Die Erfindung betrifft ein Brennelement mit einem Bündel zu¬ einander paralleler Brennstäbe, wobei jeder Brennstab an meh- reren axialen Positionen jeweils durch eine Masche eines git- terför igen Abstandhalters geführt und dort durch eine Stütz¬ feder seitlich abgestützt ist.

Brennelemente enthalten ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe, die bei Siedewasserreaktoren um ein Kühlmittelrohr angeordnet sind, das meist einen rechteckigen Querschnitt mit ebenen Rohrwänden besitzt. Das Bündel ist oben und unten von einer Platte mit Durchtrittsöffnungen für einen von unten nach oben strömenden Kühlmittelstrom abgedeckt und im Fall eines Siedewasserreaktors seitlich von einem Brennelement-Kasten umgeben, der meist einen rechteckigen Querschnitt und prak¬ tisch ebene Kastenwände besitzt. Der seitliche Abstand der Brennelemente im Bündel ist an mehreren axialen Positionen der Brennstäbe durch gitterförmige Abstandhalter fixiert, wobei jeder Brennstab jeweils durch eine Masche des Gitters geführt und dort durch eine Stützfeder seitlich abgestützt ist. Ein derartiger Abstandhalter wird von quer zu den Stäben verlau¬ fenden und parallel zu den Stäben ausgerichteten Stegen gebil¬ det, wobei er nach außen von äußeren Randstegen und im Fall eines Siedewasserreaktors mit zentralem Kühlmittelrohr innen von inneren Randstegen umgeben ist. Die Stege können dabei geradlinig sein und sich gegenseitig durchsetzen, so daß eckige Gittermaschen entstehen; sie können aber insbesondere auch als Hülsen ausgebildet sein, die aneinandergeschweißt sind und die Brennstäbe ringförmig umgeben. An ihrem oberen Rand tragen die Stege meist Laschen, die als Strömungsleit¬ flächen dienen und insbesondere im Fall der Randstege in die Zwischenräume zwischen benachbarten Brennstäben gerichtet sind. Bei Druckwasserreaktoren ist die axiale Lage der Ab- standhalter durch Befestigung an Führungsrohren gegeben, bei Siedewasserreaktoren mit Kühlmittelrohren können die Abstand¬ halter am Kühlmittelrohr durch an den Rohrwänden befestigte

Anschläge gehalten werden, die an den oberen und unteren Rand sowohl der inneren Randstege wie benachbarter Innenstege an¬ schlagen, um eine ausreichende Anschlagfläche zu erhalten.

Die Innenstege, die zwischen den Brennstäben verlaufen, bil¬ den in jeder Masche Anlageflächen für wenigstens eine Stütz¬ feder, die den Brennstab gegen weitere Halteelemente, zum Bei¬ spiel starre Noppen, drückt. Für das zwischen den Brennstäben von unten nach oben strömende Kühlmittel stellen die Stege, Noppen und Federn unerwünschte Hindernisse dar, die eine gleichmäßige Strömung behindern. Um den vorhandenen Quer¬ schnitt möglichst gut auszunützen, versucht man bei Siede¬ wasserreaktoren die Brennstäbe möglichst nahe an das Kühl¬ mittelrohr bzw. den Brennelement-Kasten heranzurücken. Dabei bilden die Randstege weitere Strömungshindernisse. Um den

Brennstoff gut auszunützen, ist man außerdem bestrebt, ihn auf möglichst viele, entsprechend dünne Brennstäbe zu verteilen, wodurch auch die Zwischenräume zwischen den Brennstäben klein werden, so daß die Strukturelemente des Abstandhalters, die ^~ wegen der mechanischen Stabilität nicht beliebig dünn gemacht werden können, einen immer störenderen Einfluß auf die Kühl- ittelströmung haben. Geht man daher zum Beispiel von Brenn¬ stabbündeln mit acht oder neun Reihen und Spalten von Brenn¬ stäben auf Anordnungen mit elf Reihen von Brennstäben bei gleichem Brennelementquerschnitt über, so muß durch eine ent¬ sprechend strömungsgünstige Konstruktion des Abstandhalters für einen niedrigen Strömungswiderstand gesorgt werden, um den erforderlichen Kühlmitteldurchsatz aufrechterhalten zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennele¬ ment mit einem Abstandhalter zu schaffen, der einen hinrei¬ chend kleinen Strömungswiderstand besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe setzt die Erfindung zunächst bei dem von den Stützfedern hervorgerufenen Strömungswiderstand an und schlägt für jede einen Brennstab führende Masche eine

