DE69111874T2

DE69111874T2 - Abstandshalter und Feder für Kernbrennstabbündel.

Info

Publication number: DE69111874T2
Application number: DE69111874T
Authority: DE
Inventors: Eric Bertil Johansson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1991-03-25
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2011-03-26
Also published as: DE69111874D1; EP0452706B1; US5069864A; NO911461D0; JPH0731264B2; JPH04249793A; ES2077095T3; EP0452706A1; NO911461L

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abstandshalter, der zum Positionieren von Brennstoffstäben in einer Kernbrennstoffanordnung verwendbar ist, und Federn dafür und insbesondere auf einen Abstandshalter mit einer Feder zum Vorspannen eines Brennstoffstabes gegen einen Abschnitt des Abstandshalters, wobei die Feder einen verkleinerten Raum einnimmt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In einem bekannten Leistungs-Kernreaktor, beispielsweise einem Siedewasserreaktor, ist Kernbrennstoff in der Form von langgestreckten Stäben vorgesehen. Der Kernbrennstoff liegt typisch in der Form von Uran- und/oder Plutoniumoxyd-Pellets vor, die in Zircaloy-Röhren eingeschlossen sind. Eine Anzahl derartiger Brennstoffstäbe sind in Gruppen zusammen an einem am Ende offenen rohrförmigen Strömungskanal angeordnet. Der Brennstoffkanal mit den darin angeortneten Brennstoffstäben wird als eine "Brennstoffanordnung" oder ein "Bündel" bezeichnet. Mehrere Brennstoffanordnungen sind in dem Reaktorkern in einer Matrix herausnehmbar angeordnet. Der auf diese Weise gebildete Reaktorkern ist für eine sich selbst unterhaltende Spaltreaktion geeignet. Der Kern ist in ein Fluid untergetaucht, wie beispielsweise leichtes Wasser, das sowohl als ein Kühlmittel als auch ein Neutronenmoderator dient.
Die Brennstoffstäbe in einer Brennstoffanordnung werden zwischen oberen und unten Ankerplatten gehaltert. Das Kühlmittel strömt über die Brennstoffstäbe in den zwischen den Stäben gebildeten Räumen. Um für eine richtige Kühlmittelströmung zu sorgen und die Integrität der Brennstoffstäbe beizubehalten, ist es wichtig, die Stäbe in eine bevorzugten Abstandsrelation zu halten und sie daran zu hindern, slch während des Reaktorbetriebes zu biegen und zu schwingen.
Um einen gleichförmigen Abstand beizubehalten, sind mehrere Brennstoffstab-Abstandshalter im Abstand entlang der Länge der Brennstoff anordnung für diesen Zweck vorgesenen. Typisch weist ein Abstandshalter mehrere im allgemeinen zylindrische Endringelemente auf. Ein Beispiel für einen Abstandshalter, der in einer Brennstoffanordnung verwendbar ist, ist derjenige, der in dem US-Patent 4 508 679, erteilt am 02. April 1989 für Matzner u.a. gezeigt ist. Wie bei Matzner u.a. gezeigt ist, besteht ein Verfahren zum Positionieren eines Brennstoffstabs innerhalb der Endringelemente von einem Abstandshalter darin, ein Federteil zum Vorspannen des Brennstoffstabes gegen feste Anschläge in den Endringen vorzusehen. Die in dem US-Patent 4 508 679 gezeigze Feder hat die Form von einer durchgehenden Schleife mit einer im allgemeinen elliptischen Form. Die Federn sind in dem Bereich zwischen den Stäben angeordnet.
Bekannte Brennstoffanordnungen sind mit Stab-zu- Stab-Abständen (d.h. Abständen zwischen den äußeren Umfängen von benachbarten Stäben) von etwa 3mm bis etwa 4mm etwa 0,125 Zoll bis etwa 0,160 Zoll) gebaut worden. Moderne Brennstoffbündel sind so aufgebaut, daß sie einen verkleinerten Stab-zu-Stab-Abstand haben, beispielsweise weniger als etwa 2,8mm (etwa 0,11 Zoll), vorzugsweise etwa 2,5mm (etwa 0,1 Zoll). Derartige Abstände treten in modernen Brennstoffstabfeldern auf, die Matrixdichten von 9x9 oder höher haben.
Die Länge und Breite der Federn ist ebenfalls durch den Aufbau der Abstandshalter begrenzt. Die Federlänge muß kleiner sein als die Federhöhe, damit die Feder in dem Abstandshalter eingefangen werden kann. Wenn die Höhe des Abstandshalters vergrößert wird, wird der Druckabfall durch den Abstandshalter vergrößert. Wenn die Federbreite vergrößert wird, blockiert die Feder mehr Strömungsfläche und bewirkt einen erhöhten Druckabfall.
Es ist eine nominale Federkraft von etwa 1 kg (2,5 Pfund) erforderlich. Während der Montage und des Transports können Auslenkungen, die größer als die nominale Auslenkung sind, auftreten. Zusätzlich können Abmessungsabweichungen von den nominalen Werten erhöhte Auslenkungen herbeiführen. Die Feder muß in der Lage sein, diese zusätzlichen Auslenkungen zu absorbieren, onne eine dauerhafe Auslenkung zu erleiden.
