DE2520233C2 - Befestigungsanordnung für Kernreaktorbrennstäbe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung für die Brennstäbe eines Kernreaktor-Brennelementes, deren Endabschnitte in Bohrungen einer Stabhalteplat-

iä te gehalten sind, wobei der Endabschnitt jedes Brennstabes zu seinem freien Ende hin einander folgend eine Ringnut, eine ringförmige, etwa kegeiförmige Schulter, einen Bund und einen sich kegelförmig oder anderweitig verjüngenden Kopf aufweist.

Für viele Reaktortypen gebräuchliche Brennelemente bestehen aus einer Anzahl einzelner Brennstäbe in Form langer, dünner Rohre, die mit Kernbrennstoff gefüllt sind und durch Abstandshalter und an ihren Enden durch Stabhalteplatten auf dem gewünschten Abstand gehalten werden. Letzte bestimmen auch die Lage der Brennstäbe in axialer Richtung.

Für die Befestigung der Brennstäbe in der Stabhalteplatte sind eine Reihe von Anordnungen, wie Schraubbefestigungen oder Befestigungen durch ein Verformen des Brennstabendes bekannt. Für bestimmte Zwecke sind die bekannten Befestigungsanordnungen wenig geeignet, so beispielsweise, wenn zu Untersuchungszwecken, wie bei Bestrahlungsexperimenten, einzelne Brennstäbe aus einem Brennelement herausgelöst werden sollen. Da derartige Arbeiten wegen der Radioaktivität mit fernbedienten Werkzeugen ausgeführt werden müssen, ist eine während des Betriebes sichere jedoch bei Bedarf einfach zu lösende Befestigung der Brennstäbe in den 5ΐ3!?π3ΐιεμι3'ΐεη erwünscht.

■to Sefestigungsanordnungen der beschriebenen Art sind an sich bekannt, so aus der DE-A-23 20 136. Hier weist die Stabhalteplatte trichterförmig erweiterte und durch Aufweiten eines axialen Schlitzes elastisch aufzuweitende, in die Bohrungen der Platte eingesetzte besondere Befestigungssockel auf. die mit einer Einschnürung versehen sind, die federnd hinter eine Ausdrehung im zylindrischen Brennstabende rastet, sobald dieses unter abwärtsgerichtetem Druck ganz in den nachgiebigen Sockel eingeführt ist. Aus der DE-A-23 51 896 ist eine ähnliche Befestigungsanordnung bekannt, bei der das mit einer Hinterdrehung versehene, dank eines axialen Schli'zes elastisch aufweitbaren Brennstabendes über ein pilzförmiges, in der Stabhalteplatte befestigtes Element geschoben wird. Diese Befestigungsarten weisen jedoch den Nachteil auf. daß in der Stabhalteplatte zusätzliche Bohrungen für den Durchtritt des zur Wärmeabfuhr an den Brennstäben entlangströmenden Fluid« vorgesehen werden müssen, daß die Brennstäbe nicht gegen ein Verdrehen um ihre Längsachse gesichert sind und daß ihre Befestigung nur kraftschlüssigist.

ΐ Der Erfindung liegt deshalb? die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungsanordnung für Kernreaktor-Brennstäbe mit einer Bohrung für die Endabschnitte der Brennstäbe enthaltenden Stabhalteplatte zu schaffen, die auf einfache Weise und ohne Verformungsarbeit herzustellen ist, die während des Betriebes mit Sicherheit aufrechterhalten bleibt und die bei Bedarf

auch unter schwierigen Bedingungen auf einfache Weise gelöst werden kann, wobei durch die Befestigung der Brennstabenden in der Stabhalteplatte ein für den Kühlmittelfluß ausreichender freier Querschnitt der Bohrungen erhalten bleibt Bei Bedarf sollen die Stäbe durch zusätzliche Mittel auch formschlüssig befestigt werden, um z. B. ihre Lage gegen bei Erdbeben auftretende Schwingungen sicher beizubehalten.

