DE2350700A1 - Brennelementskelett - Google Patents

Description

"8.0KT. 1973

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den

Werner-von-Siemens-Str.

VPA 73/9463 Mü/Hgr

.Brennelementskelett

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelementskelett zur Halterung einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Kernreaktorbrennstäben, die aus einem Kopf- und Fußstück, den diese verbindenden Steuerstabführungsrohren sowie gitterartigen Abstandshaltern für die Brennstäbe besteht. Derartig aufgebaute Brennelemente finden insbesondere für Leichtwasserreaktoren Verwendung. Die Regelung solcher Kernreaktoren erfolgt über Steuerstäbe, sogenannte Fingerregelstäbe, die in die Steuerstabführungsrohre eintauchen. Letztere haben eine doppelte Funktion insofern, als sie außerdem einen wesentlichen Teil des Brennelementskelettes darstellen, das für die Festigkeit und Maßhaltigkeit des ganzen Brennelementes und damjLt jauch für seine Funktion 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 Führungsrohren gehalten und sorgen dabei gleichzeitig für eine gegenseitige Abstützung der Steuerstabführungsrohre und damit auch für eine Erhöhung der Eigensteifigkeit des gesamten Brennelementskelettes.

Üblicherweise wird die Verbindung zwischen den einzelnen Abstandshaltergittern und den Steuerstabführungsrohren durch Schweißen hergestellt. Diese Technik ist praktisch jedoch nur dort anwendbar, wo es sich bei den Steuerstabführungsrohren und den Abstandshaltergittern um artverwandte Materialien handelt. Oftmals müssen jedoch aus neutronenphysikalischen Gründen unterschiedliche Materialien verwendet

509816/0104 " ² "

- 2 - VPA 73/9463

werden, wie z.B. auf der einen Seite rostfreier Stahl für die Führungsrohre und auf der anderen Seite eine Zirkonlegierung für die Abstandshaltergitter. Zwischen beiden Materialien lassen sich aber keine zuverlässigen Löt- und Schweißverbindungen anbringen. Dann muß zu rein mechanischen Verbindungen übergegangen werden, wie sie im Prinzip bereits in den deutschen Patentanmeldungen P 20 23 587.4 sowie P 22 59 495.2 vorgeschlagen werden. Insbesondere ist es dabei wichtig, daß die mechanische Verbindung zwischen den Regelstabführungsrohren und den Abstandshaltergittern eine möglichst große Steifigkeit aufweist und damit dem ganzen Brennelementskelett die gewünschte Festigkeit verleiht. Insbesondere soll auch dadurch die Knickfestigkeit der unter Umständen sehr langen Regelstabführungsrohre erhöht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß zur gegenseitigen Verbindung zwischen Abstandshaltergittern und Steuerstabführungsrohren unter- und oberhalb dieser Gitter Hülsen auf die Führungsrohre bis zum Anschlag auf den Stegen des Abstandshaltergitters aufgeschoben und mit den Führungsrohren metallurgisch verbunden sind. Diese Hülsen können dabei auch in die Abstandshaltermaschen selbst hineingreifen und sind so gestaltet, daß sie auch eine Drehsicherung zwischen den Regelstabführungsrohren und dem Abstandshalterskelett darstellen.

Zur besseren Veranschaulichung dieses Erfindungsprinzipes sei auf die Fig. 1-13 verwiesen, in denen neben dem Stand der Technik verschiedene konstruktive Möglichkeiten für die Verbindung zwischen den Steuerstabführungsrohren und den Abstandshaltergittern dargestellt sind. Die Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht schematisch den Aufbau eines solchen 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

509816/0104 - 3 -

- 3 - . VPA 73/9463

nicht dargestellten Brennstäbe des Brennelementes in axialer Richtung halten. Die Abstandshaltergitter 4 sind über die ganze 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 Fig. 2 - durchsetzt und halten somit auch diese auf den 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. Auf deren Darstellung wurde jedoch aus Ubersichtlichkeitsgründen 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 vorliegender Erfindung ohne Bedeutung, außerdem soll betont werden, daß diese nicht auf leichtwasser- oder flüssigkeitsgefüllte Kernreaktoren allein beschränkt ist.

Wie bereits erwähnt, ist zur Erzielung einer ausreichenden Steifigkeit des gesamten Brennelementskelettes eine starre Verbindung zwischen den Steuerstabführungsrohren 3 und den Abstandshalt er gittern 4 erforderlich. Gemäß Fig. 3 wurde dies nach dem Stande 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 zudem nur schwer einwandfrei kontrollierbar.

_ 4 _ 509816/0104

- 4 - VPA 73/9463

Die folgenden Figuren 4-13 zeigen nun verschiedene Ausführungsmöglichkeiten des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes. Nach Fig. 4 sind zwei Hülsen 5, die aus dem Material des Führungsrohres 3 gefertigt sind, auf dieses bis zum Anschlag auf die Abstandshaltergitter aufgeschoben und metallurgisch mit dem Führungsrohr 3> ζ ·Β. durch Schweißpunkte, verbunden. Auf diese Weise wird nicht nur die axiale Lage des Abstandshaltergitters 4 fixiert, sondern auch das Führungsrohr 3 seitlich auf dem Abstandshaltergitter abgestützt, so daß dessen Steifigkeit und Knickfestigkeit erhöht wird.