Zusammenfassend sollte die Feder für eine gegebene nominale Kraft sorgen und in der Lage sein, Ablenkungen über den nominalen Wer hinaus aufzunehmen, während sie in einen kleinen Raum paßt. Die hier beschriebene Feder sorgt für die erforderliche nominale Kraft und hat eine größere Auslenkung vor dem Beginn einer permanenten Auslenkung als (die Schleifenfeder unter den oben beschriebenen Konstruktionseinschränkungen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es wird eine Feder zur Befestigung an einem Abstandshalter offenbart, wobei die Feder aus einem einzigen Federschenkel gebildet ist. Der einzige Federschenkel ist zu einer oberen Schleife gebogen, um einen ersten Endringabschnitt zu umgeben für eine Halterung von dem Abstandshalter an dem oberen Ende. In ähnlicher Weise ist der einzige Federschenkel zu einer unteren Schleife gebogen, um einen zweiten Endringabschnitt zu umgeben für eine Halterung von dem Abstandshalter an dem unteren Ende.
Der einzige Federschenkel bildet in dem Mittelabschnitt einen konvexen und bogenförmigen Punktkontakt für einen Kontakt und ein Vorspannen eines Brennstoffstabes relativ zu dem Abstandshalter.
Die oberen und unteren Schleifen, wie sie von dem Endring gehaltert werden, sind mit Punkthalterungen an dem Endring an der Innenseite von jeder Schleife versehen. Die Schleifen drücken gegen den Abstandshalter an diesen Halterungspunkten entgegengesetzt zu der Kraft der Feder auf den Brennstoffstab. Die Schleifen sind jedoch frei, sich relativ zu diesen Halterungspunkten zu drehen, wenn der Federschenkel ein Biegemoment durchläuft. Einfach ausgedrückt, es gibt eine einfache Trägerhalterung an jedem Ende der Feder.
Im Gegensatz dazu können sich die oberen und unteren Enden der bekannten Schleifenfeder nicht drehen. Für die gleiche Länge ist die Schleifenfeder viel steifer als die hier offenbarte Feder.
Die Feder sorgt für eine Kraft auf den Brennstoffstab zwischen etwa 0,5 kg bis etwa 2 kg (etwa 1 Pfund und etwa 4 Pfund), vorzugsweise von etwa 1 kg (etwa 2,5 Pfund), obwohl sie zwischen Stäben enthalten ist, die einen Stab- zu-Stab-Abstand von nur etwa 2,5 mm (nur etwa 0,1 Zoll) haben.
Die Federn sind mit einer Feder für jeden Brennstoffstab verteilt. Jede Feder ist auf einem Ohr angebracht, das durch einen Schlitz in der Endringwand gebildet ist. Ein unterschiedlich geformter Schlitz in einem benachbarten Endring verriegelt die Feder und verhindert, daß sie aus den Ohren herausgleitet.
Die bekannten Schleifenfedern haben eine gleichförmige Breite über der gesamten Feder. Eine effizientere Feder kann aufgebaut werden, wenn eine ungleichförmige Breite verwendet wird. Jedoch ist eine Schleifenfeder mit einer ungleichförmigen Breite sehr schwierig zu fertigen und würde sehr teuer sein. Die hier offenbarten Federn würden in der Weise gefertigt werden, daß mit einem flachen Band begonnen wird und die gewünschte Änderung in der Breite gestanzt wird. Das entstehende Band wird dann in die gewünschte Form gebogen.
Eine verminderte Breite nahe den Enden der Feder minimiert eine Blockierung der Strömung durch die Feder und ein Neutroneneinfangen durch die Feder.
Die Feder kann eine überschüssige Auslenkung aufnehmen, ohne deformiert zu werden, und gestattet eine Montage mit einem Plastiküberzug über den Brennstoffstäben, um ein Verkratzen des Äußeren der Brennstoffstabauskleidung zu verhindern.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine aufgeschnittene Teilansicht, teilweise im Schnitt, von einem Kernbrennstoffbündel;
Figur 2 ist elne Draufsicht auf einen bekannten Brennstoffstab-Abstandshalter;
Figur 3 ist eine Seitenansicht, teiiweise im Schnitt, von dem Abstandshalter gemäß Figur 2;
Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht von einer Schleifenfeder, die in bekannten Vorrichtungen vorgesehen ist;
Figur 5 ist eine Ansicht von oben auf zwei benachbarte Endringe und eine dazwischen liegende Feder von bekannten Vorrichtungen;
Figur 6 ist eine Vorderansicht von den Endringen gemäß Figur 5, teilweise im Querschnitt;
Figur 7 ist eine Seitenansicht von einem Endring, der in bekanntan Vorrichtungen vorgesehen ist;
Figur 8 ist eine Querschnittsansicht von einem Endring entlang der Linie 8-8 in Figur 7;
Figur 9 ist eine Ansicht von oben auf drei benachbarte Endringe und zugeordnete Federn gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 10 ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, von den Endringen und Federn gemäß Figur 9;
Figur 11 ist eine Ansicht von oben auf einen Endring, der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
Figur 12 ist eine Seitenansicht von dem Endring gemäß Figur 11;
Figur 13 ist eine Seitenansicht von einem Endring gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 14 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 14-14 in Figur 13,
