DE2413464C3 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Derartig aufgebaute Brennelemente werden beispielsweise in Druckwasserreaktoren eingesetzt. Anstelle der Steuerstabführungsrohre, die an Brennstabpositionen angeordnet sind, könnnten jedoch auch andere stabförmige Elemente vorgesehen sein. Die F i g. 2 zeigt eine derartige Brennelementstützkonstruktion in perspektivischer Ansicht. Der Übersichtlichkeit halber sind die in den Maschen der Abstandshaltergitter gehaltenen Brennstäbe nicht dargestellt. Eine Verbindungsmöglichkeit für die Steuerstabführungsrohre zeigt die US-PS 69 158. Bei dieser bekannten Vorrichtung dient ein bekanntlich mechanisch nicht sehr widerstandsfähiges Abstandshaltergitter, das mit den Führungsrohren verbunden ist, als Widerlager für Spannfedern. Es können somit ohne Deformation der Führungsrohr nur während des Endplattenwechsels auftretende, relativ geringe Kräfte von dieser Verbindung aufgenommen werdea Beim Auftreten stärkerer Kräfte liegt das Führungsrohr mit einem Absatz direkt an der Endplatte an, so daß die Gefahr einer Deformation desselben besteht.

Ein Kernreaktorbrennelement der eingangs angegebenen Art ist der DE-AS 20 54 337 als bekannt zu entnehmen. Dabei sind die Regelstabführungsrohre mit den Endstücken der Stützkonstruktion verschraubt, um

ίο die Regelstabführungsrohre auswechseln zu können. Bei einer axialen Druckbeanspruchung ansprechende Solltrennstellen sind dabei nicht vorgesehen.

Ergänzend zum Stand der Technik sei noch die DE-AS 20 23 587 erwähnt, die eine kraftschlüssige mechanische Verbindung von Bauteilen aus metallurgisch nicht verbindba! en Werkstoffen vorschlägt Diese mechanische Verbindung gestattet durch eine leichte Verformung der an den Steuerstabführungsrohren vorgesehenen Vorsprünge oder Noppen den Ausgleich von Wärmedehnungsspannungen, so daß diese nicht zu einer Verbiegung des Brennelements in sich führen können.

Eine Vielzahl von Brennelementen der eingangs genannten Art bildet den Kern eines Reaktors, wie er in F i g. 1 schematisch dargestellt ist. Dieser Reaktorkern wird dabei durch einen unteren Rost 10 und einen oberen Rost 19 gehalten und, wie durch Pfeile dargestellt, vom Kühlmittel durchflossen.

Es ist bekannt, daß auf die Sicherheit eines

jo 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

r> der schlimmsten Unfälle ist das Reißen einer zum Dampferzeuger führenden oder vom Dampferzeuger kommenden Kühlmittelleitung, da dadurch die Kühlung des Reaktorkernes stark beeinträchtigt wird. Die Beherrschung der ausströmenden Dampfmengen und das 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

•45 Reaktorkernes verbunden, so daß die Brennelemente 12 beim Bruch einer zu den Dampferzeugern führenden Leitung gegen den oberen Rost 19 gedrückt werden. Es ist dabei zu befürchten, daß eine ohne axiales Spiel aufgebaute Stützkonstruktion des Brennelementes den dabei auftretenden Drücken nicht mehr gewachsen ist und die die Endstücke verbindenden Steuerstabführungsrohre oder andere stabförmige Elemente 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 Überhitzungsschäden an den Brennstäben vorkommen können.

bo Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Stützkonstruktion für ein Brennelement dieser Art zu finden, bei der mit Sicherheit ein Ausknicken der ohne Spiel mit den Endstücken verbundenen Steuerstabführungsrohre und die damit verbundenen Folgeschäden vermieden werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale. 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 oberen Rost anliegenden Endstücke erfolgt, nicht zu Verformungen der Brennstäbe führt, durch welche die Nachkflblbarkeit derselben beeinträchtigt werden kftnnte.

Die Solltrennstelle bleibt also während des normalen Reaktorbetriebes vollkommen intakt und löst sich erst, wenn eine vorgegebene Kraft auf das Brennelement und damit auf seine Stützkonstruktion überschritten wird.

Nach F i g. 2 setzt sich die Stützkonstruktion aus den Steuerstabführungsrohren 7 und den Endstücken 4 zusammen. Auf die Steuerstabführungsrohre sind in gleichmäßigen Abständen Abstandshalter gitter 8 aufgeschoben und mit diesen verbunden. Durch die dargestellten Maschen dieser Abstandshaltergitter werden die in diesem Brennelement 12 eingesetzten Brennstäbe in ihrer Sollage gehalten. Eine Vielzahl derartiger Brennelemente bildet den eigentlichen Reaktorkern, der zwischen dem unteren Rost 10 und dem oberen Rost 19 des Kerngerüstes innerhalb des Reaktordruckbehälters, siehe F i g. 1, gelagert ist.

