DE2605594A1

DE2605594A1 - Brennelementskelett

Info

Publication number: DE2605594A1
Application number: DE19762605594
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing Grad Bezold
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1976-02-12
Filing date: 1976-02-12
Publication date: 1977-08-18
Also published as: GB1531186A; SE7700762L; BE851285A; ES455844A1; FR2341180A1; US4120751A

Description

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KRAFTWERK UNION AKTIENGEShIILSOFAPΓ Unser Zeichen:

VPA 76 P 9 3 0 2 BRD

Brennelementskelett

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelementskelett mit spielfreier Formschlußverbindung zwischen seinen jeweils aus Materialien unterschiedlicher Wärmedehnung bestehenden Bauteilgruppen, wie Verbindungsstäben, Steuerstabführungsrohren einerseits sowie Abstandshaltergittem und Kopf- bzw. Fußplatten andererseits. Ein solches Skelett dient zur Aufnahme einer Vielzahl von mit Kernbrennstoff gefüllten Brennstäben Brennstäbe und Brennelementskelett bilden somit das fertige Brennelement. Derartig aufgebaute Brennelemente finden insbesondere für Leichtwasser-Kernreaktoren Verwendung. Die bei manchen Brennelementtypen vorgesehenen Steuerstabführungsrohre, die an Brennstabpositionen vorgesehen sind, stellen dabei gleichzeitig die Verbindungsstäbe zwischen der Kopf- und der Fußplatte des Brennelementes dar. Ein solches Brennelementskelett muß daher von sich aus bereits eine beachtliche Festigkeit und Steifigkeit aufweisen, damit auch das fertige Brennelement formstabil bleibt.

Aus neutronenphysikalischen Gründen muß dafür gesorgt werden, daß innerhalb eines Brennelementes möglichst wenig neutronenabsorbierendes Strukturmaterial vorhanden ist. Da die Abstandshaltergitter selbst für die Halterung der Brennstäbe aus federelastischem Material, wie z.B. Inconel, hergestellt werden, wird für die Steuerstabführungsrohre ein wesentlich weniger neutronenabsorbierendes Material, wie z.B. eine Zirkonlegierung, vorgesehen. Eine metallurgische Verbindung zwischen den Steuerstabführungsrohren und Abstandshaltergittem, z.B. durch Schweißen oder Löten, stößt aber auf sehr große Schwierigkeiten, so daß

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Mü 21 Ant / 30.1.1976

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bereits vorgeschlagen wurde, zwischen diesen Bauelementen rein mechanische Verbindungen zu wählen, siehe z.B. die Vorschläge in der deutschen Patentanmeldung P 20 23 587.4.

Durch diese anderen Vorschläge wurde die Aufgabe der Verbindung zwischen Abstandshaltern und SteuerStabführungsrohren zwar vom festigkeitstechnischen Standpunkt aus zufriedenstellend gelöst, es stellte sich Jedoch heraus, daß diese unterschiedlichen Materialien nicht nur in den Neutronenabsorption Unterschiede aufweisen, sondern auch in der Wärmedehnung. Da aber Brennelemente und damit auch ihre Skelette während des Betriebes im Kernreaktor oftmals wechselnden Temperaturen unterworfen sind, besteht durch die unterschiedliche Wärmedehnung sowie außerdem durch neutroneninduziertes Längenwachstum der Steuer-Stabführungsrohre die Möglichkeit, daß sich im Laufe des Reaktorbetriebes ein axiales Spiel zwischen Abstandshaltern und Führungsrohren einstellt, das dann die Gefahr einer weiteren Lockerung dieser Verbindung durch Reibkorrosion in sich birgt. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Verbindung zwischen den Brennelementkopf- und Fußplatten. Hinzu kommt, daß auch ein derartig sich einstellendes Spiel zu Reibbewegungen zwischen den Abstandshaltergittern und Brennstäben führt, wobei auch dort dann die Möglichkeit einer Reibkorrosion gegeben ist.

