DE2140170A1

DE2140170A1 - Federndes spannelement in kernreaktoren

Info

Publication number: DE2140170A1
Application number: DE2140170A
Authority: DE
Inventors: Diethelm Dipl Ing Knoedler; Hans Kroepfl; Alexander Steinke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-11
Filing date: 1971-08-11
Publication date: 1973-02-22
Also published as: GB1395936A; FR2148549A1; BE787283A; DE2140170C3; CH539320A; FR2148549B1; DE2140170B2; IT963846B; JPS4827193A; US4006055A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht aich auf einen Leistungskernreaktor, dessen aktive Zone aus einer größeren Anzahl von stabförmige Brennstäbe enthaltenden Brennelementen besteht, die zwischen einer unteren und einer oberen Gitterplatte gehaltert sind. Diese Brennelemente sind normalerweise dicht an dicht gepackt und werden vom Strom des Kühlmittels, das flüssiger oder gasförmiger Natur sein kana, in Längsrichtung durchströmt. Durch diese Strömung können nun die Brennelemente bzw. die Brennstäbe innerhalb derselben mechanisch so beansprucht werden, daß es zum Aufschaukeln von Schwingungen kommen kann. Dies könnte dadurch vermieden werden, daß die Brennelemente zwischen den zum Kerngerüst gehörenden oberen und unteren Gitterplatten fest eingespannt sind. Wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten der am Kernaufbau beteiligten unterschiedlichen Materialien ist dies jedoch nicht möglich. Man hat daher bereits versucht, die Brennelemente durch Federn im Kopfteil gegen den Strömungsdruck des Kühlmittels niederzuhalten und dadurch die Wärmedehnungsunterschiede auszugleichen. Dies ergibt jedoch verhältnismäßig komplizierte Konstruktionen, da ein Vibrieren der Brennelemente mit Sicherheit vermieden werden muß.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Halterung zu finden, die möglichst raumsparend und einfach eine vibrationsfreie Lagerung der Brennelemente innerhalb der Strömung des Kühlmittels gewährleistet.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen jedem Brennelement und einer der beiden Gitterplatten ein federndes Spannelement angeordnet ist, das mit dem Brennelementende

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einerseits und einer Gitterplatte andererseits in Eingriff steht. Auf diese Weise drückt das Spannelement jeweils in Richtung der Kühlmittelströmung, so daß zwischen der anderen Gitterplatte und dem anderen Ende des Brennelementes stets eine starre und vibrationsfreie Anlage vorhanden ist.
Durch die formschlüssige Halterung der Brennelemente mit · der Gitterplatte über das Spannelement, die über Paßstifte erfolgt, ist eine torsionsfeste Halterung derselben gegeben, so daß dadurch eine Ausbildung von Schwingungen weitgehend unterbunden wird. Das Spannelement kann dabei konstruktiv so ausgebildet werden, daß der Eintritt des Kühlmittels in das Brennelement in gewünschter Weise beeinflußt, d.h.
insbesondere gedrosselt und gerichtet wird. Eine spezielle entsprechende Ausbildung der Gitterplatte, die sehr teuer wäre, ist daher nicht notwendig.

Zur näheren Erläuterung dieser Erfindung sei nun auf die
Fig. 1 bis 10 Bezug genommen. Fig. 1 stellt einen schematischen Querschnitt durch ein Kernreaktordruckgefäß dar,
aus dem der bevorzugte Anbringungsort dieser Spanneinrichtung zu ersehen ist. Die Fig. 2 bis 9 dagegen stellen verschiedene mögliche Ausführungsformen einer derartigen Spanneinrichtung dar, sie zeigen also lediglich einen Ausschnitt aus der unteren Gitterplatte und dem Brennelementfuß.

In Fig. 1 ist der Reaktordruckkessel mit 1 bezeichnet, innerhalb desselben ist der thermische Schild 2 angeordnet, der den Kernbehälter 3 umgibt. In seinem unteren Teil ist der Kernbehälter mit der Kernplatte 31 abgeschlossen, die mit entsprechenden Durchbrechungen für das Kühlmittel, dessen Strömung durch Pfeile angedeutet ist, versehen ist. Innerhalb des
Kernbehälters 3 ist der aus Brennelementen 5 zusammengesetzte aktive Teil des Kernreaktors untergebracht. Die Brennelemente werden dabei von der unteren Gitterplatte 4 und der oberen Gitterplatte 41 gehaltert. Oberhalb der oberen Gitterplatte sind einige Regelstabführungen 42 schematisch angedeutet.

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Zwischen den einzelnen Brennelementen 5 und der unteren Gitterplatte 4 sind nun federnde Spannelemente angeordnet, die einmal die Brennelemente 5 in horizontaler Richtung gegenüber der unteren G-itterplatte 4 justieren und ihre feste Anlage an der oberen Gitterplatte 41 durch Federdruck gewährleisten. Dieser Federdruck wird durch die Kühlmittelströmung noch unterstützt, so daß ein vertikales Schwingen der Brennelemente mit Sicherheit -vermieden wird. Vibrationen mit den damit verbundenen Abrieberscheinungen an den Berührungsstellen werden also vermieden. Der in den Fig. 2 bis 9 dargestellte Ausschnitt ist in Pig. 1 mit einem gestrichelten Kreis umrandet.

