DE2929506A1 - Verfahren und vorrichtung zum befestigen und entfernen von abbrennbaren absorberstaeben in brennelementen von kernreaktoren - Google Patents

Description

The Babcock & Wilcox Company <\ g; _< j_uii 1979

1010 Common Street Case 4257

New Orleans, La. B 1541 Al/a U.S.A.

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Befestigen und Entfernen von abbrennbaren Absorberstäben in Brennelementen von Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft Kernreaktorbrennelemente und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Befestigen und Entfernen von abbrennbaren Absorberstäben an bzw. von einem Armstern in einem Brennelement und dergleichen.

Um Nutzenergie aus Kernprozessen zu erzeugen, ist es erforderlich, eine ausreichende Konzentration spaltbaren Urans oder eines anderen geeigneten Materials in einer räumlichen Konfiguration vorzusehen, welche eine kontinierliche Folge von energieerzeugenden Reaktionen aufrechterhält. Diese Anordnung oder der Reaktorkern überträgt die in den Spaltungsreaktionen erzeugte Wärme auf ein Arbeitsströmungsmittel. Häufig wird zu diesem Zweck

^OJ Druckwasser verwendet, das durch den Kern mit hohen Geschwindigkeiten strömt.

Da die Wärme, Schwingung und Strahlung, die innerhalb

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eines Reaktorkerns erzeugt wird, eine im allgemeinen feindselige Umgebung schafft, ist die strukturelle Unversehrtheit der Kernkomponenten ein wichtiger Gesichtspunkt. Demr zufolge bestehen Druckwasserreaktorkerne häufig aus Gruppen von Brennelementen, welche in einer im allgemeinen genau kreisförmigen zylindrischen Konfiguration angeordnet sind. Jedes Brennelement weist darüber hinaus gewöhnlich ungefähr 2OO lange, dünne Brennstäbe auf, die unter-,« einander parallel und im Abstand angeordnet sind. Jeder Brennstab enthält einen Stapel von im allgemeinen zylindrischen Urandioxid-Tabletten, in denen das Uran den spaltbaren Brennstoff für den Leistungsreaktor bildet.

ic Diese Brennelemente sind nicht auf Brennstäbe beschränkt, sondern unterstützen eine Anzahl von anderen Komponenten. So sind z.B. Instrumentierungsrohre zur überwachung von Temperatur- und Neutronenflußbedingungen innerhalb des Kerns, Endstücke und Brennelementgitter zur Stabilisierung der Brenne leinentkomponen ten und Steuerstäbe und Steuerstabführungsrohre zur Regulierung des Leistungsausganges aus dem Reaktor durch die selektive Absorption von spaltungsauslösenden Neutronen innerhalb des Reaktorkerns oft ein Teil des Brennelementenaufbaus.

Die Neutronenverteilung wird natürlich von Ort zu Ort innerhalb des Reaktorkerns veränderlich sein. In der Nähe der Kernperipherie kann erwartet werden, daß die Neutronenmenge relativ zur Mitte des Reaktorkerns klein ist, da die Konzentration von neutronenerzeugendem Uran an der Kernperipherie kleiner ist als in der Kernmitte. Neutronen an der Kernperipherie können durch die Kernoberfläche leichter "entkommen" als von der Mitte des Kerns, wodurch die Neutronenkonzentration in der Nähe der Reaktorkernoberfläche weiter reduziert wird. Da die Wärmeerzeugung innerhalb eines speziellen Teils des Reaktorkerns abhängig ist von der Neutronenmenge innerhalb dieses Teils, besteht eine deutliche Tendenz dahin, daß in der Mitte des

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Reaktorkerns höhere Temperaturen erzeugt werden als an seinem Rand. Diese Neigung, lokale Temperaturmaxima in verschiedenen Bereichen innerhalb des Reaktorkerns zu erzeugen, ist aus einer Anzahl von Gründen im allgemeinen unerwünscht. Zunächst ist der Reaktor für einen Kernbetrieb entworfen, bei dem eine vorbestimmte Temperatur nicht überschritten wird. Wenn diese Kerntemperatur an gerade einem oder einigen Punkten innerhalb des Reaktorkerns erreicht wird, kann das gesamte wärmeerzeugende Potential des Kerns nicht realisiert werden. Dieser Effekt ergibt sich dadurch,daß die Temperaturen an anderen Stellen im Kern auf geringeren Werten gehalten werden müssen, um die Auslegungstemperatür an diesen begrenzten Punkten oder "heißen Punkten" nicht zu überschreiten, an welchen die maximale Auslegungstemperatur erreicht worden ist.

