DE2413464A1

DE2413464A1 - Kernreaktorbrennelement

Info

Publication number: DE2413464A1
Application number: DE2413464A
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wilhelm Dipl I Aisch; Hans Peter Dipl Ing Fuchs; Diethelm Dipl Ing Knoedler; Alexander Steinke; Josef Steven
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1974-03-20
Filing date: 1974-03-20
Publication date: 1975-10-02
Also published as: JPS50128087A; DE2413464B2; FR2265151A1; US3997394A; GB1484105A; SE7502890L; FR2265151B1; SE409257B; CH586449A5; JPS5611117B2; AT357648B; DE2413464C3; ATA14475A

Description

* ''/?£ WA KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen,

Werner-von-Siemens-Str.67

VPA 74/9404 Mü/Ant

Kernreäktorbrennelernent

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement, das aus einer Vielzahl von Brennstäben besteht, die mit Hilfe von Abstandshaltergittern in einer Stützkonstruktion aus Kopf- und Fußstück - auch Endstücke genannt - sowie diese verbindenden stabförmigen Elementen eingesetzt sind. Derartig aufgebaute Brennelemente werden beispielsweise in Druckwasserreaktoren eingesetzt. Als verbindende stabförmige Elemente werden dabei üblicherweise die Steuerstabführungsrohre verwendet, die an Brennstabpositionen angeordnet sind. Die Fig. 2 zeigt eine derartige Brennelementstützkonstruktion in perspektivischer Ansicht. Der Übersichtlichkeit halber sind die in den Maschen der Abstandshaltergitter gehaltenen Brennstäbe nicht dargestellt.

Eine Vielzahl derartiger Brennelemente bildet den Kern eines Eeaktors, wie er in F,ig..1 schematisch dargestellt ist. Dieser Reaktorkern wird dabei durch einen unteren Rost 10 und einen oberen Rost 9 gehalten und, wie durch Pfeile dargestellt, vom Kühlmittel durchflossen.

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Es ist bekannt, daß auf die Sicherheit eines Kernreaktors besonders hoher Wert gelegt werden muß, d.h., daß gegen alle denkbaren Störungen oder Unfälle auch von der konstruktiven Seite her Vorkehrungen getroffen werden müssen, die Auswirkungen solcher Unfälle so gering wie möglich zu halten. Einer der schlimmsten Unfälle ist das Reißen einer zum Dampferzeuger führenden oder vom Dampferzeuger kommenden Kühlmitte !leitung/ da dadurch die Kühlung des Reaktorkernes stark beeinträchtigt wird. Die Beherrschung der ausströmenden Dampfmengen und des dabei im Reaktorsicherheitsgebäude entstehenden Überdruckes ist technisch gelöst und nicht Gegenstand dieser Erfindung. Mit einem derartigen Unfall ist jedoch während der Druckentlastung eine wesentliche Erhöhung der Kühlmittelgeschwindigkeit innerhalb des Reaktorkernes verbunden, so daß die Brennelemente 12 beim Bruch einer zu den Dampferzeugern führenden Leitung gegen den oberen Rost 9 gedrückt werden. Es ist dabei zu befürchten, daß die Stützkonstruktion des Brennelementes den dabei auftretenden Drücken nicht mehr gewachsen ist und die die Endstücke verbindenden stabförmigen Elemente, also hier z.B. die Steuerstabführungsrohre, geknickt werden. Dies bedeutet nicht nur, daß sich die Steuerelemente nicht mehr einführen lassen, sondern vielmehr, daß auch ein Zusammenschieben der benachbarten Brennstäbe und eine Veränderung der Kühlmittelquerschnitte eintreten kann, so daß nicht nur mechanische, sondern auch Überhitzungsschadeη an Brennstäben vorkommen können.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Stützkonstruktion für ein Brennelement dieser Art zu finden, bei der mit Sicherheit ein Ausknicken der Steuerstabführungsrohre und die damit verbundenen Folgeschäden vermieden werden. Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Verbindungen

