DE2549423B1 - Kerntragstruktur fuer kernkraftwerke, vorzugsweise fuer leichtwasserreaktoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kerntragstruktur für Kernkraftwerke, bestehend aus einem Rost einander keuzender Stege und einem den Rost umfassenden, mit den Enden der äußeren Stege verbundenen Tragring. Derartige Kerntragstrukturen sind bereits seit 1967 für die Kernkraftwerke Obrigheim, Stade, Biblis und folgende im Einsatz. Bei einer bekannten Kerntragstruktur der genannten Art (DT-OS 22 15 134) sind die Stege von zwei verschiedenen Arten von Bauelementen gebildet: zum einen von in den Kreuzungspunkten angeordneten Profilstäben und zum anderen von in den Zwischenräumen zwischen den Profilstäben angeordneten Platten, welche mit den Profilstäben verschweißt sind. Auf diese Weise ergeben sich zwischen zwei Profilstäben längs einer Netzlinie jeweils zwei Schweißnähte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kerntragstruktur der eingangs genannten Art die Anzahl der erforderlichen Schweißnähte zu reduzieren, so daß sich in bezug auf die Genauigkeit der Fertigung und die Stabilität des Rostes Verbesserungen ergeben. Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei einer Kerntragstruktur der eingangs genannten Art erfindungsgemäß darin, daß der Rost aus Profilstabkreuzen einer solchen Schenkellänge aufgebaut ist, daß jeweils die aneinanderstoßenden Schenkel zweier zueinander benachbarter Kreuze die Seitenlänge der kleinsten Gitterfeldeinheit ergeben und daß die Profilstabkreuze an den Stoßstellen ihrer Schenkel miteinander verschweißt sind.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß nicht nur durchgehende Schweißnähte erhalten werden, die rationell durch maschinelle Schweißverfahren hergestellt werden können, sondern daß die Schweißnähte auch in einem Flächenbereich der Stege zwischen Kreuzungspunkten liegen, wo sie für Röntgen- und/oder Ultraschall-Prüfung sehr gut zugänglich sind. Ferner ergibt sich eine sehr rationelle, projektunabhängige Lagerhaltung von Profilstangen als Grundelemente für die Roste. Bevorzugt werden Profilstabkreuze mit jeweils vier gleich langen Schenkeln verwendet, so daß die Schweißnähte mittig innerhalb der jeweiligen Gitterfeldseite liegen. Somit ergibt sich für die Kerntragstruktur, abgesehen von ihrer Randzone, ein homogenerAufbau. Ein solcher Aufbau kann auch erhalten werden, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Profilstabkreuze jeweils paarweise gegenüberliegend gleich lange Schenkel aufweisen und jeweils ein längerer Schenkel mit einem kürzeren Nachbarschenkel zusammengeschweißt ist. In diesem Falle ist die Lage der Schweißnähte nicht mehr mittig, jedoch immer noch in dem zugänglichen Flächenbereich der Stege. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, daß die Grundelemente besonders einfach als Profilstangen beliebiger Länge gezogen werden können, da sie sich einem Flachprofil annähern.

Zur Herstellung des Randzonenbereiches des Rostes kann so vorgegangen werden, daß aus den Grundelementen ein der Kreisform angenäherter Rost zusammengeschweißt wird und dann in der Randzone längs einer Kreislinie das überschüssige Material abgetrennt wird, wobei dann dieser Rost in den Tragring eingefügt und mit diesem verschweißt wird. Es ist jedoch auch möglich, Sonderprofile zu verwenden, d. h., daß in der Randzone des Rostes Profilstabkreuze verwendet sind, die entsprechend der Krümmung des kreisförmigen Tragringes im Vergleich zu den Normal-Profilstabkreuzen mit verlängerten bzw. verkürzten Schenkeln versehen sind.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Kerntragstruktur, das dadurch gekennzeichnet, ist, daß jeweils vier Profilstabkreuze zu einer Rost-Baueinheit zusammengeschweißt werden,

