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Brennelement für Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf ein
Kernreaktor-Brennelement, bestehend aus einem Brennstabbündel, das zwischen zwei
Endplatten gelagert ist, die mit Formteilen einer Kupplung versehen sind, um zwei
axial aneinandergereihte Brennelemente miteinander verbinden zu können.
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Zur Erzielung eines gleichmäßigen Abbrandes wird die Aufeinanderfolge
der Brennelemente innerhalb eines Kühlkanals zweckmäßigerweise nach einer gewissen
Betriebszeit geändert. Bei lose aneinandergereihten Brennelementen bereitet das
Umsetzen der Brennelemente Schwierigkeiten, weil jedes Element einzeln aus dem Kühlrohr
herausgezogen und wieder eingesetzt werden muß.
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Es sind bereits Brennelemente bekannt, die mittels lösbarer Kupplungen
in Form von Rohr- oder Verbindungsstiften oder von Schrauben zur Bildung einer Brennelementsäule
axial aneinandergereiht werden können. Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag
sind beispielsweise am Umfang der ein Brennstabbündel halternden Endplatten eines
Brennelementes radiale Vertiefungen und Vorsprünge angeordnet und ein ringförmiger
Verbindungsteil mit zwei auf seiner Innenfläche übereinanderliegenden Sätzen von
entsprechend ausgebildeten Vorsprüngen und Vertiefungen vorgesehen. Dabei werden
zwei aufeinandergesetzte Brennelemente durch den Verbindungsteil, wenn dessen Vorsprünge
und die Vorsprünge an den Endplatten fluchtend aufeinander ausgerichtet sind, zusammengehalten,
und der Verbindungsteil durch Stiftschrauben gegen unbeabsichtigte Verdrehung gesichert.
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Auch bei einer nach diesem älteren Vorschlag zusammengesetzten Brennelementsäule
bereitet das Umsetzen der Brennelemente zur Vertauschung der Aufeinanderfolge innerhalb
eines Kühlkanals Schwierigkeiten, da die Kupplungen weder betriebsmäßig lösbar,
noch betriebsmäßig in Eingriff zu bringen sind.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Brennelemente
mit Kupplungen zu versehen, die in einfacher Weise betriebsmäßig zu betätigen sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung die aus einer Nut und einem Scheibenrand
der Endplatte bestehenden und mindestens über den halben Umfang jeder Endplatte
sich erstreckenden Formtelle zusammen mit je einem im wesentlichen über die
andere Hälfte des Umfangs dieser Endplatten sich erstreckenden Kragenstück mit wulstartigem
Ansatz, der mit der Oberfläche der Endplatte eine weitere Nut bildet, zu einer Kupplungshälfte
ausgebildet derart, daß nach der Kupplung zweier Brennelemente der wulstartige Ansatz
jeweils in die Nut und der Scheibenrand jeweils in die weitere Nut eingreift. Zur
Kupplung zweier Brennelemente werden die Kupplungshälften aufeinander ausgerichtet,
die Endplatten exzentrisch aufeinandergesetzt und danndieBrennelementachsen durch
seitliche Verschiebung der Brennelemente aufeinander ausgerichtet. Die auf diese
Weise miteinander verbundenen Brennelemente bilden eine in sich starre Säule, die
innerhalb oder auch außerhalb des Reaktorbehälters, z. B. mit Hilfe einer als Kupplungshälfte
ausgebildeten Greifvorrichtung eines Aufzuges oder einer Lademaschine und eines
drehbaren oder verschiebbaren Magazins, in mehrere Teile zerlegt und in anderer
Reihenfolge wieder zusamment' Cresetzt werden kann. Als Sicherung gegen selbsttätige
Entkupplung im Kühlkanal sind Gleitschuhe vorgesehen. Zusätzlich können federnde
Elemente vorgesehen sein, die ein Lösen der Kupplungsvorrichtung während des Umsetzens
oder eines Transportes verhindern. Die federnden Elemente können so ausgeführt sein,
daß die Kupplungsvorrichtung nur durch eine besondere Vorrichtung gelöst werden
kann.
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Die Zeichnungen veranschaulichen einige Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß
ausgeführter Brennelemente. Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Darstellung
eines Brennelementes mit einer federnden Scheibe als Sicherung, F i 2 eine perspektivische
Darstellung des oberen Teiles eines Brennelementes mit einer Ringfeder als Sicherung,
F i g. 3 und 3 a den oberen Teil eines weiteren Brennelementes mit
einer Ringfeder teilweise im Schnitt, teilweise in der Draufsicht, F i
g. 4 zwei aneinandergekuppelte Brennelemente mit einer Blattfeder als Sicherung,
F
i g. 5 eine Draufsicht auf den oberen Teil eines Brennelementes mit Blattfedem
am Mantel der Endplatten, F i g. 6, 6 a und 7 als Spreizringe ausgeführte
Kupplungen.
