DE4123726A1 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement entspre­ chend dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. Eine winkel­ halbierende Diagonale des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks nach c) dieses Gattungsbegriffs ist eine Diagonale, die den Winkel zwischen zwei aneinanderstoßenden Seiten dieses Außen­ steg-Sechsecks halbiert.

Ein derartiges, für einen Druckwasserkernreaktor bestimmtes Kernreaktorbrennelement ist aus der deutschen Offenlegungs­ schrift 34 01 630 bekannt. Bei diesem bekannten Kernreaktor­ brennelement sind die parallelen kürzeren Grundseiten und die Schenkel der beiden gleichschenkligen Trapeze nach c) gleich lang, d. h. auch die längeren Grundseiten der beiden gleich­ schenkligen Trapeze sind gleich lang, und die Maschenkontur einer inneren Masche in der Bezugsebene ist ein regelmäßiges Sechseck.

Bei einem thermischen Druckwasserkernreaktor kommt es anders als bei einem Brutreaktor darauf an, daß die bei Kernspal­ tungen entstehenden schnellen Neutronen schnell auf thermische Geschwindigkeit abgebremst werden. Ein thermischer Druckwas­ serkernreaktor erfordert daher anders als ein Brutreaktor ein relativ großes Verhältnis von Kühlmittel, das zugleich Mode­ rator ist, zu Kernbrennstoff (Moderationsverhältnis) im Reaktorkern.

Kernreaktorbrennelemente für thermische Druckwasserkern­ reaktoren haben vielfach gitterförmige Abstandhalter mit für Brennstäbe bestimmten Maschen, die in einer zu den Brennstäben rechtwinkligen Bezugsebene alle die gleiche quadratische Kon­ tur haben. Die Querschnittsmittelpunkte der Brennstäbe im Zentrum der Maschen dieser Abstandhalter sind jeweils in den Eckpunkten von einander gleichen Quadraten positioniert, die in der Bezugsebene die Schnittpunkte von zwei zueinander rechtwinkligen Scharen jeweils zueinander paralleler, äquidistanter Geraden sind. Innerhalb der Fläche dieser Quadrate ist das Profil der Geschwindigkeit des aus Wasser bestehenden Moderators und Kühlmittels in Längsrichtung der Brennstäbe stark ausgeprägt und zwar ist die Geschwindigkeit des Wassers im Zentrum eines betreffenden Quadrats größer als zwischen zwei Brennstäben mit den Querschnittsmittelpunkten in zwei benachbarten Ecken dieses Quadrates.

Eine Verbesserung der Wärmeabfuhr durch das Wasser in einem Druckwasserkernreaktor wird allerdings erzielt, wenn die Quer­ schnittsmittelpunkte benachbarter Brennstäbe wie bei dem bekannten Kernreaktorbrennelement in den Ecken von gleichsei­ tigen Dreiecken in der zu den Brennstäben rechtwinkligen Be­ zugsebene angeordnet sind. Bei gleichem Moderationsverhältnis und gleichem Stabdurchmesser ist nämlich in diesem Fall der Abstand zwischen zwei benachbarten Brennstäben größer als beim Kernreaktorbrennelement mit den benachbarten Brennstäben, deren Querschnittsmittelpunkte sich in den benachbarten Eckpunkten voneinander gleichen Quadraten in der Bezugsebene befinden. Wegen dieses oft sogar relativ großen Abstands kann jedoch bei dem bekannten Kernreaktorbrennelement das Haltern der Brennstäbe in dem Abstandhalter mit einem regelmäßigen Sechseck als Maschenkontur sehr erschwert sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Kernreaktorbrennelement weiterzubilden und das Haltern der Brennstäbe zu erleichtern.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat ein Kernreaktorbrennelement der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.

Dadurch können die zwei Maschenseiten, die sich in den Schenkeln eines der gleichschenkligen Trapeze befinden, nahe an den Brennstab in der betreffenden Masche herangezogen sein. Diese Maschenseiten können sogar an dem Brennstab direkt anliegen.

