DE10301351A1 - Brennelement eines Siedewasserreaktors - Google Patents
Brennelement eines SiedewasserreaktorsInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Drosselelement eines Siedewasserreaktors, das als wenigstens eine Drosselbohrung aufweisender topfförmig ausgebildeter Einsatz in einen Ausströmstutzen eines Steuerstabführungsrohres eingesetzt und dort lösbar fixiert ist. Ein solches Drosselelement ist aus EP0027984 A2 bekannt. Ein Brennelement eines Siedewasserreaktors ist von einem Wasserkasten umfasst und ist im Betrieb von unten nach oben mit Primärkühlmittel durchströmt. Am unteren Ende des Brennelements ist ein Fußteil angeordnet, das einen oberen Längsabschnitt mit quadratischer Umrissform und einen unteren, sich konisch verjüngenden, eine Einströmdüse bildenden Längsabschnitt mit kreisrunder Umrissform aufweist. Jeweils vier Brennelemente sind der Tragstruktur eines Steuerstabführungsrohres zugeordnet. Eine Tragstruktur umfasst vier Ausströmstutzen, auf denen sich jeweils ein Brennelement mit seinem Fußteil abstützt, wobei seine Einströmdüse in den Ausströmstutzen hineinragt. Bei Siedewasserreaktoren erfolgt die Wärmeübertragung von den Brennstäben des Brennelements an das Kühlmittel überwiegend durch Sieden. Dementsprechend bildet sich vor allen Dingen im oberen Bereich des Brennelements eine ausgeprägte Zweiphasenströmung mit mehr oder minder großem Dampfgehalt aus. In der Regel wird ein hoher Dampfgehalt angestrebt, da dies für die Effizienz der nachgeschalteten Dampfturbinen von entscheidender Bedeutung ist. Den Turbinen sind deshalb Wasserabscheider und Dampftrockner vorgeschaltet.
- Die Brennelemente weisen nun -abhängig von ihrer Anfangsbeladung und ihrer Position im Reaktordruckbehälter - unterschiedliche Leistungen und dementsprechend unterschiedliche Dampfgehalte auf. Es ist bekannt, bei frischen Brennelementen fest eingebaute Drosseln vorzusehen, die den Kühlmittelstrom verringern. Die Folge dieser Maßnahme ist ein erhöhter Wärmeeintrag in das Kühlmittel und damit eine gesteigerte Dampfbildung.
- Drosseln der eingangs genannten Art lassen sich bei Bedarf im Zuge einer Revision einbauen. Eine Forderung dabei ist, dass die Drosseln lösbar fixiert sind, so dass sie wieder ausgebaut werden können, sei es, weil sie den voraus berechneten Drosseleffekt nicht zeigen oder weil eine weitere Anpassung des Kühlmittelzustromes erforderlich ist. Andererseits müssen die Drosseln so fest fixiert sein, dass auf lange Sicht eine sichere Fixierung gewährleistet ist. So würde eine Lockerung einer Drossel bei den vorherrschenden Strömungsverhältnissen zu nicht tolerierbaren Vibrationen führen. Die Fixierung muss aber auch derart ausgestaltet sein, dass eine Drossel mit Hilfe eines Manipulators problemlos montiert und demontiert werden kann. Insbesondere darf bei der Demontage die Tragstruktur eines Steuerstabführungsrohres, beispielsweise die Innenwandung eines Ausströmstutzens nicht beschädigt werden. Ein ganz wesentlicher Aspekt ist schließlich, dass das Drosselelement bei der Entfernung eines Brennelements aus dem Reaktor sicher im Ausströmstutzen zurück gehalten wird.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Drosselelement vorzuschlagen, das die genannten Anforderungen erfüllt.
- Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 durch ein Drosselelement gelöst, das einen radial nach außen gerichteten, zwischen der Stirnseite eines Ausströmstutzens und dem, Fußteil eines Brennelements einklemmbaren Fixierflansch und eine in das Drosselelement eingesetzte, lösbar daran fixierte und eine axial wirksame Formschlussverbindung zwischen dem Drosselelement und einem Hinterschnitt an der Innenwandung eines Ausströmstutzens bewirkende Sicherungshülse aufweist. Die axial wirksame Formschlussverbindung zwischen Drosselelement und Ausströmstutzen kann somit aufgehoben werden, wenn die Sicherungshülse entfernt wird. Bei der Demontage eines Drosselelements wird zunächst mit Hilfe eines Manipulators die Verbindung zwischen dem Drosselelement und der Sicherungshülse gelöst und diese dann nach oben bewegt. Da dabei eine Verbindung gelöst werden muss, die zwischen Sicherungshülse und Drosselelement - und nicht zwischen diesem und dem Ausströmstutzen - besteht, ist die Gefahr einer Beschädigung des Ausströmstutzens nahezu ausgeschlossen. Zusätzlich schützt das Drosselelement den Ausströmstutzen, wenn die gelöste Sicherungshülse vom Manipulator nach oben bewegt wird. Die Fixierung der Sicherungshülse am Drosselelement kann außerdem unabhängig von der Gestaltung des Ausströmstutzens und daher beliebig erfolgen. Vorzugsweise ist zwischen der Sicherungshülse und dem Drosselelement ein Formschluss vorhanden, der durch eine radial nach außen gerichtete plastische Verformung wenigstens eines Wandbereiches der Sicherungshülse erzeugt ist. Ein solcher Formschluss lässt sich einfach dadurch wieder lösen, indem die Sicherungshülse mit einem Manipulator nach oben aus dem Drosselelement herausgezogen wird. Die verformten Wandbereiche werden dabei zwar gewaltsam zurückverformt. Dabei kann aber nur das auszutauschende Drosselelement nicht aber der Ausströmstutzen beschädigt werden. Vorteilhaft bei der genannten Verbindung ist, dass sie unter Verwendung eines einfach gestalteten axial beweglichen Greifwerkzeugs sowohl leicht herstellbar als auch leicht wieder lösbar ist, wie weiter unten noch beschrieben wird.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante ist in der Wand des Drosselelements wenigstens eine durch Freischnitte gebildete, an ihrer Außenseite eine Rastnase tragende, gegen elastische Rückstellkräfte aus einer Freigabestellung in eine Raststellung ablenkbare Klinke vorhanden. Die Klinke ist von der Sicherungshülse in der Raststellung gehalten und hintergreift dabei mit ihrer Rastnase den Hinterschnitt an der Innenwandung des Ausströmstutzens. Bei entfernter Sicherungshülse federt die Klinke in ihre Freigabestellung zurück, in der sie außer Eingriff mit dem Hinterschnitt steht und in den Innenraum des Drosselelements hineinragt. Wird in diesem Zustand eine Sicherungshülse in ein Drosselelement mit Hilfe eines ein Greifwerk aufweisenden Manipulators eingesetzt, so wird die Klinke radial nach außen in ihre Raststellung gebogen. Im Anschluss daran erfolgt mit dem selben Manipulator eine radiale Aufweitung des plastisch verformbaren Wandbereichs der Sicherungshülse. Es sind also nur wenige und einfach zu kontrollierende Manipulationen erforderlich. Der plastisch verformbare Wandbereich wird vorzugsweise von einem Endabschnitt der Sicherungshülse gebildet.
- Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt die Axialfixierung des Drosselelements durch eine Sicherungshülse, in deren Wand durch Freischnitte erzeugte Biegelaschen vorhanden sind. Nach dem Einsetzen werden die Biegelaschen mit Hilfe eines Manipulators nach außen umgebogen, wobei sie jeweils eine in der Wand des Drosselelements vorhandene Bohrung durchsetzen und den Ringvorsprung des Ausströmstutzens hintergreifen. Zur Aufhebung dieses Hintergriffs könnte die Sicherungshülse ebenfalls einfach aus dem Drosselelement herausgezogen werden. Eine bevorzugte Variante sieht jedoch vor, dass vorher die Sicherungshülse durch eine radial nach innen gerichtete Krafteinwirkung so verformt wird, dass die Biegelaschen außer Eingriff mit dem Hinterschnitt des Ausströmstutzens und problemlos aus dem Drosselelement herausnehmbar ist. Um die genannte Verformung zu ermöglichen, sind zwischen der Sicherungshülse und dem sie umfassenden Drosselelement mehrere über den Umfang verteilte, sich axial erstreckende und sich nach oben öffnende Ausnehmungen vorhanden. In diese lässt sich auf einfache Weise ein Werkzeug einführen, mit dem die Sicherungshülse mit einer radial nach innen gerichteten Kraft beaufschlagbar ist. Um die Verformung des Fixierrings zu erleichtern, weist der Fixierring über seinen Umfang verteilte Sollknickstellen mit verringerter Wandstärke auf.