Figur 15 ist eine Detaildarstellung von dem Schleifenabschnitt von einer Feder gemäß dar vorliegenden Erfindung, wobei eine übersteigert gedrehte Konfiguration der Feder in gestrichelten Linien gezeigt ist;
Figur 16 ist eine Seitenansicht dar Federdetaildarstellung gemäß Figur 15;
Figur 17 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel in einer Ansicht, die im wesentlichen der Ansicht gemäß Figur 16 entspricht;
Figur 18 ist eine Teildraufsicht auf einen Verwirbelungsschaufel-Abstandshalter, der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
Figur 19 ist eine Teilseitenansicht von dem Abstandshalterabschnitt gemäß Figur 18; und
Figur 20 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Teilansicht von einer Feder und benachbarten Endringen gemäß der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Die Feder-und-Abstandshalter-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung in Verbindung mit einer Brennstoffanordnung vorgesehen, wie beispielsweise dem in Figur 1 gezeigten. Die Brennstoffanordnung 20 enthält mehrere Brennstoffelemente oder -stabe 21, die zwischen einer oberen Ankerplatte 22 und einer unteren Ankerplatte 23 gehaltert sinn. Die Brennstoffstäbe führen durch mehrere Brennstoffstab-Abstandshalter 24a, 24b hindurch, die für eine Zwischenhalterung sorgen, um die langgestreckten Stäbe 21 in einer Abstandsrelation zu halten und sie an einer seitlichen Schwingung zu hindern. In einem Ausführungsbeispiel sind sieben Abstandshalter entlang der Brennstoffanordnung longitudinal in gleichmäßigen Abständen angeordnet.
Jeder der Brennstoffstäbe 21 ist aus einem langgestreckten, rohrförmigen Auskleidungsmaterial gebildet, das spaltbaren Brennstoff und andere Materialien enthält, wie beispielsweise brennbares Kerngift, inertes Material oder ähnliches. Der Brennstoff und andere Materialien sind in dem Rohr durch obere und untere Endstopfen 26, 27 eingekapselt. Da unteren Endstopfen 27 sind in Kammern 29 eingepaßt und angeordnet, die in der unteren Ankerplatte 23 ausgebildet sind. In ähnlicher Weise passen die oberen Endstopfen 26 in Kammern 31 in der oberen Ankerplatte 22.
Einige der Brennstoffstäbe 21 können mit mit Gewinde versehenen unteren und oberen Endstopfenverlängerungen 27', 28' versehen sein. Die mit Gewinde versehenen underen Endstopfen sind in versenkte Löcher in der unteren Ankerplatte geschraubt. Die mit Gewinde versehenen oberen Endstopfen führen durch die obere Ankerplatte hindurch und nehmen Halterungsmuttern 32 auf. Auf diese Weise sind die oberen und unteren Ankerplatten und Brennstoffstäbe zu einer einheitlichen Struktur geformt.
Typisch weist die Brennstoffstabanordnung ein Strömungskanalstück 33 mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt auf, der so bemessen ist, um eine Gleitpassung über die oberen und unteren Ankerplatten 22 und 23 und die Abstandshalter 24a und 24b zu bilden, so daß das Kanalstück 33 auf einfache Weise ein- und ausgebaut werden kann. Das Kanalstück 33 ist an einer oberen Stange 36 der oberen Ankerplatte 22 durch eine Schraube 37 befestigt, die durch ein Ansatzstück 34 hindurchführt. Die untere Ankerplatte 23 weist ein Nasenstück 38 auf, das zur Halterung der Brennstoffanordnung 20 in einem Sockel in einer Kernhalterungsplatte (nicht gezeigt) in dem Reaktordruckbehälter geeignet ist. Das Ende des Nasenstückes ist mit Öffnungen 39 versehen, um das Druckkühlmittel aufzunehmen, so daß es unter den Brennstoffstäben nach oben strömen kann.
Ein oder mehr der Brennstoffstäbe 21 können durch ein Moderatorrohr 41 ersetzt werden, das einen Neutronenmoderator enthält. Das Moderatorrohr kann mit Öffnungen versehen sein, wie es bei 42 und 43 gezeigt ist, und die oberen und unteren Endstopfen können mit Kanälen 44, 46 versehen sein, um eine Strömung von Wassermoderator durch diese hindurch zu gestatten.
Ein Verständnis der vorliegenden Erfindung wird durch eine kurze Beschreibung der Abstandshalter- und Federeinrichrumg von bekannten Vorrichtungen unterstützt. Ein bekannter Abstandshalter 24, wie er in den Figuren 2 und 3 gezaigt ist, ist aus mehreren im wesentlichen zylindrischen Endringen 51 aufgebaut, die an den oberen und unteren Rändern von aneinander anliegenden Abschnitt an von benachbarten Endringen beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden sind. Jeder der Endringe 51 bildet einen Raum für einen Brennstoffstab 21 oder Moderator 41.
