DE2162171B2 - Verspannungssystem für Kernelemente eines Reaktorkernes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verspannungssystem für prismatische Kernelemente eines vertikalen, längszylindrischen Reaktorkerns, bestehend aus am Umfang des Kernes angeordneten Spannelementen, die radiale Spannkräfte in einzelnen Ebenen vom Kernmantel auf die Kernelemente ausüben.

Solche Kernverspannungen dienen dazu, die Dimensionsstabilität der Reaktorkernstruktur in allen Betriebszuständen des Reakiors in soweit zu sichern, daß die Strukturkoeffizienten der Reaktivität jederzeit definiert und zulässig sind. Darüber hinaus soll erreicht werden, daß trotz der Strahlenschädigung der Strukturmaterialien — d. h. bei einem Verspröden, eine.n differentiellen Schwellen oder strahlungsinduziertem Kriechen derselben — die Reaktorbetriebszeit hoch ist. Erreichbar sind diese Ziele nur, wenn im Kern dauernd verbleibende Stützstrukturen vermieden werden, d.!:. wenn die Verspannung von außen in sogenannten Verspannungsebenen erfolgt, wenn die Materialbeanspruchungen überall in zulässigen Grenzen gehalten werden und wenn für eine leichte Austauschbarkeit aller Kernelemente (z. B. Brennelementhandhabung, Regelstab- und Abschaltführungsrohre) gesorgt wird. Die Lage dieser Verspannungebenen, d. h. der Ebenen in welchen die Brennelemente aneinander stoßen, ergibt sich unter Beachtung der theoretischen Biegelinie des Kernelementes, die sich unter den verschiedenen Beanspruchungen einstellt, aus den Anforderungen hinsichtlich der Reaktivitätskoeffizienten und der Materialbeanspruchungen.

Besonders problematisch ist in diesen Verspannungsebenen bei natriumgekühlten Kernreaktoren mit Kühlmitteltemperaturen von 500—600⁰C das Problem der überhöhten Reibungskoeffizienten. Durch diese, teilweise auf dem Effekt der Selbstverschweißung beruhenden, erhöhten Reibungskoeffizienten wird in den Verspannungsebenen die Kraftoinleitung in das Kernelementbündel erheblich erschwert bzw. unmöglich gemacht.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein Verspannungssystem für solche Kernelemente zu schaffen, bei welchem die Reibungskräfte in den Verspannungsebenen zwischen den einzelnen Kernelementen gegenüber den bekannten Systemen verringert werden, so daß eine gleichmäßigere Kernverspannung unter allen Betriebszuständen des Reaktors sichergestellt ist und welches darüber hinaus einfacher betätigbar ist und ein leichteres Be- und Entladen der Kernelemente ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei dem Verspannungssystem der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß darin, daß die Kernelemente in den einzelnen Verspannungsebenen über Lagerelemente wie Kugeln, Rollen, Kugel- oder Nadellager oder elastisch verformbare Federelemente miteinander in Verbindung stehen. Ein erheblicher Vorteil darin, daß in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Lagerelemente an Federn angebracht sind oder an

unter den Verspannungskräften in den Verspannungs· ebenen elastisch verformbaren Teilen angreifen.

In vorteilhafter Weise ist in den Verspannungsebenen ein in die Hüllwand der Kernelemente einsetzbarer rohrförmiger Kastenteil angeordnet, an dessen Außenseite alle, die Verspannungsbewegungen und -kräfte aufnehmenden bzw. übertragenden Teile angebracht sind. Konstruktiv sind die Lagerelemente vorteilhr.fterweise in der Art ausgeführt, daß in den Verspannungsebenen an den Berührungsstellen der Kernelemente in nischenartigen Vertiefungen der Außenseite des Kastenteils je zwei Rollen mit zum Kernelement paralleler Mittelachse eingebaut sind, deren äußerer Durchmesser über die Außenseite hinausragt und deren Wellenzapfen mit Axialspiel durch Nadellager im Kernelementkasten drehbar gelagert ist. Die eigentlichen Berührungsstellen sind dabei so ausgebildet, daß die Rollen bezogen auf dsn jeweilig geraden Wandteil des Kastenteils aus der Mitte versetzt sind, so daß bei sie!, paarweise gegenüberliegenden Wandteilen jede Rolle auf den Wandteil des benachbarten Kastenteils zu liegen kommt, der seitlich neben eier Vertiefung liegt, wobei dieser Wandteil biegeelastisch senkrecht zur Verspannungskraft ausgebildet ist. Auf diese Art kommen die Rollen in vorteilhafter Weise zur Anlage an der jeweils gegenüberliegenden Wand, verformen diese elastisch und bewirken dadurch den eigentlichen Verspannungsdruck in der Verspannungsebene, der sich somit auf günstigste Weise durch den ganzen Reaktorkern verteilen kann. In vorteilhafter Weise besteht der biegeelastische Wandteil aus einem Biegestab, der senkrecht zur Wand in einer Ausnehmung des Kastenteils nach Art eines Biegebalkens zweipunktgelagert ist. Dabei kann die Kastenwand hinter den Biegestab der Biegelinie so angepaßt sein, daß unter maximaler Verspannungskrafi der Biegestab an die angepaßte Kastenwand zur Anlage kommt. Hierdurch kann eine Verformungsbegrenzung erreicht werden.

