DE1439362A1

DE1439362A1 - Spacers for fuel assemblies

Info

Publication number: DE1439362A1
Application number: DE19641439362
Authority: DE
Inventors: Hans Kroepfl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-04-09
Filing date: 1964-04-09
Publication date: 1969-04-10

Description

Abstandshalter für Brennelemente Die Brennelemente von Atomreaktoren bestehen normalerweise aus einer Anzahl_von verhältnismäßig langen, aber auch verhältnismäßig dünnen Brennstäben,. die im gleichen Abstand nebeneinander angeordnet sind. Die in den Brennstäben während des Reaktorbetriebes frei werdende Wärme wird durch das zwischen den Brennstäben fließende Kühlmittel abgeführt. Für eine gleichmäßige Abfuhr der Wärme aus allen diesen Brennstäben ist es dabei wesentlich, daß sich die Zwischenräume praktisch nicht verändern. Zur Gewährleistung dieser Bedingung ist es aber notwendig, bei der verhältnismäßig großen Länge der Brennstäbe in regelmäßigen Abständen Abstandshalter zwischen den einzelnen Brennstäben einzufügen. Diese bestehen nach einer bekannten Ausführungsform aus hochkant angeordneten Blechstegen, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind und so ineinander greifen, daß ein Gitterwerk entsteht. Die damit entstehenden Maschen umfassen jeweils einen Brennstab, der durch von den Stegteilen vorspringende Laschen in der Mitte dieser Maschen gehalten wird.Spacers for fuel elements The fuel elements of nuclear reactors usually consist of a number of relatively long, but also relatively long thin fuel rods ,. which are arranged side by side at the same distance. the The heat released in the fuel rods during operation of the reactor is generated by the coolant flowing between the fuel rods is discharged. For an even discharge the heat from all these fuel rods, it is essential that the spaces practically does not change. To ensure this condition, however, it is necessary with the relatively large length of the fuel rods spacers at regular intervals to be inserted between the individual fuel rods. These consist of a known one Embodiment of edgewise arranged sheet metal webs, which are at right angles to each other are arranged and interlock in such a way that a latticework is created. The one with it The resulting meshes each include a fuel rod that passes through the web parts protruding tabs is held in the middle of these meshes.

Da die Brennstäbe normalerweise kreisförmigen Querschnitt besitzen, ist der Strömungsquerschnitt durch das Brennstabgitter und auch durch die Maschen des Abatandshaltegitters unterschiedlich. In den Ecken dieses-Maschengitters wird der Strömungswiderstand kleiner sein und an den Mitten der Stege, wo der kleinste Abstand gegenüber dem zentrierten Brennstab und auch zwischen@den Brennstäben herrscht, wird er größer sein. Bei der Bemessung der zulässigen thermischen Belastung der Brennstäbe muß aber von der Zone där schlechtest möglichen Kühlung ausgegangen werden. Einem derartigen Brennstab kann also nicht _die Leistung entnommen werden, die sich bei einer gleichmäßigen . Wärmeabfuhr ergeben würde. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abstandshalter zur Verwendung in Brennelementen von Atomreaktoren aus einem Gitterwerk von hochkant angeordneten und ineinandergreifenden Blechstegen, von .denen Abstandsfahnen zu den zu halternden Brennstäben des Elementes abgebogen sind und vermeidet die bei bekannten Einrichtungen ähnlicher Art auftretenden geschilderten Nachteile. Erfindungsgemäß liegen die Berührungspunkte zwischen Brennstab und den federnden Kontaktfahnen auf gedachten, parallel zur Elementachse verlaufenden Ebenen der Winkelhalbierenden der Maschen des Gitterwerkes. Dadurch wird erreicht, daß die Abstandsfahnen nicht wie bei bekannten Abstandshaltern in den Zonen verringerter Strömungsgeschwindigkeit sondern in Zonen geringeren Strömungswiderstandes, also erhöhten Kühlmitteldurchflusses angeordnet sind. Es wird also damit eine Vergleichmäßigung des Strömungswiderstandes und auch der Kühlung der Brennstäbe ermöglicht, so daß die spezifische Oberflächenbelastung derselben erhöht werden kann. Durch die spezielle Formgebung der Abstandshalterfahnen, die also sozusagen aus den Ecken der Maschen des Abstandshaltergitters hervorwachsen, wird der Kühlmittelströmung ein Drall um den Brennstab herum eingeprägt, der seinerseits wieder zu einer Erhöhung der Wärmeabfuhr vom Brennstab führt. Von diesem Gesichtspunkt der Verwirbelung aus ist es zweckmäßig, die Abstandshaltergitter in entsprechenden Abständen übereinander anzuordnen. Diese neuartige Abstaridshalterform wirkt also in doppelter@Hinsicht in Richtung einer Erhöhung der Leistung eines damit ausgerüsteten Reaktors. Weitere . Einzelheiten dieser Erfindung sind anhand der Figuren 1 bis 8 zu entnehmen.Since the fuel rods usually have a circular cross-section, is the flow cross-section through the fuel rod grid and also through the mesh of the spacing grille different. In the corners of this mesh there will be the flow resistance will be smaller and at the centers of the webs where the smallest There is a distance from the centered fuel rod and also between the fuel rods, he will be bigger. When dimensioning the permissible thermal load of the However, fuel rods must be assumed to be in the zone with the worst possible cooling. Such a fuel rod cannot, therefore, derive the power that is with an even. Heat dissipation would result. The present The invention relates to a spacer for use in fuel assemblies of nuclear reactors from a latticework of vertically arranged and interlocking sheet metal webs, bent from .denen spacer flags to the fuel rods to be held of the element are and avoids the described occurring in known devices of a similar type Disadvantage. According to the invention, the points of contact between the fuel rod and the Resilient contact lugs on imaginary planes running parallel to the element axis the bisector of the mesh of the latticework. It is thereby achieved that the spacer flags are not reduced in the zones as in known spacers Flow velocity but in zones of lower flow resistance, that is increased coolant flow are arranged. So it becomes a leveling out the flow resistance and also the cooling of the fuel rods, so that the specific surface load of the same can be increased. Due to the special Shaping of the spacer flags, so to speak from the corners of the mesh grow out of the spacer grid, the coolant flow is swirled around embossed around the fuel rod, which in turn leads to an increase in heat dissipation leads from the fuel rod. From this point of view of turbulence, it is advisable to to arrange the spacer grids one above the other at appropriate intervals. These new form of Abstaridshalterform works in two ways in the direction of one Increasing the performance of a reactor equipped with it. Further . details This invention can be seen from FIGS. 1 to 8.

Fig. 1 zeigt in der Draufsicht ein Abstandshaltergitter, das aus den sich kreuzenden Blechstegen 3 und 3° besteht. Die Maschen dieses Gitters sind quadratisch. Die durch jede Maschine hindurchlaufenden Brennstäbe 2 werden dabei durch die Fahnen 4 und 4', die von den die einzelnen Naschen begrenzenden Stegteilen abgewinkelt sind, zentriert. Mit 4-sind dabei jene Fahnen bezeichnet, die von der Oberseite und mit 4' jene, die von der Unterseite des Maschengitters abgewinkelt sind. Dadurch, daß diese Abstandsfahnen aus den Eckpartien der Maschen hervorwachsen und die Berührungspunkte zwischen den Fahnen und den Brennstäben auf den Halbierenden der Maschenwinkel liegen, verbleiben im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen die-Zwischenräume zwischen den Stegteilen und den Brennstäben an ihren engsten Stellen frei von weiteren störenden Bauelementen. Die Abstandshalterfahnen 4 sind vielmehr im Weg des geringsten Strömungswiderstandes angeordnet und sorgen damit für eine Vergleichmäßigung der Strömung um den ganzen Brennstab herum.Fig. 1 shows a plan view of a spacer grid, which consists of the intersecting sheet metal webs 3 and 3 °. The meshes of this grid are square. The fuel rods 2 passing through each machine are thereby carried by the flags 4 and 4 ', the angled from the web parts delimiting the individual niches are centered. With 4-those flags are designated, those of the top and with 4 'those angled from the bottom of the mesh are. Because these spacer flags grow out of the corner parts of the mesh and the points of contact between the flags and the fuel rods on the bisectors the mesh angle remain, in contrast to known embodiments the gaps between the web parts and the fuel rods at their narrowest points free of other interfering components. The spacer lugs 4 are rather arranged in the path of the least flow resistance and thus ensure a Uniformity of the flow around the entire fuel rod.

Wie bereits erwähnt, sorgen sie auch für eine entsprechende Drallbewegung der Kühlmittelströmung, wie sie durch die Pfeile eingezeichnet ist. As already mentioned, they also ensure a corresponding swirling movement of the coolant flow, as indicated by the arrows.