Die Mg. 2 bis 9 stellen einzelne Konstruktionsmöglichkeiten für ein derartiges Spannelement dar und zeigen dieselbe in einem Längs- und in einem Querschnitt. Gleichartige Teile sind dabei stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die untere Gitterplatte ist mit 4 bezeichnet, der Fuß des Brennelementes mit 5. Nach !Fig. 2 besteht das Spannelement aus einem Ralamen, der aus den in der Mitte durchbrochenen Platten 6 und 61 sowie deren Winkelstücken 62 aufgebaut ist. Auf diesem Rahmen sind Paßstifte 9 zum Eingriff im Brennelementfuß 5 sowie Paßstifte 8 zum Eingriff in der unteren Gitterplatte 4 vorgesehen. In den Platten 6 und 61 sind Stifte 7 geführt, die mit Hilfe der Federn 71 und einem Anschlag 72 auf denselben nach oben zum Anschlag an den Brennelementfuß 5 geführt sind. Die Spannkraft wird also hier durch die Federn 71 aufgebracht und wirkt in Richtung der Kühlmittelströmung nach dieser Figur also von unten nach oben«, Die Federn 71 müssen dabei selbstverständlich so kräftig sein, daß sie nicht nur das Gewicht des Brennelementes zu tragen vermögen, sondern dieses auch noch gegen die obere Gitterplatte 41 andrücken. Die Andrückkraft bleibt über die Betriebszustände erhalten, wobei der Strömungsdruck des Kühlmittels unterstützend wirkt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine -wesentlich geringere Bauhöhe aufweist, da die Höhe der Gitter-

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platte 4 ausgenützt wird. In diesem Falle sind Zentrierbolzen 43 auf der unteren Gitterplatte 4 angeordnet, die das Spannelement und den Brennelementfuß 5 justieren. Auf diese Bolzen 43 wird beim Zusammenbau des Reaktorkerns zuerst das Spannelement 51 und dann das Brennelement aufgeschoben. Das Spannelement ist in seiner Punktion ähnlich wie jenes in Mg. 2 aufgebaut. Die untere Platte 61 ist wesentlich kleiner und befindet sich innerhalb der Bohrung der Gitterplatte 4. Durch seitliche Streben 62 ist sie mit der oberen Platte 6 starr verbunden. Auch sind hier wiederum Stifte 7 in diesem Rahmen geführt, die durch Federn 71 die Einspannung des Brennelementes 5 besorgen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 stützt eich die untere Platte 63 des Rahmens auf Vorsprünge 44 der unteren Gitterplatte 4 ab. In dieser Platte 63 sind Stifte 73 verschieblioh gelagert, die mit der oberen Platte 6 starr verbunden sind. Diese wiederum ist auf den Paßstiften 43 der unteren Gitterplatte 4 gleitend gelagert und steht in direktem Eontakt mit dem Brennelementfuß 5» der auf diese Weise über die Federn 71 wieder nach oben gegen die obere Gitterplatte 41 gedrückt wird.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Platte 6 mit paarweise angeordneten Stiften 73 versehen, auf denen eine Lasche 74 durch die Federn 71 nach oben gedrückt wird. Durch Bohrungen in der Platte 6 greifen Stifte 52 des Brennelementfußes hindurch und stützen sich auf den Verbindungslaschen 74 ab. Da letztere unter Federdruck stehen, wird auf diese Weise das Brennelement gegen die obere Gitterplatte 41 gedrückt. Die Ausführungen gemäß Fig. 5a zeigen einen ähnlichen Aufbau wie jene in Fig. 5. Anstelle der Stifte 52, die mit dem Brennelementfuß 5 fest verbunden waren, tritt hier eine vom Brennelement getrennte Platte 63, die über eingesetzte Stifte 75 mit den Stegen 74 in Verbindung steht.

Im Beispiel nach Fig. 6 ist eine ganz ähnliche Konstruktion

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wie in Fig. 5a vorgesehen, die Kraftübertragung erfolgt hier durch auf den Verbindungslaschen 74 von ;|eweilg swei parallelen Stiften 73 angebrachte Tragstifte Θ1, als in entsprechenden· Bohrungen der Platte 6 -gleiten "können.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 enthält ein zentrales Rohr 76, das mit seinem oberen Rand
fuß drückt. Die Krafteinleitung erfolgt die auf Stiften 73 geführt sind₈ über einen fIsnseh 75 a® 76. Die Platte 6 ist mit durchgehenden 2@nt?i©ritiftan 9 ^®r° sehen, die die Verbindung zur Gitterplatt® 4 ©lementfuS 5 herstellen? das Eohr 76 gl©it<st igJati in oar tralbohrung der Platt© β und ^7irä susi-tgliok äix^eJi Sea Flansch 77 geführt» des¹ mit Botemgea fte di© Stif-fe© 73 ^@s= sehen ist.

