DE2647458C2 - Anordnung zur Kühlung von Befestigungsschrauben - Google Patents

Description

ist, und am Kerngefäß befestigt, das einer verhältnismäßig niedrigen Kühlmitteltemperatur ausgesetzt ist. Die
jeweiligen Temperaturen dieser Bauteile können sich
auch während eines Brennstoffbetriebszyklus ändern, so 60
daß zu verschiedenen Zeiten der Betriebslebensdauer
jeweils verschiedene Komponenten diejenigen mit der
jeweils höchsten Temperatur sein können. Die Stützkörper und die diese an den anderen Bauteilen befestigenden Befestigungsschrauben sind deshalb einem star- 65 Ausführungsform ken Temperaturgradienten ausgesetzt. Außerdem er- gungsverbindung, gibt sich zwischen der Wärmedehnung in Längsrichtung Fig. 12 einen Schnitt

des verhältnismäßig dickwandigen Kerngefäßes und der F i g. 11, form einer Befestigungsverbindung nach der Erfindung, F i g. 8 einen Schnitt in der Ebene VIII-VIiI in F i g. 7, F i g. 9 eine noch weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungsverbindung, Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 9, F i g. 11 einen Schnitt durch nochmals eine andere der erfindungsgemäßen Befesti-

längs der Linie XII-XII in

F i g. 13 einen Befestigungsbolzen nach der Erfindung und

Fig. 14 einen weiteren erfindungsgemäßen Befestigungsbolzen.

Innerhalb des Reaktorbehälters 10 befindet sich die Reaktorinnenkonstruktion mit dem Reaktorkern 18. Beim Hindurchströmen durch den Reaktorkern 18 nimmt das Kühlmittel Wärme vom Reaktorkern auf und überträgt diese im Dampferzeuger 12 auf Wasser eines Sekundärsystems, welches dadurch verdampft und einen Turbinengenerator antreibt

Der Reaktorkern 18 und die übrige Reaktorinnenkonstruktion sind in Fig.¹ dargestellt Der Reaktorkern 18 enthält eine Vielzahl von länglichen Brennele-

kühlL Sodann gelangt das Kühlmittel durch öffnungen der oberen Kerntragplatte 92 und strömt mit um 90° gedrehter Strömungsrichtung durch eine Anzahl von Kühlmittelauslaßstutzen 24 aus dem Reaktorbehälter 10 heraus und transportiert die aufgenommene Wärme zu den Dampferzeugern.

Im Reaktorbehälter 10 sind außerdem Kühlmittelnebenströme vorhanden, die viel kleiner als der Hauptkühlmittelstrom sind und zur Kühlung anderer Bauteile als der Brennelemente 30 dienen, nämlich der Kernumfassungsplatten 58, der Stützringe 59 und des Kerngefäßes 56. Die Stützringe 59 sind dazu mit Durchtrittsbohrungen 48 versehen, durch welche das Kühlmittel im wesentlichen parallel zu der den Reaktorkern 18 durch-

net sind, daß der Reaktorkern etwa die Form eines senkrechten Kreiszylinders aufweist, wie am besten in F i g. 2 sichtbar ist

Die Reaktorinnenkonstruktion kann in das untere Kerntraggerüst 50
unterteilt werden.

Das obere Traggerüst 52 trägt das obere Ende des Reaktorkerns 18 oder bildet eine Sekundärhaiterung hierfür und dient zur Führung der Steuerstabanordnungen 42.

Der Hauptbestandteil und die Haupttragkomponente der Reaktorinnenkonstruktion ist das untere Kerntraggerüst 50. Zu ihm gehören das Kerngefäß 56, die Kernumfassung 58, Stützringe 59, die untere Kerntragplatte

menten 30, die derart parallel! nebeneinander angeord- 15 strömenden Strömung hindurchtreten kann. Die bishe-

"' ~ ' ' rige Beschreibung bildet die Grundlage zum Verständ

nis der Erfindung, die sich hauptsächlich auf die Kühlung der eben genannten Bauteile durch Kühlmittelnebenströmungen und die Befestigung dieser Bauteile an-

und das obere Kerntraggerüst 52 20 einander in einer Weise bezieht, daß : =■. Auswirkungen

von wärmebedingten Beanspruchungen sr wohi im stationären Betriebszustand des Reaktors als auch bei Leistungspegeländerungen auf ein Minimum verringert sind.

