DE3625022A1 - Hydraulische haltevorrichtung fuer kernbrennelementbuendel und kernreaktor mit einer solchen vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf hydraulische Halte­ vorrichtungen, die dazu bestimmt sind, dem Fortflie­ gen der Brennstoffelementbündel unter der Wirkung der Kräfte entgegenzuwirken, die auf sie durch das Kühlmittel in aufsteigender Zirkulation im Kern aus­ geübt werden. Diese Vorrichtungen sind entwickelt worden, um das Auftreten einer hydraulischen Kraft zu bewirken, die nach unten gerichtet ist und sich auf die Bündel auswirkt, wobei sie derjenigen ent­ gegenwirkt, die auf den Druckverlust zurückzuführen ist, dem das Kühlmittel bei der Durchquerung des Kerns oder zumindest eines Teils von diesem ausgesetzt ist. Eine besonders wicht­ tige, obwohl nicht ausschließliche Anwendung der Erfindung erfolgt in mit Leichtwasser gekühlten und moderierten Reaktoren, deren Bündel von Gehäuse ent­ blößt sind.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine hydraulische Brennelementbündel-Haltevorrichtung für einen Kernreaktor umfassend eine untere Kernstütz­ platte, Brennelementbündel ohne Gehäuse, die jeweils ein Bündel bzw. eine Gruppe von durch ein Skelett oder Gerüst getragenen Stäben aufweisen, wobei das Skelett einen Stützfuß auf der Platte und Einrich­ tungen zum Führen des Kühlmittels unterhalb der Platte und zum Sammeln des Kühlmittels, das im Kern zirkuliert ist, in einem oberhalb des Kerns liegenden Kühlmittelsammler, das heißt Sammelbehälter, aufweist, wobei der Fuß eines jeden Bündels eine zentrale Durchführung für das Einströmen von Kühl­ mittel aufweist, die mit dem Raum unterhalb der Platte verbunden ist, wobei er einen Querschnitt unter dem Strömungsquerschnitt des Bündels besitzt und von einem Raum umgeben ist, der durch die Unterseite einer Ringzone mit dem Sammler verbundenen Fußes begrenzt ist.

In der US-PS 41 74 257 ist eine Vorrichtung dieser Art beschrieben, die eine einfache untere Kernplatte auf­ weist. Um eine nach unten gerichtete Druckkraft zu erzeugen, soll der Fuß einen ringförmigen Hohlraum be­ grenzen, der durch Führungsrohre in Verbindung mit der oberhalb des Kerns liegenden Zone gebracht ist. Eine solche Anordnung weist zahlreiche Nachteile auf: der Druck, der in der Kammer herrscht, hängt dann außerordentlich von dem Druckverlust ab, dem das Wasser ausgesetzt ist, das durch die Öffnungen bei der Durchquerung der Führungsrohre eindringt. Die­ ser Druckverlust, der sehr gering ist, wenn die Regelstäbe außerhalb des Kerns bzw. Spaltraums sind, wird sehr groß, wenn sie im Kern sind. Damit die hydraulische Haltekraft ausreichend bleibt, wenn die Stäbe eingefahren sind, wird es erforderlich zuzu­ lassen, daß ein sehr hoher Wasserdurchfluß in den Führungsrohren zirkuliert, wenn die Regelstäbe außer­ halb des Kerns sind. Nun, dieser sehr hohe Durch­ fluß schließt den Kern kurz, senkt die Temperatur am Ausgang des Kerns und reduziert die Wärmeaus­ beute beträchtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrau­ lische Haltevorrichtung zu schaffen, die besser als die vorher bekannten Vorrichtungen auf die Anforde­ rungen der Praxis zugeschnitten ist, insbesondere, indem bei ihr die Leistungs- und Druchflußänderungen der Verwindungen und Herumführungen der Bündel her­ abgesetzt sind. Zu diesem Zweck wird durch die Er­ findung eine Vorrichtung der oben bestimmten Art vor­ geschlagen, bei der die Stützplatte einen Träger bil­ det, der ein inneres Volumen begrenzt und bei dem der jedem Bündel zugeordnete Raum mit dem Volumen des Trägers verbunden ist. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine einfache Lösung besteht in der Erzeugung eines Leckpfads, der einen beträchtlichen Druckverlust vom Kern zum inneren Volumen des Trägers durch den Raum darstellt.

Der untere Druck kann insbesondere derjenige sein, der im Kühlmittelsammler oberhalb des Kerns herrscht. Es reicht nun aus, den Sammler mit dem Innenraum des Trägers zu verbinden.

