DE2022157B2 - Einspannvorrichtung für den Kern eines Atomreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspannvorrichtung ⁶<> Keilstück versehen ist, welches beim Verschieben des ür den Kern eines Atomreaktors, in dem zahlreiche Betätigungsorgans auf einer entsprechend geneigter anggestreckte Brennelementstäbe parallel nebenein- Fläche der Klemmvorrichtung mit der Maßgabt mder in seitlichem Abstand angeordnet und zu wirkt, daß dadurch die Klemmvorrichtung in radialei jruppen zusammengefaßt sind. Die Einspannvor- Richtung in der Ebene der Klemmvorrichtung insge· ichtung besteht aus zahlreichen Klemmorganen, die 65 samt eine zusammenpressende Kraft auf den Kert im Umfang des Kerns verteilt angeordnet sind und ausübt.

iber vertikal und parallel zu d?n Brennelementstä- Nach einer weiteren Maßnahme der Erfindung is

)en angeordnete Betätigungsorgane Radialkräfte im die Einspannvorrichtung so ausgebildet, daß jedi

Brennelementgruppe mit einer seitlich umgebenden Bandage versehen ist.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Klemm- und Betätigungsvorrichtungen außerhalb des von der Ummantelung umgebenden Raumes anzuordnen.

Weiterhin schließen die Klemm- und Betätigungsvorrichtungen Federn ein, die die Klemmvorrichtung beeinflussen, um diese unter Vorspannung zu führen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung schließen dir Klemm- und Betätigungsvorrichtungen mechanische Haltevorrichtungen ein, die den Hub der Klemmvorrichtung begrenzen, um dadurch den Grad der Zusammenpressung der Brennelemente festzulegen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Aufriß, teilweise im Schnitt,

F i g. 2 eine schematische Draufsicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1,

F i g. 3 einen vergrößerten Schnitt eines Teils des Reaktor-Kern-Autbaus nach F i g. 1 und

F i g. 4 einen typischen Querschnitt des in F i g. 3 dargestellten Kernaufbau-Teilabschnittes entlang der Linie 4-4 der F i g. 3

Der in F i g. 1 und 2 dargestellte Atomreaktor 10 besteht aus einem Kern 11, der aus einer Vielzahl von langgestreckten benachbarten Brennelementen

12 zusammengesetzt ist, die mit seitlichem Abstand zueinander angeordnet sind, um eine kompakte Gruppe zu bilden. Jedes Brennelement 12 wird in seiner gewünschten Lage durch einen unteren Rost

13 und einen oberen Rost 14 gehalten, die zum Zeitpunkt des Zusammenbaus des Kernes 11 eingebaut werden.

Eine Ummantelung 15 umgibt seitlich die gesamten Gruppen von Brennelementen 12 und wird ihrerseits seitlich von einem Kernzylinder 16 umgeben, von dem sie durch eine Reihe von Rippenplatten 17 getrennt ist. Der Kernzylinder 16 selbst wird seitlich von einem Wärmeschirm 18 umgeben und trägt an seinem oberen Ende einen Verlagerungsring 19, welcher den oberen Rost 14 aufnimmt.

In diesem Beispiel sind die Brennelemente 12 so dargestellt, daß sie im Querschnitt im allgemeinen rechteckig sind, aber es ist klar, daß die Erfindung auch für andere Querschnittsformen der Brennelemente gilt. Ein typisches Brennelement 12 besteht aus einer Vielzahl von langgestreckten Brennstäben 20, die sich in Längsrichtung durch eine Reihe von eierkistenförmigen Abstandsrosten 21 erstrecken. Diese Abstandsroste 21 umfassen die Brennstäbe 20 und hemmen sie in ihrer Seitenbewegung zueinander, wenigstens in dem von jedem Rost 21 erfaßten Stablängenbereich. Die Anzahl der bei einem Brennelement 12 vorhandenen Stababstandsroste kann natürlich auf Wunsch je nach der Länge der Brennstäbe und dem verlangten Steifigkeitsgrad geändert werden, jedoch ergeben praktische Überlegungen, daß jed^s Brennelement 12 wenigstens drei Abstandsroste 21 besitzen sollte, einen in der Mitte des Elements 12 und einen an jedem Ende. Die mittigen Roste 21 der Elemente 12, welche den Kern Il bilden, sind axial ausgerichtet, so daß sie im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die sich quer durch den Kern 11 rechtwinklig zu den Längsachsen der Brennelemente 12 erstrecken. Die Endroste 21 sind in ähnlicher Weise angeordnet, so daß sie jeweilig in entsprechenden gemeinsamen Querebenen liegen.