Wie ai'i den F i g. 1 und 2 ersichtlich ist befindet sich die Kernumfassung 58 nahe neben den äußersten Brennelementen 30 des Reaktorkerns 18. Die Kernumfassung 58 dient zusammen mit den Stützringen 59 dazu, den Hauptkühlmittelstrom nach oben durch den Reak-

60 und Tragstützen 62Γεϊηε Neutronenabschirmung 64 30 torkern 18 hindurch aufrecht zu erhalten und gleichzei- und eine untere Tragplatte 66. Die untere Reaktorin- tig einen Kühlmittel enthaltenden Ringraum 130 zwinenkonstruktion wird vom oberen Flansch 68 des Kern- sehen dem Reaktorkern 18 und dem Kerngefäß 56 hergefäßes 56 getragen, der auf einem am Flansch 72 des zustellen. Der Ringraum 130 dient auch dazu, das Kern-Reaktorbehälters gebildeten Auflager 70 aufliegt. Der gefäß 56 und den Reaktorbehälter 10 vor übermäßiger Behälterflansch 72 trägt auch den Behälterdeckel 74, der 35 Neutronenbestrahlung zu schützen, die schädliche Ausmit dem Reaktorbehälter 10 verschraubt ist. Das untere Wirkungen auf die Festigkeit dieser Bauteile haben Ende des unteren Kerntraggerüsts 50 ist seitlich durch könnte.

eine radiale Stützkonstruktion 76 festgelegt, die an der Bei der in F i g. 2 gezeigten Anordnung des Kerngefä-

Behälterwanc" befestigt ist Die Neutronenabschirm- ßes 56, der Kernumfassung 58 und der Stützringe 59 platten 64 sind am Außenumfang des Kerngefäßes 56 40 weist das Kühlmittel im Bereich der Kernumfassung 58 befestigt und schützen den Reaktorbehälter 10 im Be- im allgemeinen eine höhere Temperatur als das Kühl-

- ■ ■ · mittel am Kerngefäß 56 auf, da die Kernumfassung 58

näher am Reaktorkern 18 liegt. Außerdem ist das Kerngefäß 56, welches das volle Gewicht des unteren Kerntraggerüsts 50 und der Brennelemente 30 tragen muß, ein dickwandiges Bauteil, dessen Wandstärke typischerweise größer als 50 mm ist. Die nicht so stark belastete Kernumfassung 58 ist dünner und weist typischerweise eine Wandstärke von etwa 25 mm auf. Die Stützringe

58 bilden wiederum Kühlmittelströmungswege zur 50 59, welche die Kernumfassung 58 tragen, sind typischer-Kühlung de Kernumfassungsplatten, der Stützringe weise etwa 35 mm dick und sind sowohl an der Kernum- und des Kerngefäßes 56. Die untere Kerntragplatte 60 fassung 58 als auch am Kerngefäß 56 befestigt, welche wird ebenfalls vom Kerngefäß 56 getragen und trägt eii.e unterschiedliche Wärmedehnung erfahren. Die und orientiert ihreiieits die Brennelemente 30. Die un- Stützringe 59 und die diese an den genannten Bauteilen tere Kerntragplatte 60 weist Durchbrüche für den Kühl- 55 befestigenden Befestigungsmittel sind deshalb einer mitteldurchtritt sowie Mittel, beispielsweise Stifte, zur starken Erwärmung und starken mechanischen Belastungen ausgesetzt

Als Befestigungsmittel zur Befestigung der Stützringe 59 an dem Kerngefäß 56 und der Kernumfassung 58 finden Schrauben 132 Anwendung, die hohen Oberflächentemperaturen ausgesetzt sind. Schrauben- 132a

reich des Reaktorkerns vor Neutronen. Zwischen den Neutronenabschirmplatten 64 und dem Kerngefäß 56 ist ein Ringraum 78 gebildet, damit Kühlmittel über die Kerngefäßar.JBenfläche strömen kann.

Innerhalb des Kerngefäßes sind die Stützringe 59 an diesem befestigt, welche den Reaktorkern 18 umschließen und die vertikalen Kernumfassungsplatten 58 tragen. Die Stützringe 59 ur.r¹ die Kernumfassungsplatlen

genauen Ausrichtung der Brennelemente 30 auf.

