DE2140170B2

DE2140170B2 - Federndes Spannelement in Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2140170B2
Application number: DE712140170A
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: 1979-03-08
Also published as: US4006055A; JPS4827193A; BE787283A; FR2148549B1; DE2140170A1; CH539320A; FR2148549A1; GB1395936A; DE2140170C3; IT963846B

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungskernreaktor, dessen aktive Zone aus einer größeren Anzahl von stabförmige Brennstäbe enthal- « tenden 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 kann, in so Längsrichtung durchströmt, siehe die DE-OS 19 33 053 und 19 08 379. Durch diese Strömung können nun die Brennelemente bzw. die Brannstäbe innerhalb derselben mechanisch so beansprucht werden, daß es zum Aufschaukeln von Schwingungen kommen kann. Dies köPüte 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 unterschied!!- chen 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 verhältnismä-Big komplizierte Konstruktionen, da ein Vibrieren der Brennelemente mit Sicherheit vermieden werden muß. Eine federnde Lagerung der Brennelemente auf ihrer Tragplatte ist zur Verbesserung ihrer Verrieglung mit der Wandung des Kern-Tragkorbes vorgeschlagen worden, siehe die DD-PS 43 757. Konstruktive Einzelheiten werden nicht erwähnt, außerdem steht der dort gezeigte einseitige Verriegelungsmechanismus einer kraftsymmetrischen Einspannung der Brennelemente entgegen, wie sie zur Verringerung von Brennelementschwingungen notwendig wäre.

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, daB zwischen jedem Brennelement und einer der beiden Gitterplatten in an sich bekannter Weise ein federndes Spannelement angeordnet ist, das mit dem Brennelementende einerseits und der betreffenden Gitterplatte andererseits in Eingriff steht und das Brennelement durch Federdruck an die andere Gitterplatte drückt, und daß das Spannelement aus einem für den Kühlmittelstrom durchbrochenen Rahmen besteht, der über Paßstifte und/oder Bohrungen mit Bohrungen und/oder Paßstiften in Brennelementende und Gitterplatte im Eingriff steht und über unter Federdruck stehende Stifte das Brennelement in Richtung der Kühlmittelströmung an die andere Gitterplatte andrückt.

Auf diese Weise drückt das Spanneiement 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 9 Bezug genommen. Fig. 1 stellt einen schematischen Querschnitt durch ein Kernreaktordruckgefäß dar, aus dem der bevorzugte Anbringungsort dieser Spanneinrichtung zu ersehen ist. Die F i g. 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 Fi g. I 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 5 werden dabei von der unteren Gitterplatte 4 und der oberen Gitterplatte 41 gehaltert. Oberhalb der oberen Gitterplatte 41 sind einige Regelstabführungen 42 schematisch angedeutet. 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 Gitter-

platte 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 F i g. 1 mit einen gestrichelten Kreis umrandet.

Die Fig.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 Rahmen, der aus den in der Mitte durchbrochenen Platten 6 und 61 sowie deren Winkelstücken 62 aufgebaut ist. Auf diesem Rahmen sidn Paßstifte 9 zum Eingriff im Brennelementenfuß 5 sowie Paßstifte 8 zum Eingriff in. der unteren Gitterplatte 4 vorgesehen. In den Platten 6 uad 61 sind Stifte 7 geführt, die mit Hilfe der Federn 71 und einem Anschlag 72 auf denselben nach oben zum Anschlag an den Brennelementenfuß 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, jo 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 Gitterplatte 4 ausgenützt wird. In diesem Falle sind Zentrierbolzen 43 auf der unteren Gitterplatte 4 angeordnet, die das Spannelement und den Brennelemei '.fuß 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 Funktion ähnlich wie jenes in F i g. 2 aufgebaut. Die untere Platte 61 ist wesentlich kleiner und befindet sich innerhalb der Bohrung d-jr Gitterplatte 4. Durch seifliche 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 sich die untere Plaite 63 des Rahmens auf Vorsprünge 44 der unteren Gitterplatte 4 ab. In dieser Platte 63 sind Stifte 73 verschieblich 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 Kontakt mit dem Brennelementfuß 5, der auf diese Weise über die Federn 71 wieder nach oben gegen die obere Gitterplatte 41 gedrückt wird.

Im Äusführungsbeispiel 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 stehe „ wird auf diese Weise das Brennelement gegen die obere Gitterplatte 41 gedrückt.

Die Ausführungen gemäß Fig. 5a zeigen einen ahnlichen Aufbau wie jene in Fig. 5. Anstelle der Stifte 52. die mit dem Brennelementfuß 5 fest verbunden waren, triu hier eine vom Brennelement getrennte Platte 63 auf, die über eingesetzte Stifte 75 mit den Stegen 74 ii Verbindung steht.

Im Bt^;spiel nach Fig.6 ist eine ganz ähnliche Konstruktion wie in F i g. 5a vorgesehen, die Kraftübertragung erfolgt hier durch auf den Verbindungslaschen 74 von jeweils zwei parallelen Stiften 73 angebrachte Tragstifte 81, die in entsprechenden Bohrungen der Platte 6 gleiten können.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 enthält ein zentrales Rohr 76, das mit seinem Rand gegen den Brennelementfuß drückt. Die Krafteinleitung erfolgt durch die Federn 71, die auf Stiften 73 geführt sind, über einen Flansch 75 am Rohr 76. Die Platte 6 ist mit durchgehenden Zentrierstiften 9 versehen, die die Verbindung zur Gitterplatte 4 und zum Brennelementfuß 5 herstellen; das Rohr 76 gle^;;et dabei in der Zentralbohrung der Platte 6 und wird zusätzlich durch den unteren Flansch 77 geführt, der mit Bohrungen für die Stifte 73 versehen ist

In der Fig.8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das ebenfalls mit einem Rohr 76 als Kraftüberiragungsglied gegenüber dem Brennelementfuß 5 dient. Dieses ist hier lediglich wesentlich kürzer gehalten und benötigt demnach nur einen einzigen unteren Flansch 77 zur Führung auf den Federstiften 73. Die Federn 71 greifen dabei unterhalb dieses Flanschringes 77 an.

Gegenüber den bisher erwähnten Beispielen ist jenes in F i g. 9 wesentlich vereinfacht. Hier besteht die Platte des Spannelementes 51 aus einer Quertraverse 61, die diagonal zur Maschenkonstruktion der Gitterplatte 4 mit Paßstiften 9 eingesetzt ist. Diese sorgen auch für die Zentrierung des Brennelementfußes 5. Im Gegensatz zu den bisherigen Beispielen ist hier nur ein einziger zentraler Spannmechanismus vorgesehen. Dieser besteht aus einem an der Traverse befestigten Stift 78 und einem darauf verschieblichen Gabelschuh 79, der durch die ^eder 71 die Spannkraft auf das Brennelement 5 überträgt. Da in diesem Beispie! nur eine Feder vorgesehen ist, muß diese selbstverständlich eine wesentlich größere Federkraft besitzen als jene in den übrigen Ausführungsbeispielen, bei denen stets mehrere Federn die Spannkraft aufbringen.

Durch diese Vielzahl von Kontruktionsbeispielen ist dargestellt, daß eine derartige Spanneinrichtung leicht an die übrige konstruktive Ausführungsform des Reaktorkerns, sowohl jene der Brennelemente als auch jene der Tragkonstruktion angepaßt werden kann. Durch die Einführung eines zentralen Rohres als Kraftübertragungselement kann auch eine Ausrichtung der KUhlmittelströmung vor ihrem Eintritt in die Brennelemente bewirkt werden, wobei auch durch den Querschnitt eines derartigen Rohres eine Beeinflussung der Kühlmitteldurchtrittsmenge möglich ist. Ganz abgesehen davon, daß darin auch an sich bekannte Drosseleinrichtung .n zusätzlich eingebaut werden können. Es ist weiterhin ersichtlich, daß eine derartige Konstruktion sehr raumsparend ausgeführt werden kann und somit praktisch keine Erhöhung 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, so daß bei praktisch ungehinderter Wärmedehnungsmöglichkeil der Bren-

nelemente in axialer Richtung dennoch eine derart stabile I !aliening derselben in horizontaler Richtung gegeben ist, daß die Anregung von Schwingungen auf ein Mindestmaß begrenzt ist.

Wie bereits erwähnt, sind die Spannelcmentc nach dieser Erfindung in den beschriebenen Ausführungsöeispielen auf der unteren Gitterplatte als bevorzugtem Anbringungsort eingesetzt. Sie konnten aber auch am oberen finde des Brennelementes — also unter der oberen Gitterplatte — angeordnet werden. Die Wahl des Eiinsiil/orlcs wird dabei von der gewählten Reaktorkonslriiklion sowie der Hrcnnelementweehscltcehnik abhängen.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 10 15

1. Leistungskernreaktor, dessen aktive Zone aus einer größeren Zahl von stabförmige Brennstäbe enthaltenden Brennelementen besteht, die zwischen einer unteren und einer oberen Gitterplatte gehaltert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Brennelement und einer der beiden Gitterplatten in an sich bekannter Weise ein federndes Spannelement angeordnet ist, das mit dem Brennelementende (5) einerseits und der betreffenden Gitterplatte (4) andererseits in Eingriff steht und das Brennelement durch Federdruck (71) an die andere Gitterplatte (41) drückt, und daß das Spannelement aus einem für den Kühlmittelstrom durchbrochenen Rahmen (6,61,62) besteht, der über Paßstifte (9) und/oder Bohrungen mit Bohrungen und/oder Paßstiften in Brennelementende (5) und Gitterplatte (4) im Eingriff steht und über unter Federdrurk stehende Stifte (7) das Brennelement in Richtung der Kühlmittelströmung an die andere Gitterplatte (41) andrückt

2. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (73) über einen starr mit ihnen verbundenen Anschlagring (6) am Brennelementende (5) anliegen.

3. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelementende über stiftartige Vorspränge (52) mit unter Federdruck (71) stehenden Anschlagflächen (74), die auf starren Stäben (73) geführt sein können, in Verbindung steht.

4. Leistungskernreaktor nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Sp-nnelement aus einem Diagonalsteg (61) besteht, der über zwei Paßstifte (9) gegenüber Gitterplatte (4) urs> Brennelementende (5) justiert ist und die Spannkraft über einen zentral angeordneten, unter Federdruck (71) stehenden Anschlagstift (79) aufbringt.