DE2850968A1 - Brennstoffaufbau fuer einen kernreaktor - Google Patents

Description

The Babcock & Wilcox Company 24. November 1978

161 East 42nd Street

New York, N.Y.10017

USA B 1275 Al/ra

Beschreibung

Brennstoffaufbau für einen Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren, insbesondere auf eine hydraulische Einrichtung zur Dämpfung von Stößen, welche auf Brennstoffaufbauten einwirken, und dergleichen.

Um aus einem Kernreaktor Nutzenergie zu gewinnen, ist es erforderlich, spaltbares Uran in ausreichender Konzentration und in einer körperlichen Gestaltung anzuordnen, die eine kontinuierliche Folge von neutroneninduζierten Spaltvorgängen innerhalb des Urankernes aufrechterhalten. Die

durch diese Reaktionen in dem Aufbau oder dem Reaktorcore

erzeugte Wärme wird normalerweise von einem Druckwasserstrom aufgenommen. Dieses erhitzte Druckwasser wird dann zu einem oder mehreren Wärmetauschern gepumpt, in welchen die aufgenommene Wärmemenge einem Sekundärkühl-

wasser übertragen wird. Aus diesem Sekundärkühlwasser entsteht der Dampf, welcher die Turbinen oder andere elektrische Energie erzeugende Anlagen antreibt.

Um eine geeignete Urankonzentration für das Reaktorcore zu schaffen, sind in der Praxis häufig Urandioxid-Tabletc ten hergestellt und verwendet worden. Diese Tabletten werden in lange, schlanke und hohle Rohre eingeführt, welche Brennstäbe genannt werden, wenn die Rohrenden abgedichtet sind. Um die bauliche Unversehrtheit des Reaktorcores zu erhöhen, werden diese Brennstäbe in Untergruppen IQ von jeweils ungefähr 200 Brennstäben angeordnet, die Brennstoffelemente bzw. Brennstoffaufbauten genannt werden. Diese Aufbauten sind ihrerseits in einer im allgemeinen geraden, kreisförmigen, zylindrischen Anordnung montiert, um das Reaktorcore zu bilden.

Das Reaktorcore bringt eine nachteilige bzw. feindselige Umweltsbelastung für die bauliche Integrität seiner Bestandteile mit sich. Die Temperatur, die Wasserströmungsgeschwindigkeit, der Druck, die Strahlung und dergleichen innerhalb des Reaktorcores bringen große Belastungen für die Corematerialien mit sich. Zusätzlich zu diesen extremen Umweltsbelastungen müssen angemessene Maßnahmen vorgesehen sein, damit die Bauelemente des Reaktorcores anderen Kräften von ungewöhnlicherer und vielleicht stärkerer Natur als diejenigen, welche durch die normalen Betriebsbedingungen vorgegeben sind, standhalten. Seismische oder Erdbebenstöße und die Thermoschocks für das Baugefüge, die mit einem Unfall verbunden sein können, bei welchem ein erheblicher Teil des Druckwassers aus dem Reaktorcore verdampft oder abläuft, sind typische Situationen, in welchen Kräfte bzw. Belastungen auftreten, welche weit über diejenigen hinausgehen, welche im Verlauf des normalen Betriebs erzeugt werden.

Die normale Lösung für dieses Problem besteht darin, daß in der einen oder anderen Weise mehr Materialien und mehr Metall zum Reaktorcore hinzugefügt wird. Dieser direkte Lösungsansatz hat eine Anzahl von unerwünschten Folgen,

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obwohl er wahrscheinlich für den erforderlichen strukturellen Schutz sorgt. Zusätzliche Materialien im Reaktorcore _ zeigen z.B. einen"parasitären" Effekt, der einen Teil der innerhalb des Cores befindlichen Neutronen absorbiert. In dieser Weise eingefangene Neutronen.tragen nicht zur Energieerzeugung bei und sind daher unökonomisch und unwirksam verwendet.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die Reak-

torcoreaufbauten zu verbessern, so daß das Core Stöße oder andere Kräfte bzw. Belastungen ungewöhnlicher und größerer Natur sicher dämpfen oder absorbieren kann, ohne daß zuic sätzliche Materialien für den Coreaufbau erforderlich sind, wobei störende Neutronenverluste vermieden werden.