In der Pig. 8 ist ein Aus£ütaings1a@ispi®l ebenfalls mit einem Eohr 76 als Kraftübartragungsglied gagenüber daa Breimelementfiaß 5 öie&to Dieses ist hier lediglich wesentlich Mirssr geäaltsn ^aai bsaötigt öeanaeli au^ ©iasa einzigen ianterea Haas eh 77 sur führung auf d©a Faeerstift^n 73. Me federn 71 greifen da"b®i unterhalb äi©ies !Isasehringes 77 an.

Gegenüber den bisher erwähntsn B©ispi@l®n ist jsnes in FIg₉ 9 wesentlich vereinfacht«. Hier besteht di© Platte des Spannelemsntes 51 aus einer Querträgers© 61₉ di® iiagonal zur Maschtnkonstruktion d©r Sitterplatt® 4 mit Paßstiften 9 eingesetzt ist. Dies© sorgen &noh für di© Zentrierung des Brennelementfußes 5o Im G©g©nsats au den bisherigen Beispielen ist hier nur ein eiasiger zentraler Spannmechaniamus vorgesehen. Dieser besteht aus ©iaem an der Traverse befestigten Stift 78 und einem darauf verschieblichen Gabelschuh 79» der durch die Feder 71 die Spannkraft auf das Brennelement 5 überträgt. Sa in diesem Beispiel nur eine Fedsr vorgesehen ist, muß diese selbstverständlich eine wesentlich größere Federkraft besitzen als jene in den übrigen Ausführungsbeispielen, bei denen stets mehrere Federn die Spannkraft aufbringen.

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Duron dieae Vielzahl von Konstniktionsbeispielen ist dargestellt , daß eine derartige Spanneinrichtung leicht an die übrige konstruktive Ausführungsform des Eeaktorkerns,sowohl jene der Brennelemente als auch jene den* Tragkonstruktion angepaßt werden kann. Durch die Einführung eines zentralen Rohres als Kraftübertragungselement kann auch eine Ausrichtung der Kühlmittelströmung vor ihrem Eintritt in die Brennelemente bewirkt werden, wobei auch durch den Querschnitt eines derartigen Hohres eine Beeinflussung der Kühlmitteldurchtrittsmenge möglich ist. Ganz abgesehen davon, daß darin auch an sich bekannte Droeseleinrichtungen zusätzlich eingebaut werden können. Ea ist weiterhin ersichtlich, daß eine derartige Konstruktion sehr raumsparend ausgeführt werden ψ kann und somit praktisch keine Irhöhtoig des Reaktorkernes mit sich bringt. Bei größtmöglicher konstruktiver Einfachheit und damit auch Auswechselbarkeit der Einzelteile ist eine sichere Fixierung der entsprechenden Enden der Brennelemente gegenüber der Gitterplatte gegeben, 30 daß bei praktisch ungehinderter f/ärmedehnungsmöglichkeit der Brennelemente in axialer Sichtung dennoch eine derart stabile Halterung derselben in horizontaler Richtung gegeben ist, daß die Anregung von Schwingungen auf ein Mindestmaß begrenzt ist.

Wie bereits erwähnt, sind die Spannelemente nach dieser Erfindung in den beschriebenen Ausführungsbeispielen auf der unteren Gitterplatte als bevorzugtem Anbringungsort einge-" setzt. Sie könnten aber auch am oberen Ende des Brennelementes - also unter der oberen Gitterplatte - angeordnet werden. Die Wahl des Einsatzortes wird dabei von dar gewählten Reaktorkonstruktion sowie der Brennelementwechseltechnik abhängen.

5 Patentansprüche
10 Figuren

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Claims

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1.iLeistungskernreaktor, dessen aktive Zone aus einer größeren ^s"-' Zahl von stabförmige Brennstäbe enthaltenden Brennelementen "besteht, die zwischen einer unteren und einer oberen Gitterplatte gehaltert sind, dadurch gekennzeichnet ₉ daß zwischen jedem Brennelement und einer der beiden Gitterplatten ein federndes Spannelement angeordnet ist₉ das mit dem Brennelementende einerseits und einer Gitterplatte andererseits in Eingriff steht.

2. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement aus einem für den Kühlmit'telstrom durchbrochenen Rahmen besteht? der t£b©r PaSstifte und/oder Bohrungen mit Bohrungen und/oder Paßatiften in Brennelementende und Gitterplatte im Eingriff steht und über unter Pederdruck stehende Stifte das Betonelement in Richtung der Kühlmittelströmung an die andere Gitterplatte andrückt.

3. Leistungskernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte über einen starr mit ihnen verbundenen Anschlagring am Brennelementende anliegen.

4. Leistungskernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelementende über stiftartige Vorsprünge mit unter Eederdruck stehenden Anschlagflächen, die auf starren Stäben geführt sein können, in Verbindung steht.

5. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch.gekennzeichnet, daß das Spannelement aus einem Diagonalsteg besteht, der über zwei Paßstifte gegenüber Gitterplatte und Brenneleaentende justiert ist und die Spannkraft über einen zentral angeordneten, unter Pederdruck stehenden Anschlagstift aufbringt.

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