CH649645A5 - Verfahren und vorrichtung zum ein- und ausbauen abbrennbarer neutronenabsorptionsstaebe in bzw. aus ihrer tragspinne in der brennstoffeinrichtung eines kernreaktors. - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ein- bzw. Ausbauen der Neutronenabsorptionsstäbe vorzusehen, die einerseits eine einwandfreie sichere Verbindung der Stäbe mit der Tragspinne gewährleisten, anderseits aber ein einfaches und schnelles Ausbauen der Neutronenabsorptionsstäbe aus der Tragspinne ohne unerwünschte Gewalteinwirkung auf die Stäbe ermöglichen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbauen ein am einen Stirnende des Neutronenabsorptionsstabes vorgesehener Schaft axial durch eine Bohrung im Tragspinnenarm hindurchgesteckt wird, worauf ein aus dem Arm herausragender Teil des Schaftes mit dem Spinnenarm fest verbunden wird, und dass zum Ausbauen des Neutronenabsorptionsstabes auf den Schaft ein axialer Druck solcher Stärke ausgeübt wird, dass die Verbindung gelöst wird und der Schaft aus der Bohrung des Spinnenarms herausgenommen werden kann. Besonders vorteilhaft wird der aus dem Spinnenarm herausragende Schaftteil mit einem Flansch versehen, der am Spinnenarm angeschweisst wird.

Das Ausbauen des Neutronenabsorptionsstabes erfolgt dann so, dass auf den Schaft ein axialer Druck solcher Stärke ausgübt wird, dass der Flansch längs einer vorgegebenen Sollbruchstelle vom Schaft abgetrennt wird und so der Schaft aus der Spinnenarmbohrung herausgestossen werden kann.

Auch wenn zur Lösung der Schaftverbindung am Arm eine relativ grosse Kraft erforderlich ist, wirkt diese doch stets in Axialrichtung des Schaftes. Dadurch wird ein Bruch oder sonstiges Beschädigen des unter Gasdruck stehenden Neutronenabsorptionsstabes vermieden, wie es beim bisher üblichen Abscheren auftrat; ebensowenig entstehen dadurch radioaktive Späne, wie sie beim ebenfalls bekannten Absägen des Stabes unvermeidbar waren.-

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 in Seitenansicht eine Tragspinne mit an ihr angebrachten abbrennbaren Neutronenabsorptionsstäben,

Fig. 2 in grösserem Massstab und im Axialschnitt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 3 einen Schnitt analog Fig. 2, das Ausbauen eines Neutronenabsorptionsstabes aus der Tragspinne zeigend.

Die in Fig. 1 allgemein mit 10-bezeichnete Tragspinne, die zweckmässig aus rostfreiem Stahl besteht, besitzt eine zylindrische Nabe l I, deren Achse mit 12 bezeichnet ist. Von der Nabe 11 und in einer zur Achse 12 senkrechten Ebene ragen radiale Tragarme 13, 14, 15, 16, 17, 20 und 21. An diesen Tragarmen sind abbrennbare Neutronenabsorptionsstäbe 22, 23, 24, 25, 26, 27 und 30 befestigt. Jeder Neutronenabsorptionsstab besteht aus einem langen, schlanken Rohr, dessen Achse zur Nabenachse 12 parallel verläuft. Wie am Neutronenabsorptionsstab 30 ersichtlich, besitzt dieser ein Rohr 31. Das eine Rohrende ist durch einen Verschlusszapfen 32 verschlossen ; zweckmässig ist dieser Zapfen mit dem Rohr 31 verschweisst. Im Rohr 31 und auf dem Zapfen 32 abgestützt, befindet sich eine Säule aus zylindrischen Neutronenabsorptionspillen 33. Diese Pillen sind'durch eine Feder 34 axial zusammengepresst, die zwischen der obersten Pille und einem oberen Abschlusszapfen 35 des Rohres 31 angeordnet ist.

Gemäss Fig. 2 ist der abbrennbare Neutronenabsorptionsstab 74 mit einer Abschlusskappe 73 versehen. Die Abschlusskappe 73 ist mit einer innen konisch verjüngten Bohrung 75 versehen, in welche das Gewindeende eines Schaftes 76 eingeschraubt ist. Die freie Stirnseite der abgesetzten zylindrischen Abschlusskappe 73 bildet eine Schulter 77, die gegen den Boden 80 einer Ausnehmung im Arm 81 der Tragspinne anliegt. Die Ausnehmung bildet die axiale Verlängerung einer durch den Spinnenraum 81 führenden Bohrung 82, deren Durchmesser etwas grösser ist als jener des sie durchsetzenden Schaftes 76.

