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Brennelement für Druckwasser-Kernreaktoren
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelement für druckwassergekühlte
Kernreaktoren, die aus Je einem Kopf- und Fußstück, mit diesen das Brennelementskelett
bildenden spaltstofffreien Verbindungselementen, wie z.B. Steuerstabführungsrohren
und daran befestigten Abstandshaltergittern sowie einer Vielzahl von diesen aufgenommenen
Brennstäben besteht. Dieses genannte Brennelementskelett sorgt für die mechanische
Festigkeit des gesamten Brennelementes. Es ist klar, daß dafür insbesondere die
Verbindungsstelle zwischen dem Fußsttlck und dem Kopfstück sowie den Verbindungselementen,
wie z.B. den Steuerstabftthrungsrohren, wesentlich sind.
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Normalerweise dienen Steuerstabführungsrohre als Verbindungselemente,
sie haben demnach zusätzlich die Funktion, die Steuerstäbe zur Regelung des Kernreaktorbetriebes
aufzunehmen.
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Somit kommt der Verbindung zwischen diesen SteuerstabfUhrungsrohren
und dem Kopfstück des Brenneleientes besondere Bedeutung zu. Dies hat dazu geführt,
daß für die Entnahme von Brennstäben aus dem Verband des Brennelementes dieses Brennelement
zunächst fernbedient um 1800 gedreht werden mußte und damit das Fußstück desselben
abgenommen werden konnte. Die Verbindungen zwischen den Fthrungsrohren und dem Kopfstück
blieben erhalten. Die Abnahme des Fußstückes bereitete keine besonderen Schwierigkeiten,
da dasselbe nur über Schraubverbindungen mit den Regelstabführungsrohren verbunden
war.
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Da ein solches Brennelement normalerweise eine Länge in der Größenordnung
von 4 m hat, bedeutet das Schwenken desselben um 1800 einen ganz erheblichen technischen
Aufwand, so daß es wünschenswert erschien, eine Brennelementkonstruktion zu finden,
bei der auf einfache Weise und fernbedienbar eine Abnahme des Kopfstückes möglich
ist, ohne durch das Lösen der Verbindung zwischen dem Kopfstück und dem Führungsrohr
Beschädigungen der letzteren zu verursachen. Eine einfache Verbindung zwischen Regelstabführungsrohr
und dem Kopfstück wäre beispielsweise durch eine normale Verschraubung möglich.
Eine derartige Konstruktion ist Jedoch nur schwer anwendbar, da damit eine Verdrehung
oder Torsion der ebenfalls in der Größenordnung von 4 m langen Regelstabftihrungsrohre
nicht ausgeschlossen ist.
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Eine solche Verbindung würde aber zu inneren Spannungen führen und
dabei die Maßhaltigkeit des gesamten Brennelementes gefährden.
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Auch stellen die Regelstabftihrungsrohre verhältnismäßig empfindliche
Elemente dar, die schlecht mit Hilfe von Werkzeugen an einer Verdrehung gehindert
werden können.
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Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Verbindungskonstruktion von
Kopfstück und Regelstabführungsrohren zu finden, die leicht lösbar ist und bei der
mit Sicherheit eine Drehbeanspruchung der Regelstabführungarohre bzw. ein Werkzeugangriff
an diesen ausgeschlossen ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Verbindung
zwischen den Führungsrohren und dem Kopfstück letzteres aus zwei übereinander liegenden
Teilen besteht, die durch gegenseitige Verschiebung die an den Verbindungsstelle
verstärkten Führungsrohre kraftschlüssig fassen. Es handelt sich also um eine Art
Klemmfassung der Führungsrohre zwischen den beiden Teilen des Brennelementkopfstückes,
die in ihrer Sollage durch Paßstifte zentriert sind und miteinander durch unverlierbare
Schrauben kraftschlüssig verbunden sind. Durch einfaches Lösen dieser Schrauben
können die beiden Teile des
Kopfstückes voneinander getrennt und
damit von den Führungsrohren abgehoben werden, so daß die Brennstäbe des Brennelementes
ohne Schwierigkeit einzeln aus dem Verband des Brennelementes herausgenommen und
evtl. auch durch neue ersetzt werden können.
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Anhand der Fig. 1 bis 9 sei nun dieses Erfindungsprinzip an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Kernreaktordruckgefäß,
in dem die Brennelemente 12 in vertikaler Richtung angeordnet sind und vom Kühlmittel
in der durch Pfeile dargestellten Richtung von unten nach oben umströmt werden.
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Durch diese Kühlmittelströmungwird auf die Brennelemente ein gewisser
Druck ausgeübt, sie werden also gegen die obere Kerntragstruktur, die hier nicht
näher dargestellt ist, gepreßt.
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Im Falle eines Kühlmittelverlustes kann die Strömungsgeschwindigkeit
entlang der Brennstäbe 12 so groß werden, daß der dabei auftretende Druck zu einem
Ausknicken der RegelstF-führungsrohre des Brennelementes führt und somit neben einer
Behinderung der Kühlung der Brennstäbe eine Bewegung der Steuerstäbe in den Führungsrohren
beeinträchtigt. Die Verbindungsstellen zwischen den Regelstabführungsrohren und
den Kopfstücken der Brenneleiente werden daher mit Sollbruchstellen ausgestattet,
die bei übermäßiger Druckbeanspruchung des Brennelementes die Funktion der Steuerstabführungsrohre
aufrechterhalten.
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Der grundsätzliche Aufbau eines Brennelementes 12 ist in Fig. 2 perspektivisch
dargestellt. Das Kopfstück ist mit 4, das Fußstück mit 3 bezeichnet. Zwischen diesen
Teilen erstrecken sich eine Anzahl von Regelstabführungsrohren 7, die an den Stellen
6 mit dem Kopfstück 4 verbunden sind. Diese Verbindung ist dabei das Kernstück der
vorliegenden Erfindung. Dazu gehört, daß das Kopfstück 4 im Gegensatz zur bisherigen
Konstruk-
tion aus zwei Teilen 41 und 42 besteht, die, wie bisher
ebenfalls üblich, von einer Vielzahl von Kühlmittelbohrungen 5 durchbrochen sind.
Zum Brennelementskelett gehören weiterhin eine Anzahl von Abstandshaltergittern
8, die auf den Führungsrohren in regelmäßigen Abständen befestigt sind. Durch die
Maschen dieser Abstandshaltergitter werden die Brennstäbe 9 gehaltert und auf gegenseitigen
Abstand gehalten. Der Ubersichtlichkeit halber ist Jedoch in dieser Darstellung
nur ein Brennstab eingezeichnet. Die beiden Teile 41 und 42 des Kopfstückes 4 sind
in ihrer Sollage, z.B. durch unverlierbare Schrauben 2 miteinander verschraubt,
durch einfaches Lösen desselben können diese Teile auseinander genommen und von
den Regelstabführungsrohren abgehoben werden. Die eigentliche Verbindung dieser
Regelstabführungsrohre 7 mit dem Brennelementkopfstück 4 ist nun in den Fig. 3 und
4 näher erläutert.
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Die Fig. 3 stellt einen teilweisen Längsschnitt durch ein Brennelementkopfstück
4 entlang der strichpunktierten Linie III-III von Fig. 4 dar. Letztere zeigt einen
Horizontalschnitt durch dieses Kopfstück entsprechender Linie IV-IV von Fig. 3,
wobei teilweise die obere Platte 41 weggenommen wurde, um die Ausbildung der unteren
Platte 42 zu zeigen. Die Bohrungen 5 für den Durchtritt des Kühlmittels sind teilweise
nur schematisch dargestellt, sie liegen aber dicht an dicht, damit der KUhlmittelströmung
ein möglichst geringer Strömungswiderstand entgegengesetzt wird. Infolgedessen muß
auch die Befestigungszone der Führungsrohre 7 mit derartigen Bohrungen 5 versehen
sein. Die Aufnahmebohrung 46 mit dem Haltekragen 47 für die Führungsrohre 7 liegt
daher genau zentrisch zu vier solchen Kühlmittelbohrungen 5, so daß lediglich die
Stege zwischen diesen Bohrungen zur Halterung des Führungsrohres herangezogen werden.
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Dies ist im Prinzip auch bei den bisherigen Konstruktionen so vorgesehen.
Abweichend von den bisherigen Konstruktionen wird nach dieser Erfindung das Führungsrohr
7 zwischen den beiden Kopfstückteilen 41 und 42 eingeklemmt. Zu diesem Zweck ist
zunächst das Führungsrohr 7 mit einer Verstärkung versehen, die
z.B.
nach Fig. 6 aus einem aufgeschweißten Ring 71 bestehen kann. Weitere Möglichkeiten
der Hüllrohrverstärkung sind in den Fig. 7 bis 9 dargestellt. Die Fig. 7 zeigt stollenartige
Ausformungen 72 aus dem Wandmaterial des Führungsrohres 7, die Fig. 8 Stollen 73,
die mit eine. Ring verbunden sind und mit demselben auf das Führungsrohr aufgeschoben
und befestigt sind. Nach Fig. 9 sind Verstärkungsstollen 74 auf das Rohr 7 aufgelötet
oder aufgeschweißt, Mit diesen Verstärkungsteilen 71, 72, 73 und 74 stützt sich
das Führungsrohr 7 auf der unteren Kopfplatte 42 ab und wird in dieser Lage durch
die obere Platte 41 gehalten, deren Bohrung 46 durch einen Haltekragen 47 so gestaltet
ist, daß sie das Führungsrohr 7 an diesen Verstärkungen faßt und gegenüber der unteren
Platte 42 festhält.
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Durch PaBstifte 44 der oberen Kopfplatte 41, die in Bohrungen 43 der
unteren Kopfplatte 42 eingreifen, ist die gegenseitige Lage dieser Platten 42 und
41 gesichert, zur kraftschlüssigen Verbindung derselben, die für die Halterung der
Führungarohre 7 notwendig ist, sind unverlierbare Dehnschrauben 2 oder äquivalente
Mittel vorgesehen.
