DE20105913U1

DE20105913U1 - Kernreaktor-Brennelement

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Publication number: DE20105913U1
Application number: DE20105913U
Authority: DE
Original assignee: Framatome ANP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2001-04-04
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2011-04-05

Description

Patentanwälte Tergau & Pohl, Nürnberg ; J ^##J· · &idigr; &iacgr; &iacgr;.&iacgr;. . J · '' Seite -|

2 Beschreibung

3 Kernreaktor-Brennelement

6 Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennelement, insbesondere ein

6 Brennelement für einen Siedewasserreaktor, das eine Anzahl von in einer Fuß-

7 platte gehaltenen Brennstäben aufweist, von denen ein Teil als teillange Brenn-

8 stäbe ausgebildet sind.

10 Bei einem Siedewasserreaktor-Brennelement sind üblicherweise einige der

11 Brennstäbe als kürzere, sogenannte teillange Brennstäbe ausgebildet, die sich

12 nicht über die gesamte Länge des Brennelements erstrecken. Die normallangen

13 Brennstäbe sind im Brennelement zwischen einer Fußplatte und einer Deckplatte

14 angeordnet. Sie haben ein axiales Spiel, sind also in Axial- oder Längsrichtung is der Brennelements zwischen der Fußplatte und der Deckplatte beweglich gehal-

16 ten. Dieses axiale Spiel ermöglicht, dass sich die Brennstäbe zueinander oder zu

17 einer Tragstruktur des Brennelements unterschiedlich ausdehnen können, ohne

18 dass mechanische Verspannungen auftreten. Die teillangen Brennstäbe er-

19 strecken sich ausgehend von der Fußplatte nur bis zu einer Position unterhalb der

20 Deckplatte. Sie werden dabei ebenso wie die normallangen Brennstäbe über Ab-

21 standshalter geführt. Diese sind über die Länge des Brennelements verteilt ange-

22 ordnet.

24 Die teillangen Brennstäbe werden bei Siedewasserreaktoren im Wesentlichen aus

25 Gründen der thermohydraulischen Stabilität sowie der Neutronenmoderation an-

26 geordnet. Im Hinblick auf die thermohydraulische Stabilität ist im oberen Bereich

27 des Brennelements, in dem bei einem Siedewasserreaktor beim Betrieb eine

28 Zweiphasenströmung eines Wasser-Dampf-Gemisches vorliegt, mehr Strömungs-

29 raum für das Gemisch vorhanden als im unteren Bereich, wo sowohl die teillangen so als auch die normallangen Brennstäbe angeordnet sind. Hierdurch ist der Druck-

31 verlust im Bereich oberhalb der teillangen Brennstäbe geringer im Vergleich zu

32 einem Brennelement mit ausschließlich normallangen Brennstäben. Da zudem

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&igr; aufgrund des Zweiphasengemisches die Neutronenmoderation im oberen Bereich

2 des Brennelements geringer ist als im unteren Bereich, ist ein wirtschaftlicher Ab-

3 brand der einzelnen Brennstäbe erreicht. Denn im oberen Bereich des Zweipha-

4 sengemisches stehen weniger für die Kernspaltung geeignete Neutronen zur

5 Verfügung, so dass dort auch weniger Brennstäbe angeordnet zu sein brauchen.

7 Während die normallangen Brennstäbe zwischen der Fußplatte und der Deck-

B platte mit axialem Spiel angeordnet sind, haben die teillangen Brennstäbe in

9 axialer Richtung nach oben keine Begrenzung. Um zu verhindern, dass die teil-

10 langen Brennstäbe in eine ungünstige Lageposition gelangen, werden sie an der

11 Fußplatte gehalten. Hierzu bietet sich beispielsweise eine Schraubverbindung an,

12 der teillange Brennstab wird also in die Fußplatte eingeschraubt.

14 In Einzelfällen, beispielsweise zu Prüf- oder Inspektionszwecken, müssen jedoch

is einzelne Brennstäbe aus dem Brennelement herausgenommen werden. Bei ein-

16 geschraubten Brennstäbe bedeutet dies, dass auf den Brennstab ein Drehmo-

17 ment zum Lösen der Schraubverbindung ausgeübt werden muss. Falls die Lös-

18 barkeit der Schraubverbindung beispielsweise durch Korrosion beeinträchtigt ist,

19 führt dies unter Umständen zu einer unzulässig hohen Torsionsbeanspruchung

20 des jeweiligen Brennstabs.

