DE2234477A1 - Kernbrennstoffelement - Google Patents

Description

Anmelder: General Electric Company, Schenectady, N.Y», USA

Kernbrennstoffelement

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement mit einer Abstandshaltereinrichtung zur Halterung der Brennstoffstäbe in einer im wesentlichen parallelen Anordnung in einem rohrförmigen Kühlmittelkanal, wobei entsprechend dem Hauptpatent P 21 24 985 eine Abstandshalter-Streifenstruktur mit einer ersten Anzahl von getrennten Streifen vorgesehen ist, die sich zwischen gegenüberliegenden Seiten des Kühlmittelkanals erstrecken, sowie eine zweite Anzahl von getrennten Streifen, welche die erste Anzahl von Streifen überkreuzen und sich zwischen gegenüberliegenden Seiten des Kühlmittelkanals erstrecken, um Brennstoffkanäle zu begrenzen, und wobei Vorsprünge an jedem Ende jedes der Streifen vorgesehen sind, die in Ausnehmungen oder Öffnungen in der Wand des Kühlmittelkanals gehaltert sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Abstandshaltereinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß sich eine verbesserte Verstärkung des Kühlmittelkanals ergibt, unter Verwendung von möglichst wenig Abstandshaltermaterxal und unter Verursachung eines möglichst geringen Druckgefälles des Kühlmittels.

Diese Aufgabe 7jird bei einem Kernbrennstoff element mit siner Ab s fc an ii-foa I ^ einrichtung der eingangs .genannten Art er-.

findungsgemäß dadurch gelöst, daß vierseitig ausgebildete Brennstoffkanäle für jeden Brennstoffstab vorgesehen sind, indem die Streifenstruktur mindestens zwei getrennte Abschnitte in einem Abstand voneinander vorgesehen sind, daß jeder Abschnitt eine erste Anzahl von Streifen aufweist, sowie eine zweite Anzahl von Streifen, die sich quer zu der ersten Anzahl von Streifen zwischen gegenüberliegenden Wandflächen des Kühlmittelkanals erstrecken, daß die Streifen in jedem Abschnitt entsprechend einer Anzahl von Brennstoffkanälen voneinander getrennt sind, die gleich der Anzahl der Abschnitte ist, und daß die Streifen in einem Abschnitt um mindestens einen Brennstoffkanal von den Streifen in irgendeinem anderen Abschnitt versetzt sind.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung werden deshalb darin gesehen, eine Vielzahl von axial getrennten Streifenstrukturen vorzusehen, durch die das Druckgefälle des Kühlmittels verringert wird. Die Abstandshalterstreifen können direkt an dem Kühlmittelkanal befestigt werden, wn eine gleichmäßig verteilte Verstärkung des Kühlmittelkanals zu erzielen, so daß die Wandstärke in vorteilhafter Weise verringert werden kann.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht jede Abstandshaltereinrichtung aus einer Anzahl von in axialer Richtung getrennten Abschnitten, wobei jeder Abschnitt einen proportionalen Anteil der Streifen enthält. Beispielsweise enthält jeder Abschnitt einerAbstandshaltereinrichtung mit zwei Abschnitten die Hälfte der Anzahl der Streifen einer vollständigen Abstandshaltereinrichtung. Die Streifen in jedem Abschnitt sind in einem doppelten Abstand angeordnet und die Streifen in einem Abschnitt sind um einen Abstand zu den Streifen in dem anderen Abschnitt versetzt, so daß die beiden Abschnitte zusammen eine vierseitige BrennstoffstababStützung bilden. Auf diese Weise ergibt sich eine gleichförmigere Verstärkung des Kühlmittelkanals und eine beträchtliche Verringerung des Druckgefälles. Ferner können Volumenvergrößerungen der Brennstoffstäbe sowohl durch Deformation der Streifen als auch durch Ausbiegen der Brennstoffstäbe aufgenommen werden, so daß beide Deformationseffekte auf einem Minimum gehalten werden können.

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Anhand der. Zeichnung soll die Erfindung naher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Abstandshaltereinrichtung mit zwei Abschnitten;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Abstandshalterinrichtung in Fig. 2;

Fig. 4 eine Abstandshalterinrichtung gemäß der Erfindung mit vier Abschnitten; und

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Abstandshaltereinrichtung in Fig. 4.