Das Reaktorkühlmittel tritt durch eine Anzahl von Kühlmitteleinlaßstutzen 20 in den Reaktorbehälter 110 ein, strömt sodann längs der Außenfläche des Kerngefäßes 56 und über die Neutronenabschirmplatten 64 nach unten, wo es im Bereich unterhalb der Bodenplatte 66 im unteren Kühlmittelraum 22 seine Strömungsrichtung um 180° ändert und nach oben durch öffnungen der Bodenplatte 66 und die Durchbrüche der unteren Kerntragplatte 60 hindurch utjd sodann über die Brennelemente 30 und durch diese hindurch nach oben weiterströmt und den Reaktorkern durch Wärmeaufnahme durchdringen die Kerngefäßwand von außen her, während Schrauben 1326 die Kernumfassung 58 von innen her durchdringen. Ars der obigen Erläuterung geht hervor, daß die Schrauben 132 einer hohen thermischen Belastung und bei Leistungspegeländerungen zyklischen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Außerdem sprechen die durch die Schrauben aneinan-

der befestigten Bauteile wegen ihrer unterschiedlichen Dicken auf Temperaturänderungen infolge von Leistungspegeländerungen unterschiedlich an. Zwischen der Wärmedehnung in Längsrichtung des verhältnismäßig dickwandigen Kerngefäßes 56 und der Wärmedehnung der verhältnismäßig dünnwandigen Kernumfassung 58 ergibt sich eine Wärmedehnungsdifferenz, die von den Schrauben 132 aufgenommen werden muß. Im Verlaufe der 30- bis 40-jährigen Konstruktionslebensdauer einer Kernreaktoranlage können diese Gegebenheiten die Schrauben 132 schwächen und möglicherweise zum Bruch führen.

Da außerdem die Schrauben 132 hohen Oberflächentemperaturen ausgesetzt sind und da es wünschenswert ist, den Kühlmittelnebenstrcm im Ringraum 130 zu opti- is mieren, besteht die Wahrscheinlichkeit, daß irgendwo an den freiliegenden Oberflächen der Schrauben 132 ein Sieden auftritt. Die F i g. 3 und 4 zeigen eine typische herkömmliche Schraubenverbindung. Obwohl die Verbindung zwischen der Kernumfassung 58 und einem Stützring 59 dargestellt ist, sind diese Darstellungen auch für die Verbindung des Kerngefäßes mit einem Stützring gültig, was auch für die folgenden Zeichnungsfiguren gilt. Wenn an dem Kühlmittel ausgesetzten Schraubenoberflächen ein Sieden des Kühlmittels auftritt, so bilden sich dadurch Beläge auf diesen Schraubenoberflächen, welche die Wärmeübertragung von den Schrauben 132 herabsetzen können, was zu noch größeren Schraubentemperaturen und zu erhöhter Bruchgefahr führt Außerdem kann die höhere Schraubentemperatur relativ zu den verbundenen Bauteilen zu einer Verminderung der Schraubenvorspannung führen.

Wie in den F i g. 3 und 4 gezeigt ist, ist ein Teil des Schraubenschaftes 134 von einem Ringraum 136 umgeben. Obwohl der Ringraum 136 typischerweise einen Kreisringquerschnitt aufweist, sind auch andere Querschnittsformen denkbar.

Gemäß den F i g. 5 und 6 weist die Schraube einen allmählichen Übergang 135 zwischen dem Schaft 134 und dem Kopf 137 auf. Ein elliptischer Übergang 135 verringert die bei bekannten Schrauben auftretende Spannungskonzentration bei nur einer kleinen Rundung. Das Grundprinzip der Strömungskühlung nach der Erfindung besteht darin, einen Kühlmittelstrom durch den Ringraum 136 zu erzeugen, um die Schraube 132 während des Reaktorbetriebs kontinuierlich zu kühlen. Dies kann in verschiedener Weise erfolgen und wird nachstehend anhand einiger Beispiele beschrieben. Es ist außerdem zu bemerken, daß die Kühlmittelströmung zur Schraube 132 und zum Ringraum 136 aus einem die Schraubverbindung im wesentlichen nach oben oder im wesentlichen nach unten umströmenden Kühlmittelstrom stammen kann.

Bei der in den Fig.5 und 6 dargestellten Ausführungsform verläuft im Bereich des Schaftes 134 der Schraube 132 ein Strömungskanal 138 durch den Stützring 59 hindurch. Der dargestellte Strömungskanal 138 ist kreisrund, kann jedoch auch eine andere Gestalt haben. Die für eine zweckmäßige Temperatursteuerung und Kühlmittelzirkulation notwendige Größe des Strömungskanals ist von der Temperatur und dem Druck des durch den Kanal strömenden Kühlmittels abhängig. Der Strömungskanal sollte jedoch ausreichend groß bemessen sein, damit der Kühlmitteistrom in den Ringraum 136 hinein die Schraubenoberflächentemperatur unterhalb der Sättigungstemperatur des Kühlmittels bei dessen Betriebsdruck hält. Andererseits sollte der Strömungskanal nur so groß sein, daß die gesamte Kühlmittelnebenströmung durch den zwischen dem Kerngefäß und der Kernumfassung gebildeten Ringraum 130 den thermischen Reaktorwirkungsgrad nicht wesentlich beeinträchtigt. Typische Abmessungen für die in den Zeichnungsfiguren gezeigte Anordnung sind 13 mm für den Durchmesser des Schraubenschaftes 134,17 mm für den Durchmesser des Ringraumes 136, und 10 mm für ! den Durchmesser des Strömungskanals 138. Die Kühlmittelströmung tritt an einem Einlaßende des Strömungskanals 138 ein, strömt durch den Ringraum 136 hindurch und um den Schraubenschaft 134 herum und tritt am entgegengesetzten Auslaßende des Strömungskanals wieder aus.

