DE10210872C1 - Niederhaltevorrichtung für das Brennelement eines Druckwassereaktors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bzieht sich auf eine Niederhaltevorrichtung für ein Brennelement (13) eines Druckwasserreaktors, mit einer zwischen der Unterkante eines oberen Kerngitters (12) und der Oberseite des Brennelementkopfes (21) wirksamen, mehrere Federelemente (27, 28) umfassenden Federanordnung, wobei die Federanordnung wenigstens ein erstes Federelement (27) umfasst, dessen während des Rektorbetriebes mögliche Meximalausdehnung geringer ist als die während des Betriebs mögliche Maximalausdehnung zweiter Federelemente (28), wobei die Federanordnung während des Hochverfahrens des Reaktors bei Überschreitung eines Grenzabstandes zwischen Kerngitter (12) und Kopf (21) ihre Druckkraft sprunghaft verringert. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der die Maximalausdehnung des ersten Federelements (27) während einer Kaltphase des Reaktors selbsttätig verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Niederhaltevorrichtung für das Brennelement eines Druckwasserreaktors. Im Druckbehälter eines Druckwasserreaktors sind die Brennelemente zwischen einer oberen und unteren Kerngitterplatte (im folgenden kurz Kerngitter genannt) angeordnet. Die Kerngitter sind an einem Gerüst befestigt, das in der Regel aus Stahl besteht, während die Strukturteile der Brennelemente in der Regel aus Gründen der Neutronenabsorption aus einer Zirkoniumlegierung beste­ hen. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Zirkoniumlegierungen weichen stark voneinander ab, so dehnt sich Stahl etwa dreimal so stark aus wie eine Zirkoniumlegie­ rung. Im Betriebszustand ist somit der Spalt zwischen oberem Kerngitter und Brennelementkopf größer als im Kaltzustand. Die Brennelemente sind daher nicht starr sondern über eine federnd wirkende Niederhaltevorrichtung meist mit dem oberen Kerngitter verbunden. Eine solche Vorrichtung umfasst eine zwischen der Unterseite des oberen Kerngitters und der Ober­ seite des Brennelementkopfes wirksame Federanordnung mit mehreren Federelementen. Die Federelemente sind so ausgelegt, dass sie in allen Betriebszuständen bzw. bei sämtlichen während der Lebensdauer eines Brennelements möglichen Spalt­ breiten zwischen Kopf und Kerngitterplatte eine Druckkraft ausüben, die größer ist als die durch Auftrieb und Strömungs­ geschwindigkeit des Kühlmittels hervorgerufene Gegenkraft, um ein Anheben des Brennelements zu verhindern. Die Federanord­ nung ist so ausgelegt, dass auch bei maximal erweitertem Spalt zwischen Kerngitter und Kopf eine ausreichende Nieder­ haltekraft gewährleistet ist.

Brennelemente neigen mit wachsender Standzeit zu c-förmigen oder s-förmigen Verbiegungen, was dazu führt, dass die Steu­ erstäbe nicht mehr ungehindert in den Steuerstabführungsroh­ ren bewegt werden können. Die Verformung der Brennelemente kann nun durch die auf sie einwirkenden Niederhaltekräfte verstärkt werden. Besonders hoch sind die vorhandenen Nieder­ haltekräfte gegenüber den erforderlichen Niederhaltekräften im Betriebszustand des Reaktors, weil hier der Auftrieb der Brennelemente gegenüber dem Kaltzustand verringert ist. Die im Betriebszustand aufgrund des vergrößerten Spaltes und der erhöhten Temperatur verminderte Druckkraft der Federanordnung kann diesen Effekt nur zum Teil kompensieren.

Bei einer aus DE 198 54 870 A1 bekannten Niederhaltevorrichtung werden die Niederhaltekräfte im Betriebszustand dadurch verringert, dass die Federanordnung erste Federelemente umfasst, deren während des Betriebs mögliche Maximalausdeh­ nung geringer ist als die während des Betriebs mögliche Maximalausdehnung zweiter Federelemente, wobei die Federan­ ordnung bei Überschreiten eines Grenzabstandes zwischen Kerngitter und Kopf während des Hochfahrens des Reaktors ihre Druckkraft sprunghaft ändern. Die ersten Federn sind in Reihe mit den zweiten Federn angeordnet, wobei ihre Maximalausdeh­ nung mit Hilfe eines Anschlags auf einen Wert begrenzt ist, der kleiner ist als jener der zweiten Feder. Beim Hochfahren des Reaktors sind in unteren Temperaturbereichen beide Feder­ elemente solange wirksam, bis ein Grenzabstand zwischen Kerngitter und Kopf überschritten wird. Das erste Federele­ ment hat dann seine Maximalausdehnung erreicht und leistet bei der temperaturbedingten weiteren Vergrößerung des Spaltes bzw. Abstandes zwischen oberem Kerngitter und Kopf keinen Beitrag zur Druckkraft der Federanordnung mehr. Die Nieder­ haltekräfte in höheren Temperaturbereichen und insbesondere im Betriebszustand des Reaktors sind daher auf ein im Hin­ blick auf eine unerwünschte Brennelementverformung erträgli­ ches Maß reduziert.