- Die Erfindung wird nun anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Tragstruktur eines Steuerstabführungsrohres,
- Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Ausströmstutzen, in dem eine erste Ausführungsvariante eines Drosselelements eingesetzt ist,
- Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2,
- Fig. 4 eine zweite Ausführungsvariante eines Drosselelements in einer Fig. 2 entsprechenden Darstellung,
- Fig. 5 das Drosselelement von Fig. 4 in vergrößerter perspektivischer Darstellung,
- Fig. 6 eine dritte Ausführungsvariante eines Drosselelements in einer Fig. 3 entsprechenden Darstellung,
- Fig. 7 eine Draufsicht in Richtung des Pfeils V in Fig. 4,
- Fig. 8 eine Ansicht entsprechend Fig. 5, wobei jedoch das Drosselelement zum Zwecke der Entnahme verformt ist,
- Fig. 1 zeigt das obere Ende bzw. den Kopf 1 eines Steuerstabführungsrohres 2. Es sind insgesamt vier Ausströmstutzen 3 vorhanden, deren Ausströmöffnungen 4 in die Stirnseite 5 des Kopfes 1. Die vier Ausströmstutzen 3 sind so angeordnet, dass ihre Mittelpunkte etwa auf den Ecken eines Quadrates liegen. In die Stirnseite 5 mündet weiterhin eine im Querschnitt kreuzförmige, Steuerstäbe aufnehmende Ausnehmung 6. Seitlich am Steuerstabführungsrohr 2 sind Öffnungen 7 vorhanden, durch die Primärkühlmittel eingeleitet wird. Je nach Bedarf ist in eine Ausströmöffnung 4 ein Drosselelement 8 eingesetzt, das im folgenden näher beschreiben wird:
Sämtliche in Fig. 2 bis Fig. 8 gezeigten Drosselelemente 8a-8c sind im wesentlichen topfförmig und weisen eine oder mehrere Drosselbohrungen 9 auf. Den Drosselelementen 8a-8c ist weiterhin gemeinsam, dass ihr oberes Ende zu einem sich radial nach außen erstreckenden Fixierflansch 10 ausgeformt ist, der im Montagezustand zwischen der Stirnseite 12 des Ausströmstutzens 3 und dem Fußteil 12 eines Brennelements 13 eingeklemmt. Zum Zwecke einer Zentrierung weist die Ober- und Unterseite des Fixierflansches 10 jeweils eine sich nach innen bzw. zur Mittellängsachse 14 der Ausströmöffnung 4 hin geneigte Konusfläche 15, 16 auf. Die Konusflächen 15, 16 des Fixierflansches 10 wirken jeweils mit einer komplementär geneigten Konusfläche 17, 18 am Fußteil 12 bzw. am Ausströmstutzen 3 zusammen. Die Innenseite des Fixierflansches 10 bildet eine zur Mittellängsachse 14 koaxiale Zylinderfläche 19, die einen ebenfalls zylinderförmigen Längsabschnitt 20 einer am Fußteil angeordneten Einströmdüse 22 formschlüssig umfasst. An die Zylinderfläche 19 schließt sich eine Schrägschulter 23 an. Die Drosselelemente 8a bis 8c werden während einer Revisionsphase mit einem fernbedienten Handhabungswerkzeug bzw. Manipulator (nicht dargestellt) in eine Ausströmöffnung 4 eingesetzt. - Durch das Zusammenspiel der Konusflächen 16, 18 tritt dabei eine Zentrierung ein. Als nächster Schritt wird das Drosselelement 8 im Ausströmstutzen 4 fixiert. Dies geschieht bei allen Ausführungsvarianten mit Hilfe einer Sicherungshülse 24 bzw. 25, die mit Hilfe des erwähnten Manipulators in ein Drosselelement 8 eingesetzt und fixiert wird.
- Bei der in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsvariante sind in einem sich an den Fixierflansch anschließenden, etwa zylinderförmigen Längsabschnitt 26 durch Freischnitte in der Wand des Drosselelements 8a mehrere über dessen Umfang verteilte Klinken 27a ausgebildet, an deren Außenseite eine Rastnase 28 angeformt ist. In dem in Fig. 3 links dargestellten Vormontagezustand befinden sich die Klinken 27a in ihrer Freigabestellung, in der sie in den Innenraum des Drosselelements 8a hineinragen. Die Außenfläche des Drosselelements 8a überragen sie dabei nicht oder nur unwesentlich. Mit anderen Worten haben die Klinken 27a eine derartige Position, dass sich das Drosselelement 8a behinderungsfrei in die Ausströmöffnung 4 einsetzen lässt. Die Klinken 27a lassen sich elastisch radial nach außen ablenken, wobei ihre Rastnasen 28 einen an der Innenwandung des Ausströmstutzens 3 vorhandenen, in Form eines Ringvorsprungs 29 ausgebildeten Hinterschnitt hintergreifen. In dieser Raststellung werden die Klinken 27a durch die in das Drosselelement 8a eingesetzte Sicherungshülse 24a gehalten (Fig. 2, Fig. 3 rechte Hälfte). Die Sicherungshülse 24a weist dazu einen Längsabschnitt 30 auf, der formschlüssig in dem zylindrischen Längsabschnitt 26a des Drosselelements 8a einliegt. Die Klinken 27a sind dabei in ihrer Raststellung gehalten und beaufschlagen die Sicherungshülse 24a mit einer elastischen Rückstellkraft, was eine zusätzliche Fixierung der Sicherungshülse im Drosselelement 8a bedeutet.