Um einen zweckmäßigen Ein- und Ausbau der Brennelemente 12 zu erlauben, sind die Roste 13 und 14 so ausgelegt, daß ein gewisser Mindestabstand zwischen benachbarten Brennelementen 12 besteht. So bestehen in der mittigen Ebene des Kerns 11 zu Zeitpunkt des Einbaus im allgemeinen Abstandsspalte verschiedenen Ausmaßes zwischen den

ίο Außenkanten der mittigen Roste benachbarter Brennelemente 12.

Diese Abstände zwischen den Brennelementen führen dazu, daß der Kern 11 im Betrieb für Schwingungen empfänglich ist, da die Brennelemente 12 als

seitlich nicht unterstützt auf einer Spannweite betrachtet werden können, die etwa gleich ihrer Länge zwischen den Rosten 13 und 14 ist. Das Medium, das durch den Kern 11 strömt, um aus den Brennelementen 12 Wärme abzuführen, kann diese zu ver-

ao schiedenen Formen von seitlichen Schwingungen erregen. Der Stoß, der sich aus solchen dynamisch induzierten Schwingungen ergibt oder aus von außen einwirkenden Kräften, wie z.B. Erdbebenstöße, Schiffsschwankungen od. dgl., kann die Brennstäbe

as 20 und die Brennelemente beschädigen und sogar eine Strahlungsgefahr schaffen.

Nach der Erfindung werden diese Schwingungsund Stoßprobleme dadurch gelöst, daß die wirksame freie Spannweite der Brennelemente 12 vermindert

und daß der verfügbare Ausschlag für die Seitenbewegung unter den Brennelementen 12 mechanisch begrenzt wird. Zu diesem Zweck werden zahlreiche Betätigungsvorrichtungen um die Gruppen von Brennelementen 12 herum angeordnet.

Wie es aus der Darstellung in den F i g. 3 und 4 zu erkennen ist, besteht eine typische Betätigungsvorrichtung aus einer Nockenstange 23 (Fig.4), die axial in paralleler Richtung zu den Längsachsen der Brennelemente 12 beweglich ist, und einer Klemmvorrichtung 24, die von dem Betätigungsorgan 23 erfaßt und dadurch axial in senkrechter Richtung zu den Achsen der Brennelemente 12 bewegt wird. Die Bewegungsebene ist die der mittigen Roste 21.
Die Klemmvorrichtung 24 erstreckt sich durch eine öffnung 25 (F i g. 4), die in der Prallplattenummantelung 15 vorgesehen ist. Auf der Innenseite der Plattenummantelung 15 ist an dem Ende der Klemmvorrichtung 24 eine Druckplatte 26 befestigt. Die Druckplatte ist für Auflagerkontakt mit dem äußeren

Bandteil 27 des mittigen Rosts 21 eines zugehörigen Brennelements 12 der Gruppe von Brennelementen vorgesehen, die zusammen den Umfang des Kerns 11 bilden.

Bei der dargestellten Ausführungsform kann man aus Fig. 2 erkennen, daß die gesamten Brennelemente 12 so angeordnet sind, daß sie in einen Kernzylinder 16 passen, wobei die am Umfang angeordneten Brennelemente 12 je mindestens eine Bandage 27 (s. Fi g. 4) haben, die von der Druckplatte 26 der Betätigungsvorrichtung erfaßt wird. Bestimmte Umfan^s-Brennelemente 12, d.h. diejenigen, die die Ekkerf oder Stufen im Umfang bilden, haben noch eine zweite Bandage 27, welche von einer Druckplatte 26 einer weiteren Betätigungsvorrichtung erfaßt wird, die in senkrechter Richtung zu derjenigen der zuerst erwähnten Betätigungsvorrichtung drückt.