Brennelemente erleiden im Verlauf ihres Lebens ein strahlen­ induziertes Längenwachstum, während ein solches Wachstum bei dem Kerngerüst nicht beobachtet wird. Das Längenwachstum der Brennelemente bewirkt, dass der Spalt zwischen Kerngitter und Kopf stetig verringert und dementsprechend die Druckkraft der Federanordnung vergrößert wird.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Nie­ derhaltevorrichtung für das Brennelement eines Druckwasserre­ aktors vorzuschlagen, bei der dieser hinsichtlich der Brennelementverformung negative Effekt gemildert ist.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Maximalausdehnung des ersten Federelements während einer Kaltphase des Reaktors selbsttätig verringert wird. Auf diese Weise wird nach jedem Betriebszyklus der Grenzabstand, bei dem das erste Federele­ ment seine Wirkung verliert und dementsprechend die Druck­ kraft der gesamten Federanordnung sprunghaft reduziert wird, verringert und damit an den durch Längenwachstum des Brenn­ elements verengten Spalt angepasst.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Maximal­ ausdehnung des ersten Federelements von einem in Expansions­ richtung wirksamen Richtgesperre mit mehreren axialen Sperr­ positionen begrenzt ist. Ein derartiges Richtgesperre weist ein etwa in Längsrichtung des Brennelements bewegliches Teil auf, dessen Bewegung durch ein ortsfestes Sperrteil in Expan­ sionsrichtung blockierbar ist. Das bewegliche Teil ist mit dem Federelement bewegungsgekoppelt. Aufgrund der nur in Expansionsrichtung des Federelements wirksamen Sperrfunktion kann das Federelement nur komprimiert bzw. seine Ausdehnung verringert werden, was beim Herunterfahren des Reaktors von dem sich auf den Brennelementkopf absenkenden Kerngitter bewerkstelligt wird. Die Maximalausdehnung der ersten Feder­ elemente wird somit nach jedem Betriebszyklus auf einen niedrigeren Wert eingestellt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Richtgesperre einen in Expansionsrichtung des Federelemente wirksamen Leerhub auf. Das bedeutet, dass sich das Federelement noch um ein gewisses Maß ausdehnen kann, bevor die Blockierung des beweglichen Teils durch das Sperrteil beim Hochfahren des Reaktors wirksam wird. Somit steht auch im unteren Tempera­ turbereich die ursprüngliche Druckkraft der Federanordnung zur Niederhaltung des Brennelements zur Verfügung. Erst nach Vollendung des Leerhubs, was beispielsweise bei 150 bis 200°C der Fall ist, wird die sprunghafte Druckkraftreduzierung wirksam.

Vorzugsweise wird ein Rast-Richtgesperre verwendet, dessen ortsfestes Teil von einem sägezahnförmige Umfangsrillen aufweisenden Bolzen und dessen bewegliches Teil von einer diesen verschiebbar umfassenden ersten Hülse gebildet ist, welche mit radial nach innen federbeaufschlagten Rastelemen­ ten mit den Umfangsrillen zusammenwirkt. Vorzugsweise wird als Federelement eine Schraubenfeder verwendet, die das Rast- Richtgesperre konzentrisch umfasst und sich einerseits an einer Anschlagfläche des Bolzens und andererseits an einer Anschlagfläche der ersten Hülse mittel- oder unmittelbar abstützt. Eine solche Ausgestaltung lässt sich mit relativ geringem technischen Aufwand verwirklichen. Außerdem benötigt sie nicht mehr Platz, als herkömmliche für den in Rede ste­ henden Zweck eingesetzte Schraubenfedern, so dass am Brenn­ elementkopf keine besonderen Anpassungen, bzw. Umkonstruktio­ nen vorzunehmen sind. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Rastelemente am Freiende von Federzungen angeordnet, welche durch Axialschlitze von einander getrennte Wandab­ schnitte der ersten Hülse gebildet sind. Diese Ausgestaltung ist ebenfalls auf fertigungstechnisch einfache Weise realisierbar.

Ein Leerhub des Richtgesperres wird bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einer die erste Hülse umfassenden und zwischen einer ausgefahrenen und einer eingefahrenen Position axial verschiebbaren zweiten Hülse erreicht, welche einen als Anschlag für die Schraubenfeder dienenden, an ihrer dem Bolzen abgewandten Stirnseite angeformten Radialflansch und eine aus ihrer Innenseite vorstehende, in der ausgefahrenen Position an der Anschlagfläche der Rasthülse anliegende Radialschulter aufweist. Durch diese Ausgestaltung ist ein sowohl in Expansions- als auch in Kompressionsrichtung des ersten Federelements wirkender Leerhub erzeugt.

Zur Sicherung der zwischen der ersten Hülse und dem Bolzen vorhandenen Rastverbindung weist die zweite Hülse an dem ihrem Radialflansch gegenüberliegenden Ende einen aus ihrer Innenseite vorstehende Ringvorsprung auf. Die Hülse ist so bemessen bzw. der Ringvorsprung ist so positioniert, dass er in der ausgefahrenen Position der zweiten Hülse die Rastele­ mente spielfrei oder allenfalls mit geringem Spiel umfasst. Diese werden daher in ihrer Sperrposition gehalten.

Vielfach werden zur Niederhaltung von Brennelementen mehrere aus der Oberseite des Kopfes vorstehende geschichtete Blatt­ federn eingesetzt, an deren Freiende eine etwa vertikal verlaufende, mit ihrem Freiende in einer Öffnung in der Kopfoberseite geführte Strebe fixiert ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass diese Strebe als Bestandteil eines Richtgesperres genutzt wird. Bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform ist an einer Strebe eine Sägeverzahnung vorhanden, wobei innerhalb des Kopfes ein in Sperrrichtung federbeauf­ schlagter Rastvorsprung vorhanden ist, der in die Sägeverzah­ nung eingreift. Ein Leerhub wird dadurch bewerkstelligt, dass der Rastvorsprung etwa in Axialrichtung beweglich im Kopf gelagert und in Expansionsrichtung des Federelements von einer Feder beaufschlagt ist.

Die Erfindung wird nun anhand von in den beigefügten Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schema eines Druckbehälters und seiner Einbauten,

Fig. 2 ein Brennelement für diesen Druckbehälter,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Federelement einer Niederhaltevorrichtung in geschnittener per­ spektivischer Ansicht,

Fig. 4 das Federelement nach Fig. 3 in Explosionsdarstellung,

Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3,

Fig. 6 das Federelement von Fig. 3 bis Fig. 5 in einer ersten Betriebssituation in teilweise geschnittener Seiten­ ansicht,

Fig. 7 den Ausschnitt VII von Fig. 6,

Fig. 8 den Ausschnitt VIII von Fig. 6,

Fig. 9 das Brennelement von Fig. 3 bis 5 in einer zweiten Betriebssituation in teilweise geschnittener Seiten­ ansicht,

Fig. 10 den Ausschnitt X aus Fig. 9,

Fig. 11 den Ausschnitt XI aus Fig. 9,

Fig. 12A eine schematische Darstellung, die die Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verdeutlicht,

Fig. 12B ein Diagramm, das die Spaltweiten zwischen oberem Kerngitter und Kopf am Beginn und am Ende der Stand­ zeit eines Brennelements wiedergibt,

Fig. 12C ein Diagramm, das die auf ein Brennelement einwirken­ den Kräfte wiedergibt,

Fig. 13 die Seitenansicht eines Brennelementkopfes mit einer geschichtete Blattfedern als Federelemente aufweisen­ den Niederhaltevorrichtung,

Fig. 14 eine Ansicht des Kopfes von Fig. 13 in Richtung des Pfeils XIV,

Fig. 15 den Ausschnitt XV von Fig. 14 in vergrößerter Dar­ stellung.

Im Druckwasserreaktor (Fig. 1) sitzen über dem Deckel 1 des Reaktordruckbehälters 2 die Steuerantriebe 3, die durch den mit Schrauben 4 befestigten Deckel hindurch die Steuerstab- Anordnungen 5 bewegen. Eine Deckplatte 6 mit einem oberen Rost 7 ist über einen Flansch 8 am Kerngerüst verschraubt. Unterhalb der Deckplatte 6 sind in Reaktordruckbehälter 2 ein Eintritt 9 und ein Austritt 10 für Kühlmittel vorhanden. Das obere Kerngerüst 11 drückt auf das obere Kerngitter 12, unter dem die Brennelemente 13 sitzen. Ein innerer Kernbehälter 14 innerhalb des Druckbehälter-Topfes 15 trägt die Kernumfassung 16 und das untere Kerngitter 17, unter dem sich in der Regel noch eine Stauplatte 18 und eine Absturzsicherung 19 befin­ det.

