DE2350700C3

DE2350700C3 - Brennelementskelett

Info

Publication number: DE2350700C3
Application number: DE2350700A
Authority: DE
Inventors: Helmut 8520 Erlangen Bezold
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1973-10-09
Filing date: 1973-10-09
Publication date: 1978-06-08
Also published as: SE406384B; BE820567A; ES430785A1; DE2350700A1; CH569344A5; FR2246939B1; SE7412530L; US4124443A; FR2246939A1; GB1480932A; DE2350700B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelementskelett zur Halterung einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Kernreaktorbrennstäben, die sich zwischen einem Kopf- und Fußstück erstrecken, mit diese Kopf- und Fußstücke verbindenden Haltestäben sowie mit aus Stegen gebildeten gitterartigen Abstandshaltern für die Brennstäbe, wobei zur gegenseitigen Verbindung von Abstandshaltergittern und Haltestäben ober- und unterhalb dieser Gitter Hülsen auf die Haltestäbe bis zum Anschlag auf den Gitterstegen aufgeschoben und mit den Haltestäben metallurgisch verbunden sind. Derartig aufgebaute Brennelemente finden insbesondere für Leichtwasserreaktoren Verwendung. Die Regelung solcher Kernreaktoren erfolgt über Steuerstäbe, sogenannte Fingerregelstäbe, die in die Steuerstabführungsrohre eintauchen.

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 neufronenphysikalischen Gründen unterschiedliche Materialien verwendet 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 Lot- und Schweißverbindungen anbringen. Dann muß zu rein mechanischen Verbindungen übergegangen werden, wie sie im Prinzip bereits in den DT-OS

20 23 587 sowie 22 59 495 angegeben worden sind. Zum Stand der Technik sind weiterhin zu nennen die DT-OS

21 22 008, nach welcher zur Halterung der Abstandshaltergitter auf die Regelstabführungsrohre dem Abstand der Abstandshaltergitter entsprechende Hülsen aufgeschoben sind. Aus der GB-PS 12 67615 ist eine Brennelementkonstruktion zu entnehmen, nach welcher teilweise mit Kernbrennstoff gefüllte Haltestäbe vorgesehen sind und die Abstandshaltergitter mit diesem durch unterhalb und oberhalb aufgeschobene Ringe verbunden sind. Die Ringe sind dabei durch Querstifte mechanisch auf den Haltestäben befestigt. Eine ähnliche Konstruktion ist aus der FR-PS 21 58 437 zu entnehmen, nach der die Abstandshaltergitter ebenfalls mit Hilfe von auf die massiven Haltestäbe aufgeschobenen ringförmigeil Hülsen befestigt sind. Die Hülsen sind ihrerseits durch Lötung mit den Haltestäben verbunden.

Allen diesen Vorschlägen ist gemeinsam, daß die Höhenlage der Abstandshaltergitter durch auf die Haltestäbe oder Regelstabführungsrohre aufgebrachte Anschläge fixiert wird. Es hat sich aber herausgestellt, daß neben der Halterung der Abstandshaltergitter in den gewünschten Ebenen durch die mechanische Verbindung zwischen diesen Bauelementen eine möglichst große Steifigkeit der Steuerstabführungsrohre erreicht werden sollte und auf diese Weise dem ganzen Brennelementskelett trotz der verhältnismäßig dünnwandigen Regelstabführungsrohre eine erhöhte Festigkeit verliehen wird. Es ist daher Aufgabe vorliegender Erfindung, die Knickfestigkeit der unter Umständen sehr langen Regelstabführungsrohre zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei dem eingangs genannten Brennelementskelett erfindungsgemäß darin, daß die Haltestäbe in an sich bekannter Weise als Führungsrohre für die Steuerstäbe ausgebildet sind und die Hülsen auf ihren dem Abstandshaltergitter zugewandten Stirnseiten auf mechanische Weise verdrehungssicher mit dem Abstandshaltergitter verbunden sind. Diese Konstruktion stellt daher auch eine Drehsicherung zwischen den Regelstabführungsrohren und dem Abstandshalterskelett dar. Außerdem ergibt sich dadurch eine verlängerte Stützhalierung der Führungsrohre gegenüber den Maschenwänden des Abstandshaltergitters.