Stützfeder mit einer oberen und unteren Anlagefläche vor, die an einer dem Stab zugewandten Vorderseite eines die entspre¬ chende Masche umgebenden Steges anliegt. Die beiden Anlage¬ flächen sind über ein einfach gewinkeltes, gegen den Brennstab gerichtetes, federndes Mittelteil mit zwei flachen, jeweils an eine Anlagefläche anschließenden Schenkeln verbunden. Diese Anlageflächen gehen jeweils in ein Federende über, die so mit¬ einander befestigt sind, daß sie den Steg umschließen. Dadurch ist einerseits eine feste Auflage am Steg, andererseits ein großer Federweg gegeben, der eine hohe Elastizität bei aus¬ reichender Auflagekraft bewirkt. Damit beim Einsetzen der Brennstäbe die Federschenkel nicht überdehnt und das gewinkel¬ te Mittelteil verformt wird, trägt die Vorderseite des Steges einen Sicherheitsanschlag in Form eines auf das federnde Mit- telteil gerichteten Erhebung.

Aus der europäischen Offenlegungsschrift 0 330 013 ist bereits eine Feder mit oberen und unteren Anlageflächen, ein die An¬ lageflächen über flache Schenkel verbindendes Mittelteil und ein Sicherheitsanschlag bekannt, wobei jedoch das Mittelteil zwischen den flachen Schenkeln eine Wellenform mit einer oder mehreren gegen die Vorderseite des Steges gerichteten Wölbun¬ gen aufweist, die gleichzeitig als Sicherheitsanschlag wirken können. Ein einfach gewinkeltes Mittelteil gemäß der Erfindung ist jedoch strömungsmäßig wesentlich günstiger, so daß der

Strömungswiderstand an der auf das federnde Mittelteil gerich¬ teten Erhebung an der Vorderseite des Steges kaum ins Gewicht fällt.

Bei Druckwasserreaktoren müssen die Ecken des Abstandhalters möglichst glatt und so geformt sein, daß sich beim Hantieren im Reaktor die Abstand ^' alter benachbarter Brennelemente nicht miteinander verhaken können. Bei Siedewasserreaktoren ist die ausreichende Umströmung der Eckstäbe mit Kühlmittel schwierig. Die Erfindung schlägt daher für Siedewasserreaktoren Abstand¬ halter mit "offenen Ecken" vor, das heißt die Außenstege stos- sen dort nicht direkt aneinander. Vielmehr sind sie gemäß der

_ Erfindung nur über Innenstege miteinander verbunden, so daß in der von den Außenstegen gebildeten Umrandung ein Spalt ent¬ steht.

Es ist üblich, die Außenstege bei Siedewasserreaktoren über Noppen an den Kastenwänden abzustützen, wobei diese Noppen von zwei zueinander spiegelbildlichen Hälften gebildet sind und bei rechteckigen Brennelementen jeweils an den Ecken vor¬ gesehen sind, das heißt jedes an einer Ecke einem anderen Steg benachbartes Stegende trägt im Stand der Technik zwei derarti¬ gen Halbnoppen. Die Erfindung sieht dagegen für jedes derarti¬ ge Stegende nur eine Halbnoppe vor, das heißt die beiden Hälf¬ ten einer derartigen Noppe sind voneinander durch ein langes, ebenes Mittelteil des Steges getrennt. Dadurch wird bei prak- tisch gleicher Auflagekraft der Strömungswiderstand der Noppen nahezu halbiert.

Bei Siedewasserreaktoren, deren Abstandhalter die erwähnten Laschen an ihren Oberseiten tragen, ist die Größe dieser La- sehen praktisch durch den Raum zwischen benachbarten Brenn¬ stäben, in die diese Laschen hineingebogen sind, beschränkt. Für die Geometrie des Innensteges ergeben sich Beschränkungen, da dort der Abstandhalter am Kühlmittelrohr gehalten ist. Wird die Höhe der restlichen Stege gering gehalten, so ist auch der Strömungswiderstand entsprechend klein. Die Erfindung sieht vor, daß die äußeren Randstege und die inneren Randste¬ ge jeweils mit ihren Unterkanten bis zu einer unteren Ebene und mit den oberen Kanten der von den Randstegen getragenen Laschen bis zu einer oberen Ebene reichen. Zwischen diesen La- sehen ist aber die Höhe der äußeren Randstege geringer als die Höhe der inneren Randstege.