Der Schaft 76 ragt mit einem Endteil 83 aus der Bohrung

82 des Armes 81 heraus. Stirnseitig besitzt dieser Endteil 83 einen Querschlitz 84, in welchem ein Schraubenzieher oder ein ähnliches Werkzeug eingreifen kann zum Einschrauben des Schaftes 76 in die Bohrung 75 der Abschlusskappe 73.

Am vorstehenden Endteil 83 des Schaftes 76 ist ein Umfangsflansch 85 vorgesehen. Der Durchmesser dieses Flansches 85 ist grösser als jener der Bohrung 82, so dass er gegen die Auss.enfläche des Spinnenarmes 81 anliegen kann. Der Flansch 85 besitzt am Übergang zum Schaftendteil 83, und zwar noch im Bereich der Bohrung 82, eine Kerbnut 86. Der Flansch 85 ist z.B. durch eine Punkt- oder Linien-schweissnaht 87 am Spinnenarm 81 angeschweisst, so dass der Schaft 76 am Spinnenarm 81 fixiert ist.

Soll der Neutronenabsorptionsstab 74 vom Spinnenarm 18 entfernt werden, so wird, wie Fig. 3 zeigt, eine Platte 90 über den Spinnenarm 81 gelegt und in Axialrichtung der Bohrung 82 mit solcher Kraft auf den vorstehenden Schaftendteil

83 gepresst, dass dieser an der durch die Kerbnut 86 gebildeten Schwächungsstelle des Flansches 85 vom letzteren getrennt wird. Damit ist die Verbindung zwischen Schaft 76 und Spinnenarm 81 gelöst, wodurch der Schaft 76, zusammen mit dem Stab 74, vom Spinnenarm 81 abgenommen werden kann. Der Schaft 76 kann anschliessend von der Abschlusskappe 73 des Stabes 74 abgeschraubt werden. Der Neutronenabsorptionsstab 74 kann nach dem beschriebenen Verfahren ohne eine Säge- oder Ab'scheroperation aus der Tragspinne ausgebaut werden.

Es kann zum Ausbauen der Neutronenabsorptionsstäbe eine Platte 90 vorgesehen sein, die mehrere oder alle Neutronenabsorptionsstäbe bzw. deren Schäfte gleichzeitig zu überdecken vermag, so dass mehrere oder alle Neutronenabsorptionsstäbe durch einen einzigen Schlag von der Tragspinne gelöst werden können. Das Vorgehen ist somit besonders zeitsparend und einfach.

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I Blatt Zeichnungen

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Ein- und Ausbauen abbrennbarer Neutronenabsorptionsstäbe in bzw. aus ihrer Tragspinne in der Brennstoffeinrichtung eines Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbauen ein am einen Stirnende des Neutronenabsorptionsstabes (74) vorgesehener Schaft (76) axial durch eine Bohrung (82) im Tragspinnenarm (81) hin-durchgesteckt wird, worauf ein aus dem Arm herausragender Teil (83) des Schaftes (76) mit dem'Spinnenarm (76) fest verbunden wird, und dass zum Ausbauen des Neutronenabsorptionsstabes (74) auf den Schaft ein axialer Druck solcher Stärke ausgeübt wird, dass die Verbindung gelöst wird und der Schaft aus der Bohrung (82) des Spinnenarms (81) herausgenommen werden kann.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Druck auf den Schaft (76) zum Trennen der Verbindung mit einer auf den vorstehenden Schaftendteil (83) einwirkenden Platte (90) ausgeübt wird.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Arm (81) der Tragspinne eine durchgehende Bohrung (82) aufweist, durch welche ein am einen Ende des Neutronenabsorptionsstabes vorgesehener Schaft (76) ragt, dessen aus dem Spinnenarm vorstehender Endteil (83) einen über den Durchmesser der Armbohrung (82) hinausragenden Umfangs-flansch (85) aufweist, der im Bereich innnerhalb des Bohrungsdurchmessers eine Sollbruchstelle (86) aufweist, um durch axialen Druck auf den vorstehenden Schaftendteil (83) diesen vom Flansch (85) zu trennen.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (85) am Spinnenarm (81) festgeschweisst ist, und dass die Sollbruchstelle durch eine am Übergang des Flansches (85) in den Schaftendteil (83) vorgesehene Kerbnut (86) gebildet ist.