Demgemäß kann bei dem vereinfachten betrachteten Beispiel die gesamte Reaktorleistung erhöht werden, wenn die Neutronenmenge (und demzufolge die Wärmemenge) im mittleren Teil des Kerns verringert und die Neutronenmenge in dem größeren Volumen, das durch den peripheren Reaktorkernring charakterisiert ist, erhöht wird. Auf diese Weise wird durch "Abflachen" der Leistungsverteilung in dem Reaktorkern der Kern tatsächlich in die Lage versetzt, mehr Leistung bzw. Energie zu erzeugen, als er erzeugen könnte, wenn die Neutronenkonzentration, Temperatur und Leistung eine Spitze in der Mitte des Kerns oder an einem anderen Ort erreichen könnten. Um diese "flache" Leistungsverteilung zu erzielen, sind in der Praxis abbrennbare Absorberstäbe bzw. Stäbe aus "abbrennbarem Reaktorgift" in die Brennelemente eingeführt worden. Normalerweise ist ein abbrennbarer Absorberstab ein Rohr, das mit einem Material gefüllt ist, das eine sehr hohe Neutronenabsorp-

3-> tionswahrscheinlichkeit hat. Zu diesem Zweck ist z.B. eine gesinterte Dispersion von Borcarbid in einer Aluminiummatrix geeignet.

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Neutronen, die auf diese Weise mit Hilfe des innerhalb des Stabes befindlichen Materials absorbiert werden, werden tatsächlich dem Spaltungs- und Energieerzeugungsvorr gang entzogen. Um die Leistungsverteilung innerhalb eines Reaktorkerns "abzuflachen", werden die abbrennbaren Absorberstäbe in den Brennelementen konzentriert, die im mittleren Teil des Reaktorkerns angeordnet sind.

•jQ Abhängig von einer Anzahl von subtilen Wirkungen kann es auch ratsam sein, abbrennbare Absorberstabkonzentrationen in anderen Teilen des Reaktorkerns vorzusehen, in welchen spezielle Auslegungs- oder Betriebsmerkmale große lokale Neutronenmengen erzeugen.

Das Brennelement bzw. der Brennstoffaufbau muß nicht nur alle diese verschiedenen Baukomponenten trotz der im allgemeinen feindseligen Umgebung innerhalb eines Reaktorkerns unterstützen, sondern das Brennelement muß auch dem etwas widersprechenden Bedürfnis nach schneller und leichter Zerlegung entsprechen. Es muß in diesem Zusammenhang angemerkt werden, daß Brennelemente nach dem Aussetzen in einem arbeitenden Reaktorkern radioaktiv werden. Diese Strahlung ist so intensiv, daß eine Inspektion und Reparatur nur mit einer fernbedienbaren Handhabungsausrüstung hinter einer angemessenen Strahlungsabschirmung durchgeführt werden können.

Da Zerlegungsvorgänge kostspielig und zeitaufwendig sind, ist das' Bedürfnis nach einem stabilen und doch leicht zerlegbaren Aufbau von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung .

Die abbrennbaren Absorberstäbe, die in vielen Brennelementen verwendet werden, sind Teil dieses Aufbaubildes. Die bekannten abbrennbaren Absorberstäbe sind im allgemeinen derart gelagert, daß sie in einer Richtung bewegt werden können, die parallel zur Längsorientierung der Brennstäbe

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ist. Ein "Armstern" in Form einer mittig angeordnete Nabe, von welcher in radial:: richtung eine Anzahl von Armen ausgeht/ wird häufig verwendet, urc die abbrennbaren Absorberstäbe für eine Längsbewegung relativ zum Rest des Brennelementes zu verbinden, "»lese Bewegung ist erforderlich, um es der Leistungsreaktcrnedienungsperson zu ermöglichen, abbrennbare Absorberstäoe entsprechend den Leistungsabflachungsbedürfnxssen in den Reaktorkern einzufüh_in ren oder aus diesem herauszuziehen.

