DE19846223C1 - Steuerstabführungsrohr eines Kernreaktor-Brennelements, Brennelement und Verfahren zur Herstellung eines Steuerstabführungsrohres - Google Patents

Abstract

Ein Steuerstabführungsrohr (2) eines Kernreaktor-Brennelements (1) weist erfindungsgemäß zur besonders steifen Anordnung in einer Masche (4) eines Abstandhalters (6) einen Teilbereich (3) auf, dessen Außengeometrie im Bereich der Masche (4) formschlüssig an die Innengeometrie der Masche (4) angepaßt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerstabführungsrohr eines Kern­ reaktor-Brennelements und ein Brennelement mit einer Anzahl von Steuerstabführungsrohren sowie ein Verfahren zur Herstel­ lung des Steuerstabführungsrohres.

Üblicherweise weist ein Brennelement, das beispielsweise für einen Druckwasserkernreaktor bestimmt ist, mehrere Steuer­ stabführungsrohre auf, die in Längsrichtung durch eine Mehr­ zahl von gitterförmigen Abstandhaltern geführt sind. Während des Betriebs des Kernreaktors ist das Brennelement verschie­ denen Einflüssen ausgesetzt. So führt beispielsweise ein in­ homogener Neutronenfluß im Brennelement zu Leistungsunter­ schieden zwischen der dem Zentrum des Reaktorkerns zugewand­ ten Seite und der abgewandten Seite, wodurch es zu inhomoge­ nen Längenänderungen der Brennstäbe kommen kann. Diese Län­ genänderungen der Brennstäbe werden über die Abstandhalter auf die Struktur des gesamten Brennelements übertragen. Dem­ zufolge können Verbiegungen auftreten, die dann bestehen bleiben.

Die Verbiegung des Brennelements führt zur Änderung des Spal­ tes von nebeneinander angeordneten Brennelementen. Der Spalt enthält üblicherweise das als Moderator wirkende Kühlmittel. Durch die Änderung des Spaltes können lokale Leistungsspitzen des Brennstabes bedingt durch eine Umverteilung des Kühlmit­ tels und eine Änderung des lokalen Moderationsverhältnisses auftreten. Außerdem ist durch ein verbogenes Brennelement beim Brennelementwechsel das Ziehen oder Einsetzen einzelner benachbarter Brennelemente erschwert. Bei besonders starken Verbiegungen können die Brennelemente sich mit ihren Abstand­ haltern aneinander verhaken und nicht mehr ohne Beschädigung der Abstandhalter herausgezogen werden.

Darüber hinaus kann es durch die Verbiegung des Brennelemen­ tes und seiner Steuerstabführungsrohre zu einer Beeinflussung der Einfallzeit des Brennstabes bei Schnellabschaltung des Kernreaktors kommen, im Grenzfall kann dies sogar zu einem Verklemmen des Brennstabes führen.

In der DE 44 22 032 A1 sind einige Brennstab-Positionen von brennstofffreien Stützstäben besetzt, um das Brennelement zu versteifen. Dabei sind diese Stützstäbe (z. B. die Führungs­ rohre der Steuerstäbe) auf ihrer ganzen Länge mit einem qua­ dratischen Außenquerschnitt ausgeführt und daher besonders beständig gegenüber mechanischen Verbiegungen.

Im allgemeinen haben aber Steuerstabführungsrohre auf ihrer ganzen Länge einen runden Außenquerschnitt, der häufig an den Abstandhaltern angeschweißt ist, aber auch in den quadrati­ schen Maschen der Abstandhalter dadurch gehalten werden kann, daß an der zylindrischen Außenfläche der Rohre Vorsprünge angeordnet sind, die in einen Steg des Abstandhalters ein­ greifen oder oben und unten am Steg anschlagen (siehe z. B. DE 22 59 495 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerstabfüh­ rungsrohr eines Kernreaktor-Brennelements anzugeben, das in besonders günstiger Weise zur Stabilität des Brennelements gegen Verbiegen beiträgt. Zudem sollen ein besonders geeigne­ tes Verfahren zur Herstellung des Steuerstabführungsrohres sowie ein Brennelement mit einer Anzahl von Steuerstabfüh­ rungsrohren angegeben werden.

