DE2512664A1

DE2512664A1 - Vorrichtung zum halten und stuetzen der staebe eines stabbuendels in der huelle eines kernreaktor-brennelements

Info

Publication number: DE2512664A1
Application number: DE19752512664
Authority: DE
Inventors: Pierre Marmonier; Bernard Mesnage; Jean Teulon; Jean Vayra; Henri Venobre
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-03-28
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1975-10-02
Also published as: JPS50157789A; IT1030458B; ES436040A1; SE402833B; FR2266262B1; FR2266262A1; JPS5816156B2; SE7503304L; GB1474321A; DE2512664C2; BE826529A; US3996101A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Halten und Stützen der Stäbe eines Stabbündels in der Hülle eines Kernreaktor-Brennelements mit einem koaxial an der Basis der vertikal angeordneten Hülle sitzenden Stützkörper für eine Gruppe paralleler Schienen, auf deren Enden Nuten gleiten, die in den Stopfen einer Reihe der Stäbe des Bündels vorgesehen sind.

Durch die Vorrichtung soll die gegenseitige Lage der parallelen Brennstoffstäbe eines Bündels gewährleistet werden. Diese Brennstoffstäbe haben im allgemeinen die Form von "Bleistiften" aus einem spaltbaren oder Brutmaterial, die außen mit rostfreiem Stahl umkleidet sind. Das Stabbündel ist vertikal in einer Hülle mit polygonalem Querschnitt angeordnet,

410-(B 5176.3)-Lp-r (8)

509840/0391

■a.

die an ihrem oberen Ende offen und an ihrem unteren Ende mit einem Stützkörper versehen ist; die gesamte Einheit aus der Hülle und dem Stabbündel, das sie enthält, wird allgemein mit Brennelement bezeichnet.

Es ist bekannt, daß das Core eines Kernreaktors, insbesondere eines Reaktors mit schnellen Neutronen, aus der Nebeneinanderanordnung einer Reihe von Brennelementen dieser Art besteht, die von einer Tragplatte unterstützt werden, die eine gelochte Platte ist und in deren Löcher die Füße der Brennelemente sich einfügen und es möglich machen, daß sich diese Brennelemente vertikal ausdehnen können. Die Brennelemente werden während des Betriebes des Reaktors durch dauernde Zirkulation eines flüssigen Metalls gekühlt, im allgemeinen durch Natrium, das in die Brennelemente von ihren Füßen her unter der Tragplatte eintritt und von unten nach oben in den Brennelementhüllen in Berührung mit dem Stabbündel fließt, das von der Hülle umschlossen ist. Die Stäbe müssen infolgedessen in geeigneter Weise in ihren jeweiligen Elementhüllen festgehalten werden, insbesondere derart, daß sie parallel bleiben, damit sie zwischen sich geeignete Durchlaßquerschnitte für das Kühlmittel lassen, um so ein gleichmäßiges Kühlen des Bündels zu gewährleisten, und schließlich müssen sie sich den mechanischen Vibrationen widersetzen, die durch das Fließen des flüssigen Natriums erzeugt werden.

Um das Ankuppeln und das Festhalten der Stäbe des Bündels im Inneren einer Brennelementhülle zu gewährleisten, hat man bereits vorgesehen, diese Stäbe auf ein inneres Gitter zu setzen, das von der Brennelementhülle oberhalb des entsprechenden Fußteils oder von einem kreis-

509840/0391

förmigen, an diesem befestigten Ring getragen wird. In diesem Falle ist es notwendig für die Montage des Brennelements, daß man jeden Stab einzeln nacheinander auf das Gitter "auffädelt", was eine lange und delikate Maßnahme darstellt· Nach einer Verbesserung der soeben beschriebenen Anordnungen, die insbesondere in der DT-OS 2 046 272 vom 18. 9. 1970 auf den Namen des Commissariat ä 1'Energie Atomique mit dem Titel "Ankopplungsvorrichtung für die dünnen Brennstoffstäbe eines Brennelements" beschrieben ist, hat man ebenfalls vorgesehen, die in Frage kommende Vorrichtung mit zumindest zwei, an einem fest mit der Hülle verbundenen Stützkörper befestigten parallelen Spindeln zu versehen, die quer zur Kühlmittelströmungsrichtung liegen und mit parallelen Schienen, die senkrecht zu den Spindeln angeordnet sind, auf diesen Spindeln gleiten können und ebenfalls in den Stopfen einer Reihe von Brennstoffstäben eingreifen, um diese festzuhalten.