Dies wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Schutzbegehrens erreicht. Die inneren Puffer, welche die Brenn-

2Q stoffaufbauten verstreben, um die Längsbewegung zu begrenzen, stützen sich auf beweglichen Federauflagen ab, die auf der oberen Endausrüstung der jeweiligen Brennstoffaufbauten montiert sind. Mindestens einige dieser Federauflagen haben Kolben bzw. Stößel, die an den jeweiligen Auflagen aufgestiftet sind. Diese Kolben sind verschiebbar innerhalb der hohlen rohrförmigen Führungsstäbe aufgenommen. In den Führungsstäben ausgebildete Längsschlitze nehmen die Stifte auf, um eine Relativbewegung der Kolben in Längsrichtung im Verhältnis zu den Stäben zu ermöglichen.

Die Führungsstäbe ihrerseits sind mit den oberen Gittern der einzelnen Brennstoffaufbauten verbunden. Innerhalb der rohrförmigen Führungsstäbe sind einzelne, das offene Ende des jeweiligen FührungsStabes teilweise blockierende scheibenförmige Platten angeordnet, die jeweils eine Öffnung oder ein Loch aufweisen.

Wenn ein Erdbeben oder dergleichen die Kolben- und Federauflagenaufbauten zu einer Bewegung in Längsrichtung rela-

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tiv zu den jeweiligen Führungsstäben zwingt, hemmt das Druckwasser innerhalb der Führungsstäbe diese Bewegung. Dieses durch die Löcher in den Platten herausspritzende Wasser ermöglichst eine Bewegung der Führungsstäbe und Federauflagen relativ zueinander in einer Längsrichtung mit einer gesteuerten Geschwindigkeit, mit welcher die einwirkenden Kräfte in sicherer Art und Weise absorbiert bzw. aufgenommen werden.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung erzeugen die Stift/Kolben-Kombinationen, die sich in Längsrichtung durch die jeweiligen hohlen Führungsstäbe bewegen, eine

, r progressive Bremswirkung. Wenn sich daher die Stifte, welche die Kolben mit ihren jeweiligen Federauflagen verbinden, in Längsrichtung durch die Führungsstabschlitze bewegen, blockieren diese Stifte und die mit Ihnen verbundenen Kolben fortschreitend diese Schlitze, wodurch konti-

«Q nuierlich der Austrittsbereich, durch welchen das Wasser innerhalb des FührungsStabes fließen kann, verringert wird. Hierdurch wird ein kontinuierlich ansteigender Widerstand für die weitere relative Längsbewegung der Kolben und dermiteiner Öffnung versehenen Platten erzeugt. Der

rye Widerstand steigt darüber hinaus in progressiver Weise an und schützt hierdurch die Reaktorcorekonstruktion gegen ernsthafte Beschädigung, die bei einer abrupteren Dämpfung der auftretenden Stöße und dergleichen sonst auftreten könnte.

Mit der vorliegenden Erfindung werden verbesserte Maßnahmen vorgeschlagen, um die Einwirkung größerer Kräfte bzw. Belastungen, die auf das Core eines Kernreaktors einwirken können, zu bewältigen, wobei erhebliche Mengen von parasitärem. Neutronen einfangendem Material aus dem Core eliminiert werden können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der

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vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit c der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines

Brennstoffaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 eine Vorderschnittansicht eines Teils des in Fig.

gezeigten Brennstoffaufbaus, und Fig. 3 eine Seitenschnittansicht des Teils des in Fig. 1 gezeigten Brennstoffaufbaus.

In Fig. 1 ist ein Brennelement bzw. Brennstoffaufbau 10 •J5 gezeigt. Der Brenn stoff auf bau 10 weist eine Gruppe von langen, schlanken Brennstäben 11 auf, deren Längsachsen in e^-.ar allgemein parallelen Weise angeordnet sind. Ein Ende der Brennstäbe ist in einer Endausrüstung 12 aufgenommen.

Wie gezeigt, weist die Endausrüstung 12 ein zellenförmiges Gitter 13 auf, das in einer quer zu den Längsachsen der Brennstäbe 11 verlaufenden Richtung angeordnet ist, um mit den Enden dieser Stäbe in Eingriff zu kommen und hierdurch die Bewegung der Brennstäbe in Längsrichtung zu tragen.