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In der F i g. 1 ist ein Brennelement 1 dargestellt,
das aus Brennstäben 2 zusammengesetzt ist. Die Brennstäbe sind in Endplatten3,
4 eingesetzt. Im Mantel der Endplatte ist eine Ringnut5 angeordnet und in die eine
Hälfte der Ringnut beispielsweise ein Halbring6 mit U-förmigem Querschnitt eingelötet,
so daß zwischen der Oberfläche der Endplatte und dem wulstartigen Ansatz7 des Halbringes6
eine weitere Nut 8 entsteht. Die Nuten 5 und 8, der Wulst
7 und der wulstartige Scheibenrand 10 bilden die tragenden Teile der
Kupplung. Der Halbring 6
kann am einen Ende des Brennelementes gegenüber dem
anderen Ende um 1801 versetzt sein. Das ist mit Rücksicht auf die Belademaschine
vorteilhaft, weil die sich entsprechenden Kupplungsteile aller Elemente innerhalb
einer Elementensäule die gleiche Lage zur Greifvorrichtung einnehmen. Die Endplatten
3, 4 und die Halbringe 6 können auch aus einem Stück gefertigt sein.
Dann erstrecken sich die Nut 5 und der Wulstrand 10 nur über den halben
Umfang der Endplatte. In der Endplatte sind Bohrungen 9 für den Durchtritt
des Kühlmittels angebracht. Werden zwei Brennelemente leicht exzentrisch aufeinandergesetzt
und dann die Kupplungsteile aufeinander zu bewegt, so greift der Wulst
7
und der Wulstrand 10 der Endplatte 4 des einen Brennelementes in
die Nut 5 bzw. 8 der Endplatte 3
des folgenden Brennelementes
ein. Bei Brennelementen, die in ein Führungsrohr, z. B. in ein Trennrohr eines Reaktors,
eingesetzt werden, wird durch an den Endplatten bzw. Halbringen angebrachte Gleitschuhe
11 verhindert, daß sich die Elemente radial gegeneinander verschieben und
dadurch entkuppeln. Damit sich die Brennelemente auch nach dem Herausziehen aus
dem Kühlkanal nicht entkuppeln können, ist in eine Ausnehmung 12 in der Endplatte
3 eine federnde Scheibe 13 mit einer Noppe 14 eingesetzt. Die Scheibenfeder
13 ist durch Schrauben 15 gesichert und enthält ebenfalls Bohrungen
9 für den Durchtritt des Kühh-nittels. In der Endplatte 4 ist eine der Form
der Noppe angepaßte Rille 16 angebracht.
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Die F i g. 2 zeigt nur den oberen Teil eines Brennelementes,
dessen Endplatten 3, 4 und Halbringe 6 als aus einem Stück bestehend
dargestellt sind. Am Rande der Endplatte befindet sich eine Eindrehung
17, in die ein federnder Ring 18 eingelegt ist. Der Federring
18 enthält zwei Nocken 19 mit angesehrägten Flanken 20 und einer Fahne
21. In der Oberfläche der nicht dargestellten Endplatte 4 am unteren Ende des Brennelementes
sind zwei der Form der Nocken 19 angepaßte Vertiefungen vorgesehen, in welche
die Nocken des folgenden Elementes beim Zusammensetzen der Brennelemente einschnappen.
Durch die Fahnen 21 kann das Entkuppeln der Brennelemente erleichtert werden, wenn
die Fahnen 21 durch Betätigungsorgane nach unten gedrückt werden. Sind die Flanken20
der Nocken19 senkrecht ausgeführt, ist die Betätigung der Fahnen21 die Voraussetzung
für den Lösungsvorgang. Die Bezifferung der übrigen Teile stimmt mit der in der
Fig. 1 überein.
