DE2055339C3 - Kerngitter für einen Atomreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kerngitter für einen Atomkernreaktor zur Führung der Köpfe der Brennelementanordnungen im Reaktorkern, bestehend aus mehreren dünnen Stegen, die derart kreuzweise ineinandergreifen, daß eine maschengitterarlige Anordnung mit einer Anzahl von Durchtrittsöffnungen für die Brennstoffanordnungen entsteht.

Bei dem Atomreaktor des Atomkraftwerks »Dresden« in der Nähe von Chikago ist der Reaktorkern heterogen. Das heiöt, er enthält mehrere Brennelementanordnungen, die vertikal in einer Reihe angeordnet sind, so daß sich die Kcrnspaltreaktion von selbst aufrechterhält. Der Reaktorkern ist in einem Druckkesse! enthalten, in dem er in eine Arbeitsflüssigkeit, wie leichtes Wasser, taucht, die nicht nur als Kühlmittel, sondern auch als Neutronenmoderator dient.

Jede Brennelementeanordnung hat einen rohrförmigen Strömungskanal, der eine Anordnung aus langgesireckten Brennelementen oder -stäben enthält, die ,zwischen einer oberen und unteren Verbindungsplätte gehalten sind. Die Brennetementeanordnungen sind in dem Druckkessel zwischen einem oberen Kerngitter Und einer Unteren Reaktorkefn-StÜ tzplatte angeordnet.

Die Untere Reaklörkerrt^Slützplälte stützt die Breiinelementanordnungen seitlich ab und bildet eine Kühlmitteldrückäbgrenzürig zwischen der unteren FIiJ* lung und dem Reaktorkernbereich. Das obere Kerngitter dient einmal zur Aufrechterhaltung eines geeigneten Abstandes zwischen den Brennelementeanordnungen und zum anderen dazu, eine Seitwärtsbewegung der Brennelementeanordnungen, beispielsweise während seismischer Störungen (Erschütterungen), zu verhindern.

Da die Brennelementeanordnungen einen verhältnismäßig geringen Abstand voneinander aufweisen, haben in die Stege des Kerngitters nur eine begrenzte Dicke. So sind die Stege etwa 9,53 mm dick, etwa 330 mm hoch und etwa 5,08 m lang. Das Kerngitter besteht aus zwei sich im rechten Winkel kreuzenden Anordnungen paralleler Stege, die mit Schlitzen an ihren Kreuzungen, ι" wie die Stege in einem Eierkasten, ineinandergreifen.

Da zur Verbindung der Stege Schlitze erforderlich sind, hat das Kerngitter nicht die gewünschte Steifigkeit oder Festigkeit Versuche, die Stege an den Kreuzungen zur Verbesserung der Steifigkeit oder Festigkeit des Kerngitters zusammenzuschweißen, waren wegen der sich ergebenden Verwerfung oder Verbiegung des Kerngitters bzw. der Stege erfolglos. Ein Kerngitter der gattungsgemäßen Art ist aus der GB-PS 1147 144 bekannt Aus der DE-OS 15 89 051 ist es bekannt, daß 2) die Stege Schlitze aufweisen, mit denen sie ineinandergreifen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kerngitter der gattungsgemäßen Art mit größerer Steifigkeit oder Festigkeit anzugeben, bei dem der jo quadratische Querschnitt der Brennelementeanordnungs-Durchtrittsöffnungen beibehalten wird, ohne daß die Anordnung in irgendeiner Weise verformt wird.

Nach der Erfindung ist diese Aufgabe, beim eingangs genannten Kerngilter, dadurch gelöst, daß die Stege in ii an sich bekannter Weise Schlitze aufweisen, mit denen sie ineinandergreifen und daß an den Kreuzungen der Stege jeweils eine in die Stege eingreifende Schraube vorgesehen ist, die mit Gewindegängen versehen ist, die einen spitzen Winkel zwischen de" Gewindedrücken- *·> kenfläche und der Schraubenachse aufweisen, wobei die Stege mit einem dem Außengewinde der Schrauben angepaßten Innengewinde versehen sind, so daß beim Anziehen der Schrauben die Stege gegen die Schrauben gedrückt werden.