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Für den Zusammenbau des Kopfstückes 4 in der Fig. 3 dargestellten
Weise ist es notwendig, daß die untere Platte 42 vergrößerte Öffnungen 5' aufweist
und mit diesen über die Führungsrohre geschoben werden kann. An diese erweiterte
Bohrung 5' schließt sich die Bohrung 46 an, die genau dem Durchmesser der blanken
Führungsrohre 7 entspricht. Nach dem Uberschieben der unteren Platte 42 über die
Führungsrohre 7 des Brennelementes, die bereits durch die Vielzahl der Abstandshalter
8, siehe Fig. 2, in ihrer gegenseitigen Sollage gehalten sind, wird die untere Platte
42 diagonal verschoben bis die Führungsrohre 7 in den Bohrungsteilen 46 anliegen.
Nun wird die obere Kopfstückplatte 41 auf die untere Platte 42 aufgesetzt und rastet
mit ihren Paßstifen 44 in den Bohrungen 43 der letzteren ein. Ein seitliches Verschieben
der beiden Kopfstückplatten 42 und 41 ist nun nicht mehr möglich.
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Die kraftschlüssige Fassung der Führungsrohre 7 erfolgt nun durch
das
Zusammenschrauben der beiden Teile 42 und 41 mit Hilfe der Schrauben 2. Damit wird
die Verstärkung des Führungsrohres7 auf wenigstens dem halben Umfang des Führungsrohres
7 zwischen diesen beiden Platten 41 und 42 festgeklemmt und gehaltert.
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Die in der Fig. 4 in der Platte 42 gezeigten weiteren Ausschnitte
5, 5 und 46 sind für weitere nicht dargestellte Führungsrohre 7 vorgesehen.
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Je nach Ausführungsform der Verstärkungen können diese Ausschnitte
auch anders gestaltet sein, siehe z.B. Fig. 5. Diese Gestaltung ist vorgesehen für
Verstärkungen entsprechend Fig. 6. Die Verschiebung der beiden Teile 42 und 41 ist
dann nicht mehr diagonal, sondern seitlich notwendig. Das Halterungsprinzip ist
dabei das gleiche. Bei den stollenförmigen Verstärkungen der Figuren 7, 8 und 9
stützen diese sich auf die Stege zwischen den Bohrungen 5 der Platte 42 ab, aus
diesem Grunde ist hier auch eine diagonale Verschiebung der beiden Kopfstückplatten
notwendig.
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Die bei der Besprechung der Fig. 1 aus dem Stand der Technik her bekannten
Sollbruchstellen können auch hier vorgesehen werden. Diese Funktion hat die in Fig.
3 dargestellte Ringnut 45, die im oberen Kopfteil 41 konzentrisch zur Bohrung 46
bzw. deren Haltekragen 47 angeordnet ist.
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Durch diese Konstruktion wird Jede Torsionsbeanspruchung der Führungsrohre
7 vermieden. Beim Öffnen der Halterung derselben im Kopfstück 4 durch das Lösen
der Schrauben 2 wird außerdem Jegliche mechanische Belastung derselben verhindert.
Das Abnehmen der Kopfstücke von Brennelementen wird stets unter einer meterdicken
Wasserabschirmung vorgenommen werden,da die Brennstäbe des Elementes nach ihrem
Einsatz im Kernreaktor außerord<itlich stark strahlen. Die hier dargestellte
Konstruktion des Kopfstückes ist Jedoch so einfach, daß sie auch unter diesen erschwerten
Bedingungen fernbedient durchge-
führt werden kann. Irgendwelche
Teile können dabei nicht verloren gehen, da in Anbetracht der unverlierbaren Dehnschraubei2
das Kopfstück nur aus zwei Teilen besteht, die schon allein aufgrund ihrer Größe
- Seitenlänge derselben etwa 20 cm -leicht zu handhaben sind.
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Wie bereits eingangs geschildert, ermöglicht diese Konstruktion des
Kopfatückes eine einfachere Handhabung der Brennelemente nach ihrer Entnahme aus
dem Reaktorkern, sie bleiben in derselben vertikalen Lage, Schwenkmechanismen entfallen
völlig.
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Weiterhin ist durch diesen Wegfall der Schwenkmechanismen, die einen
verhältnismäßig großen Platzbedarf haben, die Möglichkeit gegeben, den Raum dieser
Lagerbecken für andere Zwecke zu nutzen. Ein weiterer nicht zu unterschätzender
Vorteil dieser Brennelementkonstruktion liegt außerdem darin, daß durch das Wegfallen
der Schwenkoperationen in der gleichen Zeit wesentlich mehr Brennelemente für die
Entnahme von Brennstäben hergerichtet werden können wie bisher, was für den Betrieb
des gesaiten Kernreaktors bezüglich der Verringerung seiner Stillstandszeit auch
von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist.
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7 Patentansprüche 9 Figuren
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