Die F i g. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei welcher ein versetzter Strömungskanal 140 vorgesehen ist. Dabei ergibt sich die vorteilhafte Wirkung, daß notwendigerweise eine Strömung im Ringraum 136 entlang des Schraubenschaftes 134 erzeugt wird. Dies ist insbesondere bei sehr langen Schrauben , wünschenswert. Allerdings erfordert diese Ausfüh-< rungsform ein komplizierteres Herstellungsverfahren.] Es ist nicht notwendig, die Strömung längs des Schaftes 134 besonders zu erzwingen, da zirkulierendes Kühlmit- j tel das begrenzte Volumen des Ringraumes ausfüllt.

Eine noch weitere Ausführungsform ist in den Fig. 9 j und 10 dargestellt. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei den Schrauben 132a anwendbar, über deren Kopf kühleres Kühlmittel strömt. Bei dieser Ausfüh- i rungsform gelangt die Strömung durch einen Einlaßkanal 142 in der Schraube zum Ringraum 136 und tritt durch einen Auslaßkanal 144 im Stützring 59 aus. Das ergibt den Vorteil einer unmittelbaren Kühlung sowohl des Schraubeninneren als auch der Schraubenoberfläche einschließlich des Inneren des Schraubenkopfes. Natürlich erfordert diese Ausführungsform eine noch kompliziertere Ausiührüfigsföfrn als die vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele. Außerdem wird die Festigkeit der Schraube herabgesetzt, jedoch ist diese Ausführungsform im Hinblick auf eine lange Schraubenlebensdauer beim Einsatz in einer Umgebung mit starken Temperaturdifferenzen vorteilhafter. Das durch i den Kanal 142 eintretende Kühlmittel füllt den Ring- i raum 136 aus und zirkuliert in demselben. i

Eine noch weitere Ausführungsform ist in den F i g. 11 ' und 12 dargestellt Sie ist der Ausführungsform nach den j F i g. 5 und 6 ähnlich mit der Ausnahme, daß der Strö- { mungskanal 138a näher am Kopf der Schraube 132 am | Rand des Stützrings 59 angeordnet ist Die Anordnung j des Strömungskanals am Rand des Stützringy kann die j Herstellung vereinfachen, da lediglich eine Kerbe im j Stützring hergestellt werden muß, während sonst ein j Loch durch den Stützring 59 gebohrt werden muß.

Die F i g. 13 und 14 zeigen alternative Schraubenge-1 staltungen, die der Verringerung von Spannungen in der \ Schraube, insbesondere in dem unmittelbar an den Kopf ; 137 angrenzenden Bereich dienen, in welchem die höchsten Momente und Scherkräfte auftreten. Der jeweils ! eingeschnürte Bereich des Schraubenschaftes 134 trägt i zur besseren Zirkulation in dem den Schraubenschaft j umgebenden Ringraum und folglich zu einer wirksame-1 ren Kühlung bei. Die verschiedenen beispielsweise dar-1 gestellten Ausführungsformen der Schrauben und der! Strörnungskanäle können in unterschiedlichen Kombi- j nationen Anwendung finden. j

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Kühlung von Befestigungsschrauben, die mit ihrem Schaft in Schraubenbohrungen von Stützbauteilen zwischen Reaktorkern und Reaktorbehälter eines flüssigkeitsgekühlten Kernreaktors verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Schraubenbohrung einen den Schraubenschaft (134) umgebenden Ringraum (136) bildet, der über Ein- und Auslaßkanäle (138, 140) mit der Bauteilaußenseite verbunden ist und einen den Schraubenschaft umströmenden Kühlmittelnebenstrom führt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Ein- und Auslaßkanäle (142) in der Befestigungsschraube selbst gebildet ist

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsschrauben (132) zwischen Schraubenkopf (137) und Schraubenschaft (134) jeweils einen allmählichen Übergang mit im v/esentlichen elliptischer Mantellinie aufweisen.