Gegenstand der Unteransprüche sind vorteilhafte Ausbildungen dieses Kernreaktorbrennelements.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in Draufsicht die Kontur eines gitterförmigen Abstandhalters in einer zu den Brennstäben eines er­ findungsgemäßen Kernreaktorbrennelements rechtwinkligen Bezugsebene.

Fig. 2 zeigt die Kontur einer einzelnen Masche des Ab­ standhalters in dieser Bezugsebene.

Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung zwei aneinander stoßende Blechstege des Abstandhalters mit der Kontur nach den Fig. 1 und 2.

Ein Kernreaktorbrennelement mit einem gitterförmigen Abstand­ halter, dessen Kontur in Fig. 1 dargestellt ist, weist zwei Halteplatten auf, zwischen denen sich mindestens ein Abstand­ halter befindet. Ein Haltestab 2, dessen Längsachse die beiden zueinander parallelen Halteplatten unter einem Winkel von 90° durchdringt, ist an jedem Ende jeweils an einer dieser beiden Halteplatten befestigt. Dieser Haltestab 2 durchgreift eine Masche des gitterförmigen Abstandhalters mit der Kontur nach Fig. 1. Dieser Abstandhalter ist beispielsweise zwischen zwei Hülsen, die fest außen am Haltestab 2 sitzen, an diesem Haltestab 2 formschlüssig gehaltert. Ferner sind nebeneinander und sowohl zueinander als auch zum Haltestab 2 parallele, mit Abstand voneinander angeordnete, Kernbrennstoff enthaltende Brennstäbe 3 vorgesehen. Jeder dieser Brennstäbe 3 ist durch eine Masche des Abstandhalters mit der Kontur nach Fig. 1 geführt und in dieser Masche mit Hilfe einer Feder kraft­ schlüssig gehaltert, die den betreffenden Brennstab 3 radial gegen zwei starre Noppen an Maschenwänden in dieser Masche preßt.

Die Brennstäbe 3, von denen jeder im wesentlichen aus einem mit Kernbrennstoff gefüllten Hüllrohr aus einer Zirkoniumle­ gierung besteht, das an beiden Enden gasdicht verschlossen ist, brauchen daher an keiner der beiden Halteplatten be­ festigt zu sein, sondern sie haben in ihrer Längsrichtung Spiel zwischen den beiden Halteplatten und können sich daher in axialer Richtung, d. h. in Längsrichtung des Kernreaktor­ brennelementes frei ausdehnen.

Der gitterförmige Abstandhalter, der in einer zum Haltestab 2 und zu den Brennstäben 3 rechtwinkligen Bezugsebene die in Fig. 1 dargestellte Kontur hat, hat hochkant angeordnete Außenstege aus Blech. Diese Außenstege bilden in der Kontur in der Bezugsebene die Seiten 4 eines regelmäßigen Außen­ steg-Sechsecks.

Die Schnittpunkte S einer ersten Schar äquidistanter Geraden 5 mit einer zweiten Schar äquidistanter Geraden 6 in der Be­ zugsebene sind die Positionen für den Querschnittsmittelpunkt des Haltestabes 2 und der Brennstäbe 3 in der Bezugsebene. Die Geraden 5 der ersten Schar sind zu zwei zueinander parallelen Seiten 4 des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks und die Geraden 6 der zweiten Schar zu zwei anderen zueinander parallelen Seiten 4 dieses regelmäßigen Außensteg-Sechsecks parallel. Die Geraden jeder der beiden Scharen, die den Seiten 4 des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks unmittelbar benachbart sind, zu denen die Geraden der jeweiligen Schar parallel sind, haben außerdem von diesen Seiten 4 alle gleichen Abstand.