22 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Befestigung eines teil-

23 langen Brennstabs in der Fußplatte zu ermöglichen.

25 Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Kernreaktor-Brennele-

26 ment mit einer Anzahl von in einer Fußplatte gehaltenen Brennstäben, von denen

27 ein Teil als teillange Brennstäbe ausgebildet sind und die Fußplatte zumindest für

28 diese teillangen Brennstäbe jeweils eine Bohrung mit einer darin angeordneten

29 Hülse aufweist, wobei der jeweilige teillange Brennstab durch ein Federelement in so der Hülse gehalten ist.

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&igr; Aufgrund der Verbindung des teillangen Brennstabs mit der Fußplatte über das

2 Federelement ist insbesondere eine einfach ausgestaltete und einfach handhab-

3 bare Schnappverbindung gebildet. Der Brennstab braucht nur in die in der Boden-

4 platte befestigte Hülse eingesteckt zu werden. Dadurch ist neben dem Monta-

5 geaufwand auch der Aufwand für die Ausgestaltung der Verbindung gering ge-

6 halten.

&bgr; Zweckdienlicherweise ist der Brennstab entgegen der Federkraftwirkung des Fe-

9 derelements in Axialrichtung aus der Hülse herausziehbar, um ein reversibles

10 Einfügen des Brennstabs in die Fußplatte zu ermöglichen. Dadurch ist der Brenn-

11 stab problemlos - beispielsweise zu Inspektionszwecken - aus der Fußplatte ent-

12 nehmbar. Hierzu muss lediglich eine in Axialrichtung wirkende Kraft aufgebracht

13 werden.

is Vorzugsweise weist für eine einfache Ausgestaltung die Hülse das Federelement

16 auf, welches in eine Ausnehmung am Brennstab eingreift. Zweckdienlicherweise

17 ist das Federelement entspannt, wenn der Brennstab in der Hülse steckt. Im Be-

18 triebszustand ist die Federspannung also nahezu null oder beträgt nur einen ge-

19 ringen Teil der maximal zulässigen Federspannung. Die Feder wird lediglich beim

20 Ein- und Ausfügen des Brennstabs in die Hülse belastet. Dadurch ist ein Relaxie-

21 ren der Feder weitgehend vermieden, und es ist auch im Langzeiteinsatz eine

22 ausreichende Haltekraft gewährleistet.

24 Gemäß einer bevorzugten Ausbildung weisen die Ausnehmung und/oder das Fe-

25 derelement in beiden Längs- oder Axialrichtungen des Brennelements einen stu-

26 fenfreien Übergang auf.der das reversible Einfügen begünstigt. Unter stufenfrei

27 wird hierbei insbesondere ein im Wesentlichen stetiger Übergang verstanden, wo-

28 bei zwischen Federelement und Ausnehmung kein Hintergriff ausgebildet wird.

30 Im Hinblick auf eine besonders einfache Ausgestaltung ist die Hülse federela-

31 stisch ausgebildet und besteht insbesondere aus Inconel. Üblicherweise ist die

32 Fußplatte aus Stahl und das Teilstück des Brennstabs, welches in die Hülse

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&igr; gesteckt wird, aus Zircaloy. Probleme aufgrund ungünstiger Werkstoffpaarungen

2 sind weitgehend vermieden.

4 In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein endseitig am Brennstab angeordneter

5 Fixierzapfen nach Art eines Hyberboloids ausgebildet. Mit dem Fixierzapfen wird

&bgr; der Brennstab in der Hülse befestigt. Der Fixierzapfen weist also eine umlaufende

7 Einschnürung oder Kerbe auf, die kontinuierlich und insbesondere stetig in eine

&bgr; zylindrische Umfangsflache des Fixierzapfens und des Brennstabs übergeht. In

9 diese Einschnürung oder in diese Kerbe greift das Federelement der Hülse ein.

10 Die Einschnürung stellt also die Ausnehmung für den Eingriff des Federlements

13 Zweckdienlicherweise ist die Hülse komplementär zu dem Fixierzapfen ebenfalls

&eegr; nach Art eines Hyperboloids ausgebildet, um ein besonders sicheres Eingreifen in

is die Einschnürung des Fixierzapfens zu ermöglichen.