ι - Nach dem An/ichen der Schrauben stehen die Stege in Längsrichtung unter Zugspannung, so daß die Schlit/e nicht aufgeweitet werden und das Kerngitter fest und verwindungssteif zusammengehalten wird.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gei'i kennzeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im folgenden anhand von Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ausführlicher beschrieben. Es zeigt
> F i g. I eine Atomreaktorkernannrdnung,

1 ig 2 eine Draufsicht auf ein Segment des Kerngitters,

Fig. 3 in Seitenansicht, wie das Kerngitter in einen Halterungsring eingreift,

W Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Kreuzung der Stege des Kerngitters in aUseinandergezogencr Anordnung;

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Kreüzürtgsbefestigungsschraube,

6$ Fig,6 ein anderes AUsführüngsbeispiel einer Kfeüzungsbefestigungsschfaübe und

F i g, 7 eine TeilquefsClifiiUsänsicht des spitzwinkligen Gewindes,

Der Atomreaktor-Brennstoffkern nach Fi g. 1 enthält mehrere austauschbare Brennelementeanordnungen 10, die durch mehrere Regelstabführungsrohre 9, die durch eine Platte 12 hindurchragen, in einem Druckkessel 11 auseinanderliegend gehalten sind. Jede Brennelementeanordnung greift mit einem sich verjüngenden Nasenstück 13 in einen Halterungssockel in einem Brennelementehalterungsgehäuse ein, das oben am Regelstabfühmngsrohr angeordnet ist. (Das Führungsrohr und das Ende des Nasenstücks sind mit öffnungen in zur Aufnahme eines Kühlmittels aus einer unter Druck stehenden Kühlmittelzuführkammer 14 versehen).

An den oberen Enden sind die Brennelementeanordnungen 10 in gerader Linie ausgerichtet und seitlich von einem Kerngitter 16 gehalten. Das Kerngitter 16 ist aus ü mehreren kreuzweise verbundenen Stegen 17(1) und 17(2) gebildet, die mit ineinanderpassenden Verriegelungsschlitzen an ihren Kreuzungen versehen sind. Die Enden dieser Stege greifen in einen einen U-förmigen Querschnitt aufweisenden Halterungsring 18, den ein jo Absatz 19 trägt. Der Absatz 19 ist an esner ringförmigen Ummantelung, die den Kern umgibt, oder uuf andere Weise in dem Druckkessel 11 befestigt.

Ein Segment des Kerngitters 16 ist in Fig. 2 in Draufsicht dargestellt Die sich kreuzenden und r> ineinandergreifenden Stege 17(1) und 17(2) bilden mehrere Brennelementeanordnungs-Durchführungen 20 mit quadratischem Querschnitt. Jeder Durchführung 20 nimmt vier Brennelementeanordnungen 10 und einen Regelstab 8 mit kreuzförmigem Querschnitt auf. in

Einzelheiten des Eingriffs der Enden der Stege 17(1) und 17(2) in den Halterungsring 18 sind in Fig. 3 dargestellt. Der Halterungsring 18 weist einen Stützwinkel 21 und einen Sicherungsring 22 auf, der am Stützwinkel 21 mit mehreren Kopfschrauben 23 π befestigt ist. An jedem Ende der Stege 17(1) und 17(2) ist ein Steg-Endstab 24 angeschweißt. Die Endstäbe 24 sind dicker als die verhältnismäßig dünnen Stege 17(1) und 17(2), um einen ausreichenden Materialquerschnitt zur Befestigung am Halterungsring 18 durch einen unteren > <> Sicherungsstift 26 und einen oberen Sicherungsstift 27 zu schaffen. Die Stifte 26 und 27 sind durch Heftschweißungen befestigt.

Einzelheiten einer typischen Kreuzung 15 von Stegen 17(1) und 17(2) sind in F i g. 4 perspektivisch in ι auseinandergezogener Anordnung uargestellt. An jeder Kreuzung sind die Stege 17(1) mit sich nach unten öffnenden Schlitzen 28(1) versehen. Die Stege 17(2) sind mit ähnlichen sich nach oben öffnenden Schlitzen 28(2) versehen. Die Schlitze ?J8(i) und 28(2) erstrecken sich >" über die Höhe h der Stege, so daß sie in dem in F i g. 2 dargestel^!:en zusammengesetzten Zustand wie die Stege in einem Eierkasten ineinandergreifen.