Aus sicherheitstechnischen Gründen muß jedoch angestrebt werden, derartige Erscheinungen, die im Laufe der Zeit zu ernsthaften Störungen führen können, nach Möglichkeit von vornherein zu vermeiden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf den Verbindungsstäben bzw. Steuerstabführungsrohren ober- und unterhalb der Elemente der anderen Bauteilgruppe mit Vorsprüngen versehene Hülsen oder gewölbte Blechteile des gleichen Materials, z.B. durch Punktschweißung befestigt sind, wobei die Vorsprünge diametral einander gegenüberliegen und sich bis zu einer gemeinsamen zwischen den Hülsen bzw. Blechteilen senkrecht zu deren

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- * Γ_λ·%

Längsachse gedachten Ebene erstrecken und daß die andere Bauteilgruppe mit in dieser Ebene liegenden Anschlagflächen versehen ist, an denen die Vorsprünge aufsitzen. Die Befestigungs- bzw. Abstützpunkte zwischen den Steuerstabführungsrohren und den Abstandshaltergittem bzw. Kopf- und Fußplatten der Brennelemente liegen also sämtlich in einer Ebene, so daß - die Halterungshülsen bzw. Blechteile bestehen aus dem gleichen Material wie die Verbindungsstäbe bzw. Steuerstabführungsrohre keinerlei axiale Verschiebung zwischen den auf diese Weise miteinander verbundenen Bauteilen auftreten kann. Dies gilt nicht nur hinsichtlich der unterschiedlichen Wärmedehnung, sondern auch des neutroneninduzierten Längenwachstums der Zirkonlegierungsteile, dem die Steuerstabführungsrohre und die Befestigungshülsen gleichermaßen unterworfen sind.

Zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung sei auf die in den Figuren dargestellten möglichen Ausführungsbeispiele verwiesen. Die Fig. 1 und 2 zeigen in der Seitenansicht und im Querschnitt den Aufbau eines solchen Brennelementskelettes, die Fig. 3 und 4,

5 und 6 sowie 7-9 jeweils ein mögliches Ausführungsbeispiel in Seitenansicht und Querschnitt.

Nach den Fig. 1 und 2 besteht ein Brennelementskelett beispielsweise aus den Steuerstabführungsrohren 1, die die Brennelementkopfplatte 7 und die Brennelementfußplatte 8 starr miteinander verbinden. Abstandshaltergitter 2, die in an sich bekannter Weise aus hochkant angeordneten Blechstegen, siehe Fig. 2, bestehen, werden von diesen Steuerstabführungsrohren 1 in ihrer jeweiligen Sollage gehalten und müssen zu diesem Zweck mit diesen starr verbunden sein.

Eine Verbindungsmöglichkeit zwischen den Steuerstabführungsrohren 1 und den Abstandshaltergittera ist in den Ausführungsbeispielen dargestellt, eine ganz ähnliche Konstruktion ergibt sich dabei für die Verbindung des Kopf- und Fußstückes mit den

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SteuerStabführungsrohren, da diese prinzipiell einen vergleichbaren Aufbau haben, wenn sie auch insgesamt wesentlich stabiler als die Abstandshaltergitter ausgeführt sein müssen. Es wurde daher für diese Verbindungsstellen kein gesondertes Beispiel dargestellt.

Nach Fig. 3, die einen Längsschnitt einer Verbindung eines Führungsrohres 1, das eine Masche des Abstandshaltergitters 2 durchsetzt, darstellt, ist oberhalb und unterhalb des Abstandshaltergitters 2 je eine Befestigungshülse 4 und 3 vorgesehen, die z.B. über eine Punktschweißung 5 mit dem Führungsrohr 1 starr und unlösbar verbunden ist. Die Hülsen 3 und 4 haben nun Vorsprünge 31 und 41, die praktisch einen Teil des zylindrischen Hülsenmantels darstellen. Diese Vorsprünge ragen gem. Fig. 4 in die Ecken der Abstandshaltermasche hinein und liegen an den Anschlagflächen 21 und 22 des Abstandshaltergitters an, die sich auf der gleichen Höhe, nämlich der Anschlagebene 6, befinden. Diese Anschläge 21 und 22 können sich auf in die Gittermaschen eingesetzten Körpern befinden, jedoch

auch durch aus den Maschenwänden ausgeprägte oder ausgebogene Stegteile gebildet sein.

Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt wiederum das Führungsrohr 1 mit den Befestigungshülsen 3 und 4.

Die Vorsprünge dieser Hülsen werden dabei so verformt, daß sich der auf der Anschlagfläche abstützende Teil radial nach außen abwinkelt. Dieser ist mit den Bezugsziffern 32 und 42 gekennzeichnet und greift in Ausschnitte der benachbarten Abstandshalte rmaschenwand ein. Die als Anschlagfläche dienenden Kanten dieser Ausschnitte 24 und 23 liegen in der Höhe der Anschlagebene 6, so daß also auch hier die einleitend geschilderten Verhältnisse gegeben sind. Für den Aufbau dieser Verbindung ist es in diesem speziellen Beispiel notwendig, die Hülsen 3 und 4 nach dem Einschieben in die Abstandshaltermasche noch zu drehen,

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damit die VorsprUnge mit den Anschlagflächen 24 und 23 in Eingriff kommen. Hernach wird dann die Schweißverbindung 5 mit dem Bauteil 1 hergestellt. Wenn dabei die Ausnehmungen in den Stegwandungen für den Eingriff der Vorsprünge so angeordnet sind, daß für das Einführen der Vorsprünge 42 und 32 ein gegensätzlicher Drehsinn notwendig ist, so ist diese Verbindung nicht nur starr und stabil in Längsrichtung, sondern auch drehgesichert.

^O Die in den Fig. 7-9 skizzierten Ausführungsbeispiele verwenden anstelle der Hülsen 3 und 4 gewölbte Blechteile 45 und 46, die an der Wandung des Führungsrohres 1 aufliegen und beispielsweise durch Schweißpunkte 5 mit diesem verbunden sind.

'* Nach Fig. 7 stützen sich diese Blechteile - sie bilden gleichzeitig auch die Vorsprünge der früheren Beispiele - ähnlich wie in Fig. 3 auf. Anschlagflächen 21 und 22 in den Maschen des Abstandshaltergitters 2 ab.

Diese Flächen können dabei, wie in den Fig. 8 und 9 in Draufsicht und im Längsschnitt dargestellt, aus einer mit der Abstandshaltermasche verbundenen, z.B. in diese eingelöteten Blechhülse 26 ausgeprägt sein. Durch diese Konstruktion wird gleichzeitig auch eine Drehverriegelung der Führungsrohre 1 erreicht, wobei auch noch darauf hingewiesen werden soll, daß solche Abstützungen natürlich auch in Jeder Ecke der betreffenden Abstandshaltermasche vorgesehen werden können.

Selbstverständlich sind auch noch andere Ausführungsformen derartiger mechanischer Verbindungen innerhalb eines Brennelementskelettes denkbar, ohne von dem Prinzip der axialen Abstützung auf einer gemeinsamen Anschlagebene abzuweichen.

Abschließend sei außerdem noch darauf hingewiesen, daß sich diese Befestigungsart selbstverständlich auch für andere Geometrien von

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Abstandshaltern und Kopf- und Endplatten eignet, wobei in analoger Weise z.B. auch äußere Umhüllungen von Brennelementen, wie Brennelementmäntel oder Leitrohre nach dem gleichen Prinzip mit den übrigen Brennelementskeletteilen verbunden werden können.

6 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

Patentansprüche

¹Tl.) Brennelementskelett mit spielfreier Formschlußverbindung zwischen seinen jeweils aus Materialien unterschiedlicher Wärmedehnung bestehenden Bauteilgruppen, wie Verbindungsstäben und Steuerstabführungsrohren einerseits sowie Abstandshaltergittern und Kopf- bzw. Fußplatten andererseits, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Verbindungsstäben bzw. Sbeuerstabführungsrohren (1) ober- und unterhalb der Elemente der anderen Bauteilgruppe mit Vorsprüngen (31,41) versehene Hülsen (3,4) oder gewölbte Blechteile des gleichen Materials, z.B. durch Punktschweißung (5) befestigt sind, wobei die Vorsprünge diametral einander gegenüberliegen und sich bis zu einer gemeinsamen zwischen den Hülsen bzw. Blechteilen senkrecht zu deren Längsachse gedachten Ebene (6) erstrecken und daß die andere Bauteilgruppe mit in dieser Ebene liegenden Anschlagflächen (21,31) versehen ist, an denen die Vorsprünge (31,41) aufsitzen.
2. Brennelementskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (31,41) der Hülsen (3,4) als Teil des zylindrischen Hülsenmantels ausgebildet sind.
3. Brennelementskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anschlagflächen an von den Gittermaschenstegen ausgewinkelten bzw. ausgeprägten Stegteilen befinden.
4. Brennelementskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anschlagflächen an in den Gittermaschen befestigten Körpern (21,31) befinden.
5. Brennelementskelett nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge als Teil (32,42) des radial nach außen gebogenen Hülsenmantels ausgebildet sind und in die Anschlagflächen enthaltende Aussparungen (23,24) eingreifen

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ORIGINAL INSPECTED
6. Brennelementskelett nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagflächen (21,22) durch taschenförmige Ausprägungen einer mit der betreffenden Abstandshaltermasche verbundenen Blechhülse (26) gebildet sind.

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