17 Bevorzugt weist die Hülse Längsschlitze auf, zwischen denen mehrere Federele-

18 mente gebildet sind. Die Hülse ist dabei insbesondere als einstückige Hülse aus-

19 gebildet, so dass die Fertigung der Hülse sehr kostengünstig ist. Zur Ausbildung

20 der Hülse brauchen keine verschiedenen Bauteile zusammengesetzt werden.

22 Vorzugsweise ist die Hülse in der Bohrung der Fußplatte durch Ausbildung eines

23 Hintergriffs sicher gehalten. Dadurch ist die Hülse in der Bohrung unlöslich be-

24 festigt. Die Hülse schnappt quasi in die Bohrung ein. Dies erlaubt eine sehr

25 schnelle und einfache Montage.

27 Zur Ausbildung des Hintergriffs ist die Hülse in einer bevorzugten Ausgestaltung

28 vollständig durch die Bohrung durchgeführt und weist beidendseitig einen Über-

29 stand auf, mit dem sie jeweils den Bohrungsrand der Bohrung übergreift. Durch

so die beidendseitig angeordneten Überstände ist ein Herausrutschen der Hülse aus

31 der Bohrung sicher vermieden.

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&igr; Für eine einfache Montage der Hülse weist diese über ihre gesamte Länge einen

2 Montageschlitz auf. Die Hülse ist also nach Art einer Spreizhülse augebildet, die

3 beim Einfügen in die Bohrung zusammengepresst wird und sich in der Bohrung

4 aufspreizt sobald sie durch diese hindurchgeführt ist. Dadurch wird gewährleistet,

5 dass die beidendseitig angeordneten Überstände bei der Montage automatisch

6 den Hintergriff ausbilden.
7

&bgr; Alternativ zum Montageschlitz weist die Hülse an ihrem einen Ende eine eckige

9 Grundfläche und zumindest einen Eckbereich auf, der den zugeordneten Boh-

10 rungsrand der Bohrung übergreift. Bei dieser Ausgestaltung ist der Montageschlitz

11 nicht zwingend notwendig. Vielmehr wird bei der Montage die Hülse im Bereich

12 der eckigen Grundfläche verformt, so dass sie durch die Bohrung geführt werden

13 kann. Sobald sie durchgeführt ist, nimmt sie ihre ursprüngliche Form wieder ein

&eegr; und der Eckbereich übergreift den Bohrungsrand und bildet dadurch einen Hinter-

15 griff. Das elastische Verformen der Hülse wird durch die einstückige Ausbildung

16 der Hülse aus einem federelastischen Werkstoff begünstigt.

18 Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung

19 näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen Darstellungen 20

21 Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Siedewasserreaktor-Brennelements

22 nach dem Stand der Technik,

23 Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung im Bereich einer Fußplatte eines Brennele-

24 ments mit der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen einem Brennstab

25 und der Fußplatte in einer ersten Alternative, und

ze Fig. 3 die erfindungsgemäße Verbindung gemäß einer zweiten Alternative.

28 In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen verse-

29 hen.

31 Nach Fig. 1 weist ein Brennelement 2 eine Vielzahl von Brennstäben 4 auf. Diese

erstrecken sich von einer Fußplatte 6 in Längsrichtung 8 des Brennelements 2 zu

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&igr; einer Deckplatte 10. Zwischen der Fußplatte 6 und der Deckplatte 10 sind meh-

2 rere Abstandhalter 12 angeordnet, die jeweils nach Art eines Gitters ausgebildet

3 sind und die einzelnen Brennstäbe 4 führen. Im oberen Bereich des Brennele-

4 ments sind die Brennstäbe 4 nur noch angedeutet, so dass eine von den Brenn-

5 stäben 4 umgebene Tragstruktur 14 zu erkennen ist. Diese ist zugleich als Was-

6 serkanal ausgebildet. Oberhalb der Deckplatte 10 ist diese Tragstruktur 14 mit

7 einem Haltegriff 16 verbunden, der zur Handhabung des Brennelements 2 dient.

9 Üblicherweise sind einige der Brennstäbe 4 als sogenannte teillange Brenn-

10 stäbe 4 ausgebildet, welche nicht bis zur Deckplatte 10 reichen (nicht dargestellt).