Erfindungsgemäß wird die erstgenannte Aufgabe gelöst durch ein Steuerstabführungsrohr zur Anordnung in einer Masche ei­ nes Abstandhalters mit einem zur Anordnung innerhalb der Ma­ sche vorgesehenen Teilbereich, dessen Außengeometrie form­ schlüssig an die Innengeometrie der Masche angepaßt ist.

Durch das Anpassen des Teilbereichs des Steuerstabführungs­ rohres an die Innengeometrie der Masche oder Zelle des Ab­ standhalters liegt das Steuerstabführungsrohr besonders groß­ flächig an den Innenseiten der Masche an. Dies bewirkt eine besonders gute Krafteinleitung. Somit ist im besonderen Maße die Verbindung zwischen dem Abstandhalter und dem Steuerstab­ führungsrohr versteift. Diese Versteifung bewirkt eine beson­ ders gute Festigkeit des Steuerstabführungsrohrs und des zu­ gehörigen Kernreaktor-Brennelements gegen ein Verbiegen.

Zweckmäßigerweise weist das Steuerstabführungsrohr auf dem größten Teil seiner Länge einen im wesentlichen runden Quer­ schnitt und im Teilbereich einen im wesentlichen quadrati­ schen Querschnitt auf. Dabei entspricht der Querschnitt des Teilbereichs in etwa dem Querschnitt der Masche. Außerhalb des Teilbereichs ist der Querschnitt des Steuerstabführungs­ rohres bevorzugt an den Querschnitt des darin geführten Brennstabes oder Steuerstabes angepaßt. Hierdurch wird bei verhältnismäßig geringem Materialaufwand eine besonders hohe Steifigkeit erreicht. Mit anderen Worten: Das Steuerstabfüh­ rungsrohr weist über seine gesamte Baulänge unterschiedliche Querschnitte auf. Alternativ kann das Steuerstabführungsrohr über die gesamte Länge den gleichen Querschnitt aufweisen, wobei dieser dann im wesentlichen dem Querschnitt der zugehö­ rigen Masche entspricht.

Bevorzugt weist der Teilbereich eine Anzahl von in Längsrich­ tung verlaufenden Dehnungsschlitzen auf. Diese Dehnungs­ schlitze sind symmetrisch verteilt. Hierdurch ist ein als Hohlrohr ausgeführtes Steuerstabführungsrohr, das in einer quadratisch ausgeführten Masche angeordnet ist, durch hydrau­ lisches oder hydrostatisches Aufweiten besonders einfach in die Form der Masche preßbar und somit formschlüssig an die Innengeometrie der Masche anpaßbar. In einer weiteren vor­ teilhaften Ausgestaltung ist die Länge des Teilbereichs grö­ ßer als die Länge der Masche. Dies führt bei einem hydrosta­ tischen Aufweiten des Steuerstabführungsrohrs außerhalb des Bereichs der Masche zu einen im wesentlichen kegelförmigen oder pyramidenförmigen Querschnitt des Teilbereichs. Hier­ durch wird die Steifigkeit des Kernreaktor-Brennelements ver­ stärkt.

Vorzugsweise ist an der Außenseite des Teilbereichs zur Fi­ xierung eine Anzahl von Anschlägen angeordnet. Beispielsweise sind die Anschläge an der Außenseite angeschweißt. Der Ab­ stand zweier benachbarter Anschläge, die im wesentlichen in Längsrichtung des Teilbereichs auf einer Linie liegen, ist z. B. so gewählt, daß die Masche zwischen diesen einrastet. Hierdurch wird zusätzlich zur formschlüssigen Anordnung des Teilbereichs in der Masche bevorzugt auch eine kraftschlüs­ sige Verbindung mit der Masche ermöglicht.

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Brennelement mit einer Anzahl von Steuerstabführungsrohren der oben beschriebenen Art gelöst, wobei die Außenseite jedes Teilbereichs kraftschlüssig mit der zugehörigen Masche ver­ bunden ist. Beispielsweise ist der Teilbereich mittels eines Schweißpunktes oder einer Niete an einer Wand der Masche be­ festigt. Durch eine derartige besonders kraftschlüssige Ver­ bindung wird die Krafteinleitung im Hinblick auf eine bloß formschlüssige Anordnung nochmals verbessert. Somit ist das Brennelement besonders steif und fest gegen Verbiegen ausge­ führt.