An den Maschenwänden von inneren Maschen des gitterförmigen Abstandhalters sind dessen Außenstege nicht beteiligt, sondern die Maschenwände dieser inneren Maschen sind ausschließlich an zwei hochkant angeordneten, mit jedem Stegende an der Innen­ seite eines Außensteges befestigten Blechstegen 7 und 8 ausge­ formt. Diese Blechstege 7 und 8 stoßen flach längs einer Ge­ raden 9 aneinander. Diese Gerade 9 ist rechtwinklig zu einer den Winkel zwischen zwei aufeinanderstoßenden Seiten 4 des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks halbierenden Diagonalen 10 dieses regelmäßigen Außensteg-Sechsecks.

Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, ist die Maschenkontur einer inneren Masche in der Bezugsebene nach Fig. 1 aus den Außen­ konturen zweier gleichschenkliger, jeweils zwei parallele Grundseiten aufweisender Trapeze zusammengesetzt. Die längeren Grundseiten der beiden Trapeze fallen beide die eine mit ihrer gesamten Länge die andere überdeckend in die Gerade 9. Damit sind auch die beiden kürzeren Grundseiten 20 und 21 der beiden Trapeze zueinander parallel. Ferner haben beide kürzere Grund­ seiten 20 und 21 eine andere Länge als die vier Schenkel 22 und 23 der beiden Trapeze, die alle vier gleich lang sind. Außerdem haben die kürzeren Grundseiten 20 und 21 beide von der Geraden 9 gleichen Abstand.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Maschenkontur hat die kürzere Grundseite 20 des einen Trapezes eine größere Länge als die vier gleichlangen Schenkel 22 und 23 und die kürzere Grund­ seite 21 des anderen Trapezes eine kleinere Länge als diese vier Schenkel 22 und 23. Ferner fällt der Mittelpunkt M der beiden längeren Grundseiten der beiden Trapeze zusammen. Zugleich fällt dieser Mittelpunkt M auch in einen innerhalb der Maschenkontur befindlichen Schnittpunkt S der beiden Scharen von Geraden 5 und 6 in Fig. 1.

Ein innerhalb der Masche mit der Maschenkontur nach Fig. 2 angeordneter zylinderförmiger Brennstab 3 liegt mit seiner Außenfläche an zwei starren Anlagenoppen 25 und 26 an. Jede dieser Anlagenoppen 25 und 26 ist bezüglich des Brennstabes 3 mit kreisrundem Querschnitt, dessen Querschnittsmittelpunkt in den Mittelpunkt M fällt, in radialer Richtung an den Maschen­ seiten in die Masche hineingezogen, die sich in den beiden Schenkeln 23 des Trapezes befinden, dessen kürzere Grundseite 21 eine kleinere Länge hat als die kürzere Grundseite 20 des anderen Trapezes. An der Innenseite der Maschenwand in der Mitte der kürzeren Grundseite 20 befindet sich eine in radia­ ler Richtung bezüglich des Brennstabes 3 wirksame Druckfeder 27, die die kraftschlüssige Halterung des Brennstabes 3 in der Masche bewirkt.