11 Sie erstrecken sich lediglich von der Fußplatte 6 bis zu einem der Abstandshal-

12 ter 12. Um zu verhindern, dass diese teillangen Brennstäbe 4 nach oben in Längs-

13 richtung 8 rutschen, sind sie in der Fußplatte 6 befestigt.

is Die Fig. 2 und 3 zeigen nach Art einer Explosionsdarstellung jeweils einen Aus-

16 schnitt aus der Fußplatte 6 mit einem ebenfalls ausschnittsweise dargestellten

17 Brennstab 4 sowie eine Hülse 16. Die Fußplatte 6 weist eine hohlzylindrische Boh-

18 rung 18 auf, in die die Hülse 16 eingefügt wird. Die Länge der Hülse 16 ist dabei

19 derart bemessen, dass sie die Bohrung 18 vollständig durchgreift. Die Hülse 16 ist

20 im eingebauten Zustand verliersicher in der Bohrung 18 gehalten.

22 Die Hülse 16 ist einstückig ausgebildet und besteht insbesondere aus einem fe-

23 derelastischen Werkstoff, insbesondere Inconel. Die Außenkontur der Hülse 16 ist

24 nach Art eines Hyperboloids ausgebildet. Sie weist also an ihrer Außenseite eine

25 umlaufende Einschnürung 20 auf, die beidseitig kontinuierlich in die endseitigen

26 Umfangsflächen der Hülse 16 übergeht. Im Bereich der Einschnürung 20 weist die 2T Hülse 16 Längsschlitze 22 auf, zwischen denen jeweils ein Federelement 24 ge-

28 bildet ist. Die Federelemente 24 haben die Form einer gebogenen Blattfeder, die

29 mit ihrem oberen und unteren Rand mit der Hülse 16 verbunden ist.

31 Am unteren Ende des Brennstabs 4 ist ein Fixierzapfen 26 ausgebildet, der

32 ebenfalls die Form eines Hyperboloids aufweist, also mit einer Einschnürung 28

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1 versehen ist, die kontinuierlich in die beidendseitigen Außenumfangsflächen über-

2 geht. Der Fixierzapfen 26 und die Hülse 16 sind komplementär zueinander aus-

3 gebildet. Zur Befestigung des Brennstabs 4 wird dieser mit seinem Fixier-

4 zapfen 26 einfach in die Hülse 16 eingesteckt. Hierbei werden die Federele-

5 mente 24 zunächst nach außen weggedrückt bis sie dann in die durch die Ein-

6 schnürung 28 gebildete Ausnehmung des Fixierzapfens 26 eingreifen. Der Fixier-

7 zapfen 26 schnappt also in die Hülse 16 ein. Aufgrund dieser Ausgestaltung sind &bgr; die Federelemente 24 im eingebauten Zustand und damit während eines Reak-

9 torbetriebs unbelastet, d.h. sie weisen keine oder nur eine geringfügige Feder-

10 spannung auf. Vorzugsweise erreicht diese maximal etwa 20% der zulässigen

11 Federspannung. Dadurch ist ein Relaxieren der Federelemente 24 weitgehend

12 ausgeschlossen und die Funktionssicherheit dieser federkraftbetätigten Verbin-

13 dung ist auch über eine lange Betriebszeit sicher gewährleistet.

is Die Ausgestaltung mit dem Eingriff der Federelemente 24 in die Einschnürung 28

16 ermöglicht zudem ein einfaches und reversibles Ein- und Ausstecken des Brenn-

17 stabs 4 in die Hülse 16. Dadurch ist ein Herausnehmen des Brennstabs 4 bei-

18 spielsweise zu Inspektionszwecken problemlos ermöglicht.

20 Zur unverlierbaren Befestigung der Hülse 16 in der Bohrung 18 wird bei der Mon-

21 tage der Hülse 16 automatisch ein Hintergriff zur Bohrung 18 ausgebildet. Hierzu

22 weist sowohl die Hülse 16 endseitig jeweils einen oberen Überstand 3OA und ei-

23 nen unteren Überstand 3OB auf. Im Montagezustand übergreifen diese Über-

24 stände 30A.30B jeweils den oberen Bohrungsrand 32A bzw. den unteren Boh-

25 rungsrand (nicht dargestellt).

27 Nach Fig. 2 ist der obere Überstand 3OA nach Art einer umlaufenden Ringscheibe

28 ausgebildet. Im Gegensatz hierzu weist der untere Überstand 3OB diskrete Teil-

29 stücke auf, die durch Eckbereiche 34 gebildet sind. Die Hülse 16 nach Fig. 2 hat so hierzu an ihrem unteren Ende eine eckige, insbesondere quadratische Quer-

31 schnittsfläche. Bei der Montage der Hülse 16 in die Bohrung 18 wird die Hülse 16

32 in ihrem unteren Bereich etwas verformt, so dass sie durch die Bohrung 18 hin-

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&igr; durchgeführt werden kann. Sobald der untere Überstand 3OB durch die Boh-

2 rung 18 durchgeführt ist, nimmt die Hülse16 aufgrund ihrer elastischen Ausbildung

3 ihre ursprüngliche Form wieder ein und die Eckbereiche 34 bilden einen Hintergriff

4 mit dem unteren Bohrungsrand.

