DE3728488C2 - Kernreaktor mit einem aus einzelnen Brennelementen lösbar zusammengesetzten Kern und mit einem flüssigen Kühlmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem aus einzelnen Brennelementen lösbar zusammengesetzten Kern und mit einem flüssigen Kühlmittel, das entgegen der Schwerkraft durch den Kern strömt, wobei die Brennelemente Brennstäbe umfassen, die in einem Kopfstück und einem Fußstück gehalten werden, und wo­ bei ferner die Kopfstücke in einer oberen Gitterplatte und die Fußstücke in einer unteren Gitterplatte festgelegt sind. Ein derartiger Kernreaktor ist durch die DE 34 01 272 A1 bekannt.

Bei Kernreaktoren der vorgenannten Art besteht das Problem, daß das Kühlmittel beim Durchströmen des Kerns einen großen Druckverlust erleidet und dadurch ebenso wie durch die auftretende Reibung zwischen der Kühlflüssigkeit und den Brennstäben auf die Brennelemente hohe Auftriebskräfte ausübt. Diese Auftriebskräfte sind größer als das Eigengewicht der Brennelemente und müssen von den Halterungen derselben abgetragen werden.

Dies erfolgt bei normalen Leichtwasserreaktoren, beispielsweise gemäß der EP 0 138 606 A2, über von den Kopfstücken getragene Federn, die sich von unten an der oberen Gitterplatte abstützen. Solche sogenannten mechanischen Niederhalterungen sind jedoch nur für verhältnismäßig geringe Kräfte gut geeignet. Sie sind daher dann nicht ausreichend, wenn aufgrund einer besonderen Kernfiguration, wie sie z.B. in hochkonvertierenden Leichtwasserreaktoren oder in Brutreaktoren vorliegt, wegen der dort engen Stabteilung mehrfach höhere Druckverluste vorliegen.

Für derartige Anwendungsfälle ist durch die deutsche Anmeldung P 37 23 730.6 bereits vorgeschlagen, in der unteren Gitterplatte nach oben offene Hohlräume vorzusehen, in die die Fußstücke dicht sitzend eingreifen und die Hohlräume mit dem Bereich der oberen Gitterplatte zu verbinden, um einen hydraulisch wirksamen Druckausgleich zu erzwingen. Diese Lösung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur sicheren spielfreien Halterung der mit Fußstücken und Kopfstücken versehenen Brennelemente in hochkonvertierenden Leichtwasser- oder Brutreaktoren eine einfachere Anordnung zu schaffen.

Dies wird bei einem Kernreaktor der eingangs genannten Art dadurch erreicht,

• - daß das Fußstück als Führung für mindestens eine Schraubendruckfeder dient, deren oberes Ende sich am Fußstück und deren unteres Ende sich über einen in Achsrichtung des Fußstückes verschiebbaren Flansch auf der unteren Gitterplatte abstützt,
• - daß die Federkraft der Schraubendruckfedern in Einbaulage der Brennelemente bei montierter oberer Gitterplatte größer ist als die Summe aus dem jeweiligen Eigengewicht des Brennelementes und einer beim Einfallen der Steuerstäbe auftretenden Stoßkraft und
• - daß das Kopfstück des Brennelementes sich ungefedert und starr von unten an der oberen Gitterplatte abstützt.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist je Fußstück eine einzige konzentrisch zum als nach unten gerichteter Stutzen ausgebildeten Fußstück angeordnete Schraubendruckfeder vorgesehen, die auf ihrem Außenmantel von zwei dichtend ineinandergleitenden Hülsen umgeben ist, deren eine von dem verschiebbaren Flansch und deren andere von dem Fußstück getragen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß jedes Fußstück unabhängig von der Schraubendruckfedernanordnung von drei von der unteren Gitterplatte getragenen Bolzen geführt ist und daß der verschiebbare Flansch auf einer oberen von zwei Schultern in einer Durchgangsbohrung der unteren Gitterplatte liegt und daß ein Kanal im Stutzen sowie der unterste Teil der Durchgangsbohrung etwa den gleichen Durchmesser haben und für das Kühlmittel als Zuleitungskanal zum Brennelement dienen.

Die erfindungsgemäß gestaltete Einspannung der Brennelemente zwischen oberer und unterer Gitterplatte ist trotz der praktisch verdoppelten axialen Einspannkraft sehr vorteilhaft, weil diese Kräfte durch entsprechend robuste Ausgestaltung der einfachen Bauteile ohne weiteres beherrschbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig 1 einen Vertikalschnitt entlang der Linie I-I in Fig. 2, und

Fig. 2 einen Horizontalschnitt entlang der Linie II-II durch ein erfindungsgemäß eingespanntes Fußstück eines Brennelementes sowie des dieses umgebenden Teils einer unteren Gitterplatte in einem druckwassergekühlten Kernreaktor.

In einer unteren Gitterplatte 1 eines Druckwasserkernreaktors sind in einem wabenförmigen Muster Bohrungen 2 vorgesehen, die sich von oben nach unten in zwei Schritten verengen und dadurch Schultern 3 und 4 aufweisen. Zwischen den Bohrungen 2 vorhandene Stege bilden von je drei Fußstücken 5 flankierte Knoten. In jedem zweiten Knoten ist ein senkrecht nach oben aus der Gitterplatte 1 herausragender Bolzen 6 vorgesehen, von denen je drei je ein Fußstück 5 in Position führen und halten.

Jedes der Fußstücke 5 ist beispielsweise durch Kerbstifte 8 fest mit einem ungeschnitten dargestellten Brennelement 7 verbunden. Das Fußstück 5 umfaßt außer einem oberen Teil mit sechseckiger Außenkontur und einer konischen Bohrung 9 einen sich nach unten erstreckenden Stutzen 10 mit einem zylindrischen Kanal 11. Der Kanal 11 fluchtet mit dem untersten Teil der Bohrung 2 und hat etwa die gleiche lichte Weite wie dieser. Im Betriebszustand wird dem Brennelement 7 von unten durch die Bohrung 2, den Kanal 11 und die konische Bohrung 9 das Kühlmittel zugeführt.

In Achsrichtung stützt sich das Brennelement 7 auf einer Schraubendruckfeder 12 ab, die infolge ihrer Vorspannung das jeweils von ihr getragene Brennelement 7 von unten starr gegen eine nicht dargestellte obere Gitterplatte preßt. Die Schraubendruckfeder 12 ist unmittelbar von der Außenseite des Stutzens 10 geführt und stützt sich nach oben an einer Schulter 13 des Fußstückes 5 in Höhe des Ansatzes des Stutzens 10 ab. Nach unten ist die Schraubendruckfeder 12 vor dem Einbau des Brennelementes 7 in den Reaktor und bis zur Montage der oberen Gitterplatte von einem in Achsrichtung verschiebbaren Flansch 14 gehalten, der sich während dieser Zeit an einem Bund 15 am unteren Ende des Stutzens 10 abstützt.

Der Flansch 14 trägt eine Hülse 16, die den unteren Teil der Schraubendruckfeder 12 abdeckt und teleskopartig auf einer weiteren Hülse 17 gleitet, die von einer Scheibe 18 in der Schulter 13 gehalten ist und den oberen Teil der Schraubendruckfeder 12 abdeckt. Die Hülsen 16 und 17 schützen den Stutzen 10 und die Schraubendruckfeder 12 vor mechanischen Beschädigungen und vor Verschmutzung.

Beim Einbau des Brennelements 7 wird zunächst der die Schraubendruckfeder 12 und die Hülsