DE69012606T2

DE69012606T2 - Kernbrennstab-Abstandshalter.

Info

Publication number: DE69012606T2
Application number: DE69012606T
Authority: DE
Inventors: Edmund Emroy Demario
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1990-02-07
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: EP0384220B1; KR0175928B1; JP2823054B2; DE69012606D1; EP0384220A3; EP0384220A2; KR900013525A; ATE112087T1; ES2058624T3; JPH02248894A; US4923669A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kernbrennelemente und mehr im einzelnen auf ein Kernbrennstabhaltegitter hierfür.
Bei den meisten Kernreaktoren besteht der Reaktorkern aus einer großen Anzahl länglicher Brennelemente, die jeweils eine Vielzahl von Brennstäben umfassen, die in einer organisierten Anordnung mittels einer Mehrzahl von Gittern gehalten werden, die mit Axialabständen entlang des Brennelements angeordnet und an länglichen Steuerstabführungsrohren befestigt sind, die geringfügig über die oberen und unteren Enden der Brennstäbe hinausragen und an deren entgegengesetzten Enden ein Kopfstück bzw. ein Fußstück befestigt ist. Die Gitter dienen bekanntermaßen dazu, die Brennstäbe seitlich abzustützen und sie in genauem gegenseitigem Abstand zu halten, Stabschwingungen zu vermeiden, und in gewissem Maße auch die Stäbe reibschlüssig gegen eine Längsbewegung zu sichern. Im US-Patent 4 492 844, das dem Erwerber der vorliegenden Erfindung übertragen ist, ist ein Gitter beschrieben, das aus einer Vielzahl von inneren und äußeren Streifen zusammengesetzt ist, die so ineinandergreifen, daß sie eine eierkistenartige Konfiguration darstellen, die eine Vielzahl von Zellen zum Einzelnen aufnehmen von Brennstäben und Steuerstabführungsrohren bilden. In den Zellen sind verhältnismäßig nachgiebige Federn und/oder verhältnismäßig starke Vorsprünge (Noppen genannt) aus dem Metall der ineinandergreifenden Streifen herausgeformt und springen von da aus zu den Mitten der betreffenden Zellen hin weit genug vor, um die betreffenden Brennstäbe, wenn sie hindurchverlaufen, reibschlüssig zu erfassen. Die Enden der inneren Streifen sind mit den äußeren Streifen verbunden, die umfangsmäßig um das Gitter herum verlaufen und miteinander verbunden sind, um so dem gesamten Gitter Festigkeit und Steifigkeit zu verleihen.
Die brennstabergreifenden Federn dieser herkömmlichen Gitterkonstruktion haben eine vertikale Orientierung, d.h. sie verlaufen parallel zu den Längsachsen der Gitterzellen. Deswegen und weil die Federn eine gewissen Länge haben müssen, um die gewünschte Elastizität zu besitzen, haben die Gitter eine beträchtliche Höhe, wodurch sowohl die Menge von parasitärem Konstruktionsmaterial im Brennelement wie auch der Druckabfall des durch das letztere strömenden Kühlmittels vergrößert wird.
Um den Druckabfall der Kühlflüssigkeit beim Strömen durch ein Gitter zu verringern, schlägt das US-Patent 4 756 878 vor, die stromaufwärtigen Kanten der Gitterstreifen konvex zu konturieren und die stromabwärtigen Kanten zu verjüngen. Mehr im einzelnen wird eine stromlinienförmige Ausbildung der stromaufwärtigen Gitterstreifenkanten vorgeschlagen, in dem ihnen durch Abschrägen (Pressen) und Atzen, Schleifen, Elektronen- oder Laserstrahlschmelzen oder dgl. eine halbzylindrische oder halbelektrische Form gegeben wird.
Der Erfindung liegt die grundsätzliche Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gitterkonstruktion zu schaffen, die den Druckabfall noch weiter verringert.
Dementsprechend besteht die Erfindung in einem Kernbrennstabhaltegitter, wie es im anliegenden Hauptanspruch und in den nachgeordneten Unteransprüchen angegeben ist.
Versuche haben gezeigt, daß eine vollständige Abschrägung sowohl der stromaufwärtigen als auch der stromabwärtigen Kanten der brennstaberfassenden Elemente, wie beispielsweise Noppen- und Federkonstruktionen, in einem Brennstabhaltegitter zu einer beträchtlichen Verringerung des Druckgefälles führt. Mehr im einzelnen hat sich gezeigt, daß beidseitige Abschrägungen an beiden Längskanten der äußeren Teile der Noppenelemente den Druckabfall um bis zu 10% verringern, und daß das Anbringen von Abschrägungen an beiden Längskanten der Federelemente in einer Verringerung des Druckabfalls in etwa gleichem Maße ergeben. Es hat sich außerdem gezeigt, daß eine Abschrägung beider Kanten bessere Strömungseigenschaften über den Noppenelementen ergibt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr lediglich beispielshalber mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine teilgeschnittene Ansicht eines Brennelementes mit Haltegittern nach der Erfindung, wobei das Brennelement in vertikal verkürzter Form und mit der Klarheit halber abgebrochenen Teilen dargestellt ist,
Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht eines der Haltegitter des in Fig. 1 gezeigten Brennelements,
Fig. 3 eine vergrößerte Seitenteilansicht eines inneren Streifens des in Fig. 2 gezeigten Gitters,
Fig. 4 einen vergrößerten Horizontalteilschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3,
Fig. 5 einen vergrößerten Horizontalteilschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3,
Fig. 6 einen vergrößerten Vertikalteilschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 4,
Fig. 7 einen vergrößerten Vertikalteilschnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 4,
Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Seitenansicht nach Fig. 3, wobei die Konfiguration eines Federelements vor dem Biegen in eine endgültige Form dargestellt ist,
Fig. 9 eine Schnittdarstellung längs der Linie 9-9 in Fig. 8, welche die Konfiguration des Federelements nach dem Biegen des Federelements in seine endgültige Form zeigt,
Fig. 10 einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie 10-10 in Fig. 8, und
die Fig. 11 und 12 vergrößerte Teilschnitte längs der Linien 11-11 bzw. 12-12 in Fig. 8.
In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen Darstellungen der Zeichnungen, und Begriffe wie vorwärts", "rückwärts", "links", "rechts", "aufwärts", "abwärts" und dgl. sind lediglich zweckmäßigkeitshalber verwendet und nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen.
Nunmehr wird auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen. Das dort dargestellte Brennelement, das allgemein mit 10 bezeichnet ist, gehört der in Druckwasserreaktoren (PWR) verwendeten Bauart an. Grundsätzlich weist es eine untere Endkonstruktion bzw. ein Fußstück 12 zum Abstützen des Brennelements auf der unteren Kerntragplatte (nicht dargestellt) im Kernbereich eines Reaktors (nicht dargestellt), eine Anzahl von Führungsrohren 14, die vom Fußstück 12 nach oben verlaufen, eine Anzahl von Quergittern 16, die mit Axialabständen entlang der Führungsrohre 14 angeordnet und von diesen gehalten sind, eine Vielzahl von länglichen Brennstäben 18, die von den Gittern 16 in einer organisierten Anordnung mit Querabständen gehaltert sind, ein Instrumentierungsrohr 20 in der Mitte des Brennelements, und eine obere Endkonstruktion bzw. ein Kopfstück 22 auf, das an den oberen Enden der Führungsrohre 14 befestigt ist. Jeder Brennstab 18 enthält Kernbrennstofftabletten 24, die aus spaltbarem Material hergestellt sind, und ist an seinen beiden Enden mittels Endstopfen 26, 28 gasdicht abgeschlossen. Gewöhnlich ist eine Endkammerfeder 30 zwischen dem oberen Endstopfen 26 und den Tabletten 24 angeordnet, um die Tabletten fest gepackt zu halten. Im Betrieb des Reaktors wird ein flüssiges Moderator/Kühlmittel wie beispielsweise Wasser oder borhaltiges Wasser nach oben durch die Brennelemente des Reaktorkerns hindurchgepumpt, um darin erzeugte Wärme zum Zwecke der Erzeugung von Nutzarbeit abzuführen.
Dem Kopfstück 22 ist ein Steuerstabbündelmechanismus 34 zugeordnet, der ein mit Innengewinde versehenes zylindrisches Bauteil 36 mit radial wegragenden Speichen bzw. Armen 38 aufweist, die mit in den Führungsrohren 14 beweglichen Steuerstäben 32 verbunden sind. Der Steuerstabmechanismus 34 ist betätigbar, um die Steuerstäbe 32 axial in den Führungsrohren 14 zu verschieben, um den Spaltvorgang im Brennelement 10 in bekannter Weise zu regeln. Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Brennstabhaltegitter 16 nach der Erfindung, wobei das Gitter 16 aus einer Vielzahl von inneren und äußeren Streifen 40, 42 besteht, in denen die Schlitze 44 gebildet sind, mittels derer die Streifen eierkistenartig ineinandergreifend angeordnet sind, so daß sie eine Matrix hohler und offenendiger Zellen 46 und eine Mehrzahl von Zellen 48 bilden. Die Zellen 46 sind für die Aufnahme jeweils eines der Brennstäbe 18 ausgelegt, während in den Öffnungen 48 Hülsen 50 eingesetzt sind, die an den betreffenden inneren Streifen 40 befestigt sind und zur Befestigung des Gitters 16 an den Führungsrohren 14 dienen.
Jede Zelle 46 zur Aufnahme eines Brennstabs 18 weist eine Längsachse A auf, die etwa parallel zu den die Zellenwänden verlaufenden Streifenabschnitten und zur Strömungsrichtung des Kühlmittels durch die Zelle verläuft. Jeder zellenbildende Wandabschnitt 54 der äußeren Streifen 42 weist zwei quer (horizontal) verlaufende und vertikal (axial) beabstandete brennstabergreifende Elemente in Form von Noppenelemen ten (nicht dargestellt) auf, die damit einstückig ausgebildet sind und in die benachbarte Zelle 46 vorspringen. Jeder zellenbildende Wandabschnitt 52 der inneren Streifen 40 ist zwei benachbarten Zellen gemeinsam zugeordnet und weist zwei damit einstückig ausgebildete quer (horizontal) verlaufende und vertikal (axial) beabstandete brennstabergreifende Elemente in Form von Noppenelementen 56 und ein querverlaufendes brennstabergreifendes Element in Form eines diagonalen Federelements 58 auf, das zwischen den Noppenelementen 56 angeordnet ist. Die Noppenelemente 56 springen von dem zugehörigen Wandabschnitt 52 nach dessen einer Seite in die benachbarte Zelle 46 hinein vor, und das Federelement 58 springt vom gleichem Wandabschnitt 52 nach dessen anderer Seite in die benachbarte Zelle vor. Folglich sind jeder Zelle 46 des Gitters 16 sechs stabergreifende Elemente zugeordnet, nämlich vier Noppenelemente 56 und zwei Federelemente 58, so daß ein durch die Zelle hindurchverlaufender Brennstab 18 an sechs umfangsmäßig und axial beabstandeten Stellen berührt wird.
Gemäß den Fig. 4 bis 7 sind die Noppenelemente 56 aus einem elastisch nachgiebigem flexiblen Material hergestellt, beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder Zircaloy, wobei sie jeweils, beispielsweise durch Stanzen und Pressen, aus dem betreffenden Wandabschnitt 52 des betreffenden inneren Streifens heraus geformt sind. Jedes Noppenelement 56 weist zwei beabstandete Schenkel- bzw. äußere Teile 60 und dazwischen einen Mittelteil 62 auf. Die äußeren Teile 60 jedes Noppenelementes 56 sind an ihren äußeren Enden einstückig mit dem betreffenden Wandabschnitt 52 verbunden und verlaufen entgegengesetzt geneigt mit Bezug auf den Wandabschnitt 52 von diesem weg und fluchtend miteinander und zueinander hin. Der Mittelteil 62 jedes Noppenelements 56 ist an seinen äußeren Enden mit den inneren Enden der betreffenden äußeren Teile 62 einstückig verbunden. Aufgrund der besonderen Orientierung des Noppenelements 56 verlaufen sowohl seine äußeren Teile 60 als auch sein Mittelteil 62 etwa quer mit Bezug auf die Kühlmittelströmungsrichtung durch die Zelle 46.