Bei dieser letzten Lösung hat die Erfahrung gezeigt, daß es wünschenswert sein kann, der aus Spindeln und parallelen Schienen bestehenden Ankuppelvorrichtung zumindest ein seitliches Blockierelement hinzuzufügen in Form eines Kammes, der über dem Stützkörper und unter den Schienen angeordnet wird und dessen Zähne geeignet sind, sich zwischen die aufeinanderfolgenden Schienen einzufügen, um diese auf den Spindeln mit einem bestimmten gegenseitigen Abstand festzulegen, der während des Betriebes des Reaktors im wesentlichen gleich bleibt.

Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Verbesserung einer Ankoppelungsvorrichtung bzw. einer Vorrichtung zum Halten und Stützen der Stäbe dar, wie sie soeben geschildert wurde, die ein besseres Festlegen der Schienen, eine wesentlich größere Erleichterung des Zusam-

509840/0391

menbaus und des Einbaus in die Brennelementhülle und eine einfachere Fabrikation gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Halten und Stützen der Stäbe eines Stabbündels in der Hülle eines Kernreaktor-Brennelements mit einem koaxial an der Basis der vertikal angeordneten Hülle sitzenden Stützkörper für eine Gruppe paralleler Schienen, auf deren Enden Nuten gleiten, die in den Stopfen einer Reihe der Stäbe des Bündels vorgesehen sind, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper eine äußere, zum Umfang hin offene Nut hat, die mit Ankuppelfüßen zusammenwirkt, welche die seitlichen Enden der Schienen verlängern und einen zurückspringenden Teil aufweisen, der in die Nut eingreift.

Nach einem anderen Merkmal hat jede Schiene zwei Ankuppelfüße, die in der Ebene der Schienen liegen. Der zurückspringende Teil dieser Füße ist in zwei Bereichen der Nut eingefügt, die auf der einen und auf der anderen Seite einer Symmetrieebene liegen, die senkrecht zur Ebene der Schiene und durch die Achse der Brennelementhülle geht.

Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den parallelen Schienen durch die Blcckierorgane festgelegt, die in die Nut in denjenigen Bereich eindringen, der zwei aufeinanderfolgende zurückspringende Fußteile zweier benachbarter Schienen trennt. Je nach dem vorliegenden Fall können die Blockierorgane aus Kämmen bestehen, die in der Nut unter den Ankuppelfüßen der Schienen eingefügt sind und Zähne aufweisen, die jeweils zwischen die Füße eingreifen. Als Variante können diese Organe aus Klötzen oder ähnlichen Teilen bestehen, die jeweils mit

509840/0391

- af-

einer Seitenfläche einer Schiene verbunden sind, oder die unabhängig von den Schienen bei der Montage eingesetzt werden und nach ihrem Einfügen in die Nut an den Schienen durch Schweißen oder Hartlöten befestigt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform ist der Abstand zwischen parallelen Schienen durch unmittelbar mit den Stäben des Bündels verbundene Organe festgelegt, die eine dauernde "Verstrebung" zwischen einer Reihe oder Lage von Stäben bilden, die von einer Schiene getragen werden, und einer Reihe oder Lage von Stäben, die von einer benachbarten parallelen Schiene getragen werden. Jeweils entsprechend dem betreffenden Fall sind die Verstrebungen bzw. Abstandsorgane aus schraubenlinienförmig mit gleicher Steigung auf die äußere Oberfläche jedes Stabes aufgewickelte Drähte gebildet, die in ihrem Ende an dem Stopfen des Stabes befestigt sind, wobei der anfängliche oder Ausgangsbefestigungspunkt des Drahtes jedes Stabes um 60 um die Achse des Stabes relativ zur Ebene der Nut für das Gleiten auf der Schiene versetzt ist, oder auch durch ein Übermaß des Endstopfens, das derart groß ist, daß die Stopfen einer Reihe oder Lage von Stäben in Berührung mit den Stopfen der benachbarten Reihe oder Lage sind. Diese Übermaß-Abschnitte der Stopfen können ein zylindrisches oder prismatisches Profil haben.