Selbstverständlich sind auch andere Gitterformen denkbar, siehe Fig. 2. Dort ist ein Ausschnitt aus einem Dreiecksgitter dargestellt, bei dem selbstverständlich jeweils dann nur drei Laschen zur Zentrierung des umfaßten Brennstabes 2 dienen. Auch hier wird eine Drehströmung in Richtung des gezeichneten Pfeiles erreicht.Of course, other grid shapes are also conceivable, see Fig. 2. There is shown a section of a triangular grid, in which of course Then only three tabs are used to center the fuel rod 2 encompassed. Here, too, a rotary flow in the direction of the arrow is achieved.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem quadratischen Abstandshaltergitter, das ebenfalls wieder aus den Stegteilen 3 und 3' zusammengefügt ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Abstands-, halterfahnen lediglich nach der einen Seite ausgebildet und besitzen infolge ihrer gewölbten Ausführungsform einen ausgeprägten progressiven Federcharakter. Damit ist es möglich, die Brennstäbe von der einen Seite her ohne jegliche zusätzliche Werzeuge durch die Maschen hindurchzuführen. Die Fahnen befinden sich alle auf der Abstandshalteroberseite. Von jeder Fahne wird dabei ein Teilstrom des Kühlmittels auf die Rückseite der nebenliegenden gelenkt. Die Federeigenschaften verhindern zudem eine Berührung der Brennstäbe mit den senkrechten Stegen, wenn sich die Brennstäbe infolge ungleicher thermischer Belastung durch einen anormalen Betriebszustand verbiegen sollten. Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine quadratische Abstandshaltermasche. Bei dieser Ausbildungsform sind die oberen Laschen zur Zentrierung des umfaßten Brennstabes 2 vorgesehen, während die unteren Laschen 4' zur Zentrierung der Brennstäbe der benachbarten Maschen dienen. Auch aus dieser Darstellung ist wiederum die Entstehung der Kühlmitteldrehströmung zu ersehen. Beim Zusammenbau des Brennelementes ist es bei dieser Bauform zweckmäßig, die Brennstäbe abwechselnd von beiden Seiten einzuführen, wenn zusätzliche Hilfsgeräte zur Vermeidung von Verklemmungen beim Einsetzen der Brennstäbe 2 vermieden werden sollen. Aus dieser Darstellung ist auch besonders deutlich die Ineinanderfügung der Blechstege 3 und 3' ersichtlich. Zweckmäßig werden diese Durchdringungsstellen nachträglich noch miteinander hartverlötet.Fig. 3 shows a section from a square spacer grid, which is also reassembled from the web parts 3 and 3 '. At this Embodiment are the spacer, holder flags only on one side formed and have a pronounced due to their curved design progressive spring character. This makes it possible to remove the fuel rods from one Guide it through the mesh without any additional tools. The flags are all on the top of the spacer. Every flag will while a partial flow of the coolant is directed to the back of the adjacent one. The spring properties also prevent the fuel rods from touching the vertical ones Bars when the fuel rods move through due to uneven thermal loads should bend an abnormal operating condition. Fig. 4 shows a square spacer mesh in a perspective view. At this Form are the upper tabs for centering the enclosed fuel rod 2 is provided, while the lower tabs 4 'for centering the fuel rods of the serve adjacent meshes. The emergence is also from this representation the rotating coolant flow. When assembling the fuel assembly it is With this design it is advisable to insert the fuel rods alternately from both sides, if additional auxiliary devices to avoid jamming when inserting the Fuel rods 2 should be avoided. This representation is also special clearly the nesting of the sheet metal webs 3 and 3 'can be seen. Become useful these penetration points are subsequently hard-soldered to one another.

Die Abbildungen 5 bis 8 zeigen jeweils in einer Seitenansicht und einer ausschnittsweisen Draufsicht verschiedene Modifikationen der Abstandshalterfahnen sowie von Ausbuchtungen, Stollen z.dgl. in der Mitte der Abstandshalterstege 3. Diese zusätzlichen Vorsprünge befinden sich an der Stelle des engsten Zwischenraumes zwischen Brennstab und Steg und berühren in keinem Falle den jeweiligen Brennstab. Sie sind lediglich als Sicherheitsanschlag bei evtl. zu großen Verbiegungen der Brennstäbe vorgesehen, damit auch bei Störungen in der Kühlmittelströmung stellenweise weitere Überhitzungen der Hüllrohre der Brennstäbe vermieden werden.Figures 5 to 8 each show a side view and a partial plan view of various modifications of the spacer lugs as well as bulges, studs and the like. in the middle of the spacer bars 3. These additional protrusions are located at the point of the narrowest space between the fuel rod and the web and never touch the respective fuel rod. They are only used as a safety stop in the event of excessive bending of the Fuel rods are provided so that in places even in the event of disturbances in the coolant flow further overheating of the cladding tubes of the fuel rods can be avoided.