Vorzugsweise ist jeder der Endringe 51 mit einem kurzen Rohrabschnitt versehen, der einen kreisförmigen Querschnitt hat. Ein Umfangsband 56 umgibt und haltert die mehreren Endringe 51. In jedem Endring sind zwei Anschläge 62a, 62b vorgesehen. Vorzugsweise sind die Anschläge 62a, 62b integral mit jedem Endring 51 als seitlich im Abstand angeordnete Paare von bogenförmigen Abschnitten der Endringwände nahe den oberen und unteren Rändern des Endrings ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Anschläge 62a, 62b seitlich orientiert, um die von dem Abstandshalter vorstehende Fläche und den Strömungswiderstand des Kühlmittels zu minimieren. Wie am besten aus Figur 3 zu ersehen ist, teilt sich jedes Paar der Endringe 51 eine durchgehende Schleifenfeder 70. Wie in Figur 4 gezeigt ist, weist eine kontinuierliche Schleilfenfeder 70, die in bekannten Vorrichtungen verwendet wird, erste, zweite, dritte und vierte Schenkel 72a, 72b, 72c, 72d auf, die durch in der Mitte angeordnete Erhebungen 74a, 74b und an den Enden angeordnete Bögen 76a, 76b verhunden sind. Die in Figur 3 gezeigten Federn sind in ihrem im wesentlichen umbeanspruchten oder ungebogenen Zustand. Die Federn in dem gebogenen oder beanspruchten Zustand sind in den Figuren 5 und 6 gezeigt. In den bekannten Vorrichtungen, die in den Figuren 5 und 6 gezeigt sind, nehmen die Federn 70 den Bereich 78 des Stab-zu-Stab-Abstandes ein. In den bekannten Vorrichtungen betrug der Stab-zu-Stab-Abstand 78 etwa 3 mm bis etwa 4 mm (etwa 0,125 bis 0,16 Zoll).
Wie in Figur 6 zu sehen ist, kontaktierte die bekannte Feder 70 die Brennstoffstäbe 82a, 82b an den Erhebungsabschnitten 74a, 74b und lieferte eine Kraft, die die Tendenz hat, die Brennstoffstäbe 82a, 82b gegen die Anschläge 62a, 62b von jedem Endring zu positionieren. Jeder Endring 51 war mit einem C-förmigen Schlitz 64 versehen, der ein Ansatzstücke 86 bildete (siehe Figur 7). Bei der Montage wurde die Feder 70 in den Schlitz 84 eingesetzt und über dem Ansatzstück 86 angeordnet. Ein benachbarter Endring wurde mit dem ersten Endring zusammengepaßt, wobei der C-förmige Schlitz des zweiten Endringes mit dem Ansatzstück 86 so orientiert war, daß er von dem Ansatzstück des ersten Endringes in die entgegengesetzte Richtung zeigte. Die Ansatzstücke 86 der ersten und zweiten Endringe überlappten sich jeweils. Die Feder wurde dann zwischen den zwei Endringen eingeschlossen und bildete eine Schleife um die Ansatzstücke 86 herum.
Es traten eine Anzahl von Schwierigkeiten in Verbindung mit der bekannten Feder-und-Abstandshalter-Anordnung auf, insbesondere wenn eine derartige Anordnung zur Verwendung in Verbindung mit einer Brennstoffanordnung vorgesehen war, die einen verkleinerten Stab-zu-Stab-Abstand ist. Die Feder, die in einer Feder-und-Abstandshalter-Anordnung verwendet wird, muß die erforderliche Kraft liefern, vorzugsweise etwa 1 kg (etwa 2,5 Pfund), aber sie muß auch eine ausreichende Flexibilität haben, um eine Auslenkung über diejenige hinaus, die normalerweise zur Brennstoffpositionierung erforderlich ist, ohne wesentliche dauerhafte Deformation zu tolerieren. Eine Auslenkung der Feder über diejenige hinaus, die normalerweise zum Positionieren des Brennstoffstabes erforderlich ist, kann beispielsweise während der Montage auftreten, insbesondere wenn der Brennstoffstab 82, während der Montage, in einem Schutzmantel (nicht gezeigt) aus Kunststoff eingeschlossen ist.
Weil eine einzelne Feder 70 der bekannten Vorrichtung für jedes Paar von Endringen 51 vorgesehen war, mußten spezielle Anordnungen für Brennstoffanordnungen geschaffen werden, die eine ungerade Anzahl von Brennstoffstäben 82 haben.
Figuren 9 und 10 zeigen einen Teil von einem Abstandshalter und der zugeordneten Federn gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Feder 92a ist aus einem Metallband gebildet, des eine Breite 94 (Figur 16) und eine Dicke 96 (Figur 15) hat. Die Feder kann aus einer Anzahl von Materialien gebildet sein, die eine geeignete Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Federeigenschaften haben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Feder aus einer Nickellegierung gebildet, wie beispielsweise Inconel, die von der Huntington Alloy Products Division, International Nickel, Inc., Huntington, W. VA. erhältlich ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Breite 94 etwa 2,5 bis 3,8 mm (etwa 0,1, bis 0,15 Zoll), und die Dicke 96 beträgt etwa 0,25 bis 0,38 mm (etwa 0,01 bis 0,015 Zoll). Das Band hat erste und zweite Enden 102, 104, die im Abstand angeordnet sind. Das Band ist zu einer Feder mit einem Schenkelabschnitt 106 geformt. Der Schenkelabschnitt 106 weist einen den Stab kontaktierendan bogenförmigen Abschnitt 108 auf, an dessen Mitte ein Stabkontaktierungspunkt 110 ist. Obwohl ein bogenförmiger Kontaktbereich 108 ein bevorzugtes Verfahren zum Ausbilden eines Kontaktpunktes 110 ist, kann ein Kontaktpunkt auch durch eine kegelförmige Vertiefung, die in dem Band ausgebildet ist, eine Erhebung, einen Knopf oder eine andere Verlängerung ausgebildet sein, die in dem Band oder anderen ähnlichen Mitteln ausgebildet oder daran befestigt ist. Die Abschnitte 112, 114 des Schenkels 106 auf jeder Seite des Stabkontaktabschnittes 108 sind im wesentlichen flach.