Bei dem in Fig¹. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein verhältnismäßig dünnwandiger Kühlmittelkanal 61 vorgesehen, der eine Anzahl von ähnlich ausgebildeten Streifenstrukturen 62 enthält. In Fig. 1 ist. nur- eine Streifenstruktur 62 ausführlich dargestellt, während die andere Streifenstruktur 62 der Übersichtlichkeit halber nur in gestrichelten Linien dargestellt ist. Die winkelige Orientierung der Streifenstrukturen 62 ist zweckmäßigerweise entlang der Länge des Kühlmittelkanals 61 fortschreitend unterschiedlich. Bei dem dargestellten sechseckigen Kühlmittelkanal ergibt eine Versetzung der Streifenstrukturen um 60 gegeneinander eine vollständige hexagonale Begrenzung jedes Brennstoffstabs 13 bei jeweils zwei Streifenstrukturen in dem Kühlmittelkanal. Die Enden jedes Streifens sind mit Befestigungslappen 22 versehen. Diese Befestigungslappen ragen in Öffnungen 63 des Kühlmittelkanals 61, an dem sie beispielsweise angeschweißt sein können, so daß die Streifen unter Spannung stehen, um die dünnen Wände des Kühlmittelkanals zu verstärken.

Anhand der Fig. 2 und 3 sollen die Eigenschaften einer Streifenstruktur 62 näher erläutert werdeni Jede Streifenstruktur 62 besteht aus zwei im wesentlichen gleichen asymmetrischen Abschnitten 64(1) und 64(2), die in der dargestellten relativen

Orientierung und mit einem Abstand angeordnet sind.

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Der Abschnitt 64(1) besteht aus einer Anzahl im wesentlichen paralleler oberer Streifen 66(1) und einer Anzahl von im gleichen Abstand angeordneten, ebenfalls im wesentlichen parallelen unteren Streifen 66(2). Die Streifen 66(1) und 66(2) verlaufen in der aus der Darstellung ersichtlichen Weise quer zueinander und sind an ihren Oberkreuzungen 68 aneinander befestigt. Der Abschnitt 64(2) besteht aus entsprechend angeordneten oberen und unteren Streifen 67(l)und 67(2).

Im Gegensatz zu den im Hauptpatent beschriebenen Streifenanordnungen sind die Streifen in jedem der Abschnitte 64(1) und 64(2) mit einem doppelten Abstand angeordnet. Beispielsweise bei dem Abschnitt 64(1) ist im Vergleich zu der entsprechenden Abstandshalterexnrichtung des Hauptpatents jeder zweite Streifen weggelassen und die Streifen, die in dem Abschnitt 64(1) weggelassen sind, bilden die Streifen des Abschnitts 64(2). Deshalb bilden hinsichtlich Orientierung und Abstand der Streifen die Abschnitte 64(1) und 64(2) einen getrennten Abschnitt, der äquivalent der Struktur 18 in dem Hauptpatent ist. Dies ist am besten aus Fig. 3 ersichtlich, wobei die Streifen 66(1) und 66(2) des Abschnitts 64(1) in dünneren Linien und der Streifen 67(1) und der Streifen 67(2) des Abschnitts 64(2) in dickeren Linien dargestellt sind. Während also die Streifen jedes Abschnitts 64(1) und 64(2) einen doppelten Abstand aufweisen, sind die Streifen in einem Abschnitt um einen Abstand von den Streifen des anderen Abschnitts versetzt, so daß die beiden Abschnitte insgesamt eine seitliche Abstützung mit einem einzigen Abstand für die Brennstoff stäbe 13 ergeben. Deshalb bildet der Abschnitt 64(1) Kanäle 69, die vier Brennstoffstäbe 13 aufnehmen, während der Abschnitt 64(2) entsprechende, aber versetzte Kanäle 71 bildet. Die resultierende vierseitige Stützstruktur für die Brennstoffstäbe ist in Fig. 16 durch einen Brennstoffstab 13(y) dargestellt, an dem an zwei angrenzenden Seiten Streifen 66(1) und 66(2) des Abschnitts 64(1) angreifen, während an gegenüberliegenden angrenzenden Seiten Streifen 67(1) und 67(2) des Abschnitts 64(2) angreifen.