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Die F i g. 3 und 3 a zeigen eine andere Ausführung der
Ringfeder. Die Ringfeder 22 liegt in dem Absatz 17 der oberen Endplatte
3 eines BrenneIementes und ist radial vorgespannt. Sie ist mit zwei Kronenzacken
23 versehen, deren senkrechte, zum Ringinneren liegende Kanten abgesehrägt
sind. Der wulstartige Ansatz 7 des Halbringes 6 ist verkürzt, und
an den Enden des Halbringes sind als Sicherung gegen eine seitliche Verschiebung
Nieten 24 eingesetzt. Im Mantel der nicht dargestellten Endplatte 4 am unteren Ende
des Brennelementes sind zwei der Form der Kronenzacken angepaßte Einkerbungen vorgesehen,
in die die Kronenzacken der Ringfeder eines einzukuppelnden Elementes einrasten.
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Bei den in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Kupplungen
befinden sich die Federelemente im gekuppelten Zustand innerhalb der Kupplungsteile.
Beschädigte Federn oder abgebrochene Teile der Federn gelangen nicht in den Kühlkreislauf.
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Die F i g. 4 zeigt die aneinandergekuppelten Endplatten
3, 4 zweier Brennelemente. In einer Ausnehmung 25 im Halbring
6 der Endplatte 4 befindet sich eine Feder 26 mit einer Fahne
27. Diese Feder greift in eine Ausnehmung 28 in der Oberfläche der
Endplatte 3 des anderen Brennelementes und verhindert so ein Lösen der Kupplung.
Eine solche Feder und die entsprechende Ausnehmung 28 in der Oberfläche der
Endplatte kann auch an jedem Ende eines Brennelementes vorgesehen sein. Durch
An-
heben der Federn 26 mit Hilfe der Fahnen 27 wird die Kupplung
gelöst.
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Nach der F i g. 5 sind an der Mantelfläche des Halbringes
6 der einen Endplatte Blattfedern 29 befestigt, deren freie Enden
30 hakenförmig abgebogen oder stollenförmig ausgebildet sind und über den
Halbring hinausragen. Im Außenmantel des Halbringes an der anderen Endplatte sind
Kerben vorgesehen, in welche die abgebogenen Enden 30 der Blattfedern einrasten.
Statt dessen kann jeder Halbring an den Enden des Brennelementes eine Feder und
eine Einkerbung tragen, wobei eine Feder durch einen Kronenzacken 23 ersetzt
sein kann.
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Die Ausführung nach den F i g. 6 und 6 a unterscheidet
sich von den bisherigen Beispielen dadurch, daß an der Endplatte 3 eines
Brennelementes ein verkürztes Ringstück 31, das in seinem Aufbau dem Halbring
6 entspricht, beispielsweise mit Schrauben 32 befestigt ist. An der
Endplatte 4 ist ein Spreizring 33, der zusammen mit dem Ringstück
31 einen Vollring ergibt, beispielsweise mit einer Schraube 34 befestigt.
Die Enden des Spreizringes 33 können als Gleitschuhe 35 gestaltet
sein. Beim Zusammenkuppeln zweier Brennelemente schnappt der Spreizring in die Ringnuten
5 ein.
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Bei der Ausbildung nach der F i g. 7 trägt eine Endplatte einen
Spreizring 36, der wie der Halbring nach der F i g. 1 geformt ist
und sich über mehr als den halben Umfang der Endplatte erstreckt. Beim Zusammensetzen
zweier Elemente schnappt der Spreizring in die Nuten 5 ein. Der Spreizring
ist abnehmbar und kann an seinen Enden gegebenenfalls federnde Gleitschuhe
37 tragen.
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Bei den bisher betrachteten Beispielen war vorausgesetzt, daß die
Endplatten 3, 4 der Brennelemente als Kreisscheiben ausgebildet sind. Es
ist aber auch denkbar, als Endstücke elliptische oder eckige Platten zu verwenden.
Neben rechteckigen können beispielsweise auch Platten mit der Form regelmäßiger
Vielecke, insbesondere Quadrate, Sechs-, Acht- oder Zwölfecke verwendet werden.
Bei Rechtecken beispielsweise
können die Nuten und wulstartigen
Ansätze an zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet sein, währen bei den genannten
regelmäßigen Vielecken sich die Kupplungsteile über den halben Umfang erstrecken
können und auch Lösungen entsprechend den F i g. 6 und 7 möglich sind.
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Die vorgeschlagene Kupplungsvorrichtung und ihre Variationen haben
folgende Vorzüge: Großer tragender Querschnitt ohne wesentliche Einschnürung des
Querschnittes der Kühlmittelströmung, einfache Kupplungs- und Entkupplungsmöglichkeit,
geringe Bauhöhe zur Verbesserung des Spaltstoffüllgrades und Sicherheit gegen selbsttätiges
Lösen der Kupplung.