In Fig. 2 ist gestrichelt die ein regelmäßiges Sechseck darstellende Maschenkontur einer Masche des gitterförmigen Abstandhalters dargestellt, wie er in dem bekannten Kern­ reaktorbrennelement vorhanden ist. Gestrichelt sind auch starre Anlagenoppen in der Masche dieses gitterförmigen Ab­ standhalters angedeutet, die den starren Anlagenoppen 25 und 26 entsprechen würden. Man erkennt, daß diese gestrichelt dargestellten starren Anlagenoppen sehr tief aus dem Blech der Blechstege 7 und 8 herauszuziehen sind. Da das Blech dieser Blechstege 7 und 8 möglichst dünn sein soll, ist sogar damit zu rechnen, daß beim Ziehen dieser sehr tiefen starren An­ lagenoppen das Material reißen würde. Überdies stellen so tief gezogene starre Anlagenoppen einen erheblichen Strömungswi­ derstand für das Kühlmittel dar, das in einem Druckwasser­ kernreaktor rechtwinklig zur Zeichenebene von Fig. 2 von der Unterseite der Zeichenebene zu deren Oberseite strömen würde. Bei den starren Anlagenoppen 25 und 26 treten hingegen keine Probleme beim Ziehen auf, auch ist der Strömungswiderstand dieser starren Anlagenoppen relativ klein.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, unterscheidet sich eine innere Masche im Zentrum des gitterförmigen Abstandhalters, die dem relativ großen Außendurchmesser des durch sie geführten Haltestabes 2 angepaßt ist, von einer durch die Blechstege 7 und 8 gebildeten inneren Masche mit einem Brennstab 3 dadurch, daß nicht nur die Länge der beiden längeren Grundseiten der beiden konturbildenden Trapeze gleich ist und die Mittelpunkte dieser beiden längeren Grundseiten zusammenfallen, sondern auch dadurch, daß die kürzeren der beiden Grundseiten der beiden Trapeze gleiche Länge haben, die größer ist als die Länge der vier gleichlangen Schenkel der beiden Trapeze. In­ folgedessen unterscheiden sich zwei die Masche mit dem Halte­ stab 2 flankierende Maschen 30 und 31 mit hindurchgeführtem Brennstab 3 von einer durch die Blechstege 7 und 8 gebildeten inneren Masche mit einem Brennstab 3 dadurch, daß die die Maschenkontur bildenden Trapeze längere Grundseiten haben, die zwar beide die eine mit ihrer gesamten Länge die andere über­ deckend in eine Gerade fallen, die jedoch nur einen einzigen gemeinsamen Endpunkt haben.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, trifft jeder von zwei Maschen bildenden Blechstegen, z. B. 7 und 8 mit seinen Stegenden unter einem Winkel auf die Innenseite eines Außensteges in einer Seite 4 des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks, der spiegelbild­ lich in bezug auf die winkelhalbierende Diagonale 10 des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks gleich ist.

Beispielsweise bilden die Blechstege 7 und 8 des gitterförmigen Abstandhalters mit der Kontur entsprechend Fig. 1 an ihren beiden Enden mit einem Außensteg eine äußere Masche des gitter­ förmigen Abstandhalters. Jede dieser beiden äußeren Maschen hat in der Bezugsebene eine Maschenkontur, die die Schenkel und die kürzere Grundseite eines zum Innenraum dieser äußeren Masche hin offenen gleichschenkligen Trapezes enthält. Die längere Grundseite dieses Trapezes fällt in die Gerade 9. Außerdem hat die längere Grundseite einen Mittelpunkt N, in dem sich inner­ halb der Maschenkontur ein Schnittpunkt S der beiden Scharen äquidistanter Geraden 4 und 5 befindet. Damit fällt der Quer­ schnittsmittelpunkt des in den beiden äußeren Maschen befind­ lichen Brennstabes 3 in den Mittelpunkt N. Die Maschenwände dieser äußeren Masche in den Schenkeln und in der kürzeren Grundseite des Trapezes sind an dem Blechsteg 8 ange­ formt.

An den Maschenwänden einer solchen äußeren Masche in den Schenkeln des Trapezes ist vorteilhafterweise je eine starre Anlagenoppe 25 und 26 für den durch diese äußere Masche ge­ führten Brennstab 3 wie bei der Masche mit der Maschenkontur nach Fig. 2 hineingezogen. Diesen beiden starren Anlagenoppen gegenüber ist eine in die Masche ragende Druckfeder 27 für den Brennstab 3 angeordnet, die in radialer Richtung in bezug auf diesen Brennstab wirksam ist.

Wie Fig. 1 zeigt, sind in den gitterförmigen Abstandhalter mit der Kontur entsprechend Fig. 1 die Querschnittsmittelpunkte von jeweils drei benachbarten Brennstäben 3 bzw. von dem Haltestab 2 und zwei ihm benachbarten Brennstäben 3 in erwünschter Weise stets in den Ecken eines gleichseitigen Drei­ ecks angeordnet. Die gleichseitigen Dreiecke, von denen bei­ spielsweise eines in Fig. 1 mit 35 bezeichnet ist, sind deckungsgleich.

Wie Fig. 3 zeigt, stoßen beispielsweise die beiden Blechstege 7 und 8 jeweils an zwei flachen Teilstücken a und b aneinander, und das flache Teilstück b des Blechsteges 8 weist ein Fenster c auf, in das das flache Teilstück a des Blechsteges 7 eingepaßt ist. An seinen Kanten ist dieses flache Teilstück a mit den Kanten des Fensters c im flachen Teilstück b verschweißt, so daß die beiden flachen Seiten der Teilstücke a des einen Blechsteges und b des anderen Blechsteges sich jeweils in derselben Ebene befindet. Auf diese Weise wird Doppelwandigkeit an den Stellen der beiden Blechstege 7 und 8 vermieden, an denen diese beiden Blechstege aneinander stoßen. Dadurch wird eine relativ gute Neutronenökonomie in dem Druck­ wasserkernreaktor erzielt, in dem das Kernreaktorbrennelement eingesetzt ist.

Claims (11)

1. Kernreaktorbrennelement mit nebeneinander und zueinander parallel, mit Abstand voneinander angeordneten Stäben, von denen wenigstens einer ein Kernbrennstoff enthaltender Brenn­ stab ist und die durch jeweils eine Masche eines gitterförmi­ gen Abstandhalters geführt sind, sowie mit folgenden Merkmalen:

• a) der gitterförmige Abstandhalter hat hochkant angeordnete Außenstege aus Blech, die in einer zu den Stäben (2; 3) rechtwinkligen Bezugsebene die Kontur eines regelmäßigen Außensteg-Sechseck bilden,
• b) die Positionen der Querschnittsmittelpunkte der Stäbe sind in der Bezugsebene wenigstens annähernd die Schnitt­ punkte (S) einer ersten Schar äquidistanter, zu zwei zueinander parallelen Seiten (4) des regelmäßigen Außen­ steg-Sechsecks parallelen Geraden (5) mit einer zweiten Schar äquidistanter, zu zwei anderen zueinander parallelen Seiten (4) des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks parallelen Geraden (6), von denen zwei benachbarte Geraden (6) jeweils den gleichen Abstand haben wie zwei benachbarte Geraden (5) der ersten Schar,
• c) der gitterförmige Abstandhalter weist eine innere Masche auf, die in der Bezugsebene eine Maschenkontur hat, welche aus den Außenkonturen zweier gleichschenkliger, jeweils zwei parallele Grundseiten (20; 21) aufweisender Trapeze mit gleichlangen Schenkeln (22; 23) zusammengesetzt ist, deren längere Grundseiten beide die eine mit ihrer gesamten Länge die andere überdeckend in eine Gerade (9) fallen, die rechtwinklig zu einer winkelhalbierenden Diagonalen (10) des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks ist und von der die beiden kürzeren Grundseiten gleichen Abstand haben,
• d) die Maschenwände der inneren Masche sind an zwei hochkant angeordneten, mit jedem Stegende an der Innenseite eines Außensteges befestigten Blechstegen (7; 8) ausgeformt, die flach längs der Geraden (9) aneinanderstoßen, in die die längeren Grundseiten der Trapeze und innerhalb der Maschen­ kontur ein in dem Mittelpunkt (M) wenigstens einer dieser beiden längeren Grundseiten befindlicher Schnittpunkt (S) der beiden Scharen äquidistanter Geraden fallen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der kürzeren Grundseiten (20, 21; 30, 31) der beiden gleichschenkligen Trapeze nach c) eine andere Länge hat als die vier gleichlangen Schenkel (22, 25) dieser Trapeze.