Dadurch sind die Laschen an den äußeren Randstegen verlängert, also ihre Basis breiter, und die Zwischenräume zwischen die- sen Laschen sind entsprechend kleiner als am Innensteg. Zwi¬ schen den Laschen des höheren Innensteges ist daher noch genügend Raum, damit von den Rohrwänden getragene Anschläge in

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Diese und weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den An¬ sprüchen gekennzeichnet und werden anhand mehrerer Ausfüh¬ rungsbeispiele und 21 Figuren näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, FIG 2 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Feder, FIG 3 und FIG 4 einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Feder und die sie tragenden Steg- teile des Abstandhalters nach Figur 1,

FIG 5 und FIG 6 verschiedene Schnitte durch einen in Figur 4 gezeigten Innensteg, FIG 7 eine Ecke des Abstandhalters nach Figur 1 (ohne Brenn¬ stäbe) , FIG 8 und FIG 9 Querschnitte durch Ecken ähnlicher Abstand¬ halter mit hülsenförmigen Innenstegen, FIG 10 die "offene Ecke" eines Abstandhalters mit quadrati¬ schen Maschen, FIG 11 bis 13 Ansicht, Quer- und Längsschnitt durch einen äußeren Randsteg mit Halbnoppen zum Abstützen gegen den Brennelement-Kasten, FIG 14 bis 16 zusätzliche Stütznoppen an den Laschen des äuße¬ ren Randstegs, FIG 17 und 18 Ansicht und Längsschnitt eines äußeren Randstegs FIG 19 einen Querschnitt durch die Hälfte eines Kühlmittelroh¬ res mit Anschlägen, Distanzfedern, benachbarten inneren Randstegen und Innenstegen des Abstandhalters und FIG 20 und 21 zwei Längsschnitte durch Details der in Figur 19 dargestellten Elemente.

Das in Figur 1 im Querschnitt dargestellte Brennelement für einen Siedewasserreaktor enthält elf Reihen und Spalten von Brennstäben, wobei von einem rechteckigen Brennelementquer¬ schnitt ausgegangen wird und die in den Ecken sitzenden Brenn- stäbe ("Eckstäbe") mit 1, die dem Brennelement-Kasten ("Was¬ serkanal" WC) benachbarten Brennstäbe ("Randstäbe") mit 2, die einem im Zentrum des Stabbündels angeordneten, rechtecki-

gen Kühlmittelrohr ("Wasserrohr" WR) benachbarten Brennstäbe mit 3 und die restlichen "Innenstäbe" mit 4 bezeichnet sind. Unterhalb der Zeichenebene befindet sich ein den Kasten WC abschließender und das Bündel abdeckender Fuß mit Durchtritts¬ öffnungen, durch die als Kühlmittel und Moderator dienendes Wasser von unten in das Brennelement eingeleitet wird. Das Wasser tritt an entsprechenden Durchtrittsöffnungen durch t=. ne den Kasten WC und das Stabbündel oberhalb der Zeichenebene ab¬ deckende Platte im Brennelementkopf wieder aus.

Die Brennstäbe 1 bis 4 sind jeweils durch eine Masche eines gitterför igen Abstandhalters geführt, wobei diese Maschen bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel von Hülsen 5 gebildet werden, die als Innenstege sowohl die Innenstäbe wie die Randstäbe und Eckstäbe umschließen. Sie sind seitlich umgeben von äußeren Randstegen 6 und 7 und inneren Randstegen 8 und 9.

Jede Masche enthält mindestens eine Stützfeder 10, durch die der entsprechende Brennstab an gegenüberliegende Noppen 10' gedrückt wird.

Ferner ist dargestellt, daß die Wände des Wasserkastens WC nur an ihren Ecken und am Fuß des Brennelements die normale Dicke aufweisen, während die Wanddicke in den Mittelteilen reduziert ist. Unter Umständen können an der Innenwand Rillen oder geringfügige Erhebungen vorgesehen sein, die als Filmabstrei- fer ("flow tripper") wirken. Im übrigen sind die Kastenwände eben.

Ferner sind an den äußeren Randstegen 6 und 7 und an den inne¬ ren Randstegen 8 und 9 jeweils Laschen 11 und 11' dargestellt, die von dem oberen Rand dieser Randstege ausgehen und in die Zwischenräume zwischen den Randstegen gebogen sind.