- Oberhalb der Klinken 27a ist an der Innenseite des Drosselelements 8a eine umlaufende Ringnut 32 vorhanden. In der Rastposition umfasst diese Ringnut einen oberen, eine verringerte Wandstärke aufweisenden Wandbereich 33 der Sicherungshülse 24a. Durch eine mit einem Manipulator auf einfache Weise zu bewerkstelligende radial nach außen gerichtete Verformung wird der Randbereich 33 in die Ringnut 32 hineingedrängt. Für eine sichere Fixierung der Sicherungshülse 24a reicht es aus, wenn dies an mehreren, beispielsweise vier gleichmäßig über den Hülsenumfang verteilten Stellen geschieht. Um beim Einsetzen der Sicherungshülse 24a eine definierte axiale Endlage zu erhalten, ist der Längsabschnitt 26 des Drosselelements 24a nach unten hin durch eine radial nach innen vorspringende Anschlagschulter 34 begrenzt. Auf dieser liegt die Sicherungshülse 24a mit ihrer unteren Stirnseite im Montagezustand auf.
- Die geschilderte Verbindung zwischen Sicherungshülse 24a und Drosselelement 8a kann mit einem Manipulator auf einfache Weise gelöst werden, indem dieser die Sicherungshülse 24a nach oben aus dem Drosselelement herauszieht. Dabei werden die in die Ringnut 32 verdrängten Abschnitte des Wandbereiches 33 der Sicherungshülse 24a plastisch radial nach innen rückverformt. Während dieses Vorgangs wird das Drosselelement 8a vom Manipulator axial festgehalten. Um das Herausziehen der Sicherungshülse 24a zu ermöglichen, weist deren Längsabschnitt 30 eine Ringnut 31 auf, an der eine Greifvorrichtung eines Manipulators ansetzen kann.
- Eine zweite Ausführungsvariante eines Drosselelements 8b ist in Fig. 4 und 5 gezeigt. Bei diesem Drosselelement schließt sich an den die Klinken 27b radial nach außen beaufschlagenden Längsabschnitt 30 der Sicherungshülse 24b ein oberer Längsabschnitt 35 an, der eine an die Innenfläche des Drosselelements 8b angepasste Formgebung aufweist. Das obere Ende des Längsabschnittes 35 ist zu einem sich schräg nach außen erstreckenden Flansch 36 umgeformt, der eine der Konusfläche 15 des Fixierflansches 10 des Drosselelements 8b entsprechende Neigung aufweist. Im Montagezustand ist, wie Fig. 4 zu entnehmen ist, der Flansch 36 zwischen dem Fußteil 12 und dem Fixierflansch 10 des Drosselelements 8b eingeklemmt. Neben der durch plastische Verformung der Sicherungshülse 24b hergestellten formschlüssigen Verbindung der Sicherungshülse 24b mit dem Drosselelement 8b ist hier eine zusätzliche Fixierung des Drosselelements 8b vorhanden, so dass selbst bei einer Lockerung der durch plastische Verformung erzeugten Verbindung ein fester und vibrationsfreier Sitz des Drosselelements 8b im Ausströmstutzen gewährleistet ist. Im Gegensatz zu dem weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist am unteren Ende des Längsabschnittes 30 der Sicherungshülse 24b ein Wandabschnitt 33b mit verringerter Wandstärke angeformt. Dieser wird an mehreren, gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen mit Hilfe eines Manipulators plastisch radial nach außen verformt und in die Ringnut 32 hineingedrängt, die sich unterhalb der Anschlagfläche 34 des Drosselelements 8b befindet. Um das radiale Auslenken der Klinken 27b zu erleichtern, weisen diese einen Längsabschnitt 37 mit verringerter Wandstärke auf. Eine solche Wandstärkenverringerung kann natürlich auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3 vorhanden sein. Der Fixierflansch 10 des Drosselelements 8b weist eine sich von seinem Außenrand radial nach innen erstreckende Ringnut 38 auf. Diese dient als Widerlager für eine Greifvorrichtung eines Manipulators, welche das Drosselelement 8b in Axialrichtung fixiert, während die Sicherungshülse 24b nach oben gezogen wird.
