DE2850968C2 - Brennelementaufbau für einen mit Wasser gekühlten Kernreaktor - Google Patents

Description

a) mindestens einen hohlen, mit dem Kühlwasser gefeilten Führungsstab (36, 50), dessen unteres Ende mit der oberen Gitterplatte (13) für eine Längsbewegung mit dieser gekoppelt ist und der mindestens einen an dem der Gitterplatte gegenüberliegenden Ende angeordneten Längsschlitz (41,55) aufweist,

b) eine Platte (44,53), die innerhalb des Führungsstabes für eine Längsbewegung mit diesem gelagert ist,

c) eine Auflage (25,30), die quer zur Längsrichtung des Führungsstabes und des Schlitzes angeordnet ist und eine Öffnung (35) zur Aufnahme des Führungsstabes aufweist, welche ausreichend groß ist, um eine Längsbewegung des Führungsstabes (36, 50) relativ zur Auflage (25, 30) zu ermöglichen,

d) einen mit der Auflage (25, 30) gekoppelten Kolben (40, 54) innerhalb des Führungsstabes, um eine Bewegung des Führungsstabes relativ zum Kolben zu ermöglichen und der den Führungsschlitz in Abhängigkeit von der relativen Bewegung des Kolbens in bezug zum Führungsstab progressiv blockiert und freizugibt.

3. Brennstoffaufbau nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine den Führungsstab (36, 50) umgebende Federeinrichtung (44), die zwischen der Gitterplatte (13) und der Auflage (25,30) angeordnet ist.

4. Brennstoffaufbau nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (44,53) eine Öffnung (45,52) aufweist.

Die Erfindung betrifft einen Brennelementaufbau für einen mit Wasser gekühlten Kernreaktor, bei dem die einzelnen Brennstäbe zwischen einer oberen und einer unteren Gitterplatte gehaltert sind und eine Dämpfungseinrichtung gegen eine vertikale Bewegung der Brennstäbe vorgesehen ist.

Im Reaktorcore sind die Bauelemente einer erheblichen Umweltbelastung ausgesetzt. Die Temperatur, die Wasserströmungsgeschwindigkeit, der Druck, die Strahlung und dergleichen innerhalb des Reaktorcores bringen große Belastungen für die Materialien mit sich. Zusätzlich zu diesen extremen Umweltbelastungen 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. Erdbebenstöße und Thermoschocks für das Baugefüge, die mit einem Unfall verbunden sein können, bei weichem 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.

Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, die Materialstärke der Bauelemente zu erhöhen. Dies hat jedoch zur Folge, daß ein Teil der innerhalb des Cores befindlichen Neutronen zusätzlich absorbiert wird. In dieser Weise eingefangene Neutronen tragen nicht zur Energieerzeugung bei, wodurch der Wirkungsgrad des Kernreaktors verschlechtert wird.

Bei bekannten Brennelementaufbauten der eingangs genannten Art (DE-OS 23 31 352 und DE-AS 21 40 170) sind am unteren Ende Federn vorgesehen, um ein Anheben des Brennelementaufbaus aufgrund des Druckgefälles im Kühlwasser zu verhindern. Darüber hinaus ist es auch bekannt, zu diesem Zweck am oberen Ende des Brennelementaufbaus eine aus Federn bestehende Niederhalteeinrichtung vorzusehen. Diese bekannten Feder-Dämpfungseinrichtungin gewährleisten bei größeren Belastungen und Stoßkräften der Brennelementaufbauten, wie sie z. B. bei Erdstößen auftreten, keine ausreichende Sicherheit, wenn man insbesondere die extremen Sicherheitsanforderungen für Kernreaktoren in Rechnung stellt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Brennelementaufbau der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch bei extremen Belastungen, insbesondere Stoßbelastungen, mit der erforderlichen Sicherheit funktionsfähig und unbeschädigt bleibt.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennelementaufbau erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dämpfungseinrichtung mindestens aus einer das Kühlwasser des Reaktors verwendenden hydraulischen Dämpfungseinrichtung besteht.

Eine besonders vorteilhafte konstruktive Ausbildung dieser hydraulischen Dämpfungseinrichtung weist die Merkmale a bis d des Anspruchs 2 auf. Die anfangs geringe Verzögerung bzw. Dämpfung der Bewegung der aus den Brennstäben, der oberen Gitterplatte, dem Führungsstab und der Platte bestehenden Einheit relativ zu der aus dem Kolben und'der Auflage bestehenden Einheit schützt den Brennelementaufbau vor einer Beschädigung, die bei abrupter Dämpfung einer stoßartigen Belastung auftreten würde. Die bei der hydraulischen Einrichtung gemäß der Erfindung erzielte progressiv ansteigende Dämpfung gewährleistet in absolut zuverlässiger Weise auch eine Absorption von stoßartigen Höchstbelastungen auf die Brennelementaufbauten.

Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen des Brennelementaufbaus gemäß der Erfindung ist der Führungsstab von einer Federeinrichtung, die zwischen der Gitterplatte und der Auflage angeordnet ist, umgeben und weist die Platte eine Öffnung auf. Wenn der Kolben die Führungsstabschlitze vollständig verschließt, erfolgt ein gesteuerter Kühlwasserabfluß durch die Öffnung in der Platte, bis die aufgebrachte Energie vollständig verbraucht ist. Zu diesem Energieverbrauch trägt auch die den Führungsstab umgebende Federeinrichtung bei.

Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der

Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Brennelementaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig.2 eine Vorderschnittansicht eines Teils des in F i g. 1 gezeigten Brennelementaufbans, und

Fig.3 eine Seitenschnittansicht eines Teils des in F i g. 1 gezeigten Brennelementaufbaus.

In Fig. 1 ist ein Brennelementaufbau 10 gezeigt Der Brennelementaufbau 10 weist eine Gruppe von langen, schlanken Brennstäben 11 auf, deren Längsachsen allgemein parallel angeordnet sind. Ein Ende der Brennstäbe ist in einer Endausrüstung 12 aufgenommen.

Wie gezeigt, weist die Endausrüstung 12 ein zellenförmiges Gitter bzw. eine Gitterplatte 13 auf, die in einer quer .zu den Längsachsen der Brennstäbe U 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 Längsersfrekkung des mittleren Teils dieser Seitenwände, gemessen von dem Querende des Gußstücks 14, das im Abstand in Längsrichtung vom Gitter 13 angeordnet ist. Anschläge 21, 22, 23 und 24, welche die allgemeine Erscheinungsform von Nieten aufweisen, sind in den Schlitzen 15,16, 17 und 20 jeweils auf ungefähr 'Λ 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 U, der durch 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. so

Der gesamte Brennelementaufbau 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 U 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 Brennelementaufbau 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 hervorsDrineen.

Wie in F i g. 2 gezeigt ist ist die Endausrüstung 12 mit einer Querschulter 33 versehen, die mit einer Kante eines Teils des zellenförmigen Gitters 13 in Eingriff steht Wie gezeigt, wird der Schlitz 15 durch den Anschlag 21 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

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 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 Längsrichtung relativ zum Stab bewegen kann, wobei jedoch ein angemessener Strömungsmitteldichter Sitz 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.

Wie gezeigt, sind Teile 43 des Gitters 13 ausgeschnitten, um Ausnehmungen zu bilden, welche den in das Gitter 13 eindringenden Längsabschnitt des Führungsstabes 36 aufnehmen.

Eine scheibenförmige, innerhalb des Führungsstabes 36 angeordnete Platte 44 ist an der quer verlaufenden Oberfläche des zellenförmigen Gitters 13 befestigt. Der Durchmesser 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 Führungsstabvolumen 46, das zwischen 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 Verbindung mit F i g. 2 beschrieben worden ist, gezeigt wenn das Reaktcrcore einen größeren seismischen oder anderen Stoß erhält, zwingt eine Längskomponente dieser Kraft den Brennelementaufbau 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 Brennelementaufbaus 10 wird nicht nur durch die elastischen Eigenschaften der Schraubenfeder 47 verzögert, sondern auch durch die hydraulischen Kräfte, die innerhalb eines Führungsstabes 50 erzeugt werden.

Das'Druckwasserkühlmittel im Reaktorcore, weiches 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. Eines der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Einrichtung besteht in dem progressiv abnehmenden Öffnungsbereich, der durch die Längsbewegung eines Kolbens 54 an den Führungsstabschlitzen vorbei geschaffen wird, wobei nur ein Führungsstabschlitz 55 in F i g. 3 gezeigt ist 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 Reaktorcorcbauteile vor einer Beschädigung, die sonst bei einer abrupten Einwirkung einer größeren Kraft auf ein starres System auftreten würde. Wenn der Brennelementaufbau 10 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 F i g. 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 Einrichtung zur Bewältigung dieser Beanspruchungen geschaffen wird als durch eine oder zwei Komponenten allein, 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 Führungsstäbe

eliminieren unwirkesames Neutronen einfangendes

Material aus dem Reaktorcore in einer Weise, die

trotzdem die bauliche Integrität des Cores erhöht

Nachdem ein entsprechender Stoß in der beschriebe-

nen Weise 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Brennelementaufbau für einen mit Wasser gekühlten Kernreaktor, bei dem die einzelnen Brennstäbe zwischen einer oberen und einer unteren Gitterplatte gehaltert sind und eine Dämpfungseinrichtung gegen eine vertikale Bewegung der Brennstäbe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung mindestens aus einer das Kühlwasser des Reaktors verwendenden hydraulischen Dämpfungseinrichtung besteht

Z Brennelementaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Dämpfungseinrichtung folgende Elemente aufweist: is