Die Verspannung am Umfang eines z. B. natriumgekühlten Reaktorkernes mit hexagonalen Kernelementen erfolgt in vorteilhafter Weise dadurch, daß die am Umfang des Reaktorkernes angeordneten Spannelemente ebenfalls hexagonalen Querschnitt aufweisen und über den Bereich zwischen den Spar.nebenen längs geteilt sind, wobei in diesem Bereich der den Kernelementen gegenüberliegende Spannelementkastenteil beweglich ist und kolbenartig abgedichtet in den anderen Kastenteil hineinragt, daß der Innenraum zwischen den beiden Kastenteilen etwa mit Natriumeintrittsdruck und der Außenraum zwischen Spannelementen und Kernelementen mit Natriumaustrittsdruck in Verbindung steht und daß zwischen den beiden Kastenteilen eine Rückholfeder für den beveglichen Spannelementkastenteil in Form eines Biegestabes vorgesehen ist. Auf diese Art kann in einfacher Weise die Verspannung des Reaktorkerns mit einem Niederdruck durchgeführt werden, der in der Größenordnung des Natriumeintrittsdruckes liegt und für dessen Erzeugung handelsübliche Natriumpumpen verwendet werden können. Es kann jedoch auch der Natriumdruck ι der eigentlichen Kühlmittelpumpen verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden in schematischen Ausführungsbeispielen anhand der F i g. 1 bis 6 näher erläutert:

Die Fig. 1 zeigt die theoretischen Biegelinien von t Reaktorkernelementen in verschiedenenen Zuständen Die F i g. 2 einen Querschnk; durch den Reaktorkern Die Fig. 3 Einzelheiten der Kernelemente an ihren Berührungspunkten in der jeweiligen Verspannungsebene

Die Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie AB in der Fig.3

ι Die F i g. 5 eines der am Umfang angeordneten Spannelemente im Seitenschnitt

Die F i g. 6 einen Schnitt entlang der Linie CD in der Fig.5

In der Fig. 1 sind die theoretischen Biegelinien 1 der

ι Reaktorkernelemente bei verschiedenen Zuständen im Prinzip dargestellt. Die Reaktorstandzeit beträgt in den Fällen b—d 300 Tage. Zwischen den Linien 2 und 3 befindet sich die Brennstoffzone des Reaktors. Die Linien 4 und 5 bilden die Verspannungsebenen. Die

> Linie 6 die Fußstützebene.

Im Fall 3,1 ist die Biegelinie eines Kernelementes bei rein thermischer Verbiegung im heißen Zustand dargestellt. Im Fall b) zeigt die Biegelinie eines Elementes unter Schwell- und Kriechverformung in

ι kaltem Zustand, wobei keine Verspannung in der Verspannungsebene 5 stattgefunden hat. Im Fall c) ist die Biegelinie des Falles b) dargestellt mit dem Unterschied, daß das Kernelement hier in der Verspannungsebene 5 verspannt ist und im Fall d) befindet sich das Element verspannt im heißen Zustand. Der Fall anzeigt somit den reinen thermischen Einfluß auf die Verbiegung der Kernelemente und die Fälle b)—d) den Einfluß der durch die Reaktorstandzeit bewirkten Strukturmaterialverformung durch Schwellen und Kriechen überlagert mit den Temperatureffekten.

