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Brennelementskelett Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelementskelett
zur exakten Aufnahme einer Vielzahl von Kernreaktorbrennstäben, das aus je einem
Eopf- und Fußstück, den verbindenden Steuerstabführungsrohren sowie gitterartigen
Abstandshaltern für die Brennetäbe besteht. Derartig aufgebaute Brennelemente finden
insbesondere für Leichtwasser-Kernreaktoren Verwendung. Zur Regelung solcher Kernreaktoren
tauchen die Steuerstäbe, sogenannte Fingerregelstäbe, in die Steuerstabführungsrohre
ein, die an Brennstabpositionen vieler Brennelemente angeordnet sind und gleichzeitig
wesentliche Teile des Brennelementskelettes darstellen, das für die Festigkeit und
Maßhaltigkeit des ganzen Brennelementes verantwortlich ist. Dieses Brennelementskelett
muß daher von sich aus eine beachtliche Festigkeit und Steifigkeit aufweisen. Die
in verschiedenen Ebenen für die Justierung der einzelnen Brennstäbe benötigten Abstandshaltergitter
werden in ihrer Sollage durch Befestigung an diesen Steuerstabführungsrohren gehalten.
Gleichzeitig sorgen sie für eine gegenseitige Abstützung der Steuerstabführungsrohre
und damit auch zur Erhöhung der Eigensteifigkeit des Brennelementskelettes. Die
Verbindung zwischen den einzelnen Abstandshaltergittern und den Steuerstabführungsrohren
wird üblicherweise durch Schweißen hergestellt. Diese Technik ist jedoch praktisch
nur anwendbar, wenn es sich bei den Steuerstabführungsrohre'n und den Abstandshaltergittern
um artverwandte Materialien handelt. Wenn jedoch
aus neutronphysikalischen
Gründen unterschiedliche Materialien Verwendung finden müssen, wie z.B. auf der
einen Seite rostfreier Stahl und auf der anderen Seite eine Zirkonlegierung, lassen
sich keine zuverlässigen Löt- und Schweißverbindungen mehr anbringen. Dann muß zu
rein mechanischen Verbindungen übergegangen werden, wie sie im Prinzip beispielsweise
in der deutschen Patentanmeldung p 20 23 587.4 vorgeschlagen werden.
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Da der Zusammenbau eines Brennelementskelettes große Sorgfalt erfordert
und andererseits die UberprUfung der Verbindungsstellen auf einfache Art und Weise
möglich sein soll, ergab sich die Aufgabe, nach einer solchen Verbindungsmöglichkeit
zwischen Abstandshaltergittern und Steuerstabführungsrohren zu suchen, die unabhängig
von den verwendeten Strukturmaterialien eine einfache Montage und gleichzeitig eine
genügend kraftschlüssige und überprüfbare Verbindung ermöglicht. Eine Lösung dieser
Aufgabe wurde erfindungsgemäß darin gefunden, daß zur gegenseitigen Halterung zwischen
Abstandshaltergittern und Steuerstabfuhrungarohren auf letzteren angebrachte Vorsprünge
vorgesehen sind, die mit den Wandungen der von den Führungsrohren durchsetzten Abstandshaltergittermaschen
rein mechanisch in Eingriff stehen. Diese Vorsprünge bestehen aus kurzen Stiften
aus mit dem Führungsrohr durch Schweißen oder Löten zuverlässig verbindbaren Materialien
und werden bereits bei der Herstellung der Führungsrohre angebracht. Sie können
auch als Hohlniete ausgebildet sein, die bei Bedarf nach Herstellung der mechanischen
Verbindung umbördelbar sind.
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Zur besseren Veranschaulichung dieses Erfindungsprinzipes sei auf
die Figuren 1 bis 12 verwiesen, in denen außer einer Prinzipskizze eines derartigen
Brennelementekelettes verschiedene konstruktive Möglichkeiten für die Verbindung
zwischen Steuerstabführungsrohren und Abstandshaltergittern dargestellt ist.
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Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht schematisch den Aufbau eines derartigen
Brennelementskelettes. Dieses besteht aus dem Kopfstück 1 und dem Fußstück 2, das
sind üblicherweise rahmenartige Gebilde, in denen die Steuerstabführungsrohre 3
starr befestigt sind. Für den Durchtritt des Kühlmittels sind sie in ihrem Inneren
mit zahlreichen Bohrungen versehen, unter Umständen können sie auch die nicht dargestellten
Brennstäbe des Brennelementes in axialer Richtung haltern. Die Abstandshaltergitter
4 sind, über die gesamte Länge des Brennelementes verteilt, übereinander angeordnet.