Die F i g. 3 bis 5 zeigen verschiedene Möglichkeiten für die Ausführung einer derartigen Solltrennstelle. 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 F i g. 3 und 3a dargestellt. F i g. 3a zeigt einen Querschnitt durch diese Verbindung, wobei F i g. 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 Abstandshalter 8. Die Hülse 1 ist in dem vorliegenden Beispiel an ihrem unteren Rand seitlich umgebördelt (11). Diese Bördelung besieht, siehe F i g. 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 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 Material wahl und ihrer mechanischen Abmessung so ausgebildet, daß sie ίο 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 F i g. 3 und 3a. Es sind lediglich die Unterlegscheibe 3, die Hülse 9 und der untere Gegenring 6 weggelassen. Die Laschen 1 f der Hülse 1 greifen direkt am Endstück 4 bzw. an den dort vorgesehenen Aussparungen 42 ein.

Die F i g. 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 Bohrungen der Hülse 1 eingreifen. Die jo Scherstifte werden in dieser Stellung durch das an der Außenseite des Ringes übergreifende Endstück 4 gehalten. Bei dieser Konstruktion kann die Hülse 1, wie dargestellt, etwas länger gehalten werden und somit zur Versteifung des Steuerstabführungsrohres 7 im Hinblick f> auf eine höhere Knickfestigkeit desselben bei tragen.

Eine Variante dieser Konstruktion ist in der Fig.4b dargestellt Hier entfällt wiederum der Ring 6. Die Scherstifte sind dafür in einen 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 F i g. 5

Sperrkugeln 51 verwendet werden, die im Ring 6

«5 gelagert sind. Zur Halterung der Kugeln in dieser Sollage — sie greifen dabei ebenfalls in Bohrungen der Hülse 1 ein — wird der Außenrand des Ringes 6 an den entsprechenden Stellen zur Bildung von Anschlägen 61 nach einwärts gedrückt, seine mechanischen Abmessun-

w gen sind dabei ebenfalls wie im Beispiel nach F i g. 3 dem vorgegebenen Ansprechdruck angepaßt. Auch hier kann selbstverständlich, wie in den F i g. 3 und 4, der Ring 6 in Wegfall kommen und die Kugeln können, wie in Fig.4b, direkt in dem Endstück 4 gelagert werden.

^r>5 Die Halterung der Kugeln sowie die Einstellung des Ansprechdruckes kann dabei, ähnlich wie in Fig.5, konstruktiv verwirklicht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kernreaktorbrennelement, bestehend aus einer Vielzahl von Brennstäben, die mit Hilfe von Abstandshaltergittern in einer Stützkonstruktion aus Kopf- und Fußstück — auch Endstücke genannt — sowie diese verbindenden Steuerstabführungsrohren eingesetzt sind, wobei die Verbindungskonstruktionen zwischen diesen und wenigstens einem Endstück Einrichtungen enthalten, die eine relative axiale Verschiebung dieser Teile gegeneinander ermöglichen, und wobei zwischen wenigstens einem Endstück und den Steuerstabführungsrohren auf diesen befestigte Hülsen vorgesehen sind, die Aufnahmebohrungen des Endstückes durchsetzen und über die das Endstück m^;t den Führungsrohren formschlüssig und mit Hilfe einer Mutter kraftschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (1) oder zu diesen gehörige Verbindungselemente (11, 5, 51) infolge einer durch eine wesentliche Erhöhung der Kühlmittelgeschwindigkeit hervorgerufenen, auf das Brennelement wirkenden axialen Druckkraft nach Art einer Solltrennstelle durch Verformung von dem Endstück (4) lösbar sind.

2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung mit dem Endstück (4) von der Hülse (1) abgebogene und entsprechend der axialen Druckkraft dimensionierte Laschen (11) als Solltrennstellen vorgesehen sind.

3. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Solltrennstelle Scherbolzen (5) vorgesehen sind, die in entsprechenden Bohrungen der Hülse (1) sowie dem Endstück (4) bzw. eines an diesem anliegenden Ringes (6) eingeschoben und durch an sich bekannte Methoden lagegesichert sind.

4. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Solltrennstelle Sperrkugeln (51) vorgesehen sind, die mit Ausnehmungen in der Hülse (1) bzw. einem am Endstück (4) anliegenden Ring (6) in Eingriff stehen und deren Lage durch entsprechend der axialen Druckkraft dimensionierte Anschläge (61) gesichert ist.