Nach Fig. 5 und 5a sind solche Stege 5 von den Abstandshalterfahnen ober- und unterhalb der eigentlichen Stege'3 abgebogen. , Insbesondere aus Fig. 5a ist zu sehen, daß noch ein großer Abstand zwischen diesen Vorprüngen und dem Brennstab 2 besteht, so daß dadurch keine wesentliche Kühlmitteldrosselung erfolgt. Vielmehr tragen diese Vorsprünge ebenfalls zur Ablenkung der Kühlmittelströmung bei.According to FIGS. 5 and 5a, such webs 5 are from the spacer lugs bent above and below the actual webs' 3. , In particular from Fig. 5a it can be seen that there is still a large distance between these projections and the Fuel rod 2 is there, so that there is no significant coolant throttling. Rather, these projections also contribute to the deflection of the coolant flow at.

Nach Fig. 6 sind in der Mitte der maschenbegrenzten Stege Ausbuchtungen 6 eingeprägt, die gleichfalls einen Sicherheitsabstand bewirken und zusätzlich als Strömungsleiteinrichtung dienen.According to FIG. 6, there are bulges in the middle of the mesh-limited webs 6 embossed, which also has a safety margin cause and also serve as a flow guide device.

Fig. 7 zeigt in den Stegen 3 eine schräggestellte Wellung 7, die ebenfalls die Einhaltung des Sicherheitsabstandes und eine Strömungsumleitung bewirken. Die letzte Fig. 8 - 8a zeigt eine weitere Variante dieser Hilfseinrichtung 8, die in diesem Falle durch Stanzen-und Ausbiegen aus dem Mittelteil des Steges 3 gebildet wird. Für diese Ausführung gelten dieselben Richtlinien wie für die vorbesprochenen.Fig. 7 shows an inclined corrugation 7 in the webs 3, which also ensure compliance with the safety distance and a flow diversion. The last FIGS. 8 - 8 a shows a further variant of this auxiliary device 8, which in this case is formed by punching and bending out of the central part of the web 3. The same guidelines apply to this version as to those discussed above.

Diese Ausbuchtungen, Stollen u.dgl. bringen teilweise noch den weiteren Vorteil einer Versteifung der Stege mit sich und erhöhen damit die Stabilität des gesamten Abstandshaltergitters.These bulges, studs and the like also have the further advantage of stiffening the webs and thus increasing the stability of the entire spacer grid.

Aus den dargestellten Beispielen des erfindungsgemäßen Abstandshalters geht weiterhin hervor, daß die Abstandshalterfahnen benachbarter Brennstäbe immer entgegengesetzt gebogen sind, wodurch der Kühlmitteldrall um die Brennstäbe herum sinngemäß weitergeführt wird bzw. die entsprechenden Impulse erfährt. Selbstverständlich sind noch eine Vielzahl anderer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abstandshalters denkbar; allen ist jedoch gemeinsam die Vergleichmäßigung des Strömungswiderstandes um den Brennstab herum durch die Wahl der Anlagepunkte in den Zonen des geringsten Strömungswiderstandes sowie die Zeitung der Strömung um den jeweiligen Brennstab herum und die damit erreichte Verbesserung der Kühlwirkung. From the examples of the spacer according to the invention shown, it can also be seen that the spacer lugs of adjacent fuel rods are always bent in opposite directions, whereby the coolant swirl around the fuel rods is continued accordingly or experiences the corresponding impulses. Of course, a large number of other embodiments of the spacer according to the invention are also conceivable; What they all have in common, however, is the equalization of the flow resistance around the fuel rod through the choice of the contact points in the zones of the lowest flow resistance as well as the flow around the respective fuel rod and the improvement in the cooling effect achieved thereby.

Claims

Claims 1. Spacers for use in fuel assemblies of nuclear reactors from a latticework arranged on edge and interlocking Sheet metal webs, from which contact lugs to the fuel rods to be held of the element are bent, characterized in that the points of contact between fuel rod and the resilient contact lugs which deflect the coolant flow in imaginary planes of the bisector that run parallel to the element axis the mesh of the latticework and there are above and below the same.

2. Spacer according to claim 1, characterized in that the contact lugs to the side of the middle of the web parts that each form one mesh side - upwards or downwards. and angled down alternately in the direction of the adjacent mesh spaces are.

3. Spacer according to claim 1 and 2, characterized in that the flags are twisted in such a way that the points of contact are as far apart as possible of the web parts delimiting the meshes. Spacer according to claim 1 to 3, characterized in that the web parts forming the meshes in their Center with protruding to both sides, the fuel rods not touching bulges, Studs or the like. are provided.