daß hierauf an die gleichartigen Rost-Baueinheiten Schweißkanten angearbeitet werden und die Rost-Baueinheiten in einer der fertigen Kerntragstruktur entsprechenden Lage zu einem Rost oder einem Abschnitt desselben zusammengestellt, zentriert gehalten und dann geheftet werden, und daß schließlich der geheftete Rost oder Rostabschnitt auf einen Schweißrost gespannt und die Rost-Baueinheiten endgültig miteinander verschweißt werden. Die Rost-Baueinheiten können also in einer Vorfertigung hergestellt werden und in dieser Form auf Lager genommen werden. Sobald Bedarf für eine Kerntragstruktur besteht, ist diese dann relativ schnell und genau aus den Rost-Baueinheiten herzustellen. Eine Weiterbildung des genannten Verfahrens besteht darin, daß die Rost-Baueinheiten zu Reihen unterschiedlicher Sehnenlänge zusammengestellt, in ausgerichteter Lage gehalten und miteinander verschweißt werden und daß hierauf schließlich die Reihen unterschiedlicher Sehnenlänge in einer dem fertigen Rost entsprechenden Anordnung auf einen Schweißrost gespannt und nacheinander zu einem kompletten Rost zusammengeschweißt werden. Der besondere Vorteil dieser Verfahrensschritte besteht darin, daß man definierten Längs- und Querschrumpf hat, da man nacheinander in diesen beiden Hauptrichtungen zusammenschweißt. Außerdem sind die aus Rost-Baueinheiten zusammengestellten Reihen gleichfalls für eine Zwischenlagerung gut geeignet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen in vereinfachter, teilweise schematischer Darstellung:

F i g. 1 perspektivisch im Ausschnitt eine im folgenden abgekürzt als KTS bezeichnete Kerntragstruktur nach der Erfindung; die in einem Siedewasserreaktorbehälter eingebaut ist;

Fig.2 im Schnitt einen Reaktordruckbehälter mit Einbauten eines Druckwasserreaktors, bei dem die KTS nach der Erfindung als oberer und unterer Rost Verwendung findet;

Fig.3 perspektivisch ein einzelnes Profilstabkreuz symmetrischer Bauweise;

F i g. 4 in Draufsicht eine aus vier Profilstabkreuzen gebildete Rost-Baueinheit;

Fig.5 im Ausschnitt und als Draufsicht einen Quadranten eines Rostess mit Tragring;

F i g. 6 schematisch eine Rostreihe, die als Zwischenstufe der Rostfertigung aus mehreren Rost-Baueinheiten zusammengeschweißt wurde;

Fig.7 eine abgewandelte Ausführungsform einer Rost-Baueinheit;

Fig.8 eine Schweißvorrichtung für den Rost mit einem Schweißrost zum Aufspannen der zusammenzuschweißenden Rost-Baueinheiten bei aufrechter Lage des Rostes bzw. horizontaler Lage seiner Rost-Baueinheiten und mit zwei beidseits angeordneten Schweißmaschinen;

F i g. 8a perspektivisch im Ausschnitt eine Zentrier- und Spanneinrichtung zum Heften von Rost-Baueinheiten und

F i g. 9 im Auf- und Grundriß ein einzelnes Profilstabkreuz, das an seinem oberen Ende mit fensterartigen Aussparungen zur Bildung von Füßen versehen ist, an welche Platten, die als Abstellfläche für Brennelemente dienen sollen, angeschweißt sind.