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zwischen den stabförmigen Elementen und wenigstens einem Endstück Einrichtungen enthalten, die eine relative axiale Verschiebung dieser Teile gegeneinander bei Überschreitung einer vorgegebenen axialen Druck-Grenzbelastung des Brennelementes erlauben. Diese Verbindungen enthalten also eine sogenannte Solltrennstelle. Die bei einem derartigen Unfall kurzzeitig auftretende Energie wird größtenteils zur Trennung dieser Verbindung verbraucht. Die nach Trennung der Verbindung noch vorhandene restliche kinetische Energie der Brennstäbe ist so gering, daß sie bei einem möglichen zweiten Stoß,der zwischen den Brennstäben und dem am oberen Rost anliegenden Endstück erfolgt, nicht zu Verformungen der Brennstäbe führt, durch welche die Nachkühlbarkeit derselben beeinträchtigt werden könnte.

Die Stützkonstruktion für das Brennelement ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungselement zwischen dem stabförmigen Element und dem Endstück eine auf dem stabförmigen Element durch Schweißen oder Löten befestigte Hülse vorgesehen ist, die auf der Brennstabseite mit dem Endstück in Eingriff steht und über eine Gewindemutter auf der anderen Seite mit diesem kraft- und formschlüssig verspannt ist, wobei sich der Eingriff nach dem Überschreiten einer vorgegebenen Grenzbelastung löst. Die dadurch geschaffene Solltrennstelle bleibt also während des normalen Reaktprbetriebes vollkommen intakt und löst sich erst, wenn eine vorgegebene Kraft auf das Brennelement und damit auf seine Stützkonstruktion überschritten wird.

Nach Fig. 2 setzt sich die Stützkonstruktion aus den Steuerstabführungsrohren 7 und den Endstücken 4 zusammen. Auf die Steuerstabführungsrohre sind in gleichmäßigen Abständen Abstandshaltergitter 8 aufgeschoben und mit diesen verbunden. Durch die dargestellten Maschen dieser Abstandshaltergitter werden die in diesem Brennelement eingesetzten Brennstäbe in

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ihrer Sollage gehalten. Eine Vielzahl derartiger Brennelemente bildet den eigentlichen Reaktorkern, der zwischen dem unteren Rost 10 und dem oberen Rost 9 des Kerngerüstes innerhalb des Reaktordruclcbehälters, siehe Fig. 1, gelagert ist.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Möglichkeiten für die Ausführung einer derartigen Solltrennstelle. Diese Beispiele dienen lediglich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung und beschränken die Möglichkeiten der konstruktiven Ausführung nicht. Dabei können sämtliche Verbindungen der Führungsrohre mit beiden Endstücken 4 in dieser Weise ausgeführt werden, unter Umständen genügt es auch,daß nur die Verbindungsstellen mit einem Endstück nach diesem Prinzip gestaltet sind.

Eine erste Lösungsmöglichkeit für diese Verbindung zwischen Steuerstabführungsrohren 7 und Endstück 4 ist in den Fig. 3 und 3a dargestellt. Fig. 3a zeigt einen Querschnitt durch diese Verbindung, wobei Fig. 3 einen Längsschnitt entsprechend den eingezeichneten Pfeilen von Fig. 3a darstellt. Da die Endstücke 4, wie bereits erwähnt, auch Bohrungen für den Durchtritt des Kühlmittels enthalten müssen und dem Kühlmitteldurchtritt möglichst wenig. Strömungswiderstand entgegensetzen dürfen, sind auch die Aufnahmebohrungen für die Steuerstabführungsrohre noch mit seitlichen Durchtrittsstellen 41 versehen. Die Zentrierung des Steuerstabführungsrohres erfolgt also nur in schmalen Bereichen ihres Umfanges.