Figuren 2 und 3 zeigen, daß die Stützfeder 10, die jeweils in einer einen Brennstab führenden Masche angeordnet ist, eine obere Anlagefläche 12 und eine untere Anlagefläche 13 auf-

weist, die gemäß Figur 3 an einer dem Stab zugewandten Vorder¬ seite 14 des die Masche umgebenden Steges 15 anliegt. Diese Anlageflächen 12 und 13 sind über ein einfach gewinkeltes, gegen den Brennstab gerichtetes, federndes Mit ^t elteil 16 mit zwei flachen, jeweils an eine Anlagefläche anschließenden Schenkeln 17 und 18 verbunden.

Die Anlagefläche 12 geht in ein Federende 19 über, das vor¬ teilhaft über den anliegenden Rand des Steges 14 hinausragt. Ein entsprechendes Federende 20 an der Anlagefläche 13 ist vorteilhaft um den anliegenden Rand des Steges herumgebogen und läuft auf der Hinterseite des Steges 14 bis zum Federende 19, wo diese beiden Federenden miteinander verbunden sind.

Durch die Befestigung der beiden Federenden wird der Steg 14 von der Feder umschlossen, die Feder kann also nicht abfallen. Dabei können die beiden den Stab umschließenden Federenden auf der dem Stab abgewandten Rückseite des Steges 15 einen zu den Anlageflächen 12 und 13 und dem einfach gewinkelten Mittelteil 16 spiegelsymmetrisches Federteil 21 bilden ("Doppelfeder").

Ferner trägt die Vorderseite 14 eine auf den abgewinkelten Mittelteil 16 weisende Erhebung 21, und bei spiegelsymmetri¬ scher Ausbildung der Feder ist auch auf der Rückseite eine auf den spiegelbildlichen Federteil 21 weisende Erhebung 22 vorgesehen.

Wie Figur 4 zeigt, kann die Feder jeweils zwei aneinander be¬ festigte Hülsen umschließen, die die Maschen von zwei benach- harten Brennstäben bilden. Am Innensteg 14 liegt also ein wei¬ terer Innensteg 23 an, der von der Feder mit umschlossen wird und an dem sich der benachbarte Stab abstützt.

Figur 4 zeigt ferner zwei als starre Noppen am Steg 14 ausge- bildete Anlageelemente 25, 26, deren Anordnung am Steg 14 die Figuren 5 und 6 zeigen.

Aus den Figuren 7 und 8 wird deutlich, daß bei zwei unter¬ schiedlichen Anordnungen der Brennstäbe in einem Siedewasser- Brennelement mit rechteckigem Querschnitt die äußeren Randste¬ ge 6 und 7 nur über Innenstege 5 verbunden sind, so daß diese Stege 6 und 7 eine Außenumrandung des Abstandhalters bilden, der einen Spalt mit einem ^' Öffnungswinkel Alpha nahe 90" auf¬ weist.

Der am Federende 13 anliegende Rand des Steges 15 (und im Fall einer doppelseitigen Feder natürlich auch der entsprechende Rand des Steges 21) weist eine Ausnehmung 24 auf, in die das Federende 20 eingreift. Dadurch ist eine seitliche Verschie¬ bung der Feder unterbunden. Eine entsprechende Ausnehmung kann an beiden Rändern des Steges 14 vorgesehen sein, wie Figur 5 zeigt.

Während in den Figuren 1 bis 9 Abstandhalter betrachtet werden, bei denen alle Innenstege als Hülsen ausgebildet sind und alle Brennstäbe in diesen Hülsen sitzen, zeigt Figur 10 eine Ausbil- düng, bei der nur die Innenstäbe in von Innenstegen 30, 31 ge¬ bildeten Maschen sitzen, während diese Innenstege an Außenste¬ gen 32, 33 befestigt, zum Beispiel geschweißt, sind, so daß die Maschen der Randstäbe teils von Innenstegen, teils von Randstegen gebildet werden. Auch hier kann aber vorgesehen sein, daß die Randstege nur über Innenstege miteinander verbunden sind.

Dies ist besonders dann möglich, wenn an den Ecken dieser Außenstäbe Noppen 35 vorgesehen sind, die die Außenstege ge- genüber einem anliegenden Brennelement-Kasten fixieren.

Eine derartige Noppe ist in Figur 11 und in den entlang der Linien XII-XII und XIII-XIII orientierten Schnitten der Fi¬ guren 12 und 13 dargestellt und bestehen aus zwei spiegelbild- lieh zueinander geformten Hälften 37, 38 eines torusförmigen Wulstes, der am Außensteg 39 angeformt ist.