Gegebenenfalls müssen punktförmig verteilte abbrennbare Absorberstäbe vom Betrieb entfern, in einem Transportbehälter, der für eine angemessene Abschirmung gegen Strahle lung sorgt, verpackt und dann zur Beseitigung bzw. Aufbereitung an einen geeigneten Ort gebracht werden. Es ist wünschenswert, jeden Stab aus dem Armstern zu entfernen, um Raum im Transportbehälter zu sparen. Leider ist das Entfernen der abbrennbaren Absorberstäbe aus dem Armstern on kompliziert und aus einer Anzahl von Gründen gegebenenfalls gefährlich. Die bestrahlten Absorberstäbe haben nach einer ausreichenden Bestrahlung im Reaktorkern einen inneren Gasdruck entwickelt. Die Hülle oder das Rohr, in welcher das brennbare Neutronengift eingebracht worden ist, wird außerdem als Folge einer Bestrahlungsperiode ziemlich spröde. Die abbrennbaren Absorberstäbe werden gewöhnlich mit ihren jeweiligen Sternarmen mit Hilfe von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen vereinigt. Die am häufigsten vorgeschlagene Methode zum Entfernen der Stäbe von dem Armstern besteht im Abscheren oder Absägen. Das Absägen der Stäbe erlaubt eine vorsichtigere Handhabung der Stäbe - eine wichtige Überlegung im Hinblick auf den Gasdruck innerhalb der Stäbe - , aber der Sägevorgang erzeugt radioaktive Späne. Das Abscheren vermeidet im wesentlichen dieses Problem, bringt jedoch eine unerwünscht grobe Handhabung mit sich.

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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, geeignete Einrichtungen zum Verbinden von abbrennbaren Absorberstäben mit Sternarmen zu schaffen in einer Art und Weise, welche gegenüber der Reaktorkernumgebung widerstandsfähig ist, aber eine einfache, schnelle und feinfühlige Entfernung der Stäbe vom Armstern ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dem Schutzbegehren gelöst. Hierbei ist insbesondere ein Stift an einem Querende eines abbrennbaren Absorberstabes befestigt. Der Stift sitzt in einer Bohrung, die in einem dem betrachteten Stab zugeordneten Sternarm ausgebildet ist. Es sind geeignete Mittel bzw. Einrichtungen vorgesehen, um den Stab an dem Sternarm zu befestigen. Geeignet für diesen Zweck ist z.B. das Verschweißen eines brechbaren Flansches am Stift mit einem benachbarten Teil des Sternarms.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der abbrennbare Absorberstab von dem Sternarm getrennt durch Aufbrinen einer Kraft in einer Richtung, die mit der Längsrichtung des Stabes und seines zugeordneten Stiftes übereinstimmt. Die Kraft ist von ausreichender Größe, um den Stift aus dem Sternarm herauszudrücken. Der brechbare Flansch bricht z.B. längs einer vorbestimmten Kerblinie,eines "Schwachpunktes" oder einer berechneten Bruchebene, um ein Hindurchtreten des Stiftes durch

die Bohrung zu ermöglichen.
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Obwohl eine erhebliche Kraft gegebenenfalls erforderlich ist, um den Stift durch die Sternarmbohrung zu pressen, wird angemerkt, daß die Kraft in einer Längsrichtung relativ zum Stift aufgebracht wird. Dieses Merkmal der vorlie-

genden Erfindung schützt nicht nur den spröden, unter Druck gesetzten abbrennbaren Absorberstab gegenüber Bruchgefahr oder einer anderen Beschädigung aufgrund grober Handhabung, welche das Abscheren charakterisiert, sondern

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vermeidet auch die Erzeugung einer Masse radioaktiver Späne, die auftritt, wenn der Stab vom Armstern abgesägt wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.1 die Anordnung eines Armsterns mit abbrennbaren Absorberstäben ,

Fig.2 eine Ausführungsform der Befestigung des Absorber-Stabes an einem Sternarm und

Fig.3 eine Methode zum Entfernen des abbrennbaren Absorberstabes, gezeigt in Fig.2, von einem Sternarm.