Alle Klemm- und Betätigungsvorrichtungen werden gleichzeitig durch eine Preßkraft betätigt, die im

wesentlichen parallel zu den Längsachsen der Brenn- übliche Verbindung befestigt, wie z. B. durch eine

elemente 12 gerichtet ist, wodurch auf die Um- Schraube SO. Das Keilstück 43 hat eine geneigte

fangs-Brennelemente 12 Kräfte ausgeübt werden, die Fläche 45, die dazu dient, eine passend geneigte

vektoriell durch Pfeile in Fig.2 angezeigt sind, wo- Fläche 46 auf dem Betätigungsorgan 23 zu erfassen,

bei die Druckkräfte dazu neigen, die Abstände inner- 5 Das Keilstück 41 liegt in einer konischen Längsnut

halb des Brennelementaufbaus an den mittigen Ro- 47 im Betätigungsorgan 23, um dessen Drehen zu

sten 21 zu verringern. vermeiden, während es sich axial bewegen darf. Die

Während es ohne Zweifel viele andere Möglichkei- Keilnut 47 hat ein Tiefenprofil, das durch eine Boten gibt, durch die ein gleichzeitiger Betrieb aller Be- denfläche 48 begrenzt wird, die in Längsrichtung tätigungsvorrichtungen bewirkt werden kann, sieht io etwa parallel zu den konischen Flächen 45 und 46 die Erfindung Vorrichtungen vor, die so gebaut und verläuft und dann in einem kurvenförmigen, blinden angeordnet sind, daß sie gleichzeitig durch das An- Endstück 49 endet.

sprechen auf Kräfte arbeiten, welche aus dem Aufle- Wenn das Betätigungsorgan 23 abwärts in der gen des oberen Rosts 14 in den Verlagerungsring 19 Führungsbüchse 38 gleitet, legt sich die Fläche 46 abgeleitet werden. Wie man es noch hesser der 15 gegen die Fläche 45, wodurch die Klemmvorrichtung Fig. 3 entnehmen kam», hat der obere Rost 14 einen 24 und ihre Druckplatte 26 in Richtung auf das zuRand 28, der gleitbar von einer Anlagekante 29 des gehörige Umfangs-Brennelement 12 vorgerückt wer-Rings 19 aufgenommen wird und der, wenn er in sei- den, um eine Druckkraft auf den Kern 11 in der ner normalen Arbeitslage installiert wird, auf dem Ebene der mittigen Roste 21 auszuüben. Die Aboberen Ende des federbelasteten Zylinders 30, der 20 wärtsbewegung des Betätigungsorgans 23 und somit mit einer typischen Betätigungsvorrichtung verbun- die Vorwärtsbewegung der Klemmvorrichtung 24 den ist, sitzt und bis zu einem gewissen Grad davon und der Grad der dadurch bewirkten Pressung des getragen wird. Kerns 11 werden durch die kombinierte Haltewir-

Der Zylinder 30 wird gleitend innerhalb einer Ge- kung des Keilstückes 41, des Keilstückes 43 und des

häusebüchse 31 aufgenommen, die durch eine geeig- 25 Keilnutendstückes 49 begrenzt. Wenn das Endstück

net angeordnete Rippenplatte 17 getragen wird. Die 49 und die angrenzende Fläche 48 innerhalb der

Büchse 31 hat ein Paar gegenläufiger Längsschlitze Keilnut 47 in dem begrenzenden Raum zwischen

32 zur Aufnahme eines Paars Stifte 33, die am Zylin- dem Keilstück 41 und dem Keilstück 43 erfaßt wer-

der 30 befestigt sind und die in entsprechende züge- den, verhindert die eintretende Hemmung eine wei-

hörige Schlitze 32 greifen, um den Hub des Zylinder·; 30 tere Abwärtsbewegung dw Betätigungr^rgans 23

30 in bezug auf die Büchse 31 zu begrenzen. Wenn sich das Betätigungsorgan 23 aufwärts be-

Innerhalb des Zylinders 30 befinden sich zwei Fe- wegi:, z. B. wenn der Rost 14 vom Ring 19 entfernt dern 34 und 35. Die Feder 34 hält den Zylinder 30 wird und die Federn 34 und 35 sich entspannen könin einer zurückgezogenen Außenlage in bezug auf die nen, legt sich die Keilnutfläche 48 gegen das Keil-Büchse 31. Die Feder 35 wird zwischen einem In- 35 stück 41 an. wodurch die Klemmvorrichtung 24 und nenflansch 36 innerhalb des Zylinders 30 und einer die Druckplatte 26 sich von dem zugehörigen Brenn-Sehulter 37 an das Betätigungsorgan 23 gehalten. element 12 wegbewegen können.