Die Erfindung geht weiter aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Vorrichtungen hervor, die spezielle Ausführungsformen der Erfindung darstellen und als nicht einschränkende Beispiele erläutert werden. Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht einen Prinzipplan, der den Träger eines Reaktors und ein auf dem Träger angebrachtes Brennelementbündel zeigt, wobei die Montage des Fußes im Träger und die Para­ meter veranschaulicht sind, die zur Bestimmung der Haltekraft eingehen,

Fig. 2 eine schematische seitliche Schnittansicht gemäß einer Ebene, die durch die Achse eines Bündels verläuft,

Fig. 3 und 4 eine Schnittansicht durch eine ver­ tikale Ebene und eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 einer Ausfüh­ rungsvariante,

Fig. 6 und 7, ähnlich wie Fig. 3 und 4, eine andere Ausführungsform der Erfindung.

Die Erfindung wird nun bei ihrer Anwendung auf einen Reaktor mit einem allgemeinen Aufbau beschrieben, der derjenige der Druckwasserreaktoren ist, die zum gegen­ wärtigen Zeitpunkt allgemein verwendet werden, und der z.B. in "Centrales Nucleaires EDF de 1300 MWe", EDF, Paris, Oktober 1984 beschrieben ist.

In Fig. 1 ist ein Teil des Druckgefäßes bzw. Be­ hälters 10 für den Widerstand gegen Druck des Leicht­ wassers gezeigt, das das Kühlmittel und den Moderator eines Reaktors darstellt. Ein im Behälter angeordneter Mantel 12 trennt die abwärts gerichtete Zirkulation des durch einen Stutzen 14 zugeführten Kühlmittels von der nach oben gerichteten bzw. aufsteigenden Zirkulation durch den Kern. Diese Zirkulationen bzw. Kreisläufe sind durch Pfeile f ₀ bezeichnet. Eine untere Platte 16 des Kerns, die mit dem Mantel fest ver­ bunden ist, trägt Brennelementbündel, von denen ein einziges 18 dargestellt ist. Jedes Bündel umfaßt ein Skelett oder Gerüst, das durch ein oberes Ansatz­ stück 20, ein mit einem Fuß 22 versehenes unteres Ansatzstück, den Fuß und den Kopf verbindende Spann­ stangen oder Klammern 24 und Gitter oder Roste 26 gebildet ist, die längs der Spann- und Klammereinrichtungen 24 verteilt sind. Das Bündel weist noch ein Bündel bzw. eine Gruppe von Brennstäben 28 auf, die mit den Knoten eines gleichmäßigen Netzes verteilt sind, von denen bestimmte Knoten durch die Spannstangen 24 be­ setzt sind. Diese Stäbe sind durch die Gitter 26 gehalten. Das durch den Fuß 22 in das Bündel zuge­ führte Kühlmittel strömt durch das obere Ansatzstück 20 in einen Sammler, bevor es denMantel 10 des Reaktors durch einen (nicht dargestellten) Ausgangsstutzen verläßt.

Das beim Druck P ₁ im Reaktor durch den Stutzen 14 zugeführte Kühlmittel erfährt beim Durchqueren der Bündel einen Druckverlust, der seinen Druck auf einen unteren Wert P ₂ im Sammler herabsetzt.

Die bisher beschriebene Vorrichtung ist klassisch. Aber die Anordnung des Fußes des Bündels unterschei­ det sich beträchtlich von derjenigen der klassischen Bündel. Um eine hydraulische Rückhaltekraft zu erzeugen, muß die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Zone mit niedrigem Druck auftreten lassen, die unterhalb des Fußes liegt und auf einem Druck ist, der niedriger als derjenige ist, der im Bündel vorherrscht. Wenn die Versorgung des Bündels axial durch eine Leitung mit einem Außendurchmesser d ₁ erfolgt und wenn der Fuß dem niedrigen Druck auf einer durch einen Kreis mit einem Durchmesser d ₂ begrenztenZone ausgesetzt wird, kann sich die hydraulische Haltekraft höchstens auf eine ringförmige Zone auswirken, die durch die Kreise mit dem Durchmesser d ₁ und d ₂ begrenzt ist, und die höchstens gleich (P ₁-P ₀) π (d ₂ ²-d ₁ ²)ist, wobei P ₀ der herabgesetzte verfügbare Druck ist.