   Um aus Kernspaltprozessen Nutzenergie gewinnen zu können, muss eine genügende Konzentration von spaltbarem Material, z.B. Uranium, in einer solchen physikalischen Konfiguration angeordnet sein, dass eine kontinuierliche Folge von energieproduzierenden Reaktionen auftritt. Diese den Reaktorkern bildende Anordnung gibt die durch die Spaltprozesse erzeugte Wärme an ein Arbeitsfluidum ab. Als Arbeitsfluidum kann z.B. mit grosser Geschwindigkeit durch den Reaktorkern strömendes Druckwasser verwendet werden.

   Da im Reaktorkern erzeugte Hitze, Vibrationen und Strahlung besonders widrige Verhältnisse schaffen, muss auf die bauliche Integrität der Kernbestandteile besonders geachtet werden. Aus diesem Grund besitzen die Reaktorkerne von Druckwasserkernreaktoren gruppenweise angeordnete Brennstoffeinrichtungen, die die Form stehender Zylinder aufweisen. Jede Brennstoffeinrichtung besitzt dabei üblicherweise ein Bündel von etwa zweihundert langen, schlanken Brennstoffstäben, die im Abstand und parallel zueinander angeordnet sind. Jeder Brennstoffstab enthält eine Säule vdn im allgemeinen zylindrischen Uraniumdioxyd-Tabletten, wobei das Uranium das Spaltmaterial des Kernreaktors bildet.

   Die Brennstoffeinrichtungen bestehen natürlich nicht nur aus Brennstoffstäben, sondern besitzen noch eine Mehrzahl weiterer Elemente. So sind z.B. Instrumentenrohre zur Überwachung von Temperatur und Neutronenfluss im Kern vorgesehen, ferner Endabstützungen und Abstandhalter für die Brennstäbe sowie Steuerstäbe und Steuerstab-Führungsrohr zur Regulierung der Leistungsabgabe des Reaktors durch entsprechende Absorption von die Kernspaltung bewirkenden

   Neutronen im Reaktorkern.

   Die Neutronenverteilung im Reaktorkern ist nicht an allen Stellen gleich. So ist die Höhe.des Neutronenflusses im Umfangsbereich des Kerns meist kleiner als im Zentrumsbereich des Kerns, da die Konzentration von Neutronen erzeugendem Spaltbrennstoff im Umfangsbereich des Kerns geringer ist als im Zentrumsbereich. Neutronen im Kernumfangs-bereich können leichter aus dem Kern entweichen als Neutronen im Zentrumsbereich, was zu einer weiteren Verminderung der Neutronenkonzentration im Umfangsbereich führt. Da die Wärmeerzeugung an irgendeiner Stelle des Reaktorkerns von der Höhe des Neutronenflusses an dieser Stelle abhängt, wird die Temperatur im Zentrumsbereich im allgemeinen höher sein als im Umfangsbereich des Reaktorkerns. Diese Tendenz zur Erzeugung von Maximaltemperaturen in gewissen Kernregionen .ist im allgemeinen aus verschiedenen Gründen unerwünscht. Der Reaktorkern ist für den Betrieb mit einer vorbestimmten Maximaltemperatur gebaut. Wenn diese Temperatur an einer oder an wenigen Stellen des Reaktorkerns erreicht ist, kann das dem Kern als Ganzes zugesprochene Wärmeerzeugungsvermögen nicht ausgenützt werden, da die Temperaturen an andern Stellen des Kerns niedriger gehalten werden müssen, damit die maximale Nenntemperatur an den heisseren Stellen (Spitzenlastpunkte) nicht überschritten wird.