Erfindungsgemäß wird die auf das Verfahren zur Herstellung des Steuerstabführungsrohres gerichtete Aufgabe dadurch ge­ löst, daß die Außengeometrie eines zur Anordnung innerhalb der Masche vorgesehenen Teilbereichs durch hydrostatisches Aufweiten formschlüssig an die Innengeometrie der Masche an­ gepaßt wird. Dazu wird das Steuerstabführungsrohr in einer der Innengeometrie der Masche entsprechenden Form oder Matrize angeordnet. Durch Einwirkung von Druck in den Innenraum des Steuerstabführungsrohres wird dieses hydrostatisch aufgewei­ tet. Dabei wird insbesondere der Teilbereich an die Innengeo­ metrie der Form und somit an die Innengeometrie der Masche angepaßt. Dies bewirkt bei Anordnung des Teilbereichs in der Masche eine besonders große Auflagefläche und demzufolge eine besonders gute Krafteinleitung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1: schematisch eine Draufsicht auf ein innerhalb einer Masche angeordnetes Steuerstabführungs­ rohr,

Fig. 2 und 3: schematisch eine Draufsicht des Steuerstab­ führungsrohrs gemäß Fig. 1 mit einer Anzahl von Anschlägen, und

Fig. 4: schematisch eine Draufsicht des Steuerstab­ führungsrohrs gemäß Fig. 1 mit einer kraft­ schlüssigen Verbindung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Kernreaktor-Brennelement 1 (im weiteren Brennelement 1 genannt) gemäß Fig. 1 umfaßt ein Steuerstabführungsrohr 2 mit einem Teilbereich 3, der in einer Masche 4 eines Abstand­ halters 6 angeordnet ist. Der Abstandhalter 6 ist gitterför­ mig ausgeführt. Die Masche 4 hat einen quadratischen Quer­ schnitt. Das Steuerstabführungsrohr 2 weist auf dem größten Teil seiner Länge einen im wesentlichen runden Querschnitt und im Teilbereich einen im wesentlichen quadratischen Quer­ schnitt auf. D. h. die Außengeometrie des Teilbereichs 3 ist an die Innengeometrie der Masche 4 angepaßt. Außerhalb des Teilbereichs 3 ist die Innengeometrie des Steuerstabführungs­ rohrs 2 an die Außengeometrie von in diesem geführten Brenn- oder Steuerstäben (nicht dargestellt) angepaßt. Das Steuer­ stabführungsrohr 2 weist somit über die gesamte Baulänge un­ terschiedliche Querschnitte auf. Alternativ kann das Steuer­ stabführungsrohr 2 über die gesamte Baulänge einen dem Quer­ schnitt der Masche 4 entsprechenden Querschnitt aufweisen.

Durch hydrostatisches Aufweiten des Steuerstabführungsrohrs 2 paßt sich die Außengeometrie des Teilbereichs 3 formschlüssig an die Innengeometrie der Masche 4 an. Zur formschlüssigen Anpassung der Außengeometrie des Teilbereichs 3 an die Innen­ geometrie der Masche 4 dient eine nicht dargestellte Form oder Matrize, die einen der Innengeometrie der Masche 4 ent­ sprechenden Innenraum aufweist. Das Steuerstabführungsrohr 2 wird mit dem zugehörigen Teilbereich 3 in die Form gelegt. Unter Einwirkung von einem besonders hohen Druck in den In­ nenraum des Steuerstabführungsrohrs 2 wird der Teilbereich 3 derart aufgeweitet, daß die Außengeometrie des Teilbereichs 3 im wesentlichen der Innengeometrie der Form entspricht. Somit wird eine besonders große Auflagefläche der Außenseite des Teilbereichs 3 an die Innenseiten der Masche 4 erzielt.

Der Teilbereich 3 weist eine Anzahl von in Längsrichtung ver­ laufenden Dehnungsschlitzen 8 auf. Die Dehnungsschlitze 8 er­ möglichen ein besonders einfaches hydrostatisches Aufweiten des Teilbereichs 3. Je nach Art des Steuerstabführungsrohr 2 können die Dehnungsschlitze auch entfallen.

Wie dargestellt, weist der Teilbereich 3 eine größere Länge als die Masche 4 auf. Dies führt bei einem hydrostatischen Aufweiten des Steuerstabführungsrohrs 2 zu einem im wesentli­ chen kegel- oder pyramidenförmigen Querschnitt des Teilbe­ reichs 3 ober- und unterhalb der Masche 4. Lediglich im Be­ reich der Masche 4 weist der Teilbereich 3 einen im wesentli­ chen quadratischen und an die Masche 4 angepaßten Querschnitt auf. Außerhalb des Bereiches der Masche 4 ist die Form des Teilbereichs 3 im wesentlichen durch die Anzahl und Länge der Dehnungsschlitze 8 bestimmt. Alternativ kann das Steuerstab­ führungsrohr 2 auch als Hohlprofil ohne Dehnungsschlitze 8 ausgeführt sein. Dabei sind dann die bei einem im wesentli­ chen quadratischen Querschnitt des Teilbereichs 3 gegebenen Ecken derart abgekantet, daß die Außengeometrie des Teilbe­ reichs 3 formschlüssig an die Innengeometrie der Masche 4 an­ gepaßt ist.

Zur Fixierung des Steuerstabführungsrohrs 2 an dem Abstand­ halter 6 ist der Teilbereich 3 an mindestens einer Maschen­ wand 10 mit Hilfe einer Noppe 12, die an der Außenseite des Teilbereichs 3 angeordnet ist, befestigt. Dabei weist die Ma­ schenwand 10 ein Loch auf, in welchem dann die Noppe 12 bei Anordnung des Steuerstabführungsrohrs 2 in die Masche 4 ein­ rastet. Somit ist der Teilbereich 3 besonders kraftschlüssig mit der Masche 4 verbunden.

Das in Fig. 2 dargestellte Steuerstabführungsrohr 2 weist anstelle einer punktuellen Rastverbindung des Teilbereichs 3 mit der Maschenwand 10 zwei Anschläge 14 auf, die außerhalb des Bereiches der Masche 4, insbesondere oberhalb und unter­ halb, an der Außenseite der Teilbereichs 3 angeordnet, z. B. geschweißt, sind. Dabei liegen die beiden Anschläge 14 im we­ sentlichen in Längsrichtung auf einer Linie. Der Abstand der beiden Anschläge 14 ist dabei so gewählt, daß die Masche 4 zwischen den beiden Anschlägen 14 einrastet. Hierdurch ist der Teilbereich 3 kraftschlüssig mit der zugehörigen Masche 4 verbunden. Je nach Anforderung kann der Abstand der beiden Schnappverbindungen 14 - wie in Fig. 3 dargestellt - derart gewählt werden, daß das Steuerstabführungsrohr 2 eine Aus­ lenkbewegung in der Masche 4 ausführen kann.

Fig. 4 zeigt eine weitere alternative Verbindung des Steuer­ stabführungsrohrs 2 mit der Masche 4. Dabei ist der Teilbe­ reich 3 mittels zweier Schweißpunkte 16 an der Maschenwand 10 kraftschlüssig befestigt.

Claims (6)

1. Steuerstabführungsrohr (2) eines Kernreaktor-Brennelements (1) zur Anordnung in einer Masche (4) eines Abstandhalters (6) mit einem zur Anordnung innerhalb der Masche (4) vorgese­ henen Teilbereich (3), dessen Außengeometrie formschlüssig an die Innengeometrie der Masche (4) angepaßt ist.

2. Steuerstabführungsrohr (2) nach Anspruch 1, das auf dem größten Teil seiner Länge einen im wesentlichen runden Quer­ schnitt und im Teilbereich (3) einen im wesentlichen quadra­ tischen Querschnitt aufweist.

3. Steuerstabführungsrohr (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Teilbereich (3) eine Anzahl von in Längsrichtung verlau­ fenden Dehnungsschlitzen (8) aufweist.

4. Steuerstabführungsrohr (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem an der Außenseite des Teilbereiches (3) zur Fixie­ rung eine Anzahl von Anschlägen (14) angeordnet ist.

5. Brennelement mit einer Anzahl von Steuerstabführungsrohren (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Außenseite jedes Teilbereichs (3) kraftschlüssig mit der zugehörigen Ma­ sche (4) verbunden ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Steuerstabführungsrohres (2), das zur Anordnung in einer Masche (4) eines Abstandhal­ ters (6) vorgesehen ist, bei dem die Außengeometrie eines zur Anordnung innerhalb der Masche (4) vorgesehenen Teilbereichs (3) durch hydrostatisches Aufweiten formschlüssig an die In­ nengeometrie der Masche (4) angepaßt wird.