Die Endausrüstung 12 weist darüber hinaus ein monolitisches Endgußstück 14 auf, welches das zellenförmige Gitter 13 trägt. Wie gezeigt, hat das Endgußstück 14 im allgemeinen die Form eines hohlen Kubus, der an seinen Querseiten offen ist und in seinen jeweiligen Kubusseitenwänden Längsschlitze 15, 16, 17 und 20 aufweist. Die Schlitze 15, 16, 17 und 20 verlaufen parallel zu den Längsachsen der Brennstäbe 11. Diese Schlitze erstrecken sich darüber hinaus in jeder Kubusseitenwand über ungefähr 2/3 der Längserstreckung des mittleren Teils dieser Seitenwände, gemessen von dem Querende des Gußstücks 14, das im Abstand in

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Längsrichtung vom Gitter 13 angeordnet ist. Anschläge 21, 22, 23 und 24, welche die allgemeine Erscheinungsform von _c Nieten aufweisen, sind in den Schlitzen 15, 16, 17 und 20 jeweils auf ungefähr 1/4 der Schlitzlänge befestigt, wiederum gemessen vom Querende des Gußstückes 14, das im Abstand in Längsrichtung vom Gitter 13 angeordnet ist.

,« Vom hohlen Inneren des Endgußstückes 14 springen durch die jeweiligen Schlitze 15, 16, 17 und 20 Federauflagen 25, 26, 27 und 30 hervor, welche im nachfolgenden im einzelnen beschrieben werden. Diese Federauflagen haben einen Bewegungsfreiheitsgrad in Längsrichtung der Brennstäbe 11, der durch

■,c die jeweiligen Anschläge 21, 22, 23 und 24 und diejenigen Teile des Endgußstückes 14, die benachbart zum zellenförmigen Gitter 13 und unmittelbar unter den Schlitzen angeordnet sind, begrenzt ist.

2Q Der gesamte Brennstoffaufbau 10 ist innerhalb des Reaktorcores (nicht gezeigt) ausgerichtet und mit Hilfe von vier inneren Puffern, von denen nur zwei Puffer 31, 32 in Fig. 1 gezeigt sind, verstrebt, um eine Bewegung in Längsrichtung der Brennstäbe 11 zu dämpfen. Die Puffer 31, 32 sind an einem quer verlaufenden Gitter (ebenfalls nicht gezeigt) befestigt und hängen von diesem herunter. Dieses Gitter überspannt den Bereich oberhalb des gesamten Reaktorcores. Die inneren Puffer sind im allgemeinen rechtwinklig in Vierersätzen angeordnet. Ein solcher Satz ist jeweils speziell für einen besonderen Brennstoffaufbau vorgesehen. Die inneren Puffer, von denen die Puffer 31, 32 illustriert sind, stützen sich auf denjenigen Teilen der Federauflagen 25, 26, 27 und 30 ab, welche durch die jeweiligen Schlitze 15, 16, 17 und 20 in den Seitenwänden des Endgußstückes 14 hervorspringen.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Endausrüstung 12 mit einer Querschulter 33 versehen, die mit einer Kante eines

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Teils des zellenförmigen Gitters 13 in Eingriff steht. Wie gezeigt, wird der Schlitz 15 durch den Anschlag 21 c versperrt. Der Teil der Federauflage 25, welcher durch den Schlitz 15 hervorspringt, stützt sich gegen den inneren Puffer 34 ab, welcher an dem nicht gezeigten Gitter befestigt ist.

IQ Die Federauflage 25 weist eine Öffnung 35 auf. In der Öffnung 35 ist ein hohler Führungsstab 36 für eine Relativbewegung in Längsrichtung aufgenommen. An der Federauflage 25 ist außerdem ein zylindrischer Stößel bzw. Kolben 40 mit Hilfe eines Stiftes 37 befestigt. Der Stift 37 fügt

■je den Kolben 40 darüber hinaus im Ende des Führungsstabes 36 ein, um das sonst offene Ende des Stabes 36 zu blockieren. Der Sitz zwischen der zylindrischen Wand des Kolbens

40 und der inneren Wand des Führungsstabes 36 ist ausreichend locker, damit sich der Kolben frei in Längsrich-

2Q tung relativ zum Stab bewegen kann, wobei jedoch ein angemessener strömungsmitteldichterSitz zwischen dem Kolben und der Wand hergestellt wird. Wie gezeigt, ist der Führungsstab 36 mit seiner Längsachse parallel zu den Längsachsen der Brennstäbe 11 ausgerichtet. In den Wänden des Rohres sind darüber hinaus in Längsrichtung Führungsstabschlitze 41, 42 ausgebildet. Die Abmessungen dieser Führungsstabschlitze

41 , 42 sind derart, daß sich der Stift 37 in Längsrichtung relativ zum Führungsstab 36 während der Längsbewegung des Stabes relativ zum Kolben 40 bewegen kann, wie im nachfolgenden im einzelnen beschrieben wird. Die Länge dieser Führungsstabschlitze 41, 42 ist ungefähr gleich der halben Länge des Führungsstabes 36, wobei sich die Enden der Führungsstabschlitze oberhalb der quer verlaufenden Oberfläche des zellenförmigen Gitters 13 befinden.