Auf dem unteren Kerngitter 17 sitzen die Brennelemente (Fig. 2) mit einem Fuß 20 auf. Die Länge zwischen dem Fuß 20 und dem Kopf 21 des Brennelements 13 wird im wesentlichen von Steuerstab-Führungsrohren 22 bestimmt, die am Fuß und am Kopf verschraubt sind und die auch mehrere Abstandhalter 23 tra­ gen, in deren Maschen die Brennstäbe 24 eingesetzt sind.

Der Kopf 21 ist in der Regel als ein quaderförmiger Rahmen ausgebildet. Zwischen dem oberen Kerngitter 12 und dem Kopf 21 ist eine Niederhaltevorrichtung angeordnet, die eine Federanordnung mit mehreren die Kopfoberseite 25 mit einem überstand überragen, wobei sich der Überstand auf die Breite des Spaltes D zwischen Kerngitter 12 und Kopfoberseite 25 einstellt, der sich beim Aufsetzen des oberen Kerngitters 12 und dessen Verschrauben am Kernbehälter 14 ergibt. Bei dem gezeigten Typ des Brennelementes sind acht längs des Umfangs des Kopfes 21 verteilte Federelemente mit je einer Schrauben­ feder 26 verwendet. Die Federanordnung drückt gegen das obere Kerngitter 12 (Fig. 1) und sorgt dafür, dass das Brennelement auf dem unteren Kerngitter 17 aufsitzt und nicht von dem mit hoher Geschwindigkeit durch den Reaktordruckbehälter fließen­ den Kühlmittel angehoben wird.

Die Federanordnung umfasst zwei erste, sich diametral gegenü­ berliegende Federelemente 27 und sechs zweite Federelemente 28. Während die zweiten Federelemente herkömmliche Federbeine sind, umfassen die ersten Federelemente 27 eine Einrichtung, mit der ihre im Betrieb mögliche Maximalausdehnung während einer Kaltphase des Reaktors selbsttätig verringert wird. Der Aufbau eines ersten Federelements 27 und die Funktionsweise einer Niederhaltevorrichtung mit einem solchen Federelement werden nun anhand Fig. 3 bis 12 beschrieben:
Das in Fig. 3 bis 11 dargestellte Federelement 27 setzt sich aus einem Bolzen 29, der bereits erwähnten Schraubenfeder 26, einer ersten Hülse 30 und einer zweiten Hülse 33 zusammen. Am unteren Ende des Bolzens 29 ist ein Flansch 34 angeordnet, der eine Anschlagfläche 35 zur Verfügung stellt, an der sich die Schraubenfeder 26 abstützt. Aus der Unterseite des Flan­ sches 34 steht ein Gewindestutzen 36 hervor, mit dem der Bolzen 29 im Kopf 21 fixiert ist. An den Flansch 34 schließt sich ein erster, zur Führung und Zentrierung der Schraubenfe­ der 26 dienender Längsabschnitt 37 mit kreisrundem Quer­ schnitt an. Mit einer Schrägschulter 38 geht der Längsab­ schnitt 37 in einen weiteren Längsabschnitt 39 mit kreisrun­ dem Querschnitt über. Aus der Umfangsfläche des Längsab­ schnittes 39 stehen umlaufende sägezahnförmige Rastvorsprün­ ge 40 hervor. Diese weisen eine nach unten gerichtete, sich quer zur Mittellängsachse 43 des Bolzens 29 bzw. des gesamten Federelements 27 erstreckende Anschlagfläche 44 auf. An den Längsabschnitt 39 schließlich ist ein weiterer Längsab­ schnitt 45 angeformt, der sich aus einem ersten Hexagonab­ schnitt 46, einem zweiten Hexagonabschnitt 47 und einem dazwischen angeordneten Einstich 48 mit kreisrundem Quer­ schnitt zusammensetzt. Der erste Hexagonabschnitt 46 ist gegenüber dem zweiten Hexagonabschnitt 47 um z. B. 30° ver­ dreht.

Im Montagezustand ist die erste Hülse 30 innerhalb der zwei­ ten Hülse 33 angeordnet. Diese besitzt an ihrem oberen Ende einen radial nach außen abstehenden Flansch 49, dessen Unter­ seite eine Anschlagfläche 50 bildet, an der sich die Schrau­ benfeder 26 mit ihrer oberen Stirnseite abstützt. Die erste Hülse 30 weist ebenfalls an ihrem oberen Ende einen radial nach außen vorstehenden Flansch 53 auf, dessen Unterseite ebenfalls eine Anschlagfläche 54 bildet. Mit diesem Flansch 53 ist die erste Hülse 30 in einem sich an den Flansch 49 anschließenden Bereich 55 geführt, wobei der Bereich 55 einen Innendurchmesser aufweist, der geringfügig größer ist, als der Außendurchmesser des Flansches 53. Der Bereich 55 geht mit einer Radialschulter 56 in einen vereng­ ten Längsabschnitt 57 über, dessen Innendurchmesser geringfü­ gig größer ist, als der Außendurchmesser der ersten Hülse 30. Die Anschlagfläche 54 der ersten Hülse 30 wirkt mit der Radialschulter 56 als Gegenanschlag zusammen, wie noch be­ schrieben wird.