Weitere Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Halten und Stützen der Stäbe eines Stabbündels werden sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele ergeben, die lediglich als Beispiele und nicht als Begrenzungen zu werten sind, und die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigen:

509840/0391

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung eines Teils eines Brennelements für einen Kernreaktor, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Halten und Stützen ausgestattet ist; einige Bauteile sind der Übersichtlichkeit halber aus der Darstellung herausgezogen,

Fig. 2 eine Einzelheit eines Blockierorgans, das bei der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann,

Fig. 3 und 4 perspektivische Darstellungen zweier anderer Ausführung sVarianten des Blockierorgans,

Fig. 5 a und 5 b veranschaulichen eine klassische Anordnung und eine Ausführungsvariante, bei denen der Abstand zwischen den parallelen Schienen unmittelbar durch die Stäbe selbst eingehalten wird, deren Endstopfen verschiebbar auf den Schienen gehalten sind,

Fig. 6 und 7 zwei andere AusführungsVarianten, die aus der Variante gemäß Fig. 5b abgeleitet sind.

In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Abschnitt eines Brennelements bezeichnet, das spaltbaren oder brütbaren Brennstoff enthalten kann, insbesondere für einen Kernreaktor mit schnellen Neutronen. In allgemein bekannter Weise besteht dieses Brennelement aus einer äußeren Hülle 2, deren Querschnitt die Form eines regelmäßigen Polygons, hier die eines Sechsecks hat; diese Hülle, die vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl besteht, verlängert sich an ihrem unteren Ende in einem

509840/0391

zur Stellungshalterung dienenden Fuß 3, der nur teilweise dargestellt ist, und der es gestattet, das Element vertikal zu halten, wenn es in dem Core des Reaktors an seinem Platz eingesetzt ist- In der Zeichnung geben die Pfeile f die Richtung der Strömung eines flüssigen Kühlmittels in dem Core und durch das Brennelement 1 an? die Flüssigkeit ist im allgemeinen Natrium, das so durch den Fuß 3 und die Hülle 2 von unten nach oben in dem Brennelement strömt.

Im Inneren der Hülle 2 ist ein Stützkörper 4 für das Bündel von Stäben mit spaltbarem oder brütbarem Material angeordnet, die später beschrieben werden.Dieser Stützkörper 4 hat an seinem unteren Ende einen Ring, der an dem Fuß der Hülle 2 mit Hilfe von Schrauben 5a festgelegt ist, die um 120 um die gemeinsame Achse des Ringes 5 und der Hülle 2 versetzt sind. Dieser Ring 4 hat eine zentrale Bohrung 6 für das Hindurchströmen des flüssigen Natrium-Kühlmittels und verlängert sich in Richtung auf den oberen Teil der Hülle in einer zylindrisch-konischen Hülse 7, die an ihrem oberen Ende mit einem rohrförmigen Teil 8 versehen ist, der sich einerseits an die Bohrung 6 für den Natriumumlauf anschließt und andererseits eine polygonale äußere Kontur aufweist, die sich dem inneren Profil der Hülle 2 anpaßt.

Gemäß der Erfindung hat der Teil 8 in seiner äußeren Oberfläche eine nach außen offene Nut 9, die sich über den ganzen Umfang des Teiles 8 erstreckt, oder für den Fall, daß dieser Körper im Inneren einer Hülle 2 mit einem Sechseckquerschnitt eingebaut ist, nur längs zweier Halbnuten 9 a und 9b, die diametral einander gegenüberliegen und sich jeweils nur über zwei benachbarte Seiten des Querschnittsechsecks erstrecken. Diese Nut 9 ist in ihrem oberen Teil durch ei nen

509840/0391

ebenen Flansch 10 begrenzt, der sich in Richtung auf die innere Oberfläche der Hülle 2 erstreckt, aber bis auf einen Abstand, der etwas kleiner als der des Körpers des Teiles 8 ist.

Die Brennelementhülle 2 umgibt ein Bündel von Brennstoffstäben 11, deren Ausführungseinzelheiten wenig für die Erfindung bedeuten. In bekannter Weise haben diese Brennstoffstäbe 11 eine äußere Hülle, insbesondere aus Stahl, die an ihren beiden Enden durch Stopfen 12 abgeschlossen ist. Diese Stopfen haben einen Querschlitz oder eine Quernut 11, die es gestattet, die Stäbe 11 in Form von parallelen Reihen oder Lagen von Stäben anzuordnen, indem man die Nut auf eine Rippe 14 oder einen Kopf einer Schiene 15 aufzieht. Die Gesamtheit des Stabbündeis benötigt eine Reihe von Schienen 15, die parallel zueinander sind; jede dieser Schienen trägt eine Reihe oder Lage von Stäben, die auf der Schiene durch ihren Schlitz 13 bzw. ihre Nut gehalten und auf der entsprechenden Rippe 14 bzw. dem entsprechenden Schienenkopf verschiebbar sind; der Abstand der Stäbe in jeder Seihe oder Lage wird durch einen Draht 11a gewährleistet, der schraubenlinienförmig auf der äußeren Oberfläche der Umkleidung dieser Stäbe aufgewickelt ist.