Wie gezeigt, dringt der Führungsstab 36 in den zellenförmigen Aufbau des Gitters 13 ein und ist in diesen eingefügt.

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Wie gezeigt, sind Teile 43 des Gitters 13 ausgeschnitten, um Ausnehmungen zu bilden, welche den in das Gitter 13 ein- t- dringenden Längsabschnitt des Fuhrungs stab es 36 aufnehmen.

Eine scheibenförmige, innerhalb des FuhrungsStabes 36 angeordnete Platte 44 ist an der quer verlaufenden Oberfläche des zellenförmigen Gitters 13 befestigt. Der Durch-

IQ messer der Platte 44 ist derart bemessen, um das Ende des Führungsstabes 36, in welchem sie angeordnet ist, zu verschließen. Innerhalb der Platte 44 ist eine Öffnung 45 ausgebildet, um eine Einrichtung zur Strömungsmittelverbindung zwischen dem Fuhrungsstabvolumen 46, das zwischen

•ic dem Kolben 40 und der Platte 44 ausgebildet ist, und dem Rest des Reaktorcorevolumens zu schaffen.

Im Betrieb und, wie in Fig.3 durch einen Anschlußaufbau innerhalb der Endausrüstung 12 zu demjenigen, der in Ver-

2Q bindung mit Fig. 2 beschrieben worden ist, gezeigt, wenn das Reaktorcore einen größeren seismischen oder anderen Stoß erhält, zwingt eine Längskomponente dieser Kraft den Brennstoffaufbau 10 zu einer Bewegung in Richtung auf den inneren Puffer 32. Der Puffer 32 stützt sich auf dem Teil der Federauflage 30 ab, der von dem Endgußstück 14 durch den Schlitz 20 vorspringt. Diese Bewegung des Brennstoffaufbaus 10 wird nicht nur durch die elastischen Eigenschaften der Schraubenfeder 4 7 verzögert, sondern auch durch die hydraulischen Kräfte, die innerhalb eines Führungsstabes 50 erzeugt werden.

Das Druckwasserkühlmittel im Reaktorcore, welches das Führungsstabvolumen 51 füllt, wirkt als Stoßdämpfer, wobei das Wasser die eingeführte Energie aufbraucht, wenn es aus dem Volumen 51 über eine öffnung 52 in der Platte 53 abfließt. Eine der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Einrichtung besteht in dem progressiv abnehmenden Öffnungsbereich, der durch die Längsbewegung eines Kolbens 54 an

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den Führungsstabschlitzen vorbei geschaffen wird, wobei nur ein Führungsstabschlitz 55 in Fig. 3 gezeigt ist. c Wenn daher das Reaktorcore von einem Stoß erschüttert wird, erfolgt die Wasserströmung aus dem Volumen 51 zunächst relativ unbegrenzt/ und der Verzögerungseffekt der Längsbewegung der Kolben/Führungsstab-Kombination ist relativ gering. Diese anfangs geringe Verzögerung schützt die Re-

τη aktorcorebauteile vor einer Beschädigung, die sonst bei einer abrupten Einwirkung einer größeren Kraft auf ein starres System auftreten würde. Wenn das Brennelement TO sich in Längsrichtung auf den inneren Puffer 32 zu bewegt, versperrt der Kolben 54 progressiv die durch den Führungsstabschlitz 55 und den Gegenschlitz im Führungsstab 50, der außerhalb der Ebene der Fig. 3 angeordnet ist, geschaffene Öffnung. Diese progressive Abnahme im Öffnungsbereich hat die Wirkung, daß der Strömungswiderstand aus dem Volumen 51 in den Rest des Reaktorcores ansteigt, wodurch eine progressive Dämpfung der einwirkenden Kraft bzw. Energie in einer Art und Weise geschaffen wird, welche allmählich und nicht abrupt diese Kraft dämpft bzw. die Energie verbraucht. Die progressive Dämpfung der in Frage stehenden Kraft schützt den Reaktorcoreaufbau vor einer möglichen Beschädigung, die sonst zu erwarten wäre, wenn die Kraft auf ein starres System einwirkt.