An ihrem unteren Ende weist die erste Hülse 30 insgesamt vier in ihre untere Stirnseite ausmündende Axialschlitze 58 auf, wodurch vier Federklinken 59 gebildet sind. Am Freiende der Federklinken 59 sind radial nach innen vorspringende Rastna­ sen 60 angeformt, die mit den Rastvorsprüngen 40 bzw. den an ihnen vorhandenen Anschlagflächen 44 im Sinne eines in Expan­ sionsrichtung 63 des ersten Federelements 27 wirksamen Zahn- Richtgesperres zusammenarbeiten. Das bedeutet, dass eine axiale Verschiebung der ersten Hülse 30 nur in der Kompressi­ onsrichtung 64 des Federelements 27 möglich ist. An den Längsabschnitt 57 der zweiten Hülse 33 schließt sich ein Bereich 65 mit vergrößertem Innendurchmesser bzw. mit verrin­ gerter Wandstärke an. Am Freiende des Bereiches 65 ist schließlich noch ein sich radial nach innen erstreckender Ringvorsprung 66 angeformt. In der eingefahrenen Stellung der zweiten Hülse 33 gemäß Fig. 5 bis 8 ist der Ringvorsprung 66 unterhalb des Freiendes der Federklinken 59 und den daran angeformten Rastnasen 60 angeordnet. Dadurch, dass der Be­ reich 65 der zweiten Hülse 33 einen größeren Innendurchmesser aufweist, wird ein Spaltraum 67 geschaffen, in dem die Feder­ klinken 59 angeordnet sind. Die Breite des Spaltraumes 67 ist so bemessen, dass die Federklinken 59 derart in Richtung des Pfeils 68 abgelenkt werden können, dass die Rastnasen 60 im Falle einer Beaufschlagung der ersten Hülse 30 in Kompressi­ onsrichtung 64 an den Rastvorsprüngen 40 des Bolzens 29 vorbeigleiten können. Wenn sich dagegen die zweite Hülse 33 in ihrer ausgefahrenen Stellung gemäß Fig. 9 bis 11 befindet, umfasst der Ringvorsprung 66 die Federklinken 59 im Bereich ihrer Rastnasen 60. Auf diese Weise ist verhindert, dass die Rastnasen 60 außer Eingriff mit den Rastvorsprüngen 40 gelan­ gen können.

An der Innenseite der ersten Hülse 30 ist ein nach innen vorspringender Bund 69 mit hexagonaler Innenfläche vorhanden. Im Montagezustand umfasst der Bund 69 der ersten Hexagonab­ schnitt 46 des Bolzens 29 mit einem in Umfangrichtung wirksa­ men Formschluss. Der um 30° versetzte zweite Hexagonab­ schnitt 47 wirkt als Anschlag für den Bund 69. Die erste Hülse 30 ist somit auch bei nicht wirksamer Verrastung ver­ liersicher am Bolzen 29 fixiert.

Die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Niederhaltevorrich­ tung wird nun im Folgenden näher erläutert. In Fig. 12A ist der Spalt D zwischen dem Kopf 21 und dem oberen Kerngitter 12 zu verschiedenen Zeiten gezeigt. Am Beginn der Einsatzzeit des Brennelements ("begin of life", BOL) im kalten zustand des Reaktors (Temperatur T₀) ist eine Spaltbreite D(T₀) bei­ spielsweise von etwa 22 mm vorhanden. Wird der Reaktor auf seine maximale Betriebstemperatur T_max hochgefahren, so dehnen sich die das Brennelementskelett bildenden Steuerstabfüh­ rungsrohre 5 (Fig. 2) aus, jedoch in weit geringerem Maße als das Kerngerüst. Folglich erweitert sich der Spalt D auf eine Breite D(T_max) von beispielsweise 40 mm.