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Die Abstandshalt.ereinricht.ung in den Fig. 1-3 ergibt deshalb zwei sehr wichtige Vorteile. Durch Anordnung der Streifen in getrennten Abschnitten ergibt sich eine axiale Verteilung der Verstärkung des Kühlmittelkanals durch die Abstandshalter/ so daß die Wandstärke des Kühlmittelkanals verringert werden kann, ohne daß zusätzliches Abstandshaltermaterial erforderlich ist. Außerdem gewährleistet die Streifenstruktur eine sehr bedeutsame Verringerung des Druckabfalls des durchströmenden Kühlmittels. Versuche haben gezeigt, daß der Druckabfall bei einer Streifenstruktur der beschriebenen Art eine Funktion des Querschnitts der Streifen in einer Richtung senkrecht zur Kühlmittelströmung ist. Das Druckgefälle hängt etwa mit einer quadratischen Funktion von der Querschnittsfläche der Streifen ab. Es ist deshalb besonders vorteilhaft, daß das Druckgefälle, das durch eine Streifenstruktur mit zwei geeignet getrennten Abschnitten verursacht wird, etwa die Hälfte wie beispielsweise bei den Streifenstrukturen gemäß dem Hauptpatent beträgt, wenn dieselbe Anzahl gleich ausgebildeter Streifen vorgesehen wird. Deshalb ergibt eine mehrschichtige Streifenstruktur nicht nur eine verbesserte Verstärkung des Kühlmittelkanals, sondern auch eine Verringerung des Druckabfalls des Kühlmittels. Wahlweise kann eine größere Anzahl von Streifenstrukturen verwandt werden, was für eine weitere Verstärkung des Kühlmittelkanals wünschenswert sein kann, ohne daß dadurch eine Erhöhung des Druckabfalls des Kühlmittels sich ergibt.

Weitere Vorteile der mehrschichtigen Streifenstruktur mit vergrößerten Abständen der Streifen ist darin zu sehen, daß eine örtliche Volumenvergrößerung der Brennstoffstäbe möglich ist und dadurch konzentriert auftretende Volumenvergrößerungen weitgehend verringert werden können. Ferner kann eine Volumenvergrößerung der Brennstoffstäbe teilweise durch Deformation der Streifen und teilweise durch Ausdehnung der Brennstoffstäbe aufgenommen werden, so daß beide Effekte auf einem Minimum gehalten werden können. Außerdem wird die Festigkeit und Steifheit der quer verlaufenden Streifen beibehalten und große Durchflußöffnungen für- aas Kühlmittel geschaffen, so daß die Gefahr von Blockierungen -verringert "wird.

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Im folgenden soll die Bedeutung des Abstands S zwischen den Abschnitten näher erläutert werden. Das auf einen Abschnitt zurückzuführende Druckgefälle hängt stark von der Turbulenz des Kühlmittels ab, welche durch die Streifen verursacht wird. Diese Turbulenz wird hinter dem Abschnitt verringert oder gedämpft, und verschwindet praktisch in einem gewissen Abstand, je nach den Parametern, wie beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit. Wenn die Abschnitte zu nahe voneinander angeordnet sind, ist die Kühlmittelströmung immer noch turbulent., wenn sie auf den nächsten Abschnitt auftrifft, so daß die Turbulenz und damit das Druckgefälle vergrößert wird. Im Hinblick auf die Verringerung des Druckgefälles sollte deshalb der Abstand S zwischen den Abschnitten nicht kleiner als der Abstand in Strömungsrichtung hinter einem Abschnitt sein, entlang dem die Turbulenz praktisch verschwindet. Dieser Abstand kann am besten experimentell durch Messung des Druckabfalls bestimmt werden, der in Abhängigkeit von der Ausbildung der Streifenabschnitte, der Durchflußgeschwindigkeiten und anderer Parameter des speziellen Anwendungsfalls auftritt. Im allgemeinen erhöht sich der Abstand S mit ansteigender Strömungsgeschwindigkeit und ansteigender Querschnittsfläche der Abstandshalter.

Die in Verbindung mit den Fig. 1-3 beschriebenen Prinzipien können auf Streifenstrukturen ausgedehnt werden, die eine größere Anzahl von Abschnitten aufweisen, um eine noch gleichmäßigere Verteilung der Verstärkung des Kühlkanals zu erzielen, und um weiter den Kühlmitteldruck zu verringern. Bei dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Streifenstruktur 62(2) mit vier getrennten Abschnitten 72(1) bis 72(4) vorgesehen. In Fig. 5 sind die Streifen des Abschnitts 72(1) durch dünne gestrichelte Linien, die Streifen des Abschnitts 72(2) durch dünne ausgezogene Linien, die Streifen des Abschnitts 72(3) durch dicke gestrichelte Linien und die Streifen des Abschnitts 72(4) durch ausgezogene Linien dargestellt. In jedem Abschnitt sind die Streifen in einem Abstand entsprechend dem Abstand von vier Brennstoffstäben oder Kanälen angeordnet, so

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daß jede Öffnung sechzehn Brennstoffstäbe aufnimmt. In Kombination ergeben jedoch die vier Abschnitte eine vierseitige Abstützung jedes Brennstoffstabs. An dem in Fig. 5 beispielsweise dargestellten Brennstoffstab 13(z) greift jeweils ein Streifen an jedem der vier Abschnitte an. . .