Erste und zweite Schleifen 116, 118 sind benachbart zu den ersten und zweiten Enden 102, 104 ausgebildet, die an jedem Ende (des Schenkels 106 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Schleifen 116, 118 dadurch ausgebildet, daß die Enden des Bandes gebogen werden, um eine Haarnadelbiegung zu bilden, und die Enden 102, 104 verschweißt werden, wo sie das Band berühren.
Figur 15 zeigt eine leicht modifizierte Konfiguration der Feder, wobei das Band über die nahe Seite des Ohres verläuft und sich dann über das Ohr und an der entfernten Seite des Ohres nach unten erstreckt, wo es verschweißt wird. Nur die obere Hälfte der symmetrischen Feder ist gezeigt. Jede Schleife 116 hat eine Vertiefung 122, die auf entsprechender Weise darin in der Form von einer wannenähnlichen Vertiefung ausgebildet ist, die sich in Richtung auf das Innere der Schleifen 116 erstreckt. Die inneren Oberflächan der Vertiefungen 122 bilden Berührungspunkte oder - linien 126 mit Ohren 132, die in dem Endring ausgebildet sind, wie es nachfolgend deutlicher beschrieben wird. Obwohl wannenförmige Vertiefungen 122, 124 die bevorzugten Vorrichtungen zur Ausbildung eines Kontaktes mit den Ohren 132, 134 sind, kann ein Kontakt auch durch eine kegelförmige Vertiefung (die einen Kontaktpunkt bildet), eine Erhebung oder einen Knopf, der an der Innenfläche der Schleifen 116, 118 ausgebildet oder befestigt sind, oder ähnliche Mittel herbeigeführt werden.
Wie in Figur 16 gezeigt ist, ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Breite 94 der Feder in allen Abschnitten der Feder die gleiche. In einem anderen Ausführungsbeispiel, das in Figur 17 gezeigt ist, ist die Breite 142 nahe den Endabschnitten, wie beispielsweise in den schleifenbereichen 116, 118, kleiner als die Breite 144 in dem Schenkelabschnitt 106 der Feder. Es ist möglich, einen schmaleren oder abgeschrägtan Bereich, wie es in Figur 17 gezeigt ist, an dem einen oder am beiden Enden der Feder vorzusehen, weil, wie nachfolgend näher erläutert wird, Beanspruchungen auf die Feder in dem Endabschnitt 116 gemäß der vorliegenden Erfindung (verglichen mit Beanspruchungen in anderen Abschnitten) kleiner sind als Beanspruchungen 11 entsprechenden Abschnitten von bekannten Konstruktionen. Weil die Beanspruchungen verkleinert sind, können weniger massive, d.h. schmalere, Strukturen verwendet werden. Durch Ausbilden einer schmalaren oder abgeschrägten Breite 142 ist eine Feder, die eine verkleinerte Gesamtmasse hat, im Vergleich zu der eine konstante Breite aufweisenden Feder gemäß Figur 16, möglich. Eine Feder mit einer verkleinerten Masse sorgt für weniger Neutronenabsorption, die mit der Masse der Feder im Zusammenhang steht. Durch Verkleinern des Neutroneneinfanges wird der nachteilige Effekt des Einfangens von Neutronen (die angerenfalls zur Aufrechterhaltung der kernreaktion verwendet werden können) verkleinert. Weiter stellt eine Feder mit einem abgeschrägten Endabschnitt, wie er in Figur 17 gezeigt ist, eine kleinere Oberfläche in dem Endabschnitt dar als die Oberfläche, die durch eine Feder mit konstanter Breite dargestellt wird, wie beispielsweise die in Figur 16 gezeigt. Eine derartige Feder mit einer kleineren Oberfläche sorgt für einen verkleinerten Strömungswiderstand oder blockierung, die mit der Oberfläche von einem Hindernis im zusammenhang steht.
Die Feder gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit einem Abstandshalter verwendet, der eine Anzahl von Endringen 134 aufweist (Figuren 11 - 13). Der Abstandshalter kann aus einer Anzahl von Materialien mit einem geeignet kleinen Neutronenabsorptionsquerschnitt gebildet sein, vorzugsweise einer Zirkon-Legierung, wie beispielsweise Zircaloy-4. Der Abstandshalter in einem Ausführungsbeispiel ist etwa 13,3 cm (5,25 Zoll) im Quadrat, und die Endringe haben einen Außendurchmesser von 16,2 mm (etwa 0,64 Zoll) mit einer Wanddicke von etwa 0,5 mm (0,020 Zoll).