Bei einer eingangs erläuterten Befestigungsanordnung besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß der Durchmesser des Bundes größer als der Durchmesser der Bohrung der Stabhalteplatte bemessen ist, daß der Endabschnitt in an sich bekannter Weise mindestens einen wesentlich in axi?ler Richtung gelegenen Schlitz aufweist, daß sich der Schlitz zumindest bis in den Bereich der Ringnut erstreckt, daß die Breite der Ringnut gleich der oder größer als die Dicke der StabhsUeplatte bemessen ist und daß der Endabschnitt bzw. die zufolge des oder der Schlitze verbleibenden Finger aus einem elastischen Werkstoff bestehen.

Durch diese Ausbildung ist erreicht, daß die Brennstäbe auch über eine größere Dist?nz hinweg, durch einfaches Einstecken ihrer Endabschnitte in die Bohrungen der Stabhalteplatte zu befestigen iind. Dabei werden die Finger durch die Führung an der konischen Außenwand des Kopfes aneinandergedrückt, um nach Hindurchgelangen des Bundes durch die Bohrung infolge ihrer Rückstellkraft in ihre Ruhestellung zurückzuspringen, wobei dann die Ringnut in de^r Bohrung sitzt. Sofern hierfür nicht andere Maßnahmen vorgesehen sind, können die Brennstäbe durch einfaches Herausziehen der Endabschr.itte aus den Bohrun gen entfernt werden. Dabei dient die konische Außenfläche der kegeligen ringförmigen Schulter gegenüber der Bohrung als gleitende Führung zum Aneinanderfügen der Finger, bis der Außenumfang des Bundes hinreichend verringert ist, um durch die Bohrung hinausgleiten zu können.

Bei gleichgestellter Breite der Ringnut und Dicke der Bohrung ist der Brennstab in axialer Richtung spielfrei gehalten. Ein spielfreier seitlich fester Sitz der Endabschnitte wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Durchmesser oder der größte Durchmesser der Ringnut — zwecks Vorspannung im Befestigungszustand — größer bemessen ist als der Durchmesser der Bohrung. Dabei bleibt ein Teil de· bei Einstellen des Endabschnitts erzeugten Rückstellkraft als Spannkraft erhalten, mit der die Außenfläche oder — bei balliger oder anderweitig nicht zylindrischer Ausbildung der Ringnut — ein Tei! deren Außenfläche an die Innenwand der Bohrung angelegt oder angepreßt wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß lösbare Mittel zum Aufrechterhalten und/oder Vergrößern der Weite des oder der Schlitze bzw. zum Abstützen und/oüer Auseinanderspreizen der Finger vorgesehen sind. Diese Maßnahme kann ergriffen werden, wenn aus Sicherheitsgründen und/oder bei besonderen Betriebsbedingungen neben der Vorspannung der Finger als Haltekraft eine andere oder eine zusätzliche Haltekraft gewünscht oder gefordert wird. ■„ Diese Mittel bestehen aus gegebenenfalls an ihrem ■«freien Ende mit einer Spitze versehenen Dornen "fzylindrischer, kegelförmiger oder pyramidenartiger iForm, die — bei zu den Bohrungen der Stabhalteplatte koaxialer Anordnung — gegenüber den Enden der Endabschnitte der Brennstäbe in einer, in Richtung aur die Stabhalteplatte bewegbaren und feststellbaren Anstellpiatte befestigt sind. Hierbei wird die Anstellplatte, nachdem die Endabschnitte in die Bohrungen der Stabhalteplatte gesteckt sind und sich die Finger auseinandergespreizt haben, in Richtung auf iie Stabhalteplatte bewegt, bis die Dorne in die Schlitze eingedrungen sind. Die Finger sind nun zwischen dem Dorn und der Innenwand der Bohrung formschlüssig und gegebenenfalls mit zusätzlicher Anpreßkraf". gehalten. Um die Endabschnitte aus den Bohrungen ziehen zu können, müssen zuvor die Dorne — durch

ίο Zurückziehen der Anstellpiatte — aus den Schlitzen bzw. zwischen den Fingern herausgezogen werden

Bei einer anderen Lösung bestehen die Mittel — bei paariger Anzahl der Finger — aus zu der Stabhalteplatte parallel gelegenen, entsprechend den Reihen Bohrungen ausgerichteten, zu den Enden der Stäbe hin keilförmig verjüngten oder mit einer Schneide oder Fasen versehenen Leisten, die einzeln oder gemeinsam in einem Rahmen in Richtung auf' die Stabhalteplatte bewegbar und feststellbar angeordnet sind. Die Arbeits- und Wirkungsweise entsprechen bei dieser Ausbildung wesentlich den vorstehend erlaubten, eben mit dem Unterschied, daß an die Stelle der Dorne die Leisten treten, die womöglich etwas weniger Fertigungsaufwand erfordern. Stege haben auch noch einen rnderen Vorteil: Es gibt Stäbe, die in einer bestimmten azimutalen Lage eingesetzt und gehalten werden müssen. Das läßt sich durch die Stege sehr gut erreichen. Bei der Anwendung der Leisten kann es hilfreich sein, an den Brennstäben und an der Stabhalteplatte oder anderweitig Justierhilfen derart vorzusehen, daß Schlitze und Leisten bereits vor deren Eindringen in die Schütze miteinander flüchten, wozu in Ausgestaltung dieses Erfindungsgedankens auf mindestens einer der beiden Seiten der Leisten Vorsprünge angebracht sind,

J5 deren Breite der Weite der Schlitze entspricht oder angenähert ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich der oder die Schlitze in den Endabschnitten der Brennstäbe merklich über den Bereich der Ringnut hinaus, wodurch einerseits die vorübergehende Verformung innerhalb der Finger bei deren Zueinanderfünren gering gehalten ist und andererseits Kanäle für den Durchfluß eines Kühlmittels für die Brennstäbe geschaffen sind.

Dementsprechend weisen nach eine- Ausgestaltung der Erfindung die Weite und Länge des oder der Schlitze Abmessungen auf, bei denen die bei Eingriff der Mittel zum Aufrechterhalten oder Vergrößern der Weite der Schlitze verbleibenden, durch die Mittel, die

Ι" Seitenwänder der Schlitze und die Innenwand der Bohrung gebildete Kanäle und deren radiale Öffnungen außerhalb der Stabhalieplatte einen für den Durchfluß eines Kühlmittels für die Brennstäbe ausreichenden Quei schnitt aufweisen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Befestigungsanordnung von Brennstäben an einer Stabhalteplatte in einem Brennelement, geschnitten in ein»"· in der Längsachse gelegenen Ebene nach Schnitt I-I in F i g. 2,

F i g. 2 die Befestigungsanordnung, in einer Draufsicht . nach Schnitt Jl-II in F i g. 1,

F i g. 3 die Befestigungsanordnung, in einer Unteransicht nach Schnitt III-II1 in Fig. 1,

Fi g. 4 eine ander,; Befestigungsanordnung, im Längsschnitt IV-IV nach F i g. 5,

Fig.5 diese Befestigungsanordnung im Schnitt V-V, nach F i g. 4, und

F i g. 6 diese Befestigungsanordnung in einer Ausgestaltung, im vergrößerten Maßstab.

Nach Fig. 1, Fig.3 und Fig.4 ist in einem Brennelementhüllkasten 1 eine Stabhalteplatte 2 mit Bohrungen 3 durch Schweißen o. dgl. befestigt.

Nach Fig. 1 bis Fig.4 besitzen Brennstäbe 4 einen Endabschnitt, der in der Reihenfolge zu seinem freien Ende hin aus einer Ringnut 5, einer ringförmigen, etwa kegligen Schulter 5i, einem Bund 52 und einem sich keglig verjüngenden Kopf 6 besteht, wobei der Durchmesser des Bundes 52 größer als der Durchmesser der Bohrung 3 bemessen ist. Weiter weist der Endabschnitt zwei kreuzweise zueinander und wesentlich in axialer Richtung gelegene Schlitze 7 auf. die sich über den Bereich der Ringnut 5 hinaus erstrecken. Die Breite der Ringnut ist gleich der Dicke der Stabhalteplatte bemessen. Zufolge der Schlitze 7 ergeben sich in dem Endabschnitt vier Finger, die infolge der Wahl eines elastischen Werkstoffs unter Einwirken einer Kraft verformt werden können und nach Aufheben dieser Krafteinwirkung infolge der Rückstellkraft in ihre spannungsfreie Stellung zurückkehren.