Wärmedehnung der verhältnismäßig dünnwandigen Kernumfassung eine Wärmedehnungsdifferenz, die von den diese Bauteile zusammenhaltenden Befestigungsmitteln aufgenommen werden muß. Während der 30- bis 40-jährigen Konstruktionslebensdauer einer Kernreaktoranlage können die Temperaturgradienten und die starken mechanischen Beanspruchungen die Befestigungsschrauben schwächen und möglicherweise zu deren Ausfall führen.

ίο Bei früheren Konstruktionen waren die Schrauber, ziemlich kurze Bolzen mit verhältnismäßig großem Schaftdurchmesser, um die Wärmeeinflüsse zu verringern. Jedoch werden nunmehr wegen der großen mechanischen Beanspruchungen vorzugsweise längere und dünnere Bolzen verwendet. Dies erhöht jedoch die thermischen Probleme, da der den Bolzen umgebende Ringspalt eine Wärmeübertragungssperre darstellt, was zu einer zusätzlichen Wärmebelastung des Bolzens führt Außerdem sind bei solchen Bolzen schon Brüche an der Verbindungsstelle zwischen dem Kopf und dem Schaft aufgetreten, wo eine ziemlich abrupte Querschnittsänderung vorhanden ist. Ferner kann Kühlmittel, wenn es in den Ringspalt hineinleckt, infolge der hohen Bolzenoberflächentemperatur innerhalb des Ringspalts sieden, wodurch sich chemische Ablagerungen aufbauen können. Diese Ablagerangen verringern die Wärmeübertragung von den Bolzen weg noch weiter, was zu noch höheren Bolzentemperaturen und folglich erhöhter Bruchgefahr führt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beanspruchungssituation der Befestigungsschrauben zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Kühlanordnung für die

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von Befestigungsschrauben gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zwischen dem Kerngefäß und dem Reaktorkern befindet sich typischerweise eine vom Kerngefäß getragene Stützkörper- und K-;-rnumf- jsungsanordnung, welche die Kühlmittelstiömur.g durch den Reaktorkern leitet und einen das Kerngefäß vor Γ '-,ermäßiger Strahlung

schützenden Ring herstellt. Typischerweise umschlie- 35 Befestigungsschrauben gelöst Ben die Kernumfassungspiatten den Außenumfang des Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge-

Reaktorkerns mit engem Abstand, so daß nur eine mini- genstand der Unteransprüche.

male Nebenströmung vorhanden ist da sonst der ther- Bei der erfindungsgemäßen Anordnung strömt Reak-

mische Wirkungsgrad des Reaktors herabgesetzt wer- torkühlmittel über die Befestigungsschrauben und hält den würde. Wegen der Nähe der Kernumfassungsplat- 40 dadurch deren Oberflächen auf einer gemäßigten Temten zum Reaktorkern sind diese einer hohen Tempera- peratur. Dabei kann Reaktorkühlmittel auch unmitteltur ausgesetzt Dadurch ergeben sich ein Temperatur- bar durch die Befestigungsschrauben hindurchgeleitet gradient und starke mechanische Beanspruchungen in werden.

den Kernumfassungsplatten, den Stützkörpern, dem Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden

Kerngefäß und den diese Bauteile zusammenhaltenden 45 nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beBefestigungsschrauben, schrieben. In den Zeichnungen stellt dar

Außerdem handelt es sich beim Kerngefäß, welches die volle Last der unteren Reaktorinnenkonstruktion und der Brennelemente tragen muß, um ein dickwandiges Bauteil, dessen Wandstärke typischerweise größer als 50 mm ist. Die nicht so stark beanspruchte Kernumfassung ist dünner und weist typischerweise eine Wandstärke von etwa 25 mm auf. Die die Kernumfassung tragenden Stützkörper sind typischerweise etwa 35 mm

dick und sowohl an der Kernumfassung, die einer ver- 55 rungsform der erfindungsgemäßen Befestigungsverbinhältnismäßig hohen Kühlmitteltemperatur ausgesetzt dung von Reaktcrinnenkonstruktionsteilen,

F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in F i g. 5, F i g. 7 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungs-

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Reaktorbehälter und die innere Reaktcrkonstruktion eines Reaktors, F i g. 2 einen Querschnitt in der Ebene II-1I in F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt durch eine herkömmliche Befestigungsverbindung von Reaktorinnenkonstruktionsteilen,

F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 3, F i g. 5 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausfüh-