DE19908195C1 - Steuerelement für einen Kernreaktor - Google Patents

Abstract

Steuerelemente für Kernreaktoren haben einen Kern aus stark Neutronen absorbierendem Werkstoff in einem Hüllrohr (1). Beim Auftreten von großen Beschleunigungen wird ein Ende des Kerns gestaucht, so daß eine Belastung des Hüllrohres (1) auftritt. Erfindungsgemäß wird diese Belastung des Hüllrohres (1) dadurch gemindert, daß der Stab (Kern) in Längsrichtung aus mindestens zwei Abschnitten (2) besteht, und daß in Längsrichtung auftretende Kräfte mindestens vom unteren Ende jedes Abschnittes (2) in das Hüllrohr (1) eingeleitet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerelement für einen Kernreak­ tor, insbesondere einen mit Druckwasser gekühlten Kernreak­ tor, mit einem Stab aus stark Neutronen absorbierendem Werk­ stoff in einem Hüllrohr, wie er z. B. aus der DE 28 56 057 A1 bekannt ist.

Steuerelemente von mit Druckwasser gekühlten Kernreaktoren bestehen üblicherweise aus gasdicht verschweißten Hüllrohren aus austenitischem Stahl und aus einer Füllung derselben in Form eines meist massiven Stabes aus stark Neutronen absor­ bierendem Werkstoff. Der typische Absorberwerkstoff ist dabei eine Legierung aus den Metallen Silber, Indium und Kadmium. Die Steuerelemente werden von Linearantrieben in definierten Schritten aus dem Reaktorkern herausgezogen oder in den Reak­ torkern eingefahren. Im Falle einer Schnellabschaltung des Kernreaktors fallen diese Steuerelemente durch Schwerkraft in den Reaktorkern ein, wobei sie auf einer vergleichsweise kur­ zen Strecke hydraulisch und/oder mechanisch zum Stillstand gebracht werden.

Bei einem Herausziehen aus dem Reaktorkern und bei einer Schnellabschaltung treten beim Abbremsvorgang hohe Beschleu­ nigungen auf. Die aus diesen Beschleunigungen resultierenden Kräfte führen - insbesondere dann, wenn das Steuerelement in den Kern eingetaucht war und infolge Wärmeerzeugung beim Ab­ sorptionsvorgang eine erhöhte Temperatur aufweist - zu Stau­ chungen des vergleichsweise weichen Absorberwerkstoffs an dessen unterem Ende. Stoßdämpfmaßnahmen, welche das Hüllrohr betreffen, sind aus der DE 28 56 057 A1 be­ kannt.

Aus derartigen Stauchungen resultiert ein Festkörperdruck auf die Rohrwand des Hüllrohres und erzeugt dort eine Zugspannung in Umfangsrichtung. Da das Hüllrohr von Wasser umgeben ist, kann diese Spannung interkristalline Spannungsrißkorrosion auslösen. Das Hüllrohr kann dadurch undicht werden, so daß Wasser in das Hüllrohr eindringt, das Absorbermaterial oxi­ diert und dadurch den Schaden verstärkt. Es ist auch vor­ stellbar, daß die vom Festkörperdruck im Hüllrohr erzeugte Spannung Werte annimmt, die das Rohr aufweiten, ohne daß ein vorheriges Versagen durch den oben beschriebenen Mechanismus stattfindet. Schon bei aufgeweitetem Hüllrohr ist ein Einfal­ len, insbesondere im Stoßdämpferbereich, deutlich behindert. Ein Aufreißen des Hüllrohres infolge der genannten mechani­ schen Belastung kann im Extremfall sogar zu einer, mindestens teilweisen, Funktionsunfähigkeit eines Steuerelementes füh­ ren. Um dies sicher zu Verhindern, werden die Steuerelemente entsprechend einem vorgeschriebenen Prüfprogramm auf Durch­ messeränderungen und auf Verschleiß untersucht. Nach dabei festgestellten unzulässigen Veränderungen werden die Steuer­ elemente ausgetauscht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Steuerele­ ment der obengenannten Art so zu ertüchtigen, daß im bestim­ mungsgemäßen Betrieb an der Füllung des Steuerelements aus Neutronen absorbierendem Werkstoff nur so geringe elastische Verformungen auftreten, daß eine Überbelastung eines die Fül­ lung umfassenden und führenden Hüllrohres ausgeschlossen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Steuerelement mit einem Stab als Füllung dadurch gelöst, daß der Stab in Längsrichtung aus mindestens zwei Abschnitten besteht, und daß in Längsrichtung auftretende Kräfte mindestens vom unte­ ren Ende jedes Abschnitts in das Hüllrohr eingeleitet sind.

Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung dienen eine geschlossene Zwischenkappe, ein ins Hüllrohr eingeschweißter oder eingerollter Zwischenring oder eine durch Schweißung ge­ bildete Rippe als Stütze für je einen Abschnitt des Stabes. Eine andere Ausgestaltung besteht darin, daß die Abschnitte des Stabes zusammenhängen und sich mit einer eine Nut begren­ zenden Schulter an einer in das Hüllrohr nach innen einge­ drückten Rippe abstützen.

Nach zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung ist die Länge der Abschnitte des Stabes so klein, daß ein erwärmter und da­ durch leicht verformbarer Abschnitt bei jeder betriebsmäßig zu erwartenden Belastung, insbesondere bei einer Schnellab­ schaltung des Reaktors, frei von einer bleibenden Verformung bleibt und sind durch elastische Verformung eines Abschnitts des Stabes verursachte, mechanische Belastungen des Hüllroh­ res deutlich geringer als dessen zulässige maximale Bela­ stung.

Erfindungsgemäß gestaltete Steuerelemente für Kernreaktoren sind sehr vorteilhaft, weil sie infolge der Ableitung der Längsbelastungen des Stabes aus Neutronen absorbierendem Werkstoff in das Hüllrohr an mehreren Stellen mit einer mini­ malen Stauchung des Stabes arbeiten und dadurch ihre Funkti­ onssicherheit noch weiter erhöhen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Steuerelement mit in drei Abschnitte auf­ geteiltem Stab und

Fig. 2 bis 5 Variationen von Stützen für Abschnitte des Stabes.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit glei­ chen Bezugszeichen versehen.

Ein Hüllrohr 1, beispielsweise aus austenitischem Stahl, um­ faßt Abschnitte 2 eines Stabes aus stark Neutronen absorbie­ rendem Werkstoff, beispielsweise einer Legierung aus den Me­ tallen Silber, Indium und Kadmium. Am unteren Ende ist das Hüllrohr 1 durch eine Endkappe 3 mit einer Spitze gasdicht verschlossen. Zwischen einander benachbarten Abschnitten 2 ist bei der Ausführung gemäß Fig. 1 und 2 jeweils eine in ra­ dialer Richtung geschlossene Zwischenkappe 4 vorgesehen, de­ ren nach oben und nach unten gerichtete Führungszapfen 5 durch je eine umlaufende Schweißnaht gasdicht mit einem Ende eines Hüllrohrabschnitts verbunden sind. Das obere Ende des Hüllrohres 1 ist durch eine Endkappe 6 gasdicht abgeschlos­ sen. Die Endkappe 6 trägt einen Gewindebolzen 7, der in einer Traverse eines nicht dargestellten Steuerelementantriebs be­ festigbar ist.

Bei der Ausführung der Abstützung eines Abschnitts 2 gemäß Fig. 3 ist ein Zwischenring 8 durch Punktschweißungen 9 mit dem durchgehenden Hüllrohr 1 fest verbunden. Die Verbindung des Zwischenrings 8 mit dem Hüllrohr 1 ist nicht gasdicht, so daß zwischen Kammern zur Aufnahme benachbarter Abschnitte 2 ein Druckausgleich erfolgt.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 ist ein Zwischenring 10 mit umlaufender Nut eingesetzt. Der Zwischenring 10 ist in das wiederum durchgehende Hüllrohr 1 eingerollt, wobei das Hüll­ rohr 1 vorzugsweise mit einer umlaufenden Delle in die Nut des Zwischenrings 10 eingreift. Auch hierbei ist die Verbin­ dung zwischen dem Zwischenring 10 und dem Hüllrohr 1 nicht gasdicht.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 5 ist das Hüllrohr 1 wiederum durchgehend und umfaßt Abschnitte 2, die über eine Einschnü­ rung 11 noch zusammenhängen. Die Einschnürung 11 steht in Wechselwirkung mit einer Nut, die zusammen mit einer in das Hüllrohr 1 eingedrückten Rippe 12 durch Rollen geformt ist.

Allen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, daß an den Enden der Abschnitte 2 Engpässe im Hüllrohr 1 vorgesehen sind, so daß die Abschnitte 2 nicht durchrutschen können. Beim Auf­ treten von Kräften in Achsrichtung werden die Abschnitte 2 von je einem der Engpässe festgehalten und die von ihnen aus­ gehenden Kräfte in das Hüllrohr 1 eingeleitet. Durch Festle­ gung der Länge der Abschnitte 2 auf kleine Werte, ist ge­ währleistet, daß auch die axialen Kräfte klein sind. Bei er­ findungsgemäßer Auslegung sind die axialen Kräfte so klein, daß die Abschnitte 2 frei von bleibenden Verformungen blei­ ben, und daß durch ihre elastischen Verformungen das Hüllrohr 1 nur weit unterhalb seiner zulässigen Beanspruchung belastet ist.

Eine nicht dargestellte Möglichkeit zur Herstellung eines Engpasses besteht darin, daß Schweißnähte zum gasdichten Zu­ sammenfügen von Hüllrohrabschnitten eine in das Hüllrohr 1 hineinragende Rippe bilden, auf der sich jeweils ein Ab­ schnitt 2 abstützen kann.

Claims (12)

1. Steuerelement für einen Kernreaktor, insbesondere mit Druckwasser gekühlten Kernreaktor, mit einem Stab aus stark Neutronen absorbierendem Werkstoff in einem Hüllrohr (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Stab in Längsrichtung aus mindestens zwei Abschnitten (2) besteht und daß in Längsrichtung auftretende Kräfte mindestens vom unte­ ren Ende jedes Abschnitts (2) in das Hüllrohr (1) eingeleitet sind.

2. Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich minde­ stens ein Abschnitt (2) des Stabes über eine in radialer Richtung geschlossene Zwischenkappe (4) am Hüllrohr (1) ab­ stützt (Fig. 2).

3. Steuerelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi­ schenkappe (4) von ihr verbundene Hüllrohrabschnitte gasdicht abschließt.

4. Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich minde­ stens ein Abschnitt (2) des Stabes über einen in das Hüllrohr (1) eingeschweißten Zwischenring (8) am Hüllrohr (1) abstützt (Fig. 3).

5. Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwi­ schenkappe oder ein Zwischenring (10) mit einer umlaufenden Nut in das Hüllrohr (1) eingerollt ist und als Stütze für ei­ nen Abschnitt (2) des Stabes dient (Fig. 4).

6. Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ schnitte (2) des Stabes zusammenhängen und sich mit einer eine Nut (11) begrenzenden Schulter an einer in das Hüllrohr (1) nach innen eingedrückten Rippe (12) abstützen (Fig. 5).

7. Steuerelement nach Anspruch 6, dadurch, gekennzeichnet, daß die Nut (11) in den Stab und die Rippe (12) in das Hüllrohr (1) in demsel­ ben Arbeitsgang eingerollt sind.

8. Steuerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine beim gasdichten Verschweißen von Hüllrohrabschnitten gebildete, in das Hüllrohr (1) hineinragende Rippe als Stütze für einen Ab­ schnitt (2) des Stabes dient.

9. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Abschnitte (2) des Stabes so klein ist, daß jeder ein­ zelne der erwärmten und dadurch leicht verformbaren Ab­ schnitte (2) bei jeder betriebsmäßig zu erwartenden Bela­ stung, insbesondere bei einer Schnellabschaltung des Reak­ tors, frei von einer bleibenden Verformung bleibt.

10. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch ela­ stische Verformung eines Abschnitts (2) des Stabes verur­ sachte mechanische Belastungen des Hüllrohres (1) deutlich geringer sind, als dessen zulässige Maximalbelastung.

11. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (1) aus einem Metall mit hoher Zugfestigkeit, beispielsweise aus austenitischem Stahl, aus Inconel 718 oder Zircaloy, be­ steht.

12. Steuerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt (2) eines Stabes hohl ist.