Fig. 1 zeigt die KTS (Kerntragstruktur) 1, hier als obere Kerngitterplatte ausgeführt, in einem Druckbehälter 2 für Siedewasserreaktoren. Planparallel und mit Abstand zur KTS 1 ist eine untere Kerngitterplatte 3 angeordnet, die zusammen mit der KTS1 zur präzisen Axialführung und -halterung der Steuerstäbe 4 und der Brennelemente 5 dient. Von letzteren ist jeweils nur ein Stab 4 bzw. ein Brennelement 5 angedeutet. Es ist ersichtlich, daß die KTS 1 aus einem Rost einander kreuzender Stege 6 und einem den Rost umfassenden, mit den Enden der äußeren Stege 6 verbundenen Tragring 7 besteht. Die KTS 1 ist, wie man sieht, innerhalb des topfförmigen Kernmantels 8 mit Deckel 8.1 angeordnet, und zwar liegt sie auf dem Innenrand des Flansches 8.2 auf. Die KTS 1 und die untere Kerngitterplatte 3 sind für die genaue Lage und Führung der Brennelemente 5 und die Steuerstäbe 4 maßgebend, so daß es auf genaue Maßhaltigkeit der Gitteröffnungen 9 ankommt. Die übrigen Teile im Reaktordruckbehälter 2 sind zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht von Belang; erwähnt sei nur, daß mit 11 Dampftrockner bezeichnet sind, mit 12 Dampfabscheider, mit 13 die Steuerstabführungsrohre, mit 14 interne Axialpumpen, mit 15 die Standzarge, mit 2.1 der Druckgefäßdeckel, mit 2.2 das topfförmige Unterteil des Druckgefäßes 2 sowie mit 16 die Steuerstabantriebe.

F i g. 2 zeigt einen Reaktordruckbehälter 2' für Druckwasserreaktoren, bei dem die erfindungsgemäße KTS als obere KTS 1.1 und als untere KTS 1.2 Verwendung findet. Im übrigen sind entsprechende Teile zu F i g. 1 auch mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch unter Hinzufügung eines Striches gekennzeichnet. Der Kernbehälter 8' ist hierbei mit einem Flansch 8.2' im Bereich der achsnormalen Teilfuge 2.3 des Druckbehälters 2' eingehängt. Die obere KTS 1.1 bildet mit Stützen 17 und der Gitterplatte 18 einen heraushebbaren Einsatz. Die untere KTS 1.2 dient mit aus F i g. 2 nicht ersichtlichen Tragplatten als untere Abstützung für die Brennelemente 5', von denen, ebenso wie bei den Steuerstäben, lediglich eines gezeichnet ist; tatsächlich wird hier der Reaktorkern jedoch durch eine Vielzahl derartiger Brennelemente 5' mit dazwischenliegenden Steuerstäben 4' gebildet. Die untere KTS 1.2 wiederum sitzt auf einem Kernbehälterflansch 19 auf und ist mit Schraubverbindungen festgesetzt. Eine Stauplatte 20 und ein Schemel 21 garantieren eine gleichmäßige Beaufschlagung des Reaktorkerns mit Kühlmittel, Auch hier kommt es auf Maßhaltigkeit und Genauigkeit der KTSiA und 1.2 an.

F i g. 5 zeigt, daß hier die mit ^bezeichneten KTSaus Profilstabkreuzen 20 (siehe Fig.3) mit einer solchen Länge ihrer Schenkel 21 aufgebaut sind, daß jeweils die aneinanderstoßenden Schenkel 21 zweier zueinander benachbarter Kreuze 20 die Seitenlänge g der kleinsten Gitterfeldeinheit 9 ergeben. Pro Seite. 9.1 der kleinsten Gitterfeldeinheit 9 ist somit jeweils nur eine Schweißung 22 erforderlich, mittels welcher die Profilstabkreuze 20 an den Stoßstellen ihrer Schenkel 21 miteinander verbunden sind. F i g. 5 in Verbindung mit F i g. 3 zeigt ferner, daß Profilstabkreuze 20 mit jeweils vier gleich langen Schenkeln 21 verwendet sind, so daß die Schweißnähte 22 mittig innerhalb der jeweiligen Gitterfeldseite 9.1 liegen. Es ist somit eine gute Zugänglichkeit für Röntgen- oder gegebenenfalls Ultraschall-Materialprüfungen gewährleistet.