In Fig.1 ist ein Armstern 10, z.B. aus rostfreiem Stahl und dergleichen, gezeigt, der eine mittig angeordnete, im allgemeinen zylindrische Nabe 11 mit einer Längsachse 12 aufweist. Der Armstern 10 hat eine Anzahl von Sternarmen, die sich von der Nabe 11 aus radial in einer Ebene erstrecken, die rechtwinklig zur Achse 12 verläuft. Zum Zwecke der vereinfachten Beschreibung sind nur Sternarme 13, 14, 15, 16, 17, 20 und 21 gezeigt, welche in der Ebene der Fig.1 zu sehen sind.

An den jeweilsigen Sternarmen ist eine Gruppe von abbrennbaren Absorberstäben 22, 23, 24, 25, 26, 27 und 30 befestigt. Alle diese abbrennbaren Absorberstäbe sind lange, dünne Rohre, deren Längsachse paralle zur Längsachse 12 der Nabe 11 verläuft. Wie im einzelnen bei dem abbrennbaren Absorberstab 30 illustriert ist, bildet ein Hohlrohr 31 die äußere Oberfläche des Stabes. Ein Längsende des Rohres 31 ist mit Hilfe eines massiven Stopfens 32 verschlossen, der im offenen Rohrende verschweißt oder

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anderweitig befestigt ist. Innerhalb des Rohres 31 und in Sbstützung gegen den Stopfen 32 ist ein Stapel von kurzen zylindrischen abbrennbaren Absorbertabletten 33 angeordnet. Die einzelnen zylindrischen Tabletten im Stapel 33 werden in Längsrichtung durch eine Feder 34 zusammengedrückt, welche zwischen der letzten Tablette im Stapel 33 und einem Stopfen 35 angeordnet ist, der im oberen offenen Ende des Hohlrohrs 31 befestigt ist.

'" Wie in Fig.2 gezeigt ist, verschließt eine Endkappe 73 ein Ende eines abbrennbaren Absorberstabes 74. Die Endkappe 73 hat eine in Längsrichtung angeordnete Gewindebohrung 75, welche ein mit Gewinde versehenes Ende eines Stiels 76 aufnimmt. Die äußere zylindrische Oberfläche der Endkappe 73 weist einen geflanschten Absatz 77 auf, der auf dem Boden einer Aussparung 80, die in einem Sternarm 81 geformt ist, aufsitzt und sich gegen diesen abstützt. Die Aussparung 80 verläuft in Längsausrichtung mit einer Bohrung 82, die einen geringfügig größeren

Durchmesser als der Durchmesser des Stiels 76 aufweist.

Ein Längsabschnitt 83 des Stiels 76 springt über den Sternarm 81 vor. Darüber hinaus ist in dem vorspringenden Abschnitt 8 3 des Stiels 76 ein Einschnitt 74 ausge-

bildet. Der Einschnitt 84 schafft eine Einrichtung zur Anwendung eines Schraubenziehers oder dergleichen, um den Stiel 76 in die Gewindebohrung 75 in der Endkappe 73 einzuschrauben.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Anordnung springt ein quer verlaufender Flansch 85 nach außen von der Oberfläche des vorspringenden Längsabschnittes des Stiels 76 vor, mit welchem er vereinigt ist. Der Durchmesser des Flansches 85 reicht aus, damit sich der Flansch gegen eine Oberfläche des Sternarmes 81 abstützt.

Der Flansch 85 ist mit einer kreisförmigen Rillenausspa-

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rung 86 versehen, welche in dem Teil des vorspringenden Abschnitts 83 ausgebildet ist, welche in der Nähe der Oberfläche des Stiels 76 liegt, und in Längsausrichtung mit der Bohrung 82. Punkt- oder Heftschweißungen 87 oder dergleichen befestigen deii Flansch 85 und den zugeordneten Stiel 76 starr in ihrer Position am Sternarm 81.

