in der entgegengesetzten Richtung gedreht, so daß sein überhän­ gender Bereich 8 ebenfalls in die andere Öffnung derselben Endlosfeder eingebracht werden kann. Somit befindet sich eine Hälfte der Feder im Inneren eines zylindrischen Bau­ teils, während die andere Hälfte derselben im Inneren des anderen, benachbarten Bauteils eingefügt ist. In dieser Lage der zylindrischen Bauteile und der Feder werden die benachbarten zylindrischen Bauteile an ihren oberen und unteren Enden miteinander durch Schweißen verbunden, wo­ durch die Feder in den zylindrischen Bauteilen gehalten wird.

Eine Anzahl von auf diese Weise miteinander verbundenen Paaren zylindrischer Bauteile sind, wie oben erwähnt, in einem quadratischen Schema angeordnet; jedes dieser zylindrischen Bauteile eines Schemas wird in seinen Ver­ bindungsbereichen durch Verschweißen mit den benachbarten zylindrischen Bauteilen verbunden, lediglich die Verbin­ dungen zwischen den zur Sicherung der Feder bereits mit­ einander verschweißten Bauteilen sind hiervon ausgenommen. Gleichzeitig werden um die Gruppe der angeordneten zylindrischen Bauteile Seitenbänder angebracht und mit den benachbarten zylindrischen Bauteilen in deren Verbindungs­ bereichen verschweißt.

Im Hinblick auf die Funktion des Abstandshalters als Trä­ ger von Brennstäben werden wegen des Verschweißens beim Anordnungsverfahren eines solchen obengenannten Kern­ brennstoff-Abstandshalters vom Einzelzellentyp hohe An­ forderungen an die exakte Positionierung und die exakte Ausrichtung der zylindrischen Bauteile gestellt, ohne daß hierfür eine schwierige Arbeit erforderlich wird. Für diese Aufgabe ist noch kein ausreichender Stand der Technik bekanntgeworden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Kernbrenn­ stoff-Abstandshalter vom Einzelzellentyp, der genau und leicht und ohne das Risiko einer fehlerhaften Anrdnung durch Verschweißen gefertigt werden kann, und ein Herstel­ lungsverfahren hierfür zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kernbrennstoff-Abstandshalter vom Einzelzellentyp, dessen Hauptbestandteile, also die zylindrischen Bauteile oder Einzelzellen, mit einer an ihrem Randbereich angebrachten Positionierungsraste oder einem dort angebrachten Posi­ tionierungsvorsprung versehen sind. Im Anordnungsverfahren des Kernbrennstoff-Abstandshalters werden diese Positio­ nierungsrasten oder -vorsprünge mit auf einer oder mehre­ ren Anordnungsschablonen für den Kernbrennstoff-Abstands­ halter ausgebildeten Vorsprüngen oder Aussparungen in Eingriff gebracht, wodurch eine genaue und leichte Posi­ tionierung der zylindrischen Bauteile ohne jegliches Risi­ ko einer fehlerhaften Anordnung gewährleistet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1A die Draufsicht des erfindungsgemäßen zylindrischen Bauteils (Einzelzelle);

Fig. 1B die Seitenansicht des in Fig. 1A gezeigten zylindrischen Bauteils;

Fig. 2A die Draufsicht des erfindungsgemäßen Kernbrenn­ stoff-Abstandshalters vom Einzelzellentyp;

Fig. 2B die Seitenansicht, teilweise als Querschnitt ent­ lang der Linie IIB-IIB des erfindungsgemäßen Kernbrennstoff-Abstandshalters von Fig. 2A;

Fig. 3A die Draufsicht eines zylindrischen Bauteils des Standes der Technik;

Fig. 3B eine einen U-förmigen Schlitz zeigende Seitenan­ sicht in Pfeilrichtung im wesentlichen entlang der Linie IIIB-IIIB von Fig. 3A;

Fig. 3C eine längliche Schlitze für die Ausbildung von Vorsprüngen zeigende Seitenansicht in Pfeil­ richtung im wesentlichen entlang der Linie IIIC- IIIC von Fig. 3A;

Fig. 4 die perspektivische Ansicht einer für die Zusam­ menfügung eines Paares von Einzelzellen verwendeten erfindungsgemäßen Zellpaarungsschablone;

Fig. 5 die perspektivische Ansicht einer Abstandshalter- Anordnungsschablone;

Fig. 6 die Seitenansicht eines Kernbrennstoff-Abstands­ halters vom Einzelzellentyp gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 7 die Draufsicht eines Kernbrennstoff-Abstandshal­ ters vom Einzelzellentyp gemäß einer weiteren Aus­ führungsform der Erfindung.