Wenn der Kolben 54 die Führungsstabschlitze vollständig verschließt, erfolgt ein gesteuerter Strömungsmittelabfluß aus dem Volumen 51 weiterhin durch die Öffnung 52 in der Platte 53, bis die aufgebrachte Energie vollständig verbraucht ist. Zu diesem Energieverbrauch trägt auch die Schraubenfeder 47 bei, indem sie einen Teil des aufgebrachten Stoßes dämpft. Es ist klar, daß die Kombination der Schraubenfeder 47, der öffnung 52 und des sich progressiv verändernden Öffnungsbereiches, der durch die Zusammenwirkung des Kolbens 54 und der zugeordneten Führungsstabschlitze geschaffen wird, eine wesentlich bessere

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Einrichtung zur Bewältigung dieser Beanspruchungen geschaffen wird als durch eine oder zwei Komponenten allein, c selbst wenn das Aufnahmevermögen der einzelnen Komponenten erhöht wird, um die gesamte erwartete Belastung aufzunehmen- Dies geschieht außerdem in einer Weise, durch welche tatsächlich parasitäres Neutronen einfangendes Material aus dem Reaktorcore entfernt wird. Die hohlen Führungs-IQ stäbe eliminieren unwirksames Neutronen einfangendes Material aus dem Reaktorcore in einer Weise, die trotzdem die bauliche Integrität des Cores erhöht.

Nachdem ein entsprechender Stoß in der beschriebenen Weise ic aufgefangen worden ist, drückt die in der zusammengedrückten Schraubenfeder 47 gespeicherte Energie den Brennstoffaufbau 10 in Längsrichtung weg von dem inneren Puffer 32, bis diese Bewegung durch die Wechselwirkung zwischen der Federauflage 30 und dem Anschlag 24 gestoppt wird. In den meisten praktischen zu erwartenden Situationen nimmt man an, daß alle stoßdämpfenden Führungsstäbe in einem Reaktorcoreaufbau an der Bewältigung größerer Beanspruchungen, denen standgehalten werden muß, beteiligt sind.

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J3.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   i1, Brennstoffaufbau für einen Kernreaktor, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von langen und schlanken Brennstäben (11), die jeweils zwei Enden aufweisen und die untereinander beabstandet und im allgemeinen parallel zueinander in Längsrichtung angeordnet sind, ein zellenförmiges Gitter (13), das mit einem Ende eines jeden Brennstabs in Eingriff steht, wobei alle mit dem Gitter in Eingriff stehenden Enden benachbart zueinander an den Stablängsenden angeordnet sind, einen hohlen Führungsstab (36, 50), dessen eines Ende mit dem Gitter für eine Längsbewegung mit diesem gekoppelt ist und der mindestens einen Längsschlitz (41,55) aufweist, der sich von dem entfernt vom Gitter angeordneten Ende des Führungsstabes über einen Teil der Führungsstablänge erstreckt, eine Platte (44, 53), die innerhalb des FührungsStabes für eine Längsbewegung mit diesem gelagert ist, eine Auflage (25, 30), die im allgemeinen quer zum Führungsstabschlxtz angeordnet ist und

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   ORIGINAL INSPECTED

   eine Öffnung (35) aufweist, welche den Führungsstab aufnimmt und eine Bewegung der Auflage in Längsrichtung relativ zum Führungsstab ermöglicht, und einen Kolben (40, 54), der innerhalb des FührungsStabes angeordnet und mit der Auflage für eine Bewegung mit der Auflage relativ zum Führungsstab verbunden ist und der den Führungsstabschlitz in Abhängigkeit von der relativen Bewegung des Kolbens in bezug zum Führungsstab progressiv blockiert und freigibt.
2. 2. Brennstoffaufbau nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine den Führungsstab (36, 50) umgebende Federeinrichtung (47), die zwischen dem Gitter (13) und der Auflage (25, 30) angeordnet ist.
3. 3. Brennstoffaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (44, 53) eine Öffnung

   (45, 52) aufweist, um eine Strömungsmittelverbindung 20

   durch die Platte in Längsrichtung herzustellen.

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