   Demzufolge kann, vereinfacht dargestellt, die Gesamtleistung eines Reaktors erhöht werden, wenn der Neutronenfluss (und damit die Wärme) im Zentrumsbereich des Reaktorkerns herabgesetzt wird, während der Neutronenfluss im grösseren Volumen des Umfangsbereichs des Reaktorkerns erhöht wird. Auf diese Weise kann die Leistungsverteilung im Reaktorkern «abgeflacht» werden, d.h. der Reaktorkern kann mehr Leistung abgeben, als dies möglich ist, wenn man Neutronenkonzentration, Temperatur und Leistung im Zentrumsbereich des Kerns (oder auch in andern Bereichen) Spitzenwerte erreichen lässt. Um diese «flache» Leistungsverteilung zu erreichen, ist es bekannt, abbrennbare Neutronenabsorptionsstäbe in die Brennstoffeinrichtung einzubauen. Ein solcher abbrennbarer Neutronenabsorptionsstab ist üblicherweise ein Rohr, das mit einem Material gefüllt ist, das eine sehr hohe Absorptionswahrscheinlichkeit für Neutronen besitzt. Eine gesinterte Dispersion von Borkarbid in einer Aluminiummatrix hat sich beispielsweise als besonders geeignetes Material erwiesen.

   Durch dieses Material im Stab absorbierte Neutronen sind so dem Spaltprozess entzogen. Um deshalb das Abflachen der Leistungsverteilung im Reaktorkern zu erreichen, werden abbrennbare Neutronenabsorptionsstäbe in jenen Brennstoffeinrichtungen angeordnet, die sich im Zentrumsbereich des Reaktorkerns befinden. Je nach Bauart kann es auch erwünscht sein, abbrennbare Neutronenabsorptionsstäbe auch in andern Kernregionen zu konzentrieren, die aus bestimmten baulichen oder betriebliche Gründen einen hohen Neutronenfluss aufweisen.

   Die Brennstoffeinrichtung muss also nicht nur, trotz der hier herrschenden widrigen Umstände, alle die genannten Elemente einwandfrei aufnehmen und tragen, sondern sie muss auch ein leichtes Demontieren dieser Teile erlauben. Brennstoffeinrichtungen werden beim Betrieb des Reaktorkerns radioaktiv. Die Strahlung ist dabei so stark, dass Inspektion und Reparaturen nur mit Fernbedienungsgeräten hinter entsprechenden Strahlungsabschirmungen ausgeführt werden können.

   Da Demontagen teuer und zeitraubend sind, kann massives, aber leichtes Demontieren ermöglichende Bauweise von grosser wirtschaftlicher Bedeutung sein.

   Die abbrennbaren Neutronenabsorptionsstäbe bilden in vielen Brennstoffeinrichtungen einen wesentlichen Bestand5

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   teil. Bei bekannten Ausführungen sind diese Stäbe in Längsrichtung der Brennstoffstäbe beweglich angeordnet. Meist ist eine Tragspinne mit einer zentralen Nabe, von der Radialarme ausgehen, zum Tragen der Neutronenabsorptionsstäbe vorgesehen, und kann zusammen mit diesen Stäben relativ zum Brennstoffstabbündel bewegt werden. Durch diese Bewegung ist es möglich, je nach gewünschter Abflachung der Leistungsverteilung im Reaktorkern, die abbrennbaren Neutronenabsorptionsstäbe mehr oder weniger tief in den Kern einzuführen.

   Verbrauchte abbrennbare Neutronenabsorptionsstäbe müssen entfernt, in einen genügend Strahlungsabschirmung bietenden Transportbehälter verpackt und an geeignete Lagerstellen transportiert werden. Um das Volumen der Transportbehälter klein halten zu können, müssen die einzelnen Neutronenabsorptionsstäbe von der Tragspinne abgenommen werden. Dieses Abnehmen der Neutronenabsorptionsstäbe ist aber kompliziert und nicht ungefährlich. Die bestrahlten Neutronenabsorptionsstäbe entwickeln nach genügend langer Bestrahlung im Reaktorkern einen gewissen inneren Gasdruck. Die Hülle bzw. das das Neutronenabsorptionsmaterial enthaltende Rohr wird nach längerer Bestrahlung spröde und brüchig. Üblicherweise sind die Neutronenabsorptionsstäbe durch Schraubenverbindungen an ihren Enden mit der Tragspinne verbunden. Die meist angewendete Art der Entfernung dieser Neutronenabsorptionsstäbe von der Tragspinne ist das Absägen bzw. das Abscheren der Stäbe. Das Absägen ist ein relativ gewaltarmer Arbeitsgang, was im Hinblick auf den inneren Gasdruck sehr erwünscht ist; dagegen entstehen dabei radioaktive Späne. Das Abscheren kann zwar spurlos erfolgen, stellt aber einen relativ gewaltsamen Arbeitsgang dar.