Gemäß den Figuren 11 - 14 weist der Endring gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei obere Anschläge 146, 148 und zwei untere Anschläge 152, 154 auf, die sich nach innen in den Endring 136 hinein erstrecken. Vorzugsweise sind die Anschläge 146, 148, 152, 154 durch eingebeulte Abschnitte der Endringwand gebildet, um bogenförmig nach innen vorstehende Strukturen zu erzeugen. Wie am besten in Figur 9 gezeigt ist, liegen die Brennstoffstäße 82a, 82b, 82c gegen die Anschläge 146, 148, 152, 154 an, um die Brennstoffstäbe 82a, 82b, 82c in einer bevorzugten Lage innerhalb des Endringes 136 anzuordnen, wie beispielsweise einer Position koaxial mit dem Endring. Die Kraft, um die Brennstoffstäße 82a, 82b, 82c mit den Anschlägen 146, 148, 152, 154 in Kontakt zu halten, wird durch die Feder 92a, 92b, 92c geliefert. Um für diese Kraft zu sorgen, ist die Feder 92a auf Ohren 132, 134 des Endringes 136 angebracht (siehe Fig. 12). Die Ohren 132, 134 sind durch einen E-förmigen Schlitz 158 gebildet, der in der Wand des Endringes 136 ausgebildet ist. Die oberen und unteren Schenkel 162, 164 des E-förmigen Schlitzes 158 sind durch schmale Schlitze 166, 168 verbunden. Der Bereich zwischen dem oberen Schenkel und dem Schlitz und dem Loch 162, 166 und dem unteren Schenkel und dem Schlitz 164, 168 hat im allgemeinen die Form eines Ansatzstückes 176. Der mittlere Schenkel 178 des E-förmigen Schlitzes 158 dient dazu, die Ohren 132, 134 zu bilden. Wie in den Figuren 11 und 14 gezeigt ist, ist das Ansatzstück 176 von dem Umfang des Endringes 136 nach außen gekrümmt. Wie in Figur 20 zu sehen ist, ist die feder 92a an dem Endring 136 befestigt, indem die oberen und unteren Schleifen 116, 118 über die oberen und unteren Ohren 132, 134 geschoben wird.
Die Feder ist in ihrer Lage auf den Ohren gehalten durch Eingriff mit einem rechteckigen Schlitz 178, der in einem benachbarten Endring 182 ausgebildet ist. Wie aus Figur 20 zu sehen ist, wird, nachdem der benachbarte Endring 182 an dem ersten Endring 136 befestigt ist, der rechteckige Schlitz 178 des benachbarten Endringes 182 eines Bewegung der Feder 92a von den Ohren 132, 134 weg verhindern. Vorzugsweise enthält jeder Endring 134 sowohl einen E-förmigen Schlitz als auch, auf im wesentlichen der gegenüberliegenden Seite, einen rechteckigen Schlitz 178, wie es in den Figuren 12 - 14 gezeigt ist.
Gemäß der gezeigten, bevorzugten Feder-und-Abstandshalteranordnung kontaktiert die Feder 92a den Endring 136 an zwei Punkten, d.h. den oberen und unteren Ohren 132, 134 (Figur 10). Durch Ausbilden oberer und unterer Schleifen 116, 118, die mit dem Federschenkel 106 für eine Verbindung mit den Ohren 132, 134 zusammenhängen, gestattet ein einzelner Bruch in irgendeinem Abschnitt der Feder nicht, daß die Feder oder irgendein Abschnitt der Feder von dem Endring 136 gelöst wird.
Die effektive Länge 192 der Feder 92a ist der Abstand zwischen den Kontaktpunkten 126, 124. Weil die Feder 92a mit den Ohren 132, 134 an Punkten in Kontakt ist, die durch die Vertiefungen 122, 124 gebildet sind, wird die effektive Länge der Feder 192 nicht leicht beeinflußt durch kleine Deformationen der Feder, Ansammlung von Korrosionsprodukten und ähnlichem. Somit ist gemäß der vorliegenden Erfindung die effektive Länge 192 der Feder 92a invariabel. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die effektive Federlänge 192 etwa 20mm (0,8 Zoll).
Zusätzlich zur Abildung einer stabilen und definierbaren Länge 192 haben die Vertiefungen 122, 124 die Wirkung, die Flexibilität der Feder 92a im Vergleich zu bekannten Federkonstruktionen zu unterstützen. Wie vorstehend ausgeführt wurde, wirken bekannte Federkonstruktionen, soweit der Abschnitt betrachtet wird, der einen einzelnen Brennstoffstab belastet, effektiv wie ein eingespannter Träger. Wie am besten in Figur 15 gezeigt ist, wirkt die Feder gemäß der vorliegenden Erfindung wie ein einfach gehalterter Träger. Wenn die Feder 92a beansprucht wird, und der Schenkel 106 sich in einer Richtung von der bevorzugten Position des Brennstoffstabes weg bewegt, dreht sie sich um den Ohrkontakt punkt 126, wie es in übersteigerter Form durch die gestrichelten Linien in Figur 15 gezeigt ist. Die erhöhte Flexibilität der Feder gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch Computer-Modellbildung von Beanspruchung und Bewegung unter Verwendung einer Technik endlicher Elemente bestätigt worden.
Die erhöhte Flexibilität (d.h. Auslenkung bei einer gegebenen Last) der Feder gemäß der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zu ihrer Brauchbarkeit, um einen kleinen Stab-zu-Stab-Abstand zu gestattet, auch brauchbar in Verbindung mit einer Montagetechnik, die angewendet wird, um ein Zerkraten der Brennstoffstäse zu vermeiden. Es ist wünschenswert, ein Verkratzen der Brennstoffstäße zu vermeiden, weil ein derartiges Verkratzen merkbar beiträgt zur Einleitung oder Ausbreitung von Rissen und das Aussehen der Brennstoffanordnung verschlechtern kann. Gemäß der kratzerfreien Montagetechnik werden die Brennstoffstäße, vor ihrem Einsetzen in die Montageanordnung, in einen Kunststoffmantel eingeschlossen. Nachdem der ummantelte Brennstoffstab nach Wunsch positioniert ist, wird der mantel entfernt. Typisch hat der Mantel eine Dicke von etwa 0,1 mm (etwa 0,004 Zoll). Die zusätzliche Federauslenkung (während der Montage), die durch die Dicke der Ummantelung hervorgerufen ist, muß von der Feder aufgenommen werden, ohne daß sie dauerhaft verformt wird. Die Feder gemäß der vorliegenden Erfindung enthält genügend Flexibilität, um eine dauerhafte Verformung während der kraftzerfreien Montage zu vermeiden, selbst mit einem verkleinerten Stab-zu-Stab-Abstand, der zur Halterung der Feder zur Verfügung steht.
Die Feder gemäß der vorliegenden Erfindung kann in Verbindung mit anderen Typen von Abstandshaltern als denjenigen vorgesehen sein, die in den Figuren 9 - 17 gezeigt sind. In einer alternativen Abstandshalter-Konfiguration, die in den Figuren 18 und 19 gezeigt ist, sind wendelförmig verdrehte "Verwirbelungsschaufeln" 237a, 237b, 237c, 237d um den Umfang eines Brennstoffstabes 282 herum angeordnet, wie beispielsweise an vier in gleichen Abständen angeordneten Positionen auf dem Umfang des Brennstoffstabes 282. Arme 239 verhinden die Verwirbelungsschaufeln miteinander, um eine rechteckige Matrix zur Halterung der Brennstoffstäbe 282 zu definieren. Eine Feder 293 weist zwei Endschleifen 216, 218 auf, die an zwei der Arme 239 befestigt sind. Die Feder 293 enthält einen bogenförmigen Stabkontaktabschnitt 208 ähnlich dem Stabkontaktabschnitt, der vorstehend in Verbindung mit Figur 10 gezeigt ist. Ränder der Verwirbelungsschaufeln 237a, 237b, 237c, 237d sind mit Vorsprüngen 246 versehen, die als Anschläge zur Positionierung des Brennstoffstabes 282 wirken. Die oberen und unteren Schleifen 216, 218 der Feder 293 enthalten Vertiefungen (nicht gezeigt) ähnlich denjenigen, die in Verbindung mit dem in den Figuren 9 und 10 gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben wurden, um mit den Armen 293b, 293a in Kontakt zu sein.
Im Lichte der vorstehenden Beschreibung wird eine Anzahl von Vorteilen der vorliegenden Erfindung deutlich. Die Feder kann in einem kleinen Raum vorgesehen sein, wie beispielsweise demjenigen, der bei dem Stab-zu-Stab-Abstand von nur etwa 2,5 mm (0,1 Zoll) zur Verfügung steht, und trotzdem kann sie mit der erforderlichen Kraft für eine Brennstoffstabbelastung von etwa 0,5 kg (1 Pfund), vorzugsweise etwa 1 kg (etwa 2,5 Pfund), versehen sein. Die vorliegende Feder ist flexibler und hat die Tendenz, sich unter Belastung nach Art eines einfach gehalterten Trägers zu drehen, anstatt daß sie einen Endpunkt hat, der nach Art eines eingespannten Trägers fixiert ist. Die effektive Länge der Feder ist eine vorher bestimmbare, bekannte und relativ stabile Größe. Da an dem Endabschnitt der Feder weniger Spannung erzeugt wird, kann der Endabschnitt abgeschrägt oder verengt werden, um für eine verkleinerte Neutronenabsorption und eine verkleinerte Strömungsbehinderung zu sorgen. Gewisse Konfigurationen sorgen für einen erhöhten Stab-zu-Feder-Abstand, um für eine bessere Kühlmittelströmung nahe dem Stab zu sorgen. Indem das Erfordernis zur Verwendung einer einzigen Feder vermieden wird, um zwei Brennstoffstäße zu belasten, gibt es kein Erfordernis, spezielle Konfigurationen für Abstandshalter mit einer ungeraden Zahl von Brennstoffstäsen vorzusehen. Die erhöhte Flexibilität der Feder gestattet die Verwendung einer kratzfreien Montage, selbst in Konfigurationen mit kleinem Stab- zu-Stab-Abstand. Die Feder-und-Abstandshalteranordnung sorgt für eine einfache Konstruktion, und die Feder gemäß der vorliegenden Erfindung ist an eine Anzahl unterschiedlicher Abstandshaltertypen anpaßbar. Die Feder gemäß der vorliegenden Erfindung bricht nicht frei von ihrer Verbindung mit dem Abstandshalter als eine Folge von einem einzigen, einfachen Bruch in der Feder.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel kann dahingehand modifiziert werden, daß die Feder und/oder der Abstandshalter aus anderen materialien als den hier beschriebenen hergestellt werden können. Die allgemeine Feder- und-Feder-und-Abstandshalterkonfiguration kann in Verbindung mit Abstandshaltern verwendet werden, die mehr oder weniger Brennstoffstabpositionen haben als die hier gezeigten, und sie kann mit Konfigurationen verwendet werden, die andere Komponenten als hindurchführende Brennstoffstäße haben einschließlich Verbindungsstange, Wasser(Moderator)stangen und ähnliches. Die Feder gemäß der vorliegenden Erfindung kann an einem Abstandshalter durch andere Mittel als dem gezeigten Endringschlitz befestigt werden, wie beispielsweise durch Befestigung unter Verwendung von Schlitzen mit anderen Formen. Die Feder kann auf dem Endring durch andere Mittel als einem Eingreifschlitz in einem benachbarten Endring gehaltert werden, wie beispielsweise durch Biegen der Ansatzstückohren, Verriegeln elastischer Ansatzstücke und Schlitze und ähnliches.

Claims

1. Feder- und Abstandshalter-Anordnung zum Positionieren von wenigstens einem von mehreren Kernbrennstoffstäben (21) in einem Abstandshalter (24), der in einer Brennstofanordnung (20) von einem Kernkraftwerk verwendbar ist, wobei der Abstandshalter mit mehreren Endringen (136) versehen ist, die jeweils wenigstens einen Stabkontaktabschnitt (146-154) aufweisen zum Haltern von wenigstens einem der Stäbe, wenn der Stab durch eine Feder (92a) gegen den Stabkontaktabschnitt vorgespannt ist, wobei die Feder (92a) enthält:

ein metallisches Band mit einer Breite (94) und einer Dicke (86) und mit ersten (102) und zweiten (104) Enden, die im Abstand angeordnet sind, wobei das Band gekennzeichnet ist durch:

einen mittleren Bereich mit einem Stabkontaktabschnitt (108),

eine Schleife (116), die neben dem ersten Ende (102) ausgebildet ist,

eine erste Vertiefung (122), die in der ersten Schleife (116) ausgebildet ist und sich in Richtung auf das Innere der ersten Schleife (116) erstreckt,

eine zweite Schleife (118), die neben dem zweiten Ende (104) ausgebildet ist,

eine zweite Vertiefung (128), die in der zweiten Schleife (118) ausgebildet ist und sich in Richtung auf das Innere der zweiten Schleife (118) erstreckt,

einen ersten Schenkel (112), der zwischen dem mittleren Stabkontaktabschnitt (108) und der ersten Schleife (116) liegt, und

eine zweiten Schenkel (114), der zwischen dem mittleren Stabkontaktabschnitt (108) und der zweiten Schleife (118) liegt.

2. Feder- und Abstandshalter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei sich die Breite (94) der Feder entlang der Länge (192) der Feder verändert, wobei die Breite (94) in dem mittleren Bereich der Feder am größten ist und in anderen Abschnitten der Feder verkleinert ist.

3. Feder- und Abstandshalter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Stabkontaktanschnit (108) einen Bogen oder eine ähnliche Verlängerung aufweist, die in dem Stabkontaktabschnitt (108) ausgebildet ist, und wobei der Abschnitt der Feder zwischen dem Stabkontaktabschnitt und den ersten und zweiten Schleifen (116, 118) im wesentlichen eben ist.

4. Feder- und Abstandshalter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der Endringe einen ersten Schlitz (158) zur Ausbildung eines Paares von Ohren (132, 134) aufweisen, die jeweils an einer der ersten und zweiten Federschleifen (116, 118) angreifen, wobei die ersten und zweiten Vertiefungen (122, 128) mit dem einen oder anderen der Ohren in Kontakt sind un wobei sich die ersten und zweiten Schleifen beim Biegen der Feder jeweils um eine entsprechende Vertiefung drehen.

5. Feder- und Abstandshalter-Anordnung nach Anspruch 4, wobei wenigstens einige der Endringe einen zweiten Schlitz (178) aufweisen, der mit einem ersten Schlitz (158) von einem anderen Endring ausgerichtet ist, um so die Trennung der Feder (92a) von den Ohren (132, 134) zu verhindern.

6. Feder- und Abstandshalter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Stab-zu-Stab-Abstand, der durch den Abstandshalter gebildet ist, kleiner als etwa 0,3 cm (0,11 Zoll) ist.

7. Feder- und Abstandshalter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Feder eine Kraft auf den Stab von wenigstens etwa 0,4 kg (1 Pfund) ausübt.

8. Feder- und Abstandshalter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Länge der Feder (106) zwischen den ersten und zweiten Vertiefungen (122, 128) etwa 2,1 cm (0,8 Zoll) beträgt.

9. Feder- und Abstandshalter-Anordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Endring eine kastenähnliche Struktur in Form einer geschlossene Schleife hat, wobei die Struktur von vier Verwirbelungsschaufeln (237a, 237b, 237c, 237d) an den Ecken gebildet ist, die durch erste und zweite vertikal im Abstand angeordnete Arme (239) miteinander verbunden sind; Anschläge (246) zum Positionieren der Brennstoffstäbe und die Feder (92a) erste und zweite Schleifen (116, 118) aufweist, die jeweils an den Armen (239) angreifen.