Obwohl in entsprechender Weise ein noch größerer Abstand der Streifen und eine noch größere Anzahl von Abschnitten Verwendung finden könnten, wird in einem derartigen Fall der Abstand zwischen den verbunden streifenüberkreuzungen so groß, daß die Steifheit in Längsrichtung der Streifen zu niedrig werden kann.

Obwohl die in den Fig. 1-5 dargestellten Ausführungsbeispiele einen Kühlmittelkanal mit einem sechseckigen Querschnitt betreffen, kann die beschriebene Streifenstruktur auch für andere Durchflußkanäle Verwendung finden, die beispielsweise einen quadratischen Querschnitt besitzen. Die Streifen können auch in Längsrichtung gewellt oder serpentinenförmig angeordnet sein, wie in den Ausführüngsbeispielen des Hauptpatents näher beschrieben ist.

Die folgende Tabelle betrifft ein Ausführungsbeispiel eines Kernbrennstoffelements mit einer AbStandshaltereinrichtung mit zwei Abschnitten, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind:

Kühlmittelkanal 61 · . c!

Material

Querschnitt

Abstand zwischen den ebenen Flächen Länge

Wandstärke

Streifenstrukturen 62

Anzahl der Strukturen Anzahl der Abschnitte pro Struktur Anzahl der Streifen pro Abschnitt Anzahl der Brennstoffstäbe Streifen 66(1) , 66(2), 67(1), 67(2) Querschnittsform

Material

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Rostfreier	Stahl
hexagonal
92,8 mm (3,	655 Zoll)
2.100 mm (7	Fuß)
2,54 mm (O,	1 Zoll)
28
2
14
127
W
Rostfreier	Stahl

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Höhe 15,24 mm (0,600 Zoll)

Dicke des Materials 0,305 mm (0,012 Zoll)

Effektive Dicke eines Streifens 0,686 mm (0,027 Zoll)

Patentansprüche

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Kernbrennstoffelement mit einer Abstandshalterexnrichtung zur Halterung der Brennstoffstäbe mit einer im wesentlichen parallelen Anordnung in einem rohrförmigen Kühlmittelkanal/ mit einer Abstandshalter-Streifenstruktur mit Abschnitten aus Brennstoffkanäle bildenden, quer zueinander verlaufenden Streifen, wobei die Abschnitte in Abständen entlang der Länge des Kühlmittelkanals angeordnet sind und die Enden der Streifen an der Wand des Kühlmittelkanals befestigt sind, nach Hauptpatent P 21 24 985, dadurch gekennzeichnet, daß vierseitig ausgebildete Brennstoffkanäle für jeden Brennstoffstab vorgesehen sind, indem die Streifenstruktur (62) mindestens zwei getrennte Abschnitte (64(1;2)) in einem Abstand (S) voneinander vorgesehen sind, daß jeder Abschnitt eine erste Anzahl von Streifen (66(1); 67(1)) aufweist, sowie eine zweite Anzahl von Streifen (66(2); 67(2)), die sich quer zu der ersten Anzahl von Streifen zwischen gegenüberliegenden Wandflächen des Kühlmittelkanals erstrecken, daß die Streifen in jedem Abschnitt (64(1)(2)) entsprechend einer Anzahl von Brennstoffkanälen voneinander getrennt sind, die gleich der Anzahl der Abschnitte ist, und daß die Streifen in einem Abschnitt um mindestens einen Brennstoffkanal von den Streifen in irgendeinem anderen Abschnitt versetzt s ind.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (64(1) zwei der vier Seiten für jeden der Brennstoffkanäle bildet, und daß der zweite Abschnitt (64(2)) die beiden anderen Seiten der Brennstoffkanäle bildet.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (64(2)) in einem Abstand (S) von dem ersten Abschnitt (64(1)) vorgesehen ist, der so groß ist, daß die in dem ersten Abschnitt erzeugte Turbulenz der Kühlmittelströmung praktisch nicht mehr vorhanden ist.

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Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Brennstoffstab und einem benachbarten Brennstoffstab ein Streifen angeordnet ist, daß die Streifen in jedem der Abschnitte den doppelten Abstand aufweisen, und daß die Streifen des einen Abschnitts von den Streifen des anderen Abschnitts um einen Abstand versetzt sind.

Brennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichnet, daß die Abschnitte derartige Abstände voneinander aufweisen, daß die Kühlmittelturbulenz dazwischen abklingt.

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