DE2259495A1 - Brennelementskelett - Google Patents

Brennelementskelett

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DE2259495A1
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DE2259495A
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Inventor
Helmut Bezold
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/32Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
    • G21C3/33Supporting or hanging of elements in the bundle; Means forming part of the bundle for inserting it into, or removing it from, the core; Means for coupling adjacent bundles
    • G21C3/332Supports for spacer grids
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Steuerstabführungsrohr, auf dem Vorsprünge gemäß der Erfindung angeordnet sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Insgesamt sind jedoch genügend Anlagepunkte vorhanden, um eine axiale Verschiebung von entweder Steuerstabführungsrohren 3 oder Abatandshaltergittern 4 mit Sicherheit zu verhindern.
  • 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.
  • 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.
  • 7 Patentansprüche Figuren

Claims (7)

  1. Patentansprnche G Brennelementakelett zur exakten Aufnahme einer Vielzahl von Kernreaktorbrennstäben, bestehend aus Kopf- und Fußstück, den verbindenden Steuerstabführungsrohren sowie gitterartigen Abstandshaltern für die Brennetäbe, dadurch gekennzeichnet, daß zur gegenseitigen Halterung zwischen Abstandehaltergittern und Steuerstabführungsrohren auf letzteren angebrachte Vorsprünge vorgesehen sind, die mit den Wandungen der von den Führungsrohren durchsetzten Abstandshaltergittermaschen rein mechanisdi in Eingriff stehen.
  2. 2. Brennelementskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge aus kurzen Stiften aus mit dem Führungsrohr durch Schweißen oder Löten zuverlässig verbindbaren Materialien bestehen.
  3. 3. Brennelementskelett nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Stifte die Gestalt eines Hohlnietes besitzen, der nach Herstellung der mechanischen Verbindung umbördelbar ist.
  4. 4. Brennelementskelett nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge an wenigstens zwei diametral gegenüberliegenden Oberflächenpunkten der Führungsrohre angebracht sind.
  5. 5. Brennelementskelett nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Abstandshaltsrgittermaschen mit axialen federnden Vorsprüngen versehen sind, die mit Aufnahmebohrungen für die Vorsprünge versehen sein können.
  6. 6. Brennelementskelett nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wandungen dieser Abstandahaltergittermaschen Schlitze für das Einrasten der Vorsprünge auf den Führungsrohren durch axiale Verschiebung bzw.
    Drehung derselben vorgesehen sind.
  7. 7. Brennelementskelett nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge der einzelnen Steuerstabführungsrohre abwechselnd ober- und unterhalb der Abstands haltergitter mit diesen in Eingriff stehen.
    Leerseite
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