In der F i g. 2 ist ein teilweiser Querschnitt durch den Reaktorkern dargestellt. Die Kernelemente mit hexagonalem Querschnitt bestehen aus Brennelemerten 7, den Brutelementen 8, den Trimmrcgelstäben 9 und den Abschaltstäben 10. Um das zu einer hexagonalen Baueinheit zusammengesetzte Kernelementbündel herum sind innerhalb des Kernmantels 11 die hydraulisch arbeitenden .Spreizelemente 12 angeordnet. Diese sind in dem zu den F i g. 5 und 6 gehörigen Beschreibungsteil näher beschrieben. Das Kühlmittel, in diesem Fall flüssiges Natrium, durchströmt die Kernelemenie innerhalb ihrer Hüllwand und unterliegt bei der Durchströmung einem Druckabfall. In dem Raum 13 zwischen den Spreizelementen 12 und den Brutstäben 8 herrscht Natriumaustrittsdruck, d. h. derselbe Druck wie am Ausgang des Kernelementinnenraums. Der Innenraum des Spreizelementes 12 wird jedoch von Natriumeintrittsdruck, d. h. dem Druck vor Eintritt in den Kernelementinnenraum beaufschlagt, so daß eine Druckdifferenz zu dem Raum 13 besteht.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten des Reaktorkerns in den jeweiligen Verspannungsebenen 4,5.

In die Hüllwand 14 der Kernelemente 7, 8, 9, 10 ist in den Verspannungsebenen 4, 5 ein rohrförmiger Kastenteil 15 eingesetzt und mit ihi verschweißt. Der rohrförmige Kastenteil 15 weist innen einen freien Querschnitt 16 auf, der den unbehinderten Durchtritt des die Kernelemente axial durchströmenden Kühlmittels ermöglicht. Die Druckdifferenz zwischen dem freien Querschnitt 16 und dem Raum 13 entspricht dem jeweiligen, der entsprechenden Kernhöhe zugeordneten Druckabfall, d.h. bei einem völlig unterhalb der Verspannungsebene gelegenen Reaktorkern etwa dem vollen Druckabfall in demselben. Der Kastenteil 15 weist ebenso wie die Kernelemente einen hexagonalen Querschnitt auf und ist an seinen Außenseiten mit nischenartigen Vertiefungen 17 versehen, die bezogen

auf jeden geraden Anteil der hexagonalen Außenfläche seitlich aus der Mitte versetzt sind. In den nischenartigen Vertiefungen 17 ist jeweils eine Rolle 19 zum Kernelemcnt paralleler Mittelachse eingebaut, die an ihrer Ober- und Unterseite je einen Wellenzapfen 20 ο aufweist. Die Wellenzapfen 20 sind an ihren Enden 21 leicht ballig ausgeführt und durch Nadellager 22 in Lagerbüchsen 23 und 24 gelagert. Diese Lagerbüchsen 23 und 24 sind in den Vertiefungen 17 befestigt. Die Rolle 19 ragt dabei mit ihrem äußeren Durchmesser so über die hexagonale Außenfläche 18 des rohrförmigen Kastenteils 15 hinaus und ermöglicht durch ihre leichte Drehbarkeit gegenüber dem Kastenteil 15 und damit auch den Kernelementen eine gewisse Verschiebbarkeit der Kernelemente gegeneinander, trotz Aufbringen ΐΐ einer Vcrspannungskraft bzw. eines Vcrspsnniingsdruk kes in den Verspannungsebenen 4, 5. Um diesen Verspannungsdruck sicherzustellen und zu begrenzen sind die Rollen 19. wie schon erwähnt, seitlich aus der Mitte der hexagonalen Außenfläche 18 versetzt und .?n greifen paarweise an jeder der sich gegenüberliegenden hexagonalen Außenfläche 18 des jeweilig anderen der Brennelementkästen an einer biegestabartigen Feder 25 an. Die Feder 25 ist nach Art eines Biegebalkens durch die Schrauben 26 und 27 in einer Ausnehmung 29 y> zweipunktgelagert und kann durch die besondere Ausbildung des hinter der Feder 25 gelegenen Wandteils 28 des Kastenteils 15 durchfedern. Der Wandteil 28 ist dabei der Biegelinie der Feder 25 so angepaßt, daß unter maximaler Verspannungskraft die in Feder 25 zur Anlage an den Wandteil 28 kommt. Die Durchbiegung der Feder 25 kann dabei in der Größenordnung bis zu einem mm betragen. Unter Umständen können die Rollen 19 auch durch Federelemente ersetzt werden, die Kräfte aus verschiedenen s^r> Richtungen aufzunehmen in der Lage sind. Auch können die Rollen 19 in solchen Federelementen gelagert werden, was zu einer Verminderung der Reibungskräfte führt, jedoch einen etwas erhöhten Bauaufwand bedingt. Bei der bevorzugten Bauart weisen die Rollen 19 und 4« ihre Wellenzapfen 20 in den Lagerbüchsen 23 und 24 ein gewisses Axialspiel auf. Dadurch kann die Rolle 19 in bestimmte Grenzen axial wandern und kommt dann jeweils in den balligen Enden 21 der Wellenzapfen 20 zur Anlage an den Innenflächen der Lagerbüchsen 23 und 24. Dadurch kann eine Blockierung der Rollen 19 durch Axialkräfte vermieden werden.

In den Fig. 5 und 6 sind die am Umfang des Reaktorkernes angeordneten hydraulischen Spreizelemente 12 näher dargestellt. Die Spannelemente 12 so weisen ebenfalls wie die Kernelemente 7, 8, 9 10 einen hexagonalen Querschnitt auf und sind etwa über den Bereich der Verspannungsebenen 4 und 5 längsgeteilt. Das Spannelement 12 besteht in diesem Bereich aus zwei Teilen 30 und 31, wobei der Teil 30 ais innerer Teil anzusehen ist und dem Bereich der Kernelemente gegenüberliegt und der Teil 31 den äußeren Teil bildet, der sich nach außenhin über Distanzstücke 32 am Kernmantel 11 abstützt (siehe F i g. 6 und F i g. 2). Ober- und unterhalb der Verspannungsebenen 4 und 5 ist der innere Teil 30 des Spannelementkastens durch Querwände 33 und 34 axial zur Spannelementlängsachse abgeschlossen. Die Querwände 33 und 34 sind durch eine Rückwand 45 verbunden, so daß im inneren Kastenteil ein geschlossener Hohlraum 35 entsteht Der innere Kastenteil 30 mit dem Hohlraum 35 ist nun senkrecht zur Spannelementlängsachse bewegbar und in den Führungsflächen 36 und 37 mittels Dichtungen 38 abgedichtet. Mittels Distanznoppen 39 und Begren zungsstiften 40 in Langlöchern 41 wird der Weg de: Kastenteils 30 begrenzt. Hinter dem Teil 30 befinde sich ein Hohlraum 43, der mit einem Kanal 42 ir Verbindung steht und gegenüber dem Raum K zwischen den Kernelementen bzw. zwischen der Spannelementen und den Kernclementen abgcdichte ist. Besteht nun eine Druckdifferenz zwischen den Hohlraum 43 und dem Raum 13, so bewegt sich dei innere Kastenteil 30 senkrecht zur Längsachse de: Verspannelementes und kommt an die Kernelementc durch die Rollen 44 zur Anlage. Die Anlagekraf bestimmt sich aus der wirksamen Fläche der Rückwanc 45 und der darauf einwirkenden Druckdifferenz irr Hohlraum 43. Zwischen den beiden Teilen 30 und 31 de; Spannclcrncntcs ist eine Biegefeder 46 in Form eine; Stabes angebracht, die bei einem Wegfall der Druckdif ferenz den inneren bewegbaren Teil 30 wieder in seine Ausgangslage zurückzieht, so daß einerseits die Verspannung aufgehoben ist und andererseits du Kernelemente nach oben aus dem Reaktorkern leich herausgezogen werden können.

Der Raum 13 zwischen den Kernelementen und der Spannelementen ist bei einem natriumgekühlten Kern reaktor mit dem Natriumausirittsdruck beaufschlagt der Hohlraum 43 dagegen ungefähr mit den Natrium eintrittsdruck. Die sich daraus ergebende Druckdiffe renz bewirkt nun die Verspannung der Kernelemente Es ist zweckmäßig, den Druck im Raum 43 durch eine eigene Pumpe zu erzeugen, da im Halblastbetrieb de; Reaktors nur noch etwa ¹A des ursprünglicher Kühlmitteldruckes erforderlich ist und die Verspannung damit lastabhängig wäre. Der die Verspannung bewirkende Na-Differenzdruck in Raum 43 sollte jedoch im Betriebszustand des Reaktors konstant seir und in der Höhe des Druckabfalls im Core liegen, so daC aus Kostengründen zur Erzeugung serienmäßige Pumpen verwendet werden können.

Mit der Erfindung wird in vorteilhafter Weise die Wirkung der hohen Reibungskräfte zwischen den Kernelementen eines Kernreaktors, die vor allem in heißem Natrium durch partielle VerschweiBeffekte sehr hoch sein können, entscheidend herabgesetzt. Im Zusammenwirken mit den elastischen Gliedern kann somit erreicht werden, daß sich die Brennelemente beim Zusammenschieben in den Verspannungsebenen geometrisch richtig in das Hexagonalgitter einordnen Infolge der Reibungsverminderung und durch allseitige Zusammendrückbarkeit der Brennelementquerschnitte in den Verspannungsebenen wird es ermöglicht, daß sich in denselben unter der Wirkung der Umfangsverspannung ein quasihydrostatischer und damit berechenbarer Druckspannungszustand einstellt. Dieser Druckspannungszustand bleibt auch dann beherrschbar, wenn die Brennelementkästen infolge von thermischen strahlungsinduzierten Verformungen (Schwellungen und Kriechverformungen) verbogen werden. Auf ein Anspannen äußerer Spannbacken kann durch die vorteilhafte Reibungsverminderung verzichtet werden, so daß es möglich wird, für die äußere Kernverspannung zusammen ansprechende hydraulische Verspannungselemente einzusetzen. Deren Vorteile liegen in einer wesentlich vereinfachten Konstruktion, wodurch unter anderem auch eine verkürzte Spannzeit ermöglicht wird und darin, daß sie sich wie die Corelemente mittels der dafür vorgesehenen Manipulatoren und Wechseleinrichtungen aus dem Kernelementverband auswechseln lassen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verspannungssystem für prismatische Kernelemente eines vertikalen, längszylindrischen Reaktorkernes, bestehend aus am Umfang des Kernes angeordneten Spannelementen, die radiale Spannkräfte in einzelnen Ebenen vom Kernmantel auf die Kernelemente ausüben, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernelemente (7, 8, 9, 10) in den einzelnen Verspannungsebenen (4, 5) über ιυ Lagerelemente wie Kugeln, Rollen, Kugel- oder Nadellager oder elastisch verformbare Federelemente miteinander in Verbindung stehen.

2. Verspannungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerelemente an Federn angebracht oder an unter den Versp&nnungskraften in den Verspannungsebenen elastisch verformbaren Teilen angreifen.

3. Verspannungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verspannungsebenen (4, 5) ein in die Hüllwand (14) der Kernelemente (7,8,9,10) einsetzbarer, rohrförmiger Kastenteil (15) angeordnet ist, an dessen Außenseite

(18) alle, die Verspannbewegungen und -kräfte aufnehmenden bzw. übertragenden Teile angebracht -5 sind.

4. Verspannungssystem nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Berührungsstellen der Kernelemente (7, 8, 9, 10) in nischenartigen Vertiefungen (17) der -so Außenseite (18) des Kastenteils (15) je zwei Rollen

(19) mit zum Kernelement paralleler Mittelachse eingebaut sind, deren äußerer Durchmesser über die Außenseite (18) hinausragt und deren Wellenzapfen

(20) mit Axialspiel durch Nadellager (22) im Kastenteil (15) drehbar gelagert ist.

5. Verspannungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (19) bezogen auf die jeweilig gerade, äußere Wandfläche (18) des Kastenteils (15) aus der Mitte versetzt sind, so daß bei sich paarweise gegenüberliegenden Teilen (18) jede Rolle (19) auf den Wandteil des benachbarten Kastenteils zu liegen kommt, der seitlich neben den Vertiefungen (17) liegt, wobei dieser Wandteil biegeelastisch senkrecht zur Verspannungskraft ausgebildet ist.

6. Verspannungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der biegeelastische Wandteil aus einem Biegestab (25) besteht, der parallel zur Wand in einer Ausnehmung (29) des Kastenteil (15) w nach Art eines Biegebalkens zweipunktgelagert ist und daß die Kastenwand (28) hinter dem Biegestab (25) der Biegelinie so angepaßt ist, daß unter maximaler Verspannungskraft der Biegestab an die angepaßte Kastenwand (28) zur Anlage kommt. '5

7. Verspannungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für einen natriumgekühlten Reaktorkern aus Kernelementen mit hexagonalem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die am Umfang des Reaktorkernes angeordneten Spannelemente (12) w> ebenfalls hexagonalen Querschnitt aufweisen und über den Bereich zwischen den Spannebenen (4, 5) längsgeteilt sind, wobei in diesem Bereich der den Kernelementen gegenüberliegende Spannelementkastenteil (30) beweglich ist und kolbenartig ^h> abgedichtet in den anderen Kastenteil (31) hineinragt, daß der Innenraum (43) zwischen den beiden Kastenteilen (30, 31) mit Natriumeintrittsdruck und der Außendruck (13) zwischen Spannelementen (12) und Kernelementen (7,8,9,10) mit Natriumaustrittsdruck in Verbindung steht und daß zwischen den beiden Kastenteilen (30, 31) eine Rückholfeder (46) für den beweglichen Spannelementkastenteil (30) in Form eines Biegestabes vorgesehen ist.