Vor dem letzten Betriebszyklus ("end of life", EOL) sind die bestrahlten Steuerstabführungsrohre 22 erheblich gewachsen und der Kopf 21 näher an das obere Kerngitter 12 gerückt. Der entsprechende Spalt D'(T₀) ist nur noch sehr schmal (z. B. 10 mm), erweitert sich aber wieder bis zu einer Breite D'(T_max) von beispielsweise 20 mm, wenn das Brennelement erneut auf Maximaltemperatur T_max aufgeheizt wird. Daher muss die Länge des frischen Brennelements so bemessen werden, dass der Spalt D auch nach dem Strahlungswachstum im kalten Zustand des Reaktors zumindest die Breite D'(To) besitzt. Die Verän­ derung des Spaltes D zu Beginn und am Ende der Standzeit geht aus Fig. 12B hervor. Aufgrund von Fertigungstoleranzen, insbe­ sondere Toleranzen der Brennelementabmessungen kann der Spalt D als Toleranzband 70, 73 beschrieben werden. Fig. 12A ist deutlich zu entnehmen, dass das Toleranzband 73 gegen Ende der Standzeit wesentlich niedriger liegt als das Tole­ ranzband 70 im Falle eines frischen Brennelements.

Die auf ein Brennelement, nach oben gerichtete Kraft F* nimmt mit zunehmender Kühlmitteltemperatur ab, was auf den verrin­ gerten Auftrieb zurückzuführen ist (Fig. 12C). Auch bei der Kraft F* ergibt sich ein Toleranzband 71 aufgrund von Quer­ strömungen und anderen physikalischen Erscheinungen. In Fig. 12C ist die von Federelementen herkömmlicher Niederhalte­ vorrichtungen erzeugte Druckkraft zu Beginn und am Ende der Standzeit aufgetragen. Die in jedem Betriebszustand resultie­ rende Niederhaltekraft ergibt sich jeweils aus der Differenz zwischen der Kraft F* und der Druckkraft Dr der Federanord­ nung. Es ist nun deutlich erkennbar, dass mit zunehmender Kühlmitteltemperatur die Niederhaltekraft F_N in einem für die Niederhaltung der Brennelemente 13 nicht erforderlichen Ausmaß zunimmt, was eine Ursache für die Eingangs erwähnten Brennelement-Verbiegungen ist.

Bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Niederhaltevorrichtung ist dieser negative Effekt gemildert. Zu Beginn der Standzeit stellt sich im kalten Zustand ein Spalt D(T₀) beispielsweise von 22 mm ein. Sowohl die ersten als auch die zweiten Feder­ elemente 27, 28 sind komprimiert und wirken mit ihrer Druck­ kraft auf die Brennelemente ein. Wird nun der Reaktor hochge­ fahren, erwärmt sich das Kühlmittel und der Spalt D wächst an. Das Richtgesperre der ersten Federelemente wird nun jedoch nicht sofort wirksam, sondern erst bei erhöhter Tempe­ ratur, wenn der Spalt D sich um einen Betrag vergrößert hat, der größer als der Leerhub LH des Richtgesperres ist. Ohne einen solchen Leerhub LH würde das Richtgesperre der ersten Federelemente 27 in der in Fig. 12A links außen dargestellten Situation (BOL, T₀) sofort wirksam. Eine entsprechende Situa­ tion würde sich zu Beginn eines jeden weiteren Betriebszyklus ergeben, wenn beim Herunterfahren des Reaktors sich das Kerngitter 12 auf die Brennelementköpfe 21 absenkt und dabei die Federelemente 27 komprimiert. Ein Richtgesperre mit Leerhub LH gewährleistet jedoch, dass auch die ersten Feder­ elemente beim Hochfahren des Reaktors noch für eine gewisse Zeit, nämlich bis eine Temperatur von etwa 150-200°C erreicht ist, eine Druckkraft auf die Brennelemente ausüben können. Unterhalb des genannten Temperaturbereiches, steht somit die Druckkraft der gesamten Federanordnung zur Verfügung, so dass die Federanordnung der die Brennelemente beaufschlagenden Kraft F* eine ausreichende Druckkraft F_Dr entgegensetzen kann. Analoges gilt natürlich auch für den in Fig. 12A rechts dargestellten letzten Betriebszyklus (EOL).

Die oben beschriebene Niederhaltevorrichtung lässt sich mit verschiedenen Typen von Federelementen realisieren. Anstelle einer Schraubenfeder 26 können beispielsweise geschichtete Tellerfedern verwendet werden. Bei dem in Fig. 13 bis 15 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei erste und zwei zweite Federelemente 27a, 28a vorhanden, die sich jeweils paarweise gegenüberliegen und die aus drei geschichteten Blattfedern 74, 75, 76 gebildet sind. Die Blattfedern sind an ihrem einen Ende am Brennelementkopf 21 verschraubt und erstrecken sich in der Draufsicht nach Fig. 14 gesehen längs der Seitenkanten des Kopfes 21. In der Kopfoberseite 25 ist eine Ausnehmung 77 vorhanden, in die die Blattfedern 74, 75, 76 vom Kerngitter 12 hinein bewegt werden können. Jeweils am Freiende der oberen Blattfeder 74 ist eine sich etwa axial nach unten erstreckende Strebe 78 angeformt, die eine Durch­ gangsöffnung (nicht dargestellt) im Freiende der Blattfedern 75, 76 durchgreift und sich über eine Öffnung 79 in den Boden 80 der Ausnehmung 77 hinein erstreckt. Die Innenkante der Streben 78a ist jeweils in Form einer Sägeverzahnung 81 ausgebildet, während bei den Streben 78 der zweiten Federele­ mente 28a eine solche nicht vorhanden ist. Die Sägeverzahnung 81 wirkt mit einer innerhalb des Kopfes 21 angeordneten Rastnase 82 im Sinne eines Zahn-Richtgesperres zusammen.