Ein Kernbrennstoff-Abstandshalter 1 vom Einzelzellentyp ist in einer Ausführungsform der Erfindung allgemein in der Draufsicht der Fig. 2A und in der Seitenansicht der Fig. 2B gezeigt. Der Kernbrennstoff-Abstandshalter 1 wird aufgebaut, indem eine Anzahl von zylindrischen Bauteilen (Einzelzellen) 3, die die Brennstäbe 6 aufnehmen, in einem quadratischen Schema angeordnet wird, wobei benachbarte Bauteile durch Verschweißen in ihren Verbindungspunkten (Schweißbereiche W ₁) miteinander verbunden werden, indem streifenähnliche Seitenbänder 2 entlang dem Umfang der Gruppe der zylindrischen Bauteile angeordnet werden und indem die Seitenbänder 2 mit den benachbarten zylin­ drischen Bauteilen in deren Verbindungspunkten (Schweißbe­ reiche W ₂) verbunden werden. Wie in den Fig. 1A und 1B ge­ zeigt ist, ist jedes der zylindrischen Bauteile (Einzel­ zelle) 3 mit zwei Vorsprüngen 5, die durch Einschneiden und Ausbuchten erzeugt werden, zum Tragen eines Brennsta­ bes und mit einem Schlitz 7 in Form eines gedrehten U zur Befestigung einer Feder 4 am zylindrischen Bauteil ausge­ bildet. Die Feder 4 ist zum Tragen eines Brennstabes im zylindrischen Bauteil 4 vorgesehen und ist eine Endlos­ blattfeder mit rhombischem Querschnitt. Die Feder 4 ist in dem durch den U-förmigen Schlitz 7 definierten überhängen­ den Bereich 8 des zylindrischen Bauteils 3 in der vorhin beschriebenen Weise befestigt. Die Feder 4 ist genau ge­ genüber demMittelpunkt zwischen den beiden Vorsprüngen 5 angebracht.