Bei den noch beschriebenen Ausführungsformen wird der die untere Kernplatte bildende Träger 16 als Druckquelle verwendet. Hierzu begrenzt der Träger ein Volumen 30 auf herabgesetztem Druck P ₀ in bezug auf den Zuführungsdruck P₁. Eine einfache Lösung zum Erhalten dieses reduzierten Drucks besteht darin, das Volumen 30 mit dem Ausgangssammler des Kühlmit­ tels durch einen ringförmigen Raum oder Kanäle 32 zu verbinden, die lediglich einen geringen Druck­ verlust darbieten: Unter diesen Bedingungen liegt der Druck P ₀ im Volumen 30 nahe P₂. Der ringförmige Raum 32 ist beispielsweise zwischen dem Mantel 12 und einer Unterteilung bzw. Zwischenwand 33 ausge­ spart, die sich der Form des Kerns anpaßt.

Der Fuß zeigt auf seiner Seite eine solche Form, daß unter einer ringförmigen Oberfläche ein Druck dicht bei P ₀ geschaffen wird, wobei die Differenz zwischen dem Druck am unteren Teil des Bündels (sehr dicht beim Druck P ₁) und dem Druck P ₀ im Volumen 30 eine nach unten gerichtete Kraft auf den Fuß ausübt.

Bei den speziellen Ausführungsformen, die jetzt beschrieben werden, wird dieses Ergebnis dadurch erzielt, daß ein Leckweg erzeugt wird, der einen beträchtlichen Druckverlust (zur Begrenzung des Durchflusses) vom unteren Teil des Kerns, wo das Kühlmittel unter einem Druck praktisch gleich P ₁ steht, zum Volumen 30 darbietet, wobei der Druck­ verlust in der Hauptsache stromaufwärts eines Raums auftritt, der durch die Unterseite einer ringförmigen Zone mit Durchmesser d ₂ des Fußes entsprechend ei­ nem effektiven Wirkquerschnitt des Druckes, der einen beträchtlichen Teil des Gesamtquerschnitts des Bün­ dels darstellt, begrenzt wird. Die Leckbahn, die schematisch durch Pfeile f ₁ in Fig. 1 bezeichnet ist, ist zum einen durch den Bündelfuß 22, zum anderen durch eine Speisevorrichtung 34 begrenzt, die permanent mit dem Träger 16 fest verbunden ist.

Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Aus­ führungsform, deren Bestandteile getrennt in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind, ist der Leckweg für erhöhten Druckverlust doppelt. Die Zuführungs- bzw. Speisevorrichtung 34 umfaßt zwei koaxiale Rohre. Das Innenrohr 38 ist an einer unteren Platte 40 des Trägers befestigt und bildet einen Durchlaß für die Zuführung des Kühlmittels. Das Außenrohr 42 ist fest mit der oberen Platte des Trägers 44 ver­ bunden und dient als Auflager für den Fuß 22. Bei den in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen verbindet eine ein Abstandstück bildende Buchse 46 die Platten mit den Trägern 44 und 40. Die Rohre 38 und 42 sind nicht direkt mit den Platten 40 und 44 verbunden, sondern mittels der Buchse 46. Letztere ist mit Löchern 48 durchbohrt, die eine Verbindung des inneren Volumens 30 des Trägers mit Hüllen oder Nuten 49 bringen, die in der Buchse 46 ausgenommen sind und in einen Raum 50 münden.

Ein erster Abschnitt bzw. Zweig des Leckwegs ist durch das Innenrohr 38 und die Innenbohrung des Bündelfußes 22 begrenzt. Der Druckverlust in diesem Abschnitt muß P ₁-P ₀ entsprechen, damit ein Durchfluß akzeptabel bleibt. Um zu diesem Ergebnis zu kommen, ohne daß eine präzise Zentrierung des Fußes 22 in der Vorrichtung 36 erforder­ lich wird, sind diese Mittel vorgesehen, damit der Weg eine Reihe von Verengungen und Erweiterungen aufweist, die ein Labyrinth bilden. Dieses Labyrinth kann gebildet sein, indem das Bündel des Fußes 22 glatt gelassen wird und indem auf dem oberen Teil des Innenrohrs 38 ein Ge­ winde oder Umfangsnuten maschinell bearbeitet werden, die vorteilhaft ein nichtsymmetrisches Profil haben, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist.

Der zweite Leckweg ist verschlossen, wenn sich das Brennelementbündel korrekt im Auflager auf der Zuführ­ vorrichtung 36 befindet. Er weist ein ringförmiges Spiel auf, das zwischen der Innenseite des Rohrs 42 und der Außenseite des Fußes vorgesehen ist. Dieser Weg ist in gleicher Weise mit einem Labyrinth ausgestattet, das durch die glatte Innenseite des Rohrs 42 und die mit Gewinde versehene Außenseite des unteren Teils des Fußes begrenzt ist, von zylindrischer Form und mit einem Durchmesser d₁, der einen Abschnitt bestimmt, der ganz und gar unterhalb des geraden Abschnittes des gewöhn­ lichen bzw. fließenden Teils des Bündels und von der Höhe des Fußes begrenzt ist.

Der Fuß stützt sich auf dem Rohr 42 in einer Zone mit einem Durchmesser dicht beim Außendurchmesser des Rohrs 42 ab. Zu diesem Zweck weist der Fuß 22 einen runden bzw. kugelförmigen Teil 51 auf, der dazu be­ stimmt ist, sich auf einer kegelstumpfförmigen Auflage­ fläche 52 abzustützen. Dieser mit runder Form versehene (sphärische) Teil ist durch eine Verbindungszone mit einem Endansatzstück mit Polygonform verbunden, die der Form der Gruppe von Stäben 28 entspricht.

Die Öffnung des Teils 51 auf einen Kegel gibt allgemein eine Dichtigkeit, die den Leckdurchfluß des Außen­ labyrinths außer Kraft setzt. Dieses bleibt indessen erforderlich, um die Stabilität der Vorrichtung im Fall eines leichten Anhebens des Bündels sicherzu­ stellen und in diesem Fall die hydraulische Haltebe­ anspruchung zu erhalten.

Wie ersichtlich ist, werden die beiden Leckdurchflüsse bzw. -strömungen im Volumen 30 gesammelt, dann durch einen Durchlaß mit geringem Druckverlust zum Ausgang des Kerns geführt. Demzufolge wird unterhalb des Fußes eine Druckdifferenz von praktisch gleich P ₁-P ₀ vorgesehen.

Es ist übrigens ersichtlich, daß das Innenrohr 38 unterhalb der Höhe des Außenrohrs 42 endet, so daß es sich geschützt befindet.

Die beschriebene Ausführungsform weist zahlreiche Vor­ teile auf: der Fuß 22 hat einen einfachen Aufbau und kann maschinell aus einem einzigen Teil aus einem geschmiedeten bzw. gehämmerten Rohling bearbeitet werden. Die Länge des Fußes ist praktisch minimal.

Wenn die hydraulische Haltekraft maximal gemacht wer­ den soll, kann das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbei­ spiel für das der Fig. 2 bis 4 eingesetzt werden. Im Fall von Fig. 5, wo die Mittel entsprechend denjenigen der vorhergehenden Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind, wird das Außenrohr 42 kleiner zu einem schlanken bzw. dünnen Mantel. Unter diesen Be­ dingungen kann dieser Mantel keine bedeutsamen Quer­ beanspruchungen zur Zeit der Förderungen aushalten und es ist erforderlich, das Innenrohr 38 nach oben zu verlängern, damit es vorspringt.

In gewissen Fällen kann es gewünscht sein, das Innen­ rohr einfacher zugänglich zu machen, um es unter­ suchen, prüfen und gegebenenfalls reparieren zu können und um eine vollkommen koaxiale Montage der Oberflächen in bezug auf die beiden Rohre durchführen zu können, was schwierig auszuführen sein kann, wenn sie nicht aus einem einzigen Stück sind. In diesem Fall kann die in den Fig. 6 und 7 gezeigte Vorrichtung ange­ nommen werden.

Die in diesen Figuren dargestellte Vorrichtung umfaßt noch einen Bündel- bzw. Montagefuß 22 und eine Zu­ führungsvorrichtung 34. Der Leckweg weist einen einzi­ gen Zweig mit zwei in entgegengesetzter Richtung aus­ teilenden Labyrinthen. Das erste Labyrinth weist die glatte Bohrung des hohen Teils der Vorrichtung 34 mit großem Durchmesser und ein auf der Außenfläche des hohen Teils 56 des Fußes 22 maschinell bearbeitetes Gewinde auf. Die Leckströmung f₁, die dieses Labyrinth durchquert, entweicht anschließend durch den Raum 50 und Bohrungen 58 einer Buchse 46 im Volumen 30.

Das zweite Labyrinth ist durch die Bohrung der Buchse 46 begrenzt, die einen Durchmesser beträchtlich kleiner als derjenige des Teils 34 und ein auf dem unteren Teil 60 des Fußes 22 maschinell gearbeitetes Gewinde aufweist. Dieser niedrige Teil ist mit dem oberen Teil 56 durch eine kegelstumpfförmige Verbindung bzw. einen Anschlußstutzen verbunden, der den Raum 50 mit der Vorrichtung 34 begrenzt.