Die äußeren Teile 60 und der Mittelteil 62 jedes Noppenelements 56 weisen jeweils zwei entgegengesetzte Kanten 60A und 62A auf, die längsweise verlaufen und ineinander übergehen. Gemäß der Erfindung hat jede Außenteilkante 60A eine vorzugsweise doppelseitige Abschrägung 64, und die Mittelteilkante 62A weist eine vorzugsweise einfache bzw. einseitige Abschrägung 66 auf, wobei die einseitige Abschrägung 66 länger als die beidseitige Abschrägung 64 ist, beispielsweise zweimal so lang. Die äußeren Teile 60 und der Mittelteil 62 haben eine etwa ebene Konfiguration, und jede Seite der betreffenden Abschrägungen 64, 66 verläuft unter einem Winkel im Bereich von 45 ± 50 mit Bezug auf die Ebenen des jeweiligen Außen- bzw. Mittelteils. Jede Kante 62A des Mittelteils 62 weist außerdem einen entlang und außerhalb der jeweiligen einseitigen Abschrägung 66 verlaufenden Rand 67 auf.
Wie aus den Fig. 8 bis 12 ersichtlich ist, bestehen die brennstabergreifenden Federelemente 58 ebenfalls aus elastisch nachgiebigem flexiblem Material, beispielsweise rostfreiem Stahl oder Zircaloy, wobei jedes Federelement 48, beispielsweise durch Stanzen und Pressen, aus dem betreffenden Wandabschnitt 52 des betreffenden inneren Streifens 40 in Zuordnung mit einer der Zellen 46 des Gitters 16 herausgeformt ist. Jeder innere Gitterstreifenwandabschnitt 52 weist zwei darin gebildete Ausschnitte auf, die Fenster 68 an entgegengesetzten Seiten seines Federelements 48 bilden, wobei das letztere etwa diagonal zwischen den Fenstern 68 verläuft und einstückig mit diagonal gegenüberliegenden oberen und unteren Teilen des zugehörigen Wandabschnitts 52 verbunden ist.
Grundsätzlich ist jedes diagonale Federelement 58 einstückig aus zwei beiderseitigen äußeren Teilen 70 und einem dazwischen befindlichen mittleren bzw. inneren Teil 72 zusammengesetzt. Die beabstandeten äußeren Teile 70 jedes Federelements 48 sind an ihren jeweiligen äußeren Enden mit oberen und unteren Teilen des zugehörigen Wandabschnitts 42 einstückig verbunden, und sie verlaufen fluchtend miteinander im wesentlichen diagonal, vorzugsweise unter 450 mit Bezug auf die mittige Längsachse A der zugehörigen Gitterzelle 46 und folglich zur Kühlmittelströmungsrichtung durch die Gitterzelle. Der innere Teil 72 jedes Federelements 48 ist an seinen beiderseitigen äußeren Enden mit den inneren Enden der betreffenden äußeren Teile 70 einstückig verbunden und verläuft in gleicher Weise etwa diagonal mit Bezug auf die Richtung der Kühlmittelströmung durch die zugeordnete Zelle 46.
Die äußeren Teile 70 und der Mittelteil 72 jedes Federelments 48 weisen jeweils zwei gegenüberliegende Kanten 70A und 72A auf, die längsweise verlaufen und ineinander übergehen. Jede der Außenteilkanten 70A und der Mittelteilkanten 72A haben eine Abschrägung 74, vorzugsweise eine einfache bzw. einseitige Abschrägung, die im wesentlichen identisch zu den einseitigen Abschrägungen 66, 74 der Noppenelemente 56 ist. Die äußeren Teile 70 und der Mittelteil 72 jedes Federelements 48 haben eine etwa ebene Konfiguration, wobei die Seite jeder Abschrägung 74 unter einem Winkel im Bereich von 45 ± 50 relativ zu Ebene des betreffenden Außen- bzw. Mittelteils hergestellt ist. Jede Kante 70A, 72A der Außenteile 70 und des Mittelteils 72 haben außerdem einen entlang und außerhalb der einseitigen Abschrägung 74 gebildeten Rand 76.
Beidseitige Abschrägungen 78 sind außerdem an den Kanten 80 der Fenster 68 vorgesehen. Anhand der Fig. 4 bis 7 ist deutlich ersichtlich, daß die jeweils die Abschrägungen 64 und 66 auf den betreffenden Längskanten der Noppenelemente 56 relativ geneigt zu und ausschließlich zwischen Ebenen verlaufen, welche die beiderseitigen Flächen der die abgeschrägten Kanten aufweisenden Teile der Federelemente enthalten und im wesentlichen parallel zur Richtung der Kühlmittelströmung durch die Zellen 46 verlaufen.