In dem Beispiel nach Fig. 3 und 3a sind mit dem Steuerstabführungsrohr 7 die Hülsen 9 und 1 durch Schweißpunkte 71 und 91 verbunden. Die Hülse 9 verstärkt das Steuerstabführungsrohr zwischen dem Endstück 4 und dem Abstands-

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halter 8. Die Hülse 1 ist in dem vorliegenden Beispiel
an ihrem unteren Rand seitlich umgebördelt (11). Diese
Bördelung besteht, siehe Pig. 3a, aus Laschen 11, die als
Anschlag für einen Ring 6 dienen. Beim Zusammenbau des
Brennelementes wird, nachdem bei sämtlichen Führungsrohrbohrungen des Endstückes 4 die Ringe 6 eingesetzt sind, das
Endstück 4 über die bereits mit den Hülsen 1 und 9 verbundenen Steuerstabführungsrohre und dann wieder eine Unterlegscheibe 3 über die Hülse 1 geschoben. Mit Hilfe einer Mutter 2, die in
ein entsprechendes Außengewinde der Hülse 1 eingreift, werden
nun die Steuerstabführungsrohre mit dem Endstück 4 verspannt
und damit eine starre Verbindung hergestellt. Die Laschen 11
sind hinsichtlich ihrer Materialwahl und ihrer mechanischen
Abmessung so ausgebildet, daß sie erst beim Auftreten eines
vorgegebenen Druckes in axialer Richtung durch den Ring 6 bzw. das Endstück 4 weggedrückt werden und somit eine Bewegung
derselben in Richtung der eingesetzten Brennstäbe ermöglichen.

Eine Variante zu dieser Verbindung ist in Fig. 3b dargestellt. Der Wirkungsmechanismus dieser Verbindung ist der gleiche, wie in den Fig. 3 und 3a. Es₁ sind lediglich die Unterlegscheibe 3, die Hülse 9 und der untere Gegenring 6 weggelassen. Die
Laschen 11 der'Hülse 1 greifen direkt am Endstück 4 bzw. dort
vorgesehenen Aussparungen 42 ein.

Die Fig. 4 und 4a zeigen eine weitere konstruktive Möglichkeit zur Ausbildung einer derartigen Solltrennstelle. Auch hier ist wieder das Endstück 4 zwischen einem Ring 6 und einer Mutter 2 verspannt. Die Befestigung des Ringes 6 an der Hülse wird hier jedoch mit Scherstiften 5 vorgenommen, die in radialen Bohrungen des Ringes 6 eingesetzt sind und in entsprechende Boh-

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rungen der Hülse 1 eingreifen. Sie werden in dieser Stellung durch das an der Außenseite des Ringes übergreifende Endstück: gehalten. Bei dieser Konstruktion kann die Hülse 1, wie dargestellt, etwas langer gehalten werden und somit zur Versteifung des Steuerstabführungsrohres 7 im Hinblick auf eine höhere Knickfestigkeit derselben beitragen.

Eine Variante dieser Konstruktion ist in der Fig. 4b dargestellt. Hier entfällt wiederum der Ring 6. Die Scherstifte sind dafür in eine mit dem Endstück 4 verbundenen Kragen 43 geführt, der zu diesem Zweck mit radialen Bohrungen 44 versehen ist. Die Sicherung der Scherstifte in dieser Lage kann durch bekannte Mittel., wie z.B. Schweißpunkte, erreicht werden.

Anstelle der Scherstifte können auch gemäß Fig. 5 Sperrkugeln 51 verwendet werden, die im Ring 6 gelagert sind. Zur Halterung der Kugeln in dieser Sollage - sie greifen dabei ebenfalls in Bohrungen der Hülse 1 ein - wird der Außenrand der Hülse an den entsprechenden Stellen nach einwärts gedrückt (61), seine mechanischen Abmessungen sind dabei ebenfalls wie im Beispiel nach Fig. 3 dem vorgegebenen Ansprechdruck angepaßt. Auch hier kann selbstverständlich, wie in den Fig. 3 und 4, der Ring 6 in Wegfall kommen und die Kugeln, wie in Fig. 4b, direkt in dem Endstück 4 gelagert werden. Die Halterung der Kugel sowie die Einstellung des Ansprechdruckes kann dabei, ähnlich wie in Fig.'5» konstruktiv verwirklicht werden.

Als Solltrennstellen können aber auch z.B. Schweißverbindungen, z.B. zwischen der Hülse 1 und dem Kragen 43 des Endstückes 4 vorgesehen sein. Die Qualität der Schweißverbindung muß allerdings durch exakteste Führung der Schweißdaten, also z.B. Schweißdruck, Schweißzeit, Schweißstrom beim Widerstandsschweißen, stets reproduzierbar gesichert werden.

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Eine weitere Möglichkeit in diesem Sinne "bestünde darin, die Punktschweißung 71 zwischen Hülse 1 und Führungsrohr 7 als Solltrennstelle zu dimensionieren. Für diesen Fall könnte dann die Verbindung mit dem Endstück ohne Solltrennstelle gestaltet werden.

Selbstverständlich könnten auch noch weitere Varianten der Verbindungskonstruktion zwischen Endstücken und Verbindungselementen, wie z.B. den Steuerstabführungsrohren, verwendet werden, so könnten anstelle der Mutter 2 die durch einen vorstehenden Eindrückrand an einer Verdrehung im gespannten Zustand verhindert wird, auch Schweißverbindungen treten. Eine solche läßt sich mit Hilfe spezieller Werkzeuge für das Öffnen eines Brennelementes leicht abarbeiten, so daß eine Lösung der Stützkonstruktion ohne besondere Schwierigkeiten möglich ist. Die Solltrennstelle auf der den Brennstäben zugekehrten Seite der Endstücke bleibt in jedem Fall bestehen, da nur in dieser Richtung eine Druckbeanspruchung des Brennelementes zu erwarten ist.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die genannten Ausführungsbeispiele noch durch weitere Konstruktionen ergänzt werden können, die jedoch sämtlich dem dargestellten Grundprinzip folgen, so könnten z.B. auch .entsprechend vorgespannte Federn zur Halterung der Befestigungsteile bis zum Erreichen des vorgegebenen Ansprechdruckes Verwendung finden. In letzterem Falle muß jedoch dafür Sorge getragen werden, daß im Falle eines Bruches dieser Federn die Bruchstücke nicht in den Kühlkreislauf gelangen können.

7 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

1. ÜCernreaktorbrennelement, bestehend aus einer Vielzahl von Brennstäben, die mit Hilfe von Abstandshaltergittern in einer Stützkonstruktion aus Kopf- und Fußstück - auch Endstücke genannt - sowie diese verbindenden stabförmigen Elementen eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den stabförmigen Elementen und wenigstens einem Endstück Einrichtungen enthalten, die eine relative axiale Verschiebung dieser Teile bei Überschreitung einer vorgegebenen axialen Druck-Grenzbelastung des Brennelementes erlauben.

2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als stabförmige Elemente Führungsrohre für die Steuerstäbe vorgesehen sind.

5. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung zwischen wenigstens einem Endstück und den stabförmigen Elementen auf diesen Elementen befestigte Hülsen vorgesehen sind, die Bohrungen des Endstückes durchsetzen und über die das Endstück mit den Führungsrohreη formschlüssig verbunden ist, wobei das Endstück durch eine auf das Brennelement wirkende axiale Druckkraft von den stabförmigen Elementen durch Verformung der Hülsen oder zugehöriger Befestigungsteile in Richtung auf die Brennstäbe lösbar ist.

4· Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß für den Eingriff am Endstück (4) von der Hülse abgebogene und entsprechend der Grenzbelastung dimensionierte Laschen (11) vorgesehen sind.

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5. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch. 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Eingriff am Endstück (4) Scherbolzen (5) vorgesehen sind, die in entsprechenden Bohrungen der zu verbindenden Körper eingeschoben und durch an sich bekannte Methoden lagegesichert sind.

6. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Eingriff am Endstück (4) Sperrkugeln (51) vorgesehen sind, deren lage bis zur Grenzbelastung durch entsprechend dimensionierte Anschläge gesichert ist.

7« Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen aus Schweißpunkten "bestehen, deren begrenzte Festigkeit durch entsprechende Konstanz der Schweißdaten fixiert ist.

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