Wie ersichtlich ist, sind die Innenseiten der zylin­ drischen Teile der Zuführungsvorrichtung 34 glatt und können beispielsweise durch Auftragsschweißung mit Stellit behandelt werden, derart, daß sie eine große Härte haben. Die Nuten oder das Gewinde sind auf dem Fuß ausgespart, d.h. auf einer Einrichtung, die zur selben Zeit wie das Bündel angehoben wird, und sie können daher leicht geprüft und repariert werden.

Der Fuß bleibt indessen einfach und kann ausgehend von einem geschmiedeten Rohling ausgeführt werden. Übrigens kann die Zuführungsvorrichtung 34 ohne Mühe aus einem einzigen Stück gebildet sein, eher als aus mehreren montierten Teilen, wie dies bei den Fig. 6 und 7 der Fall ist.

Die Erfindung ist offensichtlich nicht auf die spe­ ziellen Ausführungsformen beschränkt, die oben stehend beispielshaft beschrieben worden sind, und sie erstreckt sich auf sämtliche Varianten im Äqui­ valenzbereich.

Claims (7)

1. Hydraulische Haltevorrichtung für Brennelement­ bündel für einen Kernreaktor mit einer unteren Stützplatte für den Kern, Brennelementbündeln (18) ohne Gehäuse, die jeweils Gruppen von Stäben (28) umfassen, die durch ein Skelett gehalten sind, das einen Auflagefuß auf der Platte und Einrichtungen zum Führen des Kühlmittels unterhalb der Platte und zum Sammeln des Kühlmittels, das im Kern zirkuliert ist, in einem oberhalb des Kerns liegenden Kühlmittelsammler be­ sitzt, wobei der Fuß eines jeden Bündels eine zen­ trale Durchführung für die Kühlmittelzuführung auf­ weist, die mit dem Raum unterhalb der Platte verbun­ den ist, wobei sie einen Querschnitt kleiner als der Strömungsquerschnitt des Bündels hat und von einem Raum (50) umgeben ist, der durch die Unterseite ei­ ner mit dem Sammler verbundenen Ringzone des Fußes begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte einen Träger (16) bildet, der ein inneres Volumen (30) begrenzt, und daß der jedem Bündel zugeordnete Raum (50) mit dem Volumen (30) des Trägers (16) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie einen Leckweg, der einen erheblichen Druckverlust darbietet, vom Kern zum inneren Volumen (30) des Trägers durch den Raum umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß, wobei der Fuß für die axiale Zuführung von Kühlmittel durch den Trä­ ger dient, der Leckweg durch ein Labyrinth begrenzt ist, das zwischen der inneren Oberfläche eines fest mit dem Träger verbundenen Rohrs (42) und einem Teil des Fußes ausgespart ist, der unterhalb eines Auf­ lagers (51, 52) des Fußes auf dem Rohr liegt, wobei das Labyrinth einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser begrenzt, der ganz und gar größer als der axiale Zuführungsquerschnitt für Kühlmittel ist, und in den Raum mündet, der mit dem Inneren (30) des Trägers verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leckweg einen zweiten Zweig aufweist, der zwischen einer zylin­ drischen Innenfläche des Fußes (22) und einem Teil eines Innenrohrs (38) ausgespart ist, das fest mit dem Träger verbunden ist und im Fuß vorspringt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leckweg einen zweiten Zweig aufweist, der zwischen einer Ver­ längerung des Fußes (22) vorspringend in einen den Träger durchquerenden Stutzen und der glatten Innenfläche des Stutzens (46) ausgespart ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Labyrinth durch eine glatte zylindrische Oberfläche und eine mit Umfangsnuten oder einem Gewinde ver­ sehene Oberfläche begrenzt ist.

7. Druckwasser-Kernreaktor mit einem druckfesten Behälter, einer unteren Platte (16), die Brenn­ elementbündel (18) ohne Gehäuse trägt, die jeweils eine Gruppe von Stäben (28) besitzen, die durch ein Skelett mit einem Fuß zur Zuführung von Wasser in das Bündel und zum Auflager auf der Platte gehalten sind, wobei der Fuß eines jeden Bündels mit einer durch den Träger getragenen Zuführungsvorrichtung einen ringförmigen Raum (50) begrenzt, der um die Zuführung herum liegt und in dem der Druck kleiner als der Zuführungsdruck ist, um auf den Fuß eine nach unten gerichtete Kraft auszuüben, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Volumen (30) begrenzt, das von dem Wasser bei einem Druck eingenommen wird, der niedriger als der Druck für die Zuführung des Wassers in die Bündel ist, und daß jeder Raum (50) mit dem Volumen in Verbindung steht.