Die Stege 17(1) und 17(2) sind verhältnismäßig dünn. Ihre Dicke I hegt in der Größenordnung von 9.53 mm. Die Höhe h beträgt etwa 330 mm. und der längste Steg kann über 5,08 m lang sein. Wegen dieser Abmessungen und wegen der Schlitze 28(1) und 28(2) hat das zusammengesetzte Kerngitter nicht die gewünschte Steifigkeit oder Festigkeit, wenn keine Befestigungs mi oder Verstärkungsmittel für die Kreuzungen 15 Vorgesehen sind* Versuche, die Kreuzungen durch Schweißen zu versteife^ waren erfolglos, weil sich das Kerngitter dabei wirft und verdreht bzw. verbiegt. Man hat erwogen, die Oberflächen der Durchführungen für die Brennelementeanordnungen nach dem Schweißen maschinell zti bearbeiVn. dies jedoch als übermäßig kostspielig und zeitaufwendig verworfen Die verschieb densten bekannten Klemm- oder Einspannanordnungen haben sich als zu kostspielig, unwirksam oder unbrauchbar erwiesen, weil ihr Raumbedarf zu hoch ist.

Versuche, die Kreuzungen durch Schrauben mit normalem Gewinde zu versteifen, waren ebenfalls erfolglos, weil sich herausgestellt hat, daß sich die Enden der Schlitze 28 und 29 wie Schlitzmuttern verhalten. Eine Schraube mit normalem V-förmigen Gewinde übt eine nach außen gerichtete Kraft auf das in dieses eingreifende Gewinde an den Schlitzenden aus, so daß die Schlitze gespreizt und nicht zusammengezogen werden.

Dieses Problem wird nach der Erfindung durch Verwendung von Befestigungsschrauben 31 mit spitzwinkligen Gewindegängen gelöst, die beim Festziehen eine Kraft in Richtung auf die bzw. quer zur Schraube ausüben. Wie aus Fig.4 zu ersehen ist, wird sowohl oben als auch unten an den Kreuzungen 15 eine Befestigungsschraube 31 verwendet. Zu diesem Zweck ist das Endteil 32(1) des Schlitz«··: 28(1) mit einer Gewindebohmng und der Steg 17(1 J ?uf der dem Schlitz 28(1) gegenüberliegenden Seite mit einem kurzen Gewindeschlitz 33(1) versehen. Der Durchmesser der Schrauben 31 ist größer (z. B. 15,88 mm) als die Dicke t der Stege. Ferner befindet sich am Ende des Gewindeteiis 32(1) ein Absatz 34(1). Die Stege 17(2) sind in ähnlicher Weise mit Gewindebohrungen versehen.

Wie Fig. 5 zeigt, sind die Schrauben 31 mit einem Absatz 36 versehen, der sich beim Anziehen der Schraube (z.B. in dem Gewindeschlitz 33(1) und dem Gewindeteil 32(2) des Schlitzes 28(2) an den Kantenbzw. Randoberflächen der Stege 17(1) und 17(2) anlegt. Eine andere Ausführungsform einer Befestigungsschraube ist in Fig. 6 als kopflose Schraube 31' dargestellt, die dann verwendet werden kann, wenn Vorsprünge auf oder über den Oberflächen der Stege 17(1) und 17(2) unerwünscht sind. In diesem Falle drückt das Ende 37 der Schraube 3V beim Anziehen der Schraube gegen (beispielsweise) den Absatz 34(2) und gegen den Boden des Gewindeschlitzes 33(1).

Oie Querschnittsansicht nach Fig. 7 zeigt Einzelheiten des spitzwinkligen Gewindes. Das Gewinde hat e>ne sägezahnartige Querschnittsform, wobei die Gewindedruckflankenfläche 38 mit der Längsachse 39 der Schraube einen spitzen Winkel A bildet. Wenn die Schraube daher mit einer Kraft f, angezogen wird, tritt eine resultierende Querkraft /Ί auf. die den Steg in Richtung auf die Schraube zieht oder drückt. Die Größe der Querkraft /Ί ist eine Funktion des Winkels A. Bei vorgegebener Anzugskraft f, läßt sich die Querkraft f\ für jeden Winkel A berechnen. Bei einem Winkel A von 90° ist die Kraft /Ί =0. und mit abnehmendem Winke! A in Richtung auf 0° nimmt die Kraft Λ zu. Eine Verringerung des Winkels A führt jedoch auch zu einer Schwächung der Festigkeit der Gewindefänge, ur.d ein Gewinde mit einem Winkel, der kleiner als 45° ist, läßt sich schwieriger herstellen. Man muß daher einen Kompromiß zwischen den verschiedenen Parametern wie Festigkeit d^o: Gewindegänge, dem Winkel A und der Teilung des Gewindes schließen.

(Die in F i g, 7 dargestellte Gewindeform ähnelt etwas dem »Widerhakengewinde« nach der US-Fatentschrift 1 97 466, Dieses Gewinde ist jedoch so ausgebildet, daß es beim Anziehen so gestaucht wird, daß es in seiner ringförmigen MuU« oder seinem Gewindering verklemmt wird.)

Eine Schraube, die sich für das Kerngitter als geeignet erwiesen h&U hat einen Durchmesser von 15,88 mm, eine

mit Gew'nde versehene Länge von 38,1 mm, eine Gewindeteilung von 12 Gewindegängen pro 25,4 mm und einen Winkel A von 75,5°. Bei diesem Gewindewin* kel beträgt die Qüerkräft f\ etwa 25% der Anzugskraft

Das Kerngitter wird vorzugsweise wie folgt zusammengesetzt: Die Stege 17(1) Und 17(2) werden, nachdem sie geschlitzt und mit Endstäben 24 versehen sind, auf dem Stützwinkel 21 in Eihbäüläge angeordnet. Dann wird der Sicherungsring 22 am Stützwinkel 2l befestigt. Die Stege-17(1) und 17(2) werden durch optische oder

andere Mittel ausgerichtet und in der Einbaülage in bezug auf den Halterungsring 18 festgeklemmt, Dann werden Löcher für die Sicherungsstifte 26 und 27 gebohrt und die Stifte eingesetzt und durch Heftschwei-Bung befestigt Die Stegkreuzungen werden mit Gewindebohrungen für die Schrauben 31 versehen. Die Schrauben 31 werden eingeschraubt, festgezogen und durch Heftschweißung (die Schweißnähte 40 sind in Fig.2 dargestellt) befestigt. Das auf diese Weise zusammengebaute Kerngitter kann dann auf dem Absatz 19 in dem Druckkessel eingesetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;

1. Kerngitter für einen Atomkernreaktor zur Führung der Köpfe der Brennelementanordnungen im Reaktorkern, bestehend aus mehreren dünnen Stegen, die derart kreuzweise ineinandergreifen, daß eine maschengitterartige Anordnung mit einer Anzahl von Durchtrittsöffnungen für die Brennstoffanordnungen entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (17) in an sich bekannter Weise Schlitze (28) aufweisen, mit denen sie ineinandergreifen und daß an den Kreuzungen (15) der Stege (17) jeweils eine in die Stege (17) eingreifende Schraube (31) vorgesehen ist, die mit Gewindegängen versehen ist, die einen spitzen Winkel (A) zwischen der Gewindedruckflankenfläche (38) und der Schraubenachse (39) aufweisen, wobei die Stege (17) mit einem dem Außengewinde der Schrauben angepaßten Innengewinde versehen sind, so aJS> beim Anziehen der Schrauben (31) die Stege gegen die Schrauben gedrückt werden.

2. Kerngitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Schraube (31) oben und unten an den Kreuzungen (15) in die Stege (17) eingreift.

3. Kerngitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel zwischen 45,0° und 89,99° liegt.

4. Kerngittei nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Schrauben (31) größer als die Dicke (t)der Stege (17) ist.

5. Kerngitter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die S\ege (U/ mit ihren Enden an einem ringförmigen Stutzbauteil (18) befestigt sind.

6. Kerngitter nach AnspruL ι 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende aller Stege (17) mit einem Endstab (24), der dicker als die Stege ist, zur Befestigung an dem Stützbauteil (18) versehen ist