Die Rastnase 82 ist an der Innenseite einer Hülse 83 ange­ formt. Die Hülse 83 liegt in einer Ausnehmung 84 der Seiten­ wand 85 des Kopfes 21 vertikal verschiebbar ein. Vom oberen Ende der Hülse 83 steht radial ein Flansch 86 hervor, an dem sich unterseits eine Schraubenfeder 87 mit ihrem einen Ende abstützt. Das andere Ende der Schraubenfeder 87 stützt sich auf einer Radialschulter 88 der Ausnehmung 84 ab. Der sich an die Radialschulter 88 nach oben anschließende Bereich 89 der Ausnehmung 84 weist einen Durchmesser auf, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Flansches 86. Der Flansch 86 wirkt mit seiner Umfangsfläche mit der Innenfläche des Bereiches 89 im Sinne einer Gleitführung zusammen. Der untere Abschnitt der Hülse 83 ist in einem sich an die Radialschul­ ter 88 nach unten anschließenden Bereich 90 der Ausnehmung 84 geführt. Der Bereich 90 ist nach unten durch einen Radialvor­ sprung 91 begrenzt.

Bei der in Fig. 15 gezeigten Situation befindet sich das aus der Strebe 78a mit ihrer Verzahnung 81 und der Hülse 83 mit ihrer Rastnase 82 gebildete Richtgesperre in seiner Sperr­ funktion. Dabei liegt der Flansch 86 mit seiner Oberseite an einer den Bereich 89 nach oben begrenzenden, nach innen vorstehenden Radialschulter 92 an. Die Radialschulter 92 wird von der Unterseite einer Ringscheibe 94 gebildet, die in einer sich in den Boden 80 öffnenden Ausnehmung 93 einliegt.

Wenn sich wie weiter oben schon im Detail geschildert wurde, das obere Kerngitter 12 beim Herunterfahren des Reaktors auf den Kopf 21 beziehungsweise auf die ersten Federelemente 27a absenkt, wird die Strebe 78a vertikal nach unten bewegt.

Dabei nimmt sie die Hülse 83 in gleicher Richtung solange mit, bis diese mit ihrer unteren Stirnseite am Radialvor­ sprung 91 anliegt. Erst dann kann die Verzahnung 81 eine andere Raststellung gegenüber der Rastnase 82 einnehmen. Beim Hochfahren des Reaktors können sich die ersten Federelemente 27a zunächst ungehindert solange ausdehnen, bis der Flansch 86 an der Radialschulter 92 anschlägt. Die Federelemente 27a weisen daher ebenfalls einen Leerhub auf.

Um die Herstellung der Rastnase 82 zu erleichtern, weist die Hülse 83 an ihrer der Rastnase gegenüberliegenden Seite einen Axialschlitz 95 auf. Die Hülse 83 ist so bemessen, dass sich die Strebe 78a mit ihrer der Sägeverzahnung 81 gegenüberlie­ genden Kante 96 in den Axialschlitz 95 hinein erstreckt. Dieser dient somit auch zur Führung der Strebe 78a bei ihrer Vertikalbewegung relativ zur Hülse 83.

Bezugszeichenliste

1

Deckel

2

Reaktordruckbehälter

3

Steuerantrieb

4

Schraube

5

Steuerstabanordnung

6

Deckplatte

7

Rost

8

Flansch

9

Eintritt

10

Austritt

11

Kerngerüst

12

oberes Kerngitter

13

Brennelement

14

Kernbehälter schnitt

15

Druckbehälter-Topf

16

Kernumfassung schnitt

17

unteres Kerngitter

18

Stauplatte

19

Absturzsicherung

20

Fuß

21

Kopf

22

Steuerstabführungsrohr

23

Abstandshalter

24

Brennstab

25

Kopfoberseite

26

Schraubenfeder

27

erstes Federelement

28

zweites Federelement

29

Bolzen

30

erste Hülse

33

zweite Hülse

34

Flansch

35

Anschlagfläche

36

Gewindestutzen

37

Längsabschnitt

38

Schrägschulter

39

Längsabschnitt

40

Rastvorsprung

43

Mittellängsachse

44

Anschlagfläche

45

Längsabschnitt

46

erster Hexagonab­ schnitt

47

zweiter Hexagonab­ schnitt

48

Einstich

49

Flansch

50

Anschlagfläche

53

Flansch

54

Anschlagfläche

55

Bereich

56

Radialschulter

57

Längsabschnitt

58

Axialschlitz

59

Federklinke

60

Rastnase

63

Expansionsrichtung

64

Kompressionsrichtung

Claims (12)