In der in den Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist das zylindrische Bauteil (Einzelzelle) 3 des Kernbrennstoff-Abstandshalters vom Einzelzellentyp mit einer Raste 10 im Randbereich der Zylinderwandung ausge­ bildet. Die Orte, an denen die Rasten 10 im Bauteil 3 aus­ gebildet sind, liegen gegenüber den Vorsprüngen 5. Dies hat den folgenden Grund: da jedes der zylindrischen Bau­ teile (Einzelzelle) 3, wie in Fig. 2 gezeigt, in einem quadratischen Schema eingeordnet ist und da es in Richtung des U-förmigen Schlitzes 7 und in der dazu senkrechten Richtung insgesamt vier Schweißbereiche für jedes Bauteil 3 gibt, ist es schwierig, die Raste 10 um diese Bereiche herum zu bilden. Außerdem sind die Bereiche der Vorsprünge 5 und deren Umgebung ungeeignet für die Ausbildung der Raste 10. Folglich bleibt auf den Zylinderwandungen als Ort für die Ausbildung der Raste 10 einer der beiden den Vorsprüngen 5 gegenüberliegenden Bereiche. Da diese Orte in der Mitte zwischen vier Schweißbereichen des zylindri­ schen Bauteils 3 liegen und da sie in einer erdbebensiche­ ren Struktur nicht zu den Bereichen gehören, bei denen sich die Beanspruchung konzentriert, wenn der Kernbrenn­ stoff-Abstandshalter tatsächlich in einem Kernreaktor Ver­ wendung findet, sind sie im Hinblick auf die Festigkeit die geeigneten Orte. Die Form der Raste 10 ist kein einfa­ cher Halbkreis, sondern vorzugsweise etwas gestreckt, so daß die Tiefe der Raste etwas größer wird als der Radius des Halbkreises. Eine solche Form der Raste 10 wird nicht nur im Hinblick auf die Beziehung zwischen dem Kernbrenn­ stoff-Abstandshalter und den weiter unten erwähnten An­ ordnungsschablonen gewählt, sondern auch im Hinblick darauf, daß, wenn die Positionierungsvorsprünge in der Schablone eine exakt halbkreisförmige Form aufweisen, eine solche eine größere Tiefe aufweisende Form der Raste jegliche Ablösung des zylindrischen Bauteils von der Schablonenoberfläche zu verhindern in der Lage ist, wodurch eine sichere und stabile Aufstellung der Abstandshalter ermöglicht wird.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Zellpaarungsschablone, die für die gegenseitige Verbindung zweier zylindrischer Bau­ teile verwendet wird. Diese Schablone ist aus einer unte­ ren Schablonenhälfte 11 und einer oberen Schablonenhälfte 12 zusammengesetzt, wobei jede Schablone zwei Rillen mit dreieckigem Querschnitt zur Aufnahme zweier benachbarter zylindrischer Bauteile 3 und einen Positionierungsvor­ sprung 13 bzw. 14, der mit der Raste 10 des zylindrischen Bauteils in Eingriff gebracht wird, aufweist. Durch die Zusammenfügung der zwei Schablonenhälften mit zwei dazwi­ schengelegten zylindrischen Bauteilen wird die räumliche Beziehung zwischen den zwei zylindrischen Bauteilen genau definiert, wodurch ein leichtes Verschweißen gewährleistet wird. Es sei festgestellt, daß beim Anordnen und Ver­ schweißen zweier zylindrischer Bauteile mittels der oben­ genannten Zellpaarungsschablone die vorherige Befestigung einer Feder 4 an den zwei zylindrischen Bauteilen 3 not­ wendig ist.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Kernbrennstoff-Ab­ standshalter-Anordnungsschablone, die für den Einbau der obengenannten gepaarten zylindrischen Bauteile (Einzel­ zelle) in einen Kernbrennstoff-Abstandshalter verwendet wird. Diese Schablone ist aus einer Basis 15 und Brenn­ stabattrappen 16, die auf der Basis 15 im gleichen Muster wie wirkliche Brennstäbe befestigt sind, zusammengesetzt. Die Basis 15 ist mit Positionierungsvorsprüngen 17 ausge­ bildet, die einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen und deren Orte entsprechend den Orten der Rasten 10 der angeordneten zylindrischen Bauteile bestimmt werden. Paare solcher durch das obenerwähnte Paarungsverfahren gepaar­ ter zylindrischer Bauteile (Einzelzelle) 3 werden an den Brennstoffattrappen 16 befestigt, wobei deren Rasten 10 mit den Positionierungsvorsprüngen 17 der Basis 15 in Eingriff gebracht werden, wodurch die richtige Positionie­ rung der zylindrischen Bauteile, ein leichtes Verschweißen und leichte Anordnungsarbeiten gewährleistet werden. Da alle Positionierungsvorsprünge 17 in derselben vorbestimmten Richtung, wie in Fig. 5 gezeigt, ausgerichtet sind, können ferner die Vorsprünge 17 leicht und genau au der Basis der Abstandshalter-Anordnungsschablone hergestellt werden.

Obwohl das Anordnungsverfahren des obengenannten Kern­ brennstoff-Abstandshalters zwei Schritte enthält, d. h. einen die in Fig. 4 gezeigte Schablone verwendenden Schritt und einen weiteren die in Fig. 5 gezeigte Schablo­ ne verwendenden Schritt, ist es auch möglich, das gesamte Verfahren in einem einzigen Schritt unter Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Abstandshalter-Anordnungsschablone durchzuführen, falls kein Problem bei der Schweißarbeit auftritt.

Wie oben erklärt, wird durch die Ausbildung einer Raste in jedem zylindrischen Bauteil (Einzelzelle) die Anordnungs­ arbeit für den Kernbrennstoff-Abstandshalter erleichtert, sie wird genauer und vor fehlerhaftem Betrieb geschützt; dadurch werden eine ausreichende Funktion des Abstandshal­ ters in einer den obigen Abstandshalter aufweisenden Brennstoffkassette gewährleistet und geeignete Abstände zwischen den Brennstäben aufrechterhalten.