Urn das Stützen und Halten der Stäbe 11 durch den Bauteil 8 im Inneren der Hülle 2 zu gewährleisten, gleichzeitig mit dem Festhalten dieser Stäbe in ihrer gegenseitigen Lage unter Benutzung der Schienen 15, hat jede Schiene zwei seitliche Verlängerungen, die sich in den Raum erstrecken, der zwischen der Hülle 2 und dem Flansch 10 frei geblieben ist und die in einem zurückspringenden Teil 17 enden, der sich hinter dem Flansch 10 in das Innere der Nut 9 derart einfügen kann, daß das Zusammenwirken dieses zurückspringenden Teils 17 mit der Nut

503840/0S81

.1

es gestattet, die Schienen 15 und infolgedessen die Stäbe 11, welche diese Schienen halten, in vertikaler Richtung festzulegen. Außerdem und entsprechend einer vorteilhaften Anordnung werden die parallelen Schienen 15, nachdem sie einmal relativ zu der Nut 9 in der oben angegebenen Weise festgelegt sind, in ihrer Stellung durch ein Blockierorgan blockiert, für das die Fig. 2 bis 4 unterschiedliche Ausführungsvarianten zeigen.

In dem Fall, der durch die Fig. 2 veranschaulicht ist, erfolgt das Blockieren der die Stäbe 11 tragenden Schiene mit Hilfe von zwei Kämmen 80, die in die zwei Halbnuten 9 a und 9 b eingreifen, die einander diametral gegenüber in dem Bauteil 8 eingearbeitet sind; jeder dieser Kämme 18 hat Zähne 19, die voneinander durch Schlitze 20 getrennt sind, die nach dem oberen Teil der Hülle 2 gerichtet sind und deren Ebene derjenigen der Schienen 15 entspricht. Unter diesen Bedingungen blockiert das Eingreifen des Kammes 18 zwischen die Schienen 15 gleichzeitig mit einer Einstellung dieser Schienen in den Spalten 20 zwischen den Zähnen 19 die gesamte Anordnung relativ zu dem Bauteil 8 und infolgedessen zu der Brennelementhülle.

In der Variante gemäß Fig. 3 ist jeder Schiene 15 ein seitlicher Klotz 21 zugeordnet, der in dem Raum sitzt, der zwei benachbarte Schienen trennt. Je nach dem vorliegenden Fall können diese Klötze an den Schienen durch Schweißen oder Hartlöten vor dem Zusammenbau festgelegt werden, oder nach Einfügen der Schienen in die Nut 9; wobei die Befestigung dieser Klötze an den Schienen erfolgt, wenn der Zusammenbau beendet ist. Als eine weitere Variante, wie sie in Fig. 4 veranschaulicht ist, können die Schienen 15 in ihren zurückspringenden

509840/0391

Teilen 17, die in die Nut 9 eindringen, einen Ansatz oder einen Querwinkel 23 haben, die als Abstandshalter zwischen zwei benachbarten Schienen dienen und so die gleiche Rolle spielen wie die Klötze 21 der Fig. 3.

Die Fig. 5 a veranschaulicht einen schematischen Schnitt quer zur Achse der Stäbe bei einem Teil eines Bündels, in dem die Stäbe 11 mit ihrem Endstopfen auf den Schienen 15 in der bereits geschilderten Weise festgelegt sind. In diesem Falle sieht man indessen, daß, wenn die Schienen selbst nicht relativ zu dem Stützkörper blockiert sind, Verschiebungen und Vibrationen in Richtung der Pfeile mit allen Konsequenzen möglich sind, die sich dadurch für den geometrischen Aufbau des Stabbündels ergeben. Um einen solchen Nachteil zu vermeiden, kann man nach einer in Fig. 5 b veranschaulichten Anordnung eine Abstandsabstützung der Stäbe von einer Reihe oder Lage zur anderen und infolgedessen das Blockieren der Schienen erzielen, welche diese Stäbe halten, indem man die Drähte 11a relativ zu ihrem Befestigungspunkt auf den Endstopfen um 60 zur Achse der Stäbe derart versetzt, daß diese Drähte die Abstandshaltung zwischen den Stäben gewährleisten, nicht nur in jeder Reihe oder Lage, aber auch zwischen einer Reihe oder Lage und der anderen. Bei der Variante nach Fig. 6 ist die Querabstützung der Stäbe unmittelbar auf der Höhe der Stopfen 13 durchgeführt, indem diese Stopfen ein Durchmesserüberm^aß 13a haben, das den gegenseitigen Kontakt der Stäbe in benachbarten Lagen oder Reihen gewährleistet. In der Fig. 7 schließlich ist das Durchmesserübermaß 13 a des Stopfens 13 mit einem prismatischen Profil und angeflachten Seitenflächen 13b ausgeführt.

509840/0391

Man erzielt auf diese Weise eine sehr einfach ausgebildete Halte- und Stützvorrichtung eines Stabbündels, die gegenüber den bekannten Lösungen den Vorteil hat, die Ursachen, die die Strömung des Natriums stören könnten, stark zu begrenzen, im wesentlichen dank einer günstigeren Aufteilung der mechanischen Beanspruchungen, was um so vorteilhafter ist, als das Stabbündel ein großes Gewicht hat.

Selbstverständlich dürfte es klar sein, daß die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt ist, die besonders beschrieben und dargestellt wurden; die Erfindung umfaßt sämtliche Varianten, insbesondere außer der oben erwähnten Anwendung bei einem Brennelement mit spaltbarem oder Brutstoff läßt sie sich auch bei einem Steuerstab anwenden, der aus einem Bündel von Stäben besteht, die ein Absorbermaterial enthalten und im Inneren einer vertikalen Hülle analog zu den Hüllen der Brennelemente des Cores angeordnet sind.

509840/0391

Claims

Patentansprüche

I 1.) Vorrichtung zum Halten und Stützen der Stäbe eines Stabbündels in der Hülle eines Kernreaktor-Brennelements, mit einem koaxial an der Basis der vertikal angeordneten Hülle sitzenden Stützkörper für eine Gruppe paralleler Schienen, auf deren Enden Nuten gleiten, die in den Stopfen einer Lage oder Reihe der Stäbe des Bündels vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (4) eine äußere zum Umfang hin offene Nut (9) hat, die mit Ankuppelfüßen (16) zusammenwirkt, welche die seitlichen Enden der Schienen (15) verlängern und einen zurückspringenden Teil (17) aufweisen, der in die Nut eingreift.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schiene (15) zwei Ankuppelfüße (16) aufweist, die in der Ebene der Schiene angeordnet sind, daß der zurückspringende Teil (17) dieser Füße in zwei Bereichen der Nut (9) eingefügt sind, die auf der einen und der anderen Seite einer zur Ebene der Schiene senkrechten Symmetrieebene liegen, die durch die Achse des Brennelements geht.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den parallelen Schienen (15) durch Blöckierorgane festgelegt ist, die in die Nut in den Zwischenraum eindringen, der zwei aufeinanderfolgende zurückspringende Teife (17) zweier benachbarter Schienen (15) trennt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

509840/0391

-45.

Blockierorgane Kämme (13) sind, die in der Nut (9) unter den Ankuppelfüßen (16) der Schienen (15) eingebaut sind und Zähne (19) haben, die zwischen diese Füße eingreifen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die BlockieiOrgane Klötze (21) oder ähnliche Teile (23) umfassen, die jeweils an der einen Seite einer Schiene (15) festgelegt sind oder auch unabhängig von den Schienen erst bei der Montage nach dem Eingreifen der Schienenfüße (16) in die Nut (9) an der Schiene durch SchweiBen oder Hartlöten befestigt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den parallelen Schienen (15) durch Organe festgelegt ist, die mit den Stäben (ll) des Bündels unmittelbar verbunden sind und einen konstanten Abstand zwischen einer Reihe oder Lage von Stäben, die von einer Schiene getragen werden, und einer Reihe oder Lage von Stäben, die von einer der benachbarten parallelen Schienen getragen werden, halten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalteorgane schraubenlinienförmig in einer Schraubenlinie mit konstanter Steigung auf die äußere Oberfläche jedes Stabes (ll) aufgewickelte Drähte (lla) sind, die an ihrem Ende an dem Stopfen des Stabes festgelegt sind, wobei der anfängliche Befestigungspunkt des Drahtes jedes Stabes (relativ zur Ebene der Schiene (15) um 60 um die Achse versetzt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die

509840/0391

Abstandshalteorgane aus einem größeren Durchmesser des Endstopfens (13) gebildet sind, wobei die Endstopfen einer Reihe oder Lage in Berührung mit dem Endstopfen der benachbarten Reihe oder Lage sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit größerem Durchmesser ausgeführten Teile der Endstopfen (13) ein zylindrisches oder prismatisches Profil (13a) haben.

509840/Ö391