Fig.4 zeigt eine aus vier Profilstabkreuzen 20 vorgefertigte Rost-Baueinheit 23, die zugleich die vergrößerte Einzelheit X aus Fig.5 darstellt. Diese Rost-Baueinheit 23 ist in der vorgefertigten Form ein Element, welches bereits sehr genau und maßhaltig ist,

und an dem die Schweißkanten 22.2 bereits angearbeitet sind. In dieser Form kann es auf Lager genommen werden, und im Falle des Bedarfs eines kompletten Tragrostes sind dann wesentlich weniger Schweißungen, nämlich um etwa die Hälfte weniger, erforderlich, so daß auch die Wärmespannungen und die Verzugserscheinungen geringer sind.

F i g. 7 zeigt eine Abwandlung der Rost-Baueinheit 23, hier mit 23' bezeichnet, bei welcher die Profilstabkreuze 20 jeweils paarweise gegenüberliegend gleich lange Schenkel 21.1 und 21.2 aufweisen, wobei jeweils ein längerer Schenkel 21.1 mit einem kürzeren Nachbarschenkel 21.2 zusammengeschweißt ist. Von der Darstellung einer KTS wurde hier abgesehen, da diese sinngemäß zu F i g. 5 wäre. In F i g. 5 stellt das Gitter bzw. Netz 6 den Teilungsraster der KTS K dar, und die Profilstabkreuze 20 bzw. Rost-Baueinheiten 23 sind nur ausschnittsweise dargestellt. In der Randzone ζ der KTSK sind Profilstabkreuze 20 5 verwendet, welche entsprechend der Krümmung des kreisförmigen Tragringes 7 mit im Vergleich zu den Normal-Profilstabkreuzen 20 verlängerten Schenkeln 20 Sl und mit im Vergleich zu der Normalausführung 20 verkürzten Schenkeln 20 52 versehen sind. Für eine gegebene Tragrost-Konstruktion können diese Randzonen-Profilstabkreuze 20 S vorgefertigt auf Lager vorhanden sein; es ist jedoch auch möglich, wie eingangs erläutert, die gesamte KTS K aus der gleichen Ausführung der Profilstabkreuze 20 so yorzufertigen, daß im Bereich der Randzone genügend Überstand vorhanden ist, so daß nunmehr mit einer Trenneinrichtung längs des Kreises 7' das überschüssige Material abgetrennt werden kann. Nach dem Nachschleifen und Anarbeiten der Schweißkanten kann dann das so gebildete Gitter mit dem Tragring 7 verschweißt werden.

F i g. 3,4 und 7 zeigen, daß die Profilstabkreuze 20 und 20' aus Stahgenmaterial abgeschnitten werden können, so daß sich eine sehr billige Massenfertigung ergibt. Für das Herstellungsverfahren wurde bereits ein vorteilhafter Verfahrensschritt erwähnt, nämlich die Herstellung der Rost-Baueinheiten 20 (Fig.4) oder 20' (Fig.7). Diese Rost-Baueinheiten werden mit Schweißkanten 22.2 versehen und in einer der fertigen KTS K entsprechenden Lage zu einem Rost zusammengestellt, zentriert gehalten und dann geheftet. Zum zentrierten Halten kann eine Vorrichtung dienen, die in Fig.8a ausschnittsweise dargestellt ist Sie besteht aus einer unteren Halteplatte 24 und einer oberen Halteplatte 25, wobei die Halteplatten 24, 25 jeweils ein Netz sich kreuzender Stege 26 mit Zentrierstiften 27 aufweisen. Diese einander zugewandten Zentrierstifte 27 sind dazu vorgesehen, in entsprechende Zentrierbohrungen 28 (Fig.4) und 28' (Fig.7) einzugreifen. Wenn die Rost-Baueinheiten 23 auf die untere Platte 24 in einer Konfiguration entsprechend dem fertigen Rost R aufgelegt sind, wird hierauf die obere Halteplatte 25 auf die Anordnung abgesenkt und dann werden obere und untere Halteplatte mitsamt den dazwischenliegenden Rosteinheiten 23 mittels Spannringen 29, 30, welche über den Umfang verteilt mit Bohrungen 31 für Spannschrauben 32 versehen sind, zusammengespannt. Es ist ein unterer Spannring 29 und ein oberer Spannring 30 vorgesehen, die als Winkelringe ausgeführt sind. Von den Spannschrauben 32 mit Muttern 32.1 ist nur eine gezeichnet. Es wird natürlich eine Vielzahl von über den Umfang der Spannringe 29, 30 verteilten Spannschrauben mit Muttern benötigt. Sind die Rosteinheiten 23 in der Spann- und Zentriereinrichtung nach F i g. 8a eingespannt, dann können sie zusammengeheftet werden, so daß die so vorgefertigte Rosteinheit einen genügenden Zusammenhalt und eine genügende Formstabilität aufweist und in die Schweißeinrichtung nach F i g. 8 eingefügt werden kann.

Das heißt, nach Entfernen der Spann- und Zentriereinrichtung nach F i g. 8a wird der geheftete Rost R' in den Schweißrost 33 nach Fig.8 eingespannt. Der Schweißrost 33 ist mit nicht näher dargestellten Spanneinrichtungen versehen und ist von einem Rollenbock 34 mit Rollen 34.1 getragen, so daß der Schweißrost 33 auch in seiner Lage verdreht werden kann. In F i g. 8 ist die aufgerichtete Lage des Schweißrostes 33 mit dem eingespannten gehefteten Rost R' dargestellt. Beidseits des Schweißrostes 33 befinden sich auf Wagen 35 mit Rollen 36 entsprechend verfahrbare Schweißgalgen 37, jeweils mit einem Schweißkopf 38, der in seiner Längsrichtung verstellbar an einem Arm 39 gelagert ist. Der Arm 39 ist ferner an dem Vertikalarm 40 auch höhenverstellbar gelagert. In den Wagen 35 befindet sich die Schweißmaschine. Beide Schweißmaschinen können gleichzeitig arbeiten, was aufgrund der Tatsache, daß nur Horizontalnähte zu schweißen sind, bequem möglich ist. Nachdem alle Nähte geschweißt sind, und der Rost R' abgekühlt ist, kann der äußere Umfang auf das Verschweißen mit dem Tragring 7 vorbereitet werden. Das heißt, der äußere Umfang kann auf Maß gedreht und mit entsprechenden Schweißkanten versehen werden. Das Verschweißen mit dem äußeren Tragring kann ebenfalls in der dargestellten Einrichtung vorzugsweise bei vertikaler Lage des Rostes erfolgen. Wegen der Vermeidung der Schweißtropfenbildung empfiehlt sich die dargestellte Horizontalschweißung bei vertikaler Lage des Rostes, wenn auch grundsätzlich eine Vertikalschweißung möglich wäre. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren (vgl. Fig.6) werden zunächst die Rost-Baueinheiten 20 zu Reihen 41 unterschiedlicher Sehnenlänge zusammengestellt, in ausgerichteter Lage gehalten und miteinander verschweißt. Zum Halten in ausgerichteter Lage kann die Halte- und Zentriereinrichtung nach F i g. 8a verwendet werden, d. h. es wird zunächst wieder geheftet mittels punktförmiger Schweißungen, und nach dem Erkalten kann die Rostreihe 41 mittels der Schweißeinrichtung nach F i g. 8 endgültig zusammengeschweißt werden. Diese Rostreihen unterschiedlicher Sehnenlänge können nunmehr gelagert oder im nächsten Arbeitsgang mittels der Einrichtung nach F i g. 8 zu einer kompletten KTS K zusammengeschweißt werden, wobei für dieses Verfahren besonders vorteilhaft ist, daß beim Zusammenschweißen der einzelnen Rost-Baueinheiten zu Rostreihen 41 nur eine Dehnung bzw. ein Schrumpf in der einen Richtung auftritt und beim Zusammenschweißen der Rostreihen 41 zur kompletten KTS dann nur eine Dehnung bzw. ein Schrumpf in der dazu senkrechten Richtung auftritt. Auf diese Weise erhält man bei dem Schweißprozeß definierte Dehnungsverhältnisse, die eine besonders große Genauigkeit ermöglichen.

F i g. 9 zeigt noch in einem Grund- und Aufriß daß ein einzelner Kreuzprofilstab 20" mit Aussparungen 42 versehen ist, so daß Füße 43 gebildet werden. An diese Füße 43 ist eine Platte 44 angeschweißt Diese mit Platten 44 versehenen Grundelemente 20" haben Bedeutung für die Herstellung von unteren Rosten 1.2 (siehe F i g. 2), welche auf ihrer Oberseite Stützflächen für die Brennelemente 5' aufweisen müssen. Das

Zusammenschweißen zu Rost-Baueinheiten und die weiteren Herstellungsschritte zur Herstellung der kompletten KTS sind dann sinngemäß wie bereits erläutert. Die Platten 44 können dann am fertigen Rost auf Maß mittels Formfräsern gefräst werden. Hierbei ist vorteilhaft, daß der Formfräser die gesamte Rostfläche in einem Arbeitsgang überstreichen kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kerntragstruktur für Kernkraftwerke, bestehend aus einem Rost einander keuzender Stege und einem den Rost umfassenden, mit den Enden der äußeren Stege verbundenen Tragring, dadurch gekennzeichnet, daß der Rost (6) aus Profilstabkreuzen (20, 20') einer solchen Schenkellänge aufgebaut ist, daß jeweils die aneinanderstoßenden Schenkel (21; 21.1, 21.2) zweier zueinander benachbarter Kreuze (20,20') die Seitenlänge (g)der kleinsten Gitterfeldeinheit (9) ergeben und daß die Profilstabkreuze (20, 20') an den Stoßstellen ihrer Schenkel (21; 21.1, 21.2) miteinander verschweißt sind.

2. Kerntragstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Profilstabkreuze (20) mit jeweils vier gleich langen Schenkeln (21) verwendet sind und die Schweißnähte (22) demgemäß mittig innerhalb der jeweiligen Gitterfeldseite (9.1) liegen.

3. Kerntragstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstabkreuze (20') jeweils paarweise gegenüberliegend gleich lange Schenkel (21.1 bzw. 21.2) aufweisen und jeweils ein längerer Schenkel (21.1) mit einem kürzeren Nachbarschenkel (21.2) zusammengeschweißt ist.

4. Kerntragstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Randzone des Rostes Profilstabkreuze (20S) verwendet sind, die entsprechend der Krümmung des kreisförmigen Tragringes (7) mit im Vergleich zu den Normal-Profilstabkreuzen (20, 20') verlängerten bzw. verkürzten Schenkeln (20 51,20 S2) versehen sind.

5. Verfahren zur Herstellung einer Kerntragstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vier Profilstabkreuze (20 bzw. 20') zu einer Rost-Baueinheit (23 bzw. 23') zusammengeschweißt werden, daß hierauf an die gleichartigen Rost-Baueinheiten (23,23') Schweißkanten (22.2) angearbeitet werden und die Rost-Baueinheiten in einer der fertigen Kerntragstruktur (K) entsprechenden Lage zu einem Rost (R') oder einem Abschnitt (4.1) desselben zusammengestellt, zentriert gehalten und dann geheftet werden, und daß schließlich der geheftete Rost (R')oäer Rostabschnitt (41) auf einen Schweißrost (33) gespannt und die Rost-Baueinheiten (23, 23') endgültig miteinander verschweißt werden.

6. Verfahren einer Kerntragstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rost-Baueinheiten (23, 23') zu Reihen (41) unterschiedlicher Sehnenlänge zusammengestellt, in ausgerichteter Lage gehalten und miteinander verschweißt werden und daß hierauf die Reihen (41) unterschiedlicher Sehnenlänge in einer den fertigen Rost entsprechenden Anordnung auf einen Schweißrost (33) gespannt und zu einem kompletten Rost zusammengeschweißt werden.