Sie bestehen normalerweise aus sich kreuzenden Stegen 41 und 42, siehe auch Fig.
2 und die übrigen Figuren, durch deren Maschen die einzelnen Brennstäbe hindurchgeführt
sind. An einzelnen Brennstabpositionen werden sie von den Steuerstabführungsrohren
3 - siehe Fg. 2 - durchsetzt und halten somit auch diese auf dem vorgeschriebenen
Sollabstand. Diese Abstützung ist notwendig, da solche Brennelemente durchaus mehrere
Meter lang sein können und der Durchmesser der Führungsrohre etwa in der Größenordnung
von nur 12 mm liegt. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß in den einzelnen
Abstandshaltermaschen noch federnde und starre.
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Anlageeinrichtungen zur genauen Zentrierung der einzelnen Brennstäbe
vorgesehen sind. Aus tbersichtlichkeitsgründen wurde jedoch auf deren Darstellung
im einzelnen verzichtet, zumal sie für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ohne Bedeutung sind. Es soll jedoch. darauf hingewiesen werden, daß selbstverständlich
auch andere Abstandshaltergitter vorkommen können, z.B. in Dreiecksgeometrie oder
in radialer Geometrie. Die Abstandshaltergitter können außerdem im Gegensatz zu
jenen aus sich kreuzenden Blechbändern hergestellten, aus dem vollen Material herausgearbeitet
sein. Auch der äußere Querschnitt des Brennelementes ist für den Gegenstand der
vorliegenden Erfindung ohne Bedeutung, auch soll betont werden, daß dieser nicht
auf leichtwasser- oder flüssigkeitsgekühlte Kernreaktoren allein beschränkt ist.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist zur Erzielung einer ausreichenden
Steifigkeit dzs gesamten Brennelementskelettes eine starre Verbindung zwischen den
Steuerstabführungsrohren 3 und den AbsX ndshaltergittern 4 erforderlich. Gemäß Fig.
3 wurde dies nach dem Stand der Technik mit Hilfe von Schweißpunkten 31 durchgeführt.
Derartige Befestigungen sind jedoch nur zwischen artgleichen Materialien möglich,
außerdem ist die Anbringung der Schweißpunkte oftmals mit Schwierigkeiten verbunden,
ihre Beschaffenheit ist außerdem nur schwer einwandfrei kontrollierbar.
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Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Steuerstabführungsrohr,
auf dem Vorsprünge gemäß der Erfindung angeordnet sind.
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Diese bestehen hier aus Stiften 32, die beispielaweise nach dem Punktschweißverfahren
auf dem Rohr 3 befestigt sind und auch normalerweise aus dem gleichen Werkstoff
bestehen. Es wird sich also um Zirkonlegierungsstifte handeln, wenn das Rohr 3 selbst
aus einer Zirkonlegierung besteht. In einer Ebene unterhalb dieser Vorsprünge 32
sind Vorsprünge 33 gezeichnet, die als Rohrniete ausgebildet, also hohl sind und
gemäß Fig. 11 nach ihrem Eingriff mit den Abstandshaltergitterstegen 41 oder 42
umgebördelt werden können.
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Die Fig. 5 zeigt nun die Zuordnung eines Steuerstabfiihrungsrohres
mit den Vorsprüngen 32 gemäß Fig. 4 im Abstandshaltergitter. Die Vorsprünge 32 befinden
sich jeweils in der Mitte ober- und unterhalb einer Seite der Abstandshaltergittermasche,
80 daß das Führungsrohr 3 in axialer Richtung starr mit dem Abstandshaltergitter
4 verbunden ist. Für die Montage werden dazu die Führungerohre 3, entsprechend Fig.
6, durch die Maschen der hintereinander angeordneten Abstandshaltergitter 4 geschoben,
wobei die Vorsprünge 32 jeweils in einer Diagonale der Abstandshaltergittermaschen
liegen. Anschließend
wird das Führungsrohr 3 um 450 gedreht, so
daß die Vorsprünge ober- und unterhalb der Stege 41 und 42 zu liegen kommen und
somit in axialer Richtung festgelegt sind. Bei dieser gonstruktion ist es lediglich
notwendig, die Führungsrohre an einer späteren Verdrehung zu sichern, was normalerweise
durch ihre Befestigung im Kopf- und Fußstück des Brennelementskelettes gegeben ist.
Selbstverständlich ist es nicht unbedingt notwendig, in einer Viereckmasche vier
Vorsprünge 32 vorzusehen, aus Festigkeitsgründen könnten unter Umständen zwei diagonal
angeordnete derartige Vorsprünge genügen. Als Drehsicherung bei der Montage kann
eine konstruktive Variante gemäß Fig. 7 herangezogen werden, bei der die obere Stegkante
etwas hochgezogen ist, so daß der Vorsprung 32 erst nach einem federnden Wegdrücken
des Stegmaterials in diesen Vorsprung 43 einrastet.
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Eine weitere Möglichkeit der Halterung in radialer Richtung ist in
der Fig. 8 dargestellt. Hier sind die entsprechenden Wände der Abstandshaltergittermaschen
durch Zungen 44 verlängert, die mit einer Aufnahmebohrung für die Vorsprünge 32
versehen sind. Auch hier geschieht die Einführung zur Montage der Steuerstabführungsrohre
entsprechend Fig. 6. Durch die Drehung des Führungsrohres werden die Vorsprunge
44 bis zum Einrasten der Vorsprünge 32 in den Bohrungen federnd weggedrückt.
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In manchen Fällen genügt eine Halterung der Führungsrohre in der Zentralzone
der Abstandshaltergitter. Hier ist zur Halterung ein Schlitz 45 vorgesehen, in den
nach einer Drehung gemäß Fig. 6 der Vorsprung 32 in dargestellter Weise einrastet.
Diese Verbindung kann sich dabei auf alle vier Maschenwände erstrecken, jedoch kann
unter Umständen auch das Einrasten in zwei gegenüberliegenden Maschenwänden genügen.
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Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 10 dargestellt. Hier sind die
Maschenwände mit leicht nach außen gebogenen Vorsprüngen 46 versehen und in diesen
wiederum eine Öffnung 47 zur Aufnahme der Vorsprünge 32 angebracht, Für die Montage
der Führungsrohre wird in diesem Fall dasselbe wiederum gemäß Fig. 6 eingeschoben,
bis die Vorsprünge 32 oberhalb der Jeweiligen Abstandshaltergitter zu liegen kommen.
Sodann wird die Drehung der Führungsrohre um 450 vorgenommen, so daß sich die Vorsprünge
in der gestrichelt eingezeichneten Lage befinden. Alsdann werden die Vorsprünge
durch axiale Verschiebung der Führungsrohre in Eingriff mit den Bohrungen 47 gebracht,
wobei die Maschenwände der Abstandshaltergitter kurzzeitig elastisch verformt werden.
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In Anbetracht der Notwendigkeit, den Strukturmaterialaufwand innerhalb
eines Brennelementes so gering als möglich zu halten, kann es oftmals genügen, die
Verbindung zwischen Führungsrohr und Abstandshaltergitter in axialer Richtung jeweils
nur nach oben oder unten vorzunehmen. Dieser Fall ist schematisch in Fig. 12 dargestellt,
das einen Ausschnitt aus einem derartigen Brennelementskelett darstellt. Die Lage
der Vorsprünge 32 ist hier ähnlich wie in Fig. 5, jedoch entweder nur oberhalb oder
unterhalb der Abstandshaltergitter 4.
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Insgesamt sind jedoch genügend Anlagepunkte vorhanden, um eine axiale
Verschiebung von entweder Steuerstabführungsrohren 3 oder Abatandshaltergittern
4 mit Sicherheit zu verhindern.
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Wie bereits erwähnt, kann durch Verwendung von Hohlnieten anstelle
der Vollstifte nach erfolgter Montage der einzelnen Führungsrohre 3 eine zusätzliche
Lagesicherung durch Umbördeln derselben vorgenommen werden.
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Zusammenfassend ist zu sagen, die Anbringung der Vorsprünge 32 auf
den Führungsrohren 3 ist problemlos, die Montage derselben ist denkbar einfach,
für die Überprüfung dieser Verbindung genügt der Augenschein. Der Zeitaufwand für
die Montage ist im Gegensatz zu fruher ganz wesentlich verringert.
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7 Patentansprüche Figuren