Die Raste 10 im zylindrischen Bauteil hat ferner die wei­ tere wichtige Funktion, die sich bei der Positionierung eines individuellen zylindrischen Bauteils (Einzelzelle) 3 im Herstellungsverfahren vor dem Verschweißtwerden mit einem weiteren zylindrischen Bauteil auswirkt. Da das zylindrische Bauteil (Einzelzelle) aus einem dünnen Blech hergestellt ist, können die Schlitze 7 und 9 und die Raste 10 nicht zugleich in einem einzigen Stanzprozeß unter Ver­ wendung eines einzigen Metallstanzwerkzeugsatzes ausge­ stanzt werden. Daher erfordert der Stanzprozeß die Unter­ teilung in mehrere Schritte, von denen jeder ein speziel­ les Stanzwerkzeug verlangt. Sind mehrere Stanzschritte enthalten, so muß viel Sorgfalt auf die Aufrechterhaltung der genauen relativen Orte zwischen den Schlitzen, den Vorsprüngen und der Raste aufgebracht werden. Unter diesen Umständen wird die Raste 10 wieder wirkungsvoll als Posi­ tionierungseinrichtung in jedem Stanzschritt verwendet. In diesem Fall sollte die Raste 10 im ersten Stanzschritt ausgestanzt werden. Im darauffolgenden Verfahren ist es möglich, das zylindrische Bauteil unter Verwendung der Raste 10 zu positionieren und sowohl das weitere Verfahren als auch das Verschweißen fortzusetzen.

In Fig. 6 ist gezeigt, daß es möglich ist, die Raste 10 des zylindrischen Bauteils 3 der obenerwähnten Ausfüh­ rungsform durch einen am gleichen Ort wie eine der Rasten 10 angebrachten Vorsprung 18 zu ersetzen. Dann sollten die Positionierungsvorsprünge 13 und 14 der in Fig. 4 gezeig­ ten Zellpaarungsschablone und die Positionierungsvorsprün­ ge 17 der in Fig. 5 gezeigten Abstandshalter-Anordnungs­ schablone durch Positionierungseinrichtungen von der Form einer Aussparung ersetzt werden. In dieser Ausführungsform wird dieselbe Positionierungsfunktion erhalten.

In den obenerwähnten Ausführungsformen sind, wie in Fig. 2A gezeigt, die zylindrischen Bauteile in einem quadrati­ schen Schema angeordnet, das keinen freien Raum aufweist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch nicht nur in Ab­ standshaltern mit fest angeordneten zylindrischen Bau­ teilen verwendet werden, sondern auch in anderen Abstands­ haltern, die freie Räume enthalten, beispielsweise den in Fig. 7 gezeigten Abstandshalter, der aus US 46 86 079 A bekannt ist. In einer solchen Abstandshalter-Anordnung, wie sie im US-Patent gezeigt ist, bei der ein Wasserrohr 6, das einen größeren Durchmesser aufweist als das zylindrische Bauteil, in dem mittigen Bereich des Ab­ standshalters angebracht ist, ist das Wasserrohr auf seiner äußeren Oberfläche mit Vorsprüngen 20 versehen, während die dem Wasserrohr benachbarten zylindrischen Bau­ teile mit Brückenteilen 17, die zwei benachbarte zylindri­ sche Bauteile verbinden, versehen sind. Die Vorsprünge 20 des Wasserrohres werden mit den Brückenteilen 17 durch Drehung des Wasserrohres relativ zum Kernbrennstoff-Ab­ standshalter in Eingriff gebracht.

Wenn ein Kernbrennstoff-Abstandshalter vom Einzelzellentyp durch Verschweißen aufgebaut wird, so ist gemäß der Erfin­ dung einerseits eine genaue und leichte Positionierung eines jeden zylindrischen Bauteils möglich und anderer­ seits sind Fehler bei der Aufbauarbeit vermeidbar.