Im Betrieb wird eine Platte 90 (Fig.3) über den Sternarm

,« 81 gelegt. Die Platte 90 wird in Längsrichtung, d.h. in axialer Ausrichtung mit der Bohrung 82, verschoben, um gegen den vorspringenden Abschnitt 8 3 des Stiels 76 mit ausreichender Kraft zu drücken, um den Stiel 76 vom Flansch 85 an der vorbestimmten "Schwachstelle", welcher

■ic von der gekerbten Aussparung 86 (Fig.2) gebildet wird, abzubrechen und hierdurch die Kraft zu überwinden, welche den Stiel 76 im Sternarm 81 festhält. Auf diese Weise kommt der Stiel 76 und der zugeordnete abbrennbare Absorberstab 74 außer Eingriff mit dem Sternarm 81. Der Stiel

on 76 kann dann von dem abbrennbaren Absorberstab 74 und der Endkappe 73 abgeschraubt werden. Auf diese Weise kann der abbrennbare Absorberstab 74 vom Sternarm 81 entfernt werden, ohne daß die Gefahren entstehen, welche mit einem Absäge- oder Abscherungsvorgang zum Entfernen des Stabes verbunden sind.

Die Platte 90 kann vergrößert werden, um sich über einige oder alle abbrennbare Absorberstäbe in einem Armstern zu erstrecken und um durch einen einzigen Längshub eine Gruppe von abbrennbaren Absorberstäben zu lösen, wodurch eine zeitaufwendige, mühsame und in mancher Beziehung gefährliche Aktivität, welche den Stand der Technik kennzeichnet, eliminiert wird.

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Claims (2)

PATENT- UNO RECHTSANWÄLTE RECHTSANTAiALT PATENTANWÄLTE* JOCHEN PAGENBERG drjur.umharv.ro WOLFGANG A. DOST UDO W. ALTENBURG GALILEIPLATZ 1. 8000 MÜNCHEN 80 TELEFON (Ο 89) 98 66 64 TELEX (05) 22 791 pad d CABLE PADBURO MÜNCHEN 16. Juli 1979 datum Case 4257 B 1541 Al/a Patentansprüche

1. Verfahren zum Installieren und Entfernen eines abbrennbaren Absorberstabes mit einem von einem Ende vorspringenden Stiel an bzw. von einem Armstern, der eine Bohrung zur Aufnahme des Stiels aufweist, g e k e η η-zeichnet durch Einführen des Stiels in axialer Richtung in die Armsternbohrung, Verschweißen eines Teils des Stiels mit dem Armstern, Pressen des Stiels in axialer Richtung in Bezug auf die Bohrung mit ausreichender Kraft zur Überwindung der den Stiel in der Bohrung haltenden Kraft und Zurückziehen des Stiels aus der Bohrung.

2. Armstern mit einer Bohrung zur Aufnahme eines abbrennbaren Absorberstabes, gekennzeichnet durch einen abbrennbaren Absorberstab (22 bis 27, 30) mit einer Längsachse, einem Stiel (76), der von einem Ende des abbrennbaren Absorberstabes hervorspringt, sich in Längsausrichtung mit dem Stab erstreckt und in einer Armsternbohrung (82) aufgenommen ist, einem vom Stiel quer vor-

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•ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT O^FiCE

MAHDiTAiRES AGREESPRtE L OFFICE EUROPEENDEt E-EVETS

springenden Flansch (85) , der sich über den Durchmesser der Armsternbohrung hinaus erstreckt zur Halterung des Stiels innerhalb der Bohrung, und durch eine Nut (86)/ die in dem Flansch in Längsausrichtung mit der Armsternbohrung ausgebildet ist, um einen vorbestimmten Schwachpunkt zu bilden, durch welchen der Stiel in einer Längsrichtung bewegbar ist, um die Rückhaltekraft durch die Anwendung einer größeren Kraft in Längsrichtung zu überwinden, wobei der Stiel vom Flansch an der in diesem ausgebildeten Nut abbricht.

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