2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der kürzeren Grundseite (21) eines der beiden Trapeze nach c) kleiner ist als die der kürzeren Grundseite (20) des anderen Trapezes und daß sich der Schnittpunkt (S) nach d) im Mittel­ punkt der längeren Grundseite des Trapezes mit der kleineren Länge der kürzeren Grundseite (21) befindet.

3. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endpunkt der längeren Grundseite des einen der beiden Trapezen nach c) und ein Endpunkt der längeren Grundseite des anderen dieser beiden Trapeze zusammenfallen.

4. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel­ punkte der beiden längeren Grundseiten der beiden Trapeze nach c) und der Schnittpunkt (S) nach d) zusammenfallen.

5. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kürze­ ren Grundseiten der beiden Trapeze nach c) gleiche Länge haben und daß die Mittelpunkte der beiden längeren Grundseiten dieser Trapeze und der Schnittpunkt (S) nach d) zusammen­ fallen.

6. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der gleichlangen kürzeren Grundseiten (40, 41) der bei­ den Trapeze nach c) größer ist als die Länge der vier Schenkel (22, 23) dieser Trapeze.

7. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Maschenwänden in den beiden Schenkeln (25) des Trapezes nach c), dessen kürzere Grundseite (21) eine geringere Länge hat als die kürzere Grundseite (20) des anderen Trapezes nach c), je eine in die Masche hineingezogene starre Anlagenoppe (25, 26) für einen durch die Masche geführten Stab (3) be­ findet, während an der Maschenwand in der kürzeren Grundseite (20) dieses anderen Trapezes eine in die Masche ragende Druckfeder (27) für den Stab angeordnet ist.

8. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Blechstege (7, 8) mit seinen Stegenden unter einem spiegelbildlich in bezug auf die winkelhalbierende Diagonale (10) des regelmäßigen Außensteg-Sechsecks gleichen Winkel auf die Innenseite eines Außensteges trifft.

9. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß eine äußere Masche (36) des gitterförmigen Abstandhalters, die eine von den beiden Blechstegen (7, 8) und von einem Außensteg gebildete Maschenwand aufweist, eine Maschenkontur in der Bezugsebene hat, die die Schenkel (23) und die kürzere Grundseite (21) eines zum Innenraum der äußeren Masche hin offenen gleichschenkligen Trapezes enthält, dessen längere Grundseite in die Gerade (9) fällt, längs der die beiden Blechstege (7, 8) aneinanderstoßen, und dessen längere Grund­ seite einen Mittelpunkt (N) hat, in dem sich innerhalb der Maschenkontur ein Schnittpunkt der beiden Scharen äquidistan­ ter Geraden befindet, und
daß die Maschenwände dieser äußeren Masche in den Schenkeln (23) und in der kürzeren Grundseite (21) des Trapezes an einem (8) der beiden Blechstege angeformt sind.

10. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß sich an den Maschenwänden der äußeren Masche (36) in den Schenkeln (23) des Trapezes je eine in die äußere Masche (36) hineinge­ zogene starre Anlagenoppe (25, 26) für einen durch die äußere Masche (36) geführten Stab (3) befindet und
daß diesen beiden starren Anlagenoppen (25, 26) gegenüber eine in die Masche (36) ragende Druckfeder (27) für den Stab (3) an einer Maschenwand angeordnet ist.

11. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Blechstege (7, 8) an zwei flachen Teilstücken (a, b) aneinan­ derstoßen,
daß das flache Teilstück (b) eines ersten Blechsteges (8) ein Fenster (c) aufweist und
daß das flache Teilstück (a) des zweiten Blechsteges (7) in das Fenster (c) eingepaßt und an seinen Kanten mit den Kanten des flachen Teilstücks (b) des ersten Blechsteges (8) in dem Fenster (c) verbunden ist.