- Bei dem in Fig. 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in einem sich an die Schrägschulter 23 nach unten anschließenden Längsabschnitt 26c des Drosselelements 8c mehrere über den Umfang verteilte Durchtrittsöffnungen 39 vorhanden. In dem Längsabschnitt 26c liegt im Monatagezustand eine Sicherungshülse 24c ein, die durch Freischnitte erzeugte, mit ihrem Freiende nach unten weisende und über den Umfang verteilte Biegelaschen 40 aufweist. Diese sind in einem Vormontagezustand so weit radial nach außen gebogen, dass sie sich in die Durchtrittsöffnungen hinein erstrecken, nicht jedoch die Außenfläche des Drosselelements 8c überragen (Fig. 6, linke Hälfte). Auf diese Weise sind Drosselelement und Sicherungshülse so miteinander verbunden, dass sie zusammen in die Ausströmöffnung eingesetzt werden können. Zur Fixierung des Drosselelements 8c werden die Biegelaschen 40 mit einem Manipulator radial nach außen gebogen, wobei sie die Durchtrittsöffnungen 39 durchsetzen und den Ringvorsprung 29 des Ausströmstutzens 3 hintergreifen (Fig. 6, rechte Hälfte). Um eine spätere Entnahme des Drosselelements 8c zu ermöglichen, sind zwischen der Sicherungshülse 24c und dem Längsabschnitts 26c des Drosselelements 8c insgesamt vier gleichmäßig über den Umfang verteilte, sich in Axialrichtung erstreckende nach oben ausmündende Ausnehmungen 41 vorhanden. Diese sind aus in der Außenfläche der Sicherungshülse 24c und in der Innenfläche des Drosselelements vorhanden Nuten 42 gebildet. In Fig. 7 sind die Ausnehmungen 41 in Draufsicht erkennbar. In dieser Abbildung ist aus Vereinfachungsgründen lediglich die Stirnseite 43 der Sicherungshülse 24c und die Schrägschulter 23 des Drosselelements 8c dargestellt. Jeweils zwischen zwei Ausnehmungen 42 weist die Sicherungshülse 24c eine Sollknickstelle 44 mit verringerter Wandstärke auf. Soll das Drosselelement 8c aus dem Ausströmstutzen 3 entfernt werden, wird die Sicherungshülse 24c mit Hilfe von in die Ausnehmungen 41 eingesetzten und dann radial nach innen geführten Stiften eines Werkzeuges (nicht dargestellt) deformiert. Aufgrund der Anordnung der Sollknickstellen 44 entsteht aus der Sicherungshülse 24c die in Fig. 8 gezeigte Deformationsstruktur 45. Diese kann problemlos aus dem Drosselelement 8c entfernt und damit dessen Fixierung am Ausströmstutzen 3 gelöst werden. Bezugszeichenliste 1 Kopf
2 Steuerstabführungsrohr
3 Ausströmstutzen
4 Ausströmöffnung
5 Stirnseite
6 Ausnehmung
7 Öffnung
8 Drosselelement
9 Drosselbohrung
10 Fixierflansch
12 Fußteil
13 Brennelement
14 Mittellängsachse
15 Konusfläche
16 Konusfläche
17 Konusfläche
18 Konusfläche
19 Zylinderfläche
20 Längsabschnitt
22 Einströmdüse
23 Schrägschulter
24 Sicherungshülse
26 Längsabschnitt
27 Klinke
28 Rastnase
29 Ringvorsprung
30 Längsabschnitt
32 Ringnut
33 Wandbereich
34 Anschlagschulter
35 Längsabschnitt
36 Flansch
37 Längsabschnitt
38 Ringnut
39 Durchtrittsöffnung
40 Biegelasche
41 Ausnehmung
42 Nut
43 Stirnseite
44 Sollknickstelle
45 Deformationsstruktur
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- 2003-01-16 DE DE10301351A patent/DE10301351B4/de not_active Expired - Fee Related
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EP2065898A1 (de) * | 2007-12-01 | 2009-06-03 | AREVA NP GmbH | Brennelement für einen Siedewasserreaktor |
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