Von dem Boden der Büchse 31 erstreckt sich das Aus den obigen Ausführungen wird der Fachmann

Betätigungsorgan 23 durch eine oder mehrere Rip- erkennen, daß die Bewegung der Klemmvorrichtung

penplatten 17. Das untere Ende des Betätigungsor- ♦» 24 durch die Wirkung des Betätigungsorgans 23

gans 23 wird gleitend in einer Führungsbüchse 38 ausgelöst wird und daß die Kraft, die von der Druck-

aufgenommen, die zweckmäßig von einer anderen platte 26 auf das Brennelement 12 ausgeübt wird, im

Rippenplatte 17 unterstützt wird und die ebenfalls Verhältnis zu der Axialkraft steht, die dui«-h den

gleitend die bereits genannte Klemmvorrichtung 24 Druck der Feder 35 auf die Nockenstange 23 ausge-

trägt. 45 übt wird.

Die Klemmvorrichtung 24 ist mehrteilig ausgeführt Eines der wesentlichen Merkmale der beschriebe-

und besitzt eine zylindrische Büchse 39, die axial in nen Klemm- und Betätigungsvorrichtungen liegt

einer passenden Bohrung 40 der Führungsbüchse 38 darin, daß sie gleichzeitig und automatisch in Betrieb

gleitet, ein Keilstück 41, das innerhalb der Büchse 39 gesetzt werden, um die Brennelemente 12 des Kerns

durch eine Kopfschraube 42 befestigt ist, und ein 50 11 gegen Schwingungen und seitliche Verlagerung

Keilstück 43, das innerhalb der Büchse 39 durch bei Einlegen des Rosts 14 in den Ring 19 zu stabili-

einen Stift 44 befestigt ist. Die Druckplatte 26 ist an sieren, insgesamt ohne Notwendigkeit, äußere Kraft·

dem Ende des Keilstücks 43 durch eine geeignete, quellen vorzusehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

0 1

Claims (5)

1 2 Sinne einer Zusammenprsssung des Kerns auf diesen Patentansprüche: ausüben, um den Abstand zwischen den Brennele menten zu verringern und sie kompakter zu lagern.

1. Einspannvorrichtung für den Kern eines Dabei sind die Klemmorgane Ln einer gemeinsamen Atomkernreaktors, in dem zahlreiche langge- 5 Ebene angeordnet, und jedem Kiemmorgan ist ein streckte Brennelementstäbe parallel nebeneinan- Betätigungsorgan zugeordnet.

der in seitlichem Abstand angeordnet und zu In Reaktorkernen, die aus einer Vielzahl von lang-

Gruppen zusammengefaßt sind, bestehend aus gestreckten Brennelementen bestehen, die zu Grupzahlreichen Klemmorganen, die am Umfang des pen zusammengefaßt sind, besteht im allgemeinen Kernes verteilt angeordnet sind und über vertikal jo Luft von etwas unterschiedlichen Ausmaßen zwi- und parallel zu den Brennelementstäben angeord- sehen den benachbarten Brennelementen. Dieser nete Betätigungsorgane Radialkräfte im Sinne Zwischenraum wirft bei dynamischen Belastungen einer Zusammenpressung des Kerns auf diesen ein Problem auf, da die Elemente mit ihrem hohen ausüben, um den Abstand zwischen den Brenn- Schlankheitsgrad leicht in Schwingung versetzt werelementen zu verringern und sie kompakter zu la- 15 den können. Diese Schwingungen können dazu fühgern, wobei die Klemmorgane in einer gemeinsa- reu, daß die Elemente mit hohen Stoßlasten aufeinmen Ebene angeordnet sind und jedem Klemm- anderschlagen und dadurch brechen. Um derartigen organ ein Betätigungsorgan zugeordnet ist, da- Stoßen zu widerstehen, wurden bei der bisher bedurch gekennzeichnet, daß das Betäti- kannten Technik umhüllte Brennstoffelemente vergungsorgan (23) längs einer Richtung parallel zu 20 wendet. Derartige umhüllte Brennelemente waren in den Längsachsen der Brennelemente (12) ver- der Herstellung teuer und beanspruchten innerhalb schiebbar ist und an seinem unteren Ende mit des Reaktorkernes viel Raum.