Der Durchmesser der Ringnut 5 kann um soviel größer als der Durchmesser der Bohrung 3 bemessen sein, wie erforderlich ist, um die Finger mit Vorspannung an die Wand der Bohrung 3 anzulegen, derart, daß der Endabschnitt und damit der Brennstab ohne seitliches oder radiales Spiel in der Bohrung sitzen.

Anstelle dieser oder zusätzlich zu dieser Maßnahme ist eine gegenüber der Stabhalteplatte 2 bewegliche und feststellbare Anstellplatte 9 vorgesehen, wobei zur Befestigung Bolzen 10. Bolzen 11 und Schrauben 12 dienen.

Die Anstellplatte 9 trägt mit einer Spitze 131 versehene Dorne 13. Sie enthält ferner öffnungen 14 als Durchlaß für ein Kühlmittel für die Brennstäbe. Die Dorne 13 biciicn ,iuSBi'nrticn mit der AfiStciipiätte 9, lösbare Mittel zum Aufrechterhalten und ggf. Vergrößern der Weite der Schlitze 7 bzw. zum Abstützen und Auseinanderspreizen der Finger dar. Dies wird dadurch bewirkt, daß zunächst die Endabschnitte der Brennstäbe 4 dutch die Bohrungen 3 gesteckt und darauf durch Anstellen der Anstellplatte 9 die Dorne 13 in bzw. zwischen die Schlitze 7 gebracht werden. Das Lösen dieser Befestigung geschieht in umgekehrter Weise.

Andere lösbare Mittel zum Aufrechterhalten und ggf. Aufweiten der Schlitze 7 bestehen nach Fig.4 und F i g. 5 in zu der Stabhalteplatte 2 parallel gelegenen, entsprechend den Reihen Bohrungen 3 ausgerichteten.

zu den Enden der Brennstäbe hin keilförmig verjüngten bzw. mit einer Schneide 161 versehenen Leisten 16, die in einem gemeinsamen Rahmen 15 gehalten sind und mit diesem an die Stabhalteplatte 2 angestel't werden.

Hierdurch dringen die Leisten 16, geführt mit ihren Schneiden 161, in die Schlitze 7 ein, um diese aufrechtzuerhalten bzw. aufzuweiten. Dadurch besteht, wie bei den Dornen 13, Formschluß zwischen dem Endabschnitt und der Stabhalteplatte bzw. zwischen

ίο deren RingnutSmit Bund52 und der Bohrung3.

Die Anwendung der Leisten 16 setzt eine paarige Anordnung der Schlitze 7 bzw. der Finger voraus, doch dürfte eine solche Ausbildung aus Fertigungsgründen ohnehin gegeben sein. Um ein Hereinfinden der Leisten 16 in die Schlitze 7 zu erleichtern, können Justier- oder Orientierungshilfen bekannter Art benutzt sein. Der Einsatz der Leisten 16 anstelle der Dorne 13 bietet zudem einen besonderen Vorteil, wenn die Brennstäbe, sonstige Kerneiementstäbe o. dgl. mit bestimmter radialer Orientierung bzw. bestimmter azimutaler Lage eingesetzt werden sollen und müssen. Die Leisten 16 ermöglichen in diesen Fällen auf sehr einfache Weise das genaue Einstellen der Stäbe.

Zweckmäßig sind die Schlitze 7 bis über den Bereich der Ringnut 5 hinausgeführt — Fi g. 1 und Fig.4 —,um die Elastizität des Werkstoffs für die Spannungsverhältnisse in den Fingern günstig ausnutzen zu können aber auch um Kanäle für den Durchfluß eines Kühlmittels für die Brennstäbe 4 zu erhalten. Deshalb weisen die Weite und die Länge der Schlitze 7 Abmessungen auf, bei denen die bei Eingriff der Dorne 13 oder der Leisten 16 verbleibenden, durch diese sowie die Seitenwände der Schlitz 7 und die Innenwand der Bohrung gebildeten Kanäle und deren radiale öffnungen 8 außerhalb der Stabhalteplatte 2 einen für den Durchfluß eines Kühlmittels für die Brennstäbe 4 ausreichenden Querschnitt besitzen.