6 Im Unterschied hierzu sind die Überstände 30A.30B der Hülse 16 nach Fig. 3 je-

7 weils gebildet durch nahezu vollständig umlaufende Ringstege. Sie sind lediglich &bgr; im Bereich eines Montageschlitzes 36 unterbrochen, der sich über die gesamte

9 Länge der Hülse 16 erstreckt. Dieser Montageschlitz 16 ermöglicht ein Zusam-

10 menpressen der Hülse für die Montage. Auch bei dieser Ausgestaltung spreizt

11 sich die Hülse 16 auf, sobald der untere Überstand 3OB durch die Bohrung 18

12 hindurchgeführt ist. Zwischen dem Montageschlitz 36 und den jeweils benach-

13 barten Längsschlitzen ist jeweils eines der Federelemente 24 gebildet.

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Patentanwälte Tergau & Pohl, Nürnberg J

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Bezugszeichenliste

2	Brennelement
4	Brennstab
6	Fußplatte
8	Längsrichtung
10	Deckplatte
12	Abstandhalter
14	Tragstruktur
16	Hülse
18	Bohrung
20	Einschnürung
22	Längsschlitz
24	Federelement
26	Fixierzapfen
28	Einschnürung
3OA	oberer Überstand
3OB	unterer Überstand
32A	oberer Bohrungsrand
34	Eckbereich
36	Montageschlitz

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Claims

1. Kernreaktor-Brennelement (2) mit einer Anzahl von in einer Fußplatte (6) gehaltenen Brennstäben (4), von denen ein Teil als teillange Brennstäbe (4) ausgebildet sind und die Fußplatte (6) zumindest für diese teillangen Brennstäbe (4) jeweils eine Bohrung (18) mit einer darin angeordneten Hülse (16) aufweist, wobei der jeweilige teillange Brennstab (4) durch ein Federelement (24) in der Hülse (16) gehalten ist.

2. Brennelement (2) nach Anspruch 1, bei dem der jeweilige teillange Brennstab (4) entgegen der Federkraftwirkung des Federelements (24) in Axialrichtung aus der Hülse (16) herausziehbar ist.

3. Brennelement (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Hülse (16) das Federelement (24) aufweist, das in eine Ausnehmung (20) am jeweiligen teillangen Brennstab (4) greift.

4. Brennelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Federelement (24) entspannt ist, wenn der Brennstab (4) in der Hülse (16) steckt.

5. Brennelement (2) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Ausnehmung (20) und/oder das Federelement (24) in beiden Längsrichtungen (8) einen stufenfreien Übergang aufweisen.

6. Brennelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hülse (16) federelastisch ausgebildet ist.

7. Brennelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Halterung des Brennstabs (4) in der Hülse (16) endseitig am Brennstab (4) ein nach Art eines Hyperboloids ausgebildeter Fixierzapfen (26) angeordnet ist.

8. Brennelement (2) nach Anspruch 7, bei dem die Hülse (16) komplementär zum Fixierzapfen (26) ebenfalls nach Art eines Hyperboloids ausgebildet ist.

9. Brennelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hülse (16) Längsschlitze (22) aufweist, zwischen denen mehrere Federelemente (24) gebildet sind.

10. Brennelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hülse (16) in der Bohrung (18) durch Ausbildung eines Hintergriffs (30A, 30B) sicher gehalten ist.

11. Brennelement (2) nach Anspruch 10, bei dem die Hülse (16) durch die Bohrung (18) geführt ist und beidendseitig einen den Hintergriff ausbildenden Überstand (30A, 30B) aufweist, mit dem sie jeweils den Bohrungsrand (32A) der Bohrung (18) übergreift.

12. Brennelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hülse (16) über ihre gesamte Länge einen Montageschlitz (36) aufweist.

13. Brennelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hülse (16) an ihrem einen Ende eine eckige Grundfläche und zumindest einen Eckbereich (34) aufweist, der den zugeordneten Bohrungsrand der Bohrung (18) übergreift.