Claims

1. Kernbrennstabhaltegitter (16), das aus inneren und äußeren Streifen (40, 42) zusammengesetzt ist, die zur Bildung einer Matrix von offenendigen Zellen (46) ineinandergreifend angeordnet sind, die jeweils einen Brennstab (18) aufnehmen und durch Paare von gegenüberliegenden Wandabschnitten (52) der inneren Streifen gebildet sind, wobei jeder Wandabschnitt (52) zwei benachbarten Zellen (46) gemeinsam zugeordnet ist und mindestens ein brennstabergreifendes Element (56, 58) aus elastisch nachgiebigem Material aufweist, das daran gebildet ist und in einer Richtung etwa quer zur Richtung der Kühlmittelströmung durch die betreffende Zelle (46) verläuft, wobei jedes brennstabergreifende Element (56, 58) zwei beabstandete beiderseitige äußere Teile (60, 70), deren äußeren Enden mit dem betreffenden Wandabschnitt (52) verbunden sind und von dem letzteren in entgegengesetzt geneigter Orientierung relativ dazu verlaufen, und einen Mittelteil (62, 72) aufweist, der zwischen den äußeren Teilen (60, 70) verläuft und mit seinen äußeren Enden mit den inneren Enden der äußeren Teile verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der äußeren Teile (60, 70) und der Mittelteil (62, 72) beiderseitige Längskanten (60A, 62A, 70A, 72A) aufweist, die jeweils mit einer Abschrägung (64, 66, 74) versehen sind, die an mindestens einer Seite gebildet ist und mit Bezug auf die beiderseitigen Flächen des betreffenden äußeren oder Mittelteils, die im wesentlichen parallel mit der Kühlmittelströmungsrichtung sind, geneigt sind und ausschließlich zwischen diesen verlaufen.

2. Kernbrennstabhaltegitter (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Außen- bzw. Mittelteil (60, 62, 70, 72) eine im wesentlichen ebene Konfiguration hat.

3. Kernbrennstabhaltegitter (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede Seite jeder Abschrägung (64, 66, 74) unter einem Winkel im Bereich von 45 ± 50 mit Bezug auf die genannten Ebenen geneigt ist.

4. Kernbrennstabhaltegitter (16) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelteil (62, 72) einen Rand (67, 76) aufweist, der entlang und außerhalb der Abschrägung (66, 74) auf jeder seiner Längskanten (62A, 72A) verläuft.

5. Kernbrennstabhaltegitter (16) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägung (66, 74) auf jeder Längskante (62A, 72A) des Mittelteils (62, 72) eine einseitige Abschrägung (66, 74) ist.

6. Kernbrennstabhaltegitter (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das brennstabergreifende Element ein Noppenelement (56) ist, das im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Kühlmittelströmung verläuft, und daß die Abschrägung auf jeder Längskante (60) jedes äußeren Teils (60) des Noppenelements (56) eine doppelseitige Abschrägung (64) ist.

7. Kernbrennstabhaltegitter (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das brennstabergreifende Element ein Federelement (58) ist, das im wesentlichen diagonal mit Bezug auf die Richtung der Kühlmittelströmung verläuft, und daß die Abschrägung auf jeder Längskante (70A) jedes äußeren Teils (70) des Federelements (58) eine einseitige Abschrägung (74) ist.

8. Kernbrennstabhaltegitter (16) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Außenteil (70) des Federelements (58) einen Rand (76) aufweist, der entlang und außerhalb der Abschrägung (74) an jeder seiner Längskanten (70A) verläuft.

9. Kernbrennstabhaltegitter (16) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandabschnitt (52) der inneren Streifen (40) ausgeschnittene Bereiche aufweist, die Fenster (68) entlang beider Längskanten (70A, 72A) des Federelements (58) bilden, und daß die Ausschnitte Kanten (80) mit jeweils daran gebildeten beidseitigen Abschrägungen (78) haben.