Auch die bei Figur 1 bereits erwähnten Laschen 10 können klei¬ ne Noppen 40 tragen, die im Strömungsschatten der Noppenhälf¬ ten liegen und die Position des Abstandhalters stabilisieren, ohne wesentlich zum Strömungswiderstand beizutragen.

Aus Figur 17 ist ersichtlich, daß die Unterkanten 50 der äuße¬ ren Randstege 6 und 7 die entsprechenden unteren Ränder der inneren Randstege verdecken, da diese Kanten praktisch in ei¬ ner Ebene liegen. Das gleiche trifft für die oberen Kanten der Laschen 10 und 11 an den inneren und äußeren Randstegen zu. Zwischen diesen Laschen sind jedoch die äußeren Randstege 6 und 7 niedriger als die inneren Randstege, deren Oberkanten 51 daher in Figur 17 sichtbar sind. Gegenüber der Basis der Laschen 10 an den äußeren Randstegen ist also die Basis der Laschen 11 an den inneren Randstegen kleiner, entsprechend sind die zwischen den Laschen der inneren Randstege liegenden Kanten breiter. Sie bilden daher geeignete Anschlagflächen, an die entsprechende Anschläge 60, die am Kühlmittelrohr WR angeschweißt sind, anschlagen können, ohne das Kühlmittel an den dort sitzenden Brennstäben wesentlich zu behindern. Es ist daher nicht erforderlich, die Anschläge 60 soweit über den Abstandhalter ragen zu lassen, daß sie am inneren Randsteg befestigten Innenstegen (zum Beispiel die Hülse 61 der Figur 19) anschlagen müßten. Vielmehr berühren die Anschläge 60 keine Innenstege. Diese Anschläge sind dabei vorteilhaft jeweils in der Mitte einer Rohrwand vorgesehen, wobei zwei Anschläge an diametral entgegengesetzten Stellen des Kastens ausreichen.

In Figur 17 sind ferner Ecklaschen 62 an den inneren Randste¬ gen gezeigt, und Figur 19 zeigt, daß zwei derartige Ecklaschen aneinanderstoßender Randstege miteinander verschweißt sind. Obwohl daher eine derartige Ecklasche wegen des engen zur Ver¬ fügung stehenden Raumes nur eine schmale Verbindung am jeweili- gen inneren Randsteg besitzt, ist sie durch das Verschweißen mit einer zweiten Ecklasche gegen ein Abreißen gesichert, wo¬ bei insgesamt eine stabile Kante an den inneren Randstegen entsteht.

Figur 20 zeigt, daß jeder innere Randsteg 6, 7 der Figur 19 jeweils einen auf einen benachbarten Brennstab hin zurück¬ springenden, das heißt von der Rohrwand wegzeigenden Kontakt¬ teil 70, 71 aufweist, der von oberen und unteren Randteilen gebildet wird. An diesen Randteil ist ein die den Brennstab führende Masche bildender, hülsenartiger Innensteg 72 zum Beispiel durch Schweißen befestigt. Figur 20 zeigt, daß dabei noch immer eine ausreichende Anschlagfläche für den an der Rohrwand WR befestigten Anschlag 60 gewährleistet ist.

Wie Figur 21 darstellt, kann zwischen entsprechenden oberen und unteren Randteilen 75, 76, die zur Befestigung des hül¬ senartigen Innensteges 77 benötigt werden, noch ein Mittel¬ teil 78 vorgesehen sein, an dem ein den Randsteg gegen die Rohrwand WC abstützendes Distanzelement angeordnet werden kann. Als Distanzelement ist dabei eine Feder 79 vorgesehen, die ähnlich der Feder nach Figur 3 ausgebildet ist, wobei hier lediglich keine symmetrische Ausbildung und kein ein Überdeh¬ nen der Feder beim Einsetzen eines Brennstabes verhindernder Anschlag nötig ist.

Die hier am Beispiel eines besonders vorteilhaften Abstandhal¬ ters für ein Siedewasser-Brennelement und hülsenartige Innen¬ stege dargestellten, unterschiedlichen Maßnahmen sind weitge- hend unabhängig voneinander, sie brauchen daher nicht kombi¬ niert angewendet zu werden. Daher können einzelne, erfindungs¬ gemäße Maßnahmen auch auf Abstandhaltern zum Beispiel mit qua¬ dratischen Maschen übertragen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die eingangs ausführlich geschilderte Gestaltung der Feder kann darüber hinaus auch bei Brennelemen¬ ten für Druckwasserreaktoren Verwendung finden.