einem Keilstück (46) versehen ist, welches beim Es sind bereits Stabilisierungsvorrichtungen für

Verschieben des Betätigungsorgans (23) auf eine einen Atomreaktorkern bekannt, in dem zahlreiche entsprechend geneigte Fläche (45) der Klemm- 25 langgestreckte Brennelementstäbe parallel nebeneinvorrichtung (24) wirkt, mit der Maßgabe, daß da- ander mit seitlichem Abstand angeordnet sind, wobei durch die Klemmvorrichtung (24) in radialer zahlreiche Klemm- und Betätigungsvorrichtungen die Richtung in der Ebene der Klemmvorrichtungen einzelnen Brennelemente umgeben und die so an-(24) eine zusammenpressende Kraft auf den Kern geordnet sind, daß sie Preßkräfte auf diese ausüben. (11) ausübt. 30 Durch die britische Patentschrift 1014 784 wird

2. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1, da- keine Lehre dafür gegeben, in welcher Weise die dadurch gekennzeichnet, daß jede Brennelement- stischen Teile ihre jeweiligen Klemmvorrichtungen Gruppe (12) mit einer seitlich umgebenden Ban- beeinflussen, um diese unter Vorspannung zu halten, dage (27) versehen ist. Dabei haben einzelne Konstruktionsteile ein freies

3. Einspannvorrichtung nach Anspruch 1 und/ 35 Ende an der Eintrittsfläche des Kernes. Ein solches oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemm- freies Ende kann in keinem Fall eine entsprechende und Betätigungsvorrichtungen außerhalb des von Klemmvorrichtung zum Eingriff unter Vorspannung der Ummantelung (IS) umgebenden Raumes lie- beeinflussen.

gen. Bei einer anderen bekannten Stabilisierungsvor-

4. Einspannvorrichtung nach Anspruch 3 und/ 40 richtung (USA.-Patentschrift 3 215 608) ist eine Be- oder einem der folgenden, dadurch gekennzeich- wegung entlang einer Richtung parallel zu den net, daß die Klemm- und Betätigungsvorrichtun- Längsachsen der Brennelemente nicht möglich.

gen Federn (34, 35) einschließen, die die Klemm- Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe

vorrichtung (24) beeinflussen, um diese unter zugrunde, über Betätigungsorgane eine vertikale BeVorspannung zu führen. 45 wegung in eine radiale Bewej;ung umzusetzen und

5. Einspannvorrichtung nach Anspruch 4 und/ die Anwendung von Torsionskräften auszuschalten, •oder einem der folgenden, dadurch gekennzeich- um eine bleibende Verformung dieser Stäbe zu vernet, daß die Klemm- und Betätigungsvorrichtun- meiden. Dabei soll unter der Berücksichtigung der gen mechanische Haltevorrichtungen einschlie- Tatsache, daß die Druckfestigkeit eines Metallstabes ßen, die den Hub der Klemmvorrichtung (24) be- 50 im allgemeinen viel größer als seine Scherfestigkeit grenzen, um auch den Hub und dadurch den die Einspannkraft bewirkt werden. Insgesamt liegt Grad der Zusammenpressung der Brennelemente der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Bruchgezu begrenzen. fahr bei Brennelementen herabzusetzen und den

Reaktorkern gegen Schwingungen in jeder Lage zu 55 stabilisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Betätigungsorgan längs einer Richtung parallel zu den Längsachsen der Brennelemente verschiebbar ist und an seinem unteren Ende mit einem