Da es bei Verwendung der Leisten 16 nicht

ausgeschlossen erscheint, daß sich die Finger auf den beiden Seiten der Leisten unter Belastung einander näher kommen und sich damit die Weite dieser Schlitze verringert, wird — nach F i g. 6 — vorsorglich vorgeschlagen, seitlich an der Leiste 16 Vorsprünge 161 anzubringen, deren Breite b groß genug bemessen ist, um die Weite der nicht durch die Leiste gefüllten Schlitze zwischen den Fingern aufrechtzuerhalten.

Die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung ist nicht allein dem Befestigen von Brennstäben und dem Kernreaktorbau vorbehalten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Befestigungsanordnung für die Brennstäbe eines Kernreaktor-Brennelementes, deren Endabschnitte in Bohrungen einer Stabhalteplatte gehaltert sind, wobei der Endabschnitt jedes Brennstabes zu seinem freien Ende hin einander folgend eine Ringnut, eine ringförmige, etwa kegelförmige Schulter, einen Bund und einen sich kegelförmig oder anderweitig verjüngenden Kopf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Bundes (52) größer als der Durchmesser der Bohrung (3) der Stabhalteplatte (2) bemessen ist, der Endabschnitt in an sich bekannter Weise mindestens einen, wesentlich in axialer Richtung gelegenen Schlitz (7) aufweist, daß sich der Schlitz (7) zumindest bis in den Bereich der Ringnut (5) erstreckt, daß die Breite der Ringnut (5) gleich der oder größer als die Dicke der Stabhalteplatte (2) bemessen is* und daß der Endabschnitt bzw. die zufolge des ader der Schlitze (7) verbleibenden Finger aus einem elastischen Werkstoff bestehen.

2. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser oder der größte Durchmesser der Ringnut (5) — zwecks Vorspannung im Befestigungszustand — größer bemessen ist als der Durchmesser der Bohrung (3).

3. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lösbare Mittel zum Aufrechterhalten und/oder Vergrößern der Weite des oder der Schlitze (7) bzw. zum Abstützen und/oder Auseinanderspreizen der Finger vorgesehen sind.

4. Befestigungsanordnu.fg nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ni .tel aus gegebenenfalls an ihrem freien Ende mit einer Spitze (131) versehenen Dornen (13) zylindrischer, kegelförmiger oder pyramidenartiger Form bestehen und — bei zu den Bohrungen (3) der Stabhalteplatte (2) koaxialer Anordnung — gegenüber den Enden der Endabschnitte der Brennstäbe (4) in einer, in Richtung auf die Stabhalteplatte (2) bewegbaren und feststellbaren Anstellplatte (9) befestigt sind.

5. Befestigungsanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel — bei paariger Anzahl der Finger — aus zu der Stabhalteplatte (2) parallel gelegenen, entsprechend den Reihen Bohrungen (3) ausgerichteten, zu den Enden der Brennstäbe (4) hin keilförmig verjüngten oder mit einer Schneide (161) oder Fasen versehenen Leisten bestehen, die einzeln oder gemeinsam in einem Rahmen (15) in Richtung auf die Stabhalteplatte (2) bewegbar und feststellbar angeordnet sind.

6. Befestigungsanordnung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Schlitze (7) in den Endabschnitten der Brennstäbe (4) merklich über den Bereich der Ringnut (5) hinaus erstrecken.

7. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Weite und Länge des oder der Schlitze (7) Abmessungen .aufweisen, bei denen die bei Eingriff der Mittel (13, 16) zum Aufrechterhalten oder Vergrößern der Weite der Schlitze (7) verbleibenden, durch die Mittel, die Seitenwände der Schlitze (7) und die Innenwand der Bohrung (3) gebildeten Kanäle und deren radiale öffnungen (8) außerhalb der Stabhalteplatte (2) einen für den Durchfluß eines Kühlmittels für die Brennstäbe (4) ausreichenden Querschnitt aufweisen.

8. Befestigungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer der beiden Seiten der Leisten (16) Vorsprünge (161) angebracht sind, deren Breite (b) der Weite der Schlitze (7) entspricht oder angenähert ist