Claims (4)

1. Kernbrennstoff-Abstandshalter (1) vom Einzelzellentyp mit einer Anzahl von miteinander verbundenen zylindri­ schen Bauteilen (Einzelzellen) (3), die jeweils mit zwei Vorsprüngen (5) zum Halten eines Brennstabes (6) versehen sind, mit Brennstabhaltefedern (4), die je­ weils im Verbindungsbereich zweier benachbarter zylindrischer Bauteile (3) angebracht sind und genau gegenüber dem Mittelpunkt zwischen den zwei Vorsprüngen (5) liegen, und mit die Gruppe der verbundenen zylindrischen Bauteile (3) umgebenden, streifenartigen Seitenbändern (2), dadurch gekennzeichnet,
daß im Randbereich eines jeden zylindrischen Bauteils (3) eine Positionierungsraste (10) bzw. ein Positionie­ rungsvorsprung (18) ausgebildet ist und
daß die Positionierungsraste (10) bzw. der Positionie­ rungsvorsprung (18) gegenüber einem der beiden zum Hal­ ten des Brennstabes (6) vorgesehenen Vorsprünge (5) an­ gebracht ist.

2. Kernbrennstoff-Abstandshalter (1) gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Positionierungsraste (10) im wesentlichen halbkreisförmig ist und eine Tiefe auf­ weist, die größer ist als der Radius der Halbkreisform.

3. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Ab­ standshalters (1) vom Einzelzellentyp, gekennzeichnet durch die Schritte
des Vorsehens eines Paars von zylindrischen Bauteilen (3), die zwei Vorsprünge (5) zum Halten eines Brennsta­ bes und eine an ihrem Rand ausgebildete Positionie­ rungsraste (10) oder einen Positionierungsvorsprung (18) aufweisen, wobei dieses Paar von zylindrischen Bauteilen (3) in einem Bereich zwischen diesen Bautei­ len mit einer den Brennstab haltenden Feder (4) befe­ stigt sind,
des Vorsehens einer Kernbrennstoff-Abstandshalter-An­ ordnungsschablone, die einen Grundkörper (15) und eine senkrecht zum Grundkörper (15) im gleichen Muster wie einer der Brennstäbe (6) befestigte Brennstoffattrappe (16) aufweist, wobei der Grundkörper (15) mit einer An­ zahl von Positionierungsvorsprüngen (17) bzw. Positio­ nierungsaussparungen für den Eingriff mit den auf den zylindrischen Bauteilen (3) ausgebildeten Positionie­ rungsrasten (10) bzw. den Positionierungsvorsprüngen (18),
des Anordnens einer Anzahl von Paaren zylindrischer Bauteile (3), um die Brennstoffattrappen (16) der Ab­ standshalter-Anordnungsschablone auf die mit den Posi­ tionierungsvorsprüngen (17) bzw. Positonierungs­ aussparungen der Abstandshalter-Anordnungsschablone in Eingriff stehenden Positionierungsrasten (10) bzw. Positionierungsvorsprüngen (18) der zylindrischen Bau­ teile (3) aufzustecken, und
des Verbindens eines jeden der angeordneten zylindri­ schen Bauteile (3) mit den benachbarten zylindrischen Bauteilen (3) mittels Verscheißen.

4. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Schritt der Anordnung der zylindrischen Bauteile (3) auf der Abstandshalter-An­ ordnungsschablone die Schritte
des Vorsehens einer eine obere Schablonenhälfte (12) und eine untere Schablonenhälfte (11) aufweisenden Zellpaarungsschablone, wobei jede Schablonenhälfte mit Rillen zur Aufnahme der gepaarten zylindrischen Bautei­ le (3) und mit einem Positionierungsvorsprung (13, 14) bzw. mit einer Positionierungsaussparung ausgebildet ist, um mit der Positionierungsraste (10) bzw. mit dem Positionierungsvorsprung (18) eines jedes zylindrischen Bauteils (3) in Eingriff gebracht werden zu können,
des Positionierens eines jeden Paars von zylindrischen Bauteilen in eine gegenseitige Lage unter Verwendung der Zellpaarungsschablone, und
des gegenseitigen Verbindens der gepaarten zylin­ drischen Bauteile durch Verschweißen, wenn diese in der Zellpaarungsschablone gehalten werden,
durchgeführt werden.