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 F i g. I 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 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 F i g. 2 und die übrigen Figuren, durch deren Maschen die einzelnen Brennstäbe hindurchgeführt sind. An einzelnen Brennstabpositionen werden sie von den Steuerstabführungsrohren 3 — siehe F i g. 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 Abstandshalterrnaschen noch federnde und starre Anlageeinrichtungen zur genauen Zentrierung der einzelnen Brennstäbe vorgesehen sind. Auf deren Darstellung wurde jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen 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 jei.cn 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, liaß 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 Abstandshaltergittern 4 erforderlich. Gemäß F i g. 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.

Die folgenden Fig.4—13 zeigen nun verschiedene Ausführungsmöglichkeiten des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes. Nach F i g. 4 sind zwei Hülsen 5, die aus dem Materia-¹ des Führungsrohres 3 gefertigt sind, auf dieses bis zum Anschlag auf die Abstandshaltergitter aufgeschoben und metallurgisch mit dem Führungsrohr 3, z. B. 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 F i g. 5 die Hülsen 51 mit Einschnitten gemäß F i g. 6 zu versehen und diese somit in Eingriff mit dem Abstandshaltergitter zu bringen. Die F i g. 6 entspricht dabei einer Schnittansicht entlang der Linie VI-VI von F i g. 5.

Im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7 und F i g. 8, letztere stellte einen Schnitt entlang der Linie VH-VII! von F i g. 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

ίο Halterung innerhalb der Abstandshaitermasche ist außerdem eine weitere Erhöhung der Steifigkeit der gesamten Verbindung zu erwarten.

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

Eine weitere Ausführungsform mit zusätzlichen Bauteilen ist in Fi g. 11 und 12 dargestellt, Fig. 12 stellt dabei einen Schnitt in Längsrichtung entlang der Linie XlI-XII von Fig. 11 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 Abstandshaitermasche angeordnet sind und sich praktisch gegenüber dem Abstandshaltergitter und der Hülirohraußenwand 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 Länge zu schlitzen. Wie in F i g. 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennelementskelett zur Halterung einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Kernreaktorbrennstäben, die sich zwischen einem Kopf- und Fußstück erstrecken, mit diese Kopf- und Fußstücke verbindenden Haltestäben sowie mit aus Stegen gebildeten gitterartigen Abstandshaltern für die Brennstäbe, wobei zur gegenseitigen Verbindung von Abstandshaltergittern und Haltestäben unter- ι ο und oberhalb dieser Gitter Hülsen auf die Haltestäbe bis zum Anschlag auf den Gitterstegen aufgeschoben und mit den Haltestäben metallurgisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestäbe in an sich bekannter Weise als Führungsrohre (3) für die Steuerstäbe ausgebildet sind und daß die Hülsen (51—54) auf ihrem dem Abstandshaltergitter (41, 42) zugewandten Stirnseiten auf mechanische Weise verdrehungssicher mit dem Abstandshaltergitter verbunden sind.

2. Brennelementskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (51) auf ihren dem Abstandshaltergitter (41,42) zugeordneten Stirnseiten mit Schlitzen für den mechanischen Eingriff der Abstandshalterstege versehen sind.

3. Brennelementskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (52) auf ihrem dem Abstandshaltergitter (41, 42) zugewandten Teil mit einer in die vom Führungsrohr (3) durchsetzte Abstandshaltermaschen passenden Außenfläche versehen sind und über diese mit dem Abstandshaltergitter in mechanischem Eingriff stehen.

4. Brennelementskelett nach den Ansprüchen 1 -3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsenwandung in ihren außerhalb des Brennelementgitters befindlichen Teilen (57) schraubenförmig geschlitzt ist.

5. Brennelementskelett nach Anspruch 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsenwandung in axialer Richtung über eine Teillänge mit Schlitzen versehen ist.

6. Brennelementskelett nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsenwandung in axialer Richtung über ihre Gesamtlänge mit einem Schlitz versehen ist.