1. Niederhaltevorrichtung für das Brennelement (13) eines Druckwasserreaktors, mit einer zwischen der Unterseite eines oberen Kerngitters (12) und der Oberseite des Brennelementkopfes (21) wirksamen, mehrere Federelemen­ te (27, 28) umfassenden Federanordnung, wobei die Fe­ deranordnung wenigstens ein erstes Federelement (27) umfasst, dessen während des Reaktorbetriebes mögliche Maximalausdehnung geringer ist als die während des Be­ triebs mögliche Maximalausdehnung zweiter Federelemente (28), wobei die Federanordnung während des Hochfahrens des Reaktors bei Überschreitung eines Grenzabstandes zwischen Kerngitter (12) und Kopf (21) ihre Druckkraft sprunghaft verringert, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der die Maximalausdehnung des ersten Federelements (27) während einer Kaltphase des Reaktors selbsttätig verringert wird.

2. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalausdehnung des ersten Federelements (27) von einem in Expansionsrichtung (63) wirksamen Richtgesperre mit mehreren axialen Sperrpositionen be­ grenzt ist, wobei das Richtgesperre ein mit dem Feder­ element (27) bewegungsgekoppeltes axial bewegliches Teil und ein dieses in Expansionsrichtung (63) blockie­ rendes Teil umfasst.

3. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Richtgesperre einen in Expansionsrichtung (63) des Federelements (27) wirksamen Leerhub (LH) aufweist.

4. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Zahn-Richtgesperre.

5. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahn-Richtgesperre von einem sägezahnförmige Rastvorsprünge (40) auf seiner Umfangsfläche aufweisen­ den Bolzen (29) und einer diesen verschiebbar umfassen­ den ersten Hülse (30) gebildet ist, welche mit radial nach innen federbeaufschlagten Rastnasen (60) mit den Rastvorsprüngen (40) zusammenwirkt.

6. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (27) eine Schraubenfeder ist, die das Zahn-Richtgesperre umfasst und sich einer­ seits an einer Anschlagfläche (35) des Bolzens (29) und andererseits an einer Anschlagfläche (54) der ersten Hülse mittel- oder unmittelbar abstützt.

7. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastelemente am Freiende von Federklinken (59) angeordnet sind, welche durch Axialschlitze (58) von­ einander getrennte Wandabschnitte der ersten Hülse (30) sind.

8. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine die erste Hülse (30) umfassende und zwischen einer ausgefahrenen und einer eingefahrenen Position axial verschiebbaren zweiten Hülse (33) mit einem als An­ schlag für die Schraubenfeder (26) dienenden, an ihrer dem Bolzen (29) abgewandten Stirnseite angeformten, ra­ dial nach außen abstehenden Flansch (49) und mit einer aus ihrer Innenseite vorstehenden, in der ausgefahrenen Position an der Anschlagfläche (54) der ersten Hül­ se (30) anliegenden Radialschulter (56).

9. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hülse (33) an dem ihrem Flansch (49) gegenüberliegenden Ende einen aus ihrer Innenseite vor­ stehenden Ringvorsprung (66) aufweist, der in der aus­ gefahrenen Position der zweiten Hülse (33) die Rastna­ sen (60) umfasst und in einer Lage fixieren, in der sie mit den Rastvorsprüngen (40) des Bolzens (29) in Ein­ griff stehen.

10. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (27a) eine aus der Obersei­ te des Kopfes (21) vorstehende Anordnung von mehreren geschichteten Blattfedern 74, 75, 76) ist, an deren Freiende eine sich etwa vertikal erstreckende Strebe (78a) fixiert ist, welche Bestandteil des Richtgesper­ res ist.

11. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strebe (78a) eine Sägeverzahnung (81) auf­ weist, die mit einer innerhalb des Kopfes (21) angeord­ neten, in Expansionsrichtung (63) federbeaufschlagten und zwischen einer ausgefahrenen und einer eingefahre­ nen Position etwa vertikal verschiebbaren Rastnase (82) zusammenwirkt.

12. , Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Rastnase (82) von der Innenseite einer Hülse (83) vorsteht, welche in einer Ausnehmung (84) einer Seitenwand (85) des Kopfes (21) etwa vertikal beweglich gelagert ist.