Damit auch eine Drehsicherung zwischen dem Abstandshaltergitter und dem Führungsrohr erreicht wird, ist es zweckmäßig, gemäß Fig. 5 die Hülsen 51 mit Einschnitten gemäß Fig. 6 zu versehen und diese somit in Eingriff mit dem Abstandshaltergitter zu bringen. Die Fig. 6 entspricht dabei einer SGhnittansicht entlang der Linie VI-VI von Fig. 5.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 und Fig. 8, letztere stellte einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII von Fig. 7 dar, ragen die Hülsen 52 in den Innenraum der Masche hinein. Sie sind dazu in ihrem hineinragenden Teil seitlich abgefräst und bilden somit ebenfalls eine drehsichere Verbindung. Durch die längere Halterung innerhalb der Abstandshaltermasche ist außerdem eine weitere Erhöhung der Steifigkeit der gesamten Verbindung zu erwarten.

Eine Drehsicherung zwischen Führungsrohren und Abstandshalter ■ gittern ist außerdem durch eine gegenseitige Verklinkung, wie es in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist, zu erreichen. Die Hülsen 53 sind hier mit Aussparungen 53a versehen, in die die Vorsprünge 4la der Abstandshalterstege 41 eingreifen. Die Fig. 10 entspricht einem Schnitt'entlang der Linie X-X von Fig. 9»

Eine weitere Ausführungsform m±t ziisätzllelaen Bauteilen ist in Fig. 11 und 12 dargestellt, FIg=. 12 stellt dabei einen

0ϋ - 5 -

- 5 - ' VPA 73/9463

Schnitt in Längsrichtung entlang der Linie ΧΙΙ-ΧΙΪ von Fig. dar. In diesem Beispiel sind wieder geschlossene Ringe 54 vorgesehen, die mit Sackbohrungen 56 versehen sind. In diese Sackbohrungen greifen Stifte 55 ein, die in den Ecken der Abstandshalt ermasehe angeordnet sind und sich praktisch gegenüber dem Abstandshaltergitter und der Hüllrohraußenwand abstützen. Die Festlegung der Hülse 54 gegenüber dem Führungsrohr 3 erfolgt wiederum beispielsweise über Schweißpunkte, jedoch wäre selbstverständlich auch eine Lötung denkbar.

Zum Zwecke einer Erleichterung des Einschiebens der Hülsen in die Abstandshaltermaschen ist es vorteilhaft, die entsprechenden Einlaufkanten abzuschrägen, außerdem können die Hülsen mit Längsschlitzen über einen Teil ihrer Länge versehen sein, damit sie in der Lage sind, ein radiales Spiel möglichst auszugleichen. Auch kann es vorteilhaft die Hülsen über ihre ganze Länge zu schlitzen. Wie in Fig. 13 dargestellt, kann es zum Ausgleich radialer Durchmesserunterschiede als auch zur Erleichterung des Aufschiebens der Hülsen zweckmäßig sein, diese in ihrem außerhalb der Abstandshaltermaschen liegenden Teile mit einem schraubenförmigen Schlitz 57 zu versehen.

Selbstverständlich sind noch weitere Ausführungsmöglichkeiten einer derartigen Verbindung denkbar. Die Zuhilfenahme der Hülsen bringt dabei nicht nur den Vorteil der Erzielung einer höheren Verbindungssteifigkeit und Knickfestigkeit der Führungsrohre mit sich, vielmehr erlauben' sie auch, eine wesentlich größere Freizügigkeit sowohl im Hinblick auf die Anbringung der Befestigungspunkte zwischen ihnen und dem Führungsrohr als auch in der Wahl der an sich bekannten Befestigungstechnik. Auf diese Weise wird in jeder Hinsicht eine rationelle Fertigungsmöglichkeit eines derartigen Brennelementskelettes sichergestellt.

7 Patentansprüche
13 Figuren

- 6 509816/0104

Claims (7)

1. - 6 - VPA 73/9463

   Patentansprüche

   ί 1Λ Brennelementskelett zur Halterung einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Kernreaktorbrennstäben, bestehend aus Kopf- und Fußstück, den diese verbindenden Steuerstabführungsrohren sowie gitterartigen Abstandshaltern für die Brennstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß zur gegenseitigen Verbindung zwischen Abstandshaltergittern und Steuerstabführungsrohren unter- und oberhalb dieser Gitter Hülsen auf die Führungsrohre bis zum Anschlag auf den Stegen des Abstandshaltergitters aufgeschoben" und mit den Führungsrohren metallurgisch verbunden sind.
2. 2. Brennelementskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandshaltergitter und Führungsrohre aus verschiedenen, metallurgisch nur schwer verbindbaren Metallen bestehen und die Hülsen aus dem gleichen Material wie die Führungsrohre gefertigt sind.
3. 3- Brennelementskelett nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen auf ihren dem Abstandshaltergitter zugeordneten Stirnseiten mit Schlitzen für den mechanischen Eingriff der Abstandshalterstege versehen sind.
4. 4. Brennelementskelett nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen auf ihrem dem Abstandshaltergitter zugewandten Teil mit einer in die vom Führungsrohr durchsetzte Abstandshaltermasche passenden Außenfläche versehen sind und über diese mit dem Abstandshaltergitter in mechanischem Eingriff stehen.
5. 5. Brennelementskelett nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsenwandung in ihren außerhalb des Brennelementgitters befindlichen Teilai schraubenförmig geschlitzt ist.

   • - 7 509816/0104

   - 7 - VPA 73/9463
6. 6,. Brennelementskelett nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da3 die Hülsenwandung in axialer Richtung über eine Teillänge mit Schlitzen versehen ist.
7. 7. Brennelementskelett nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsenwandung in axialer Richtung über ihre Gesamtlänge mit einem Schlitz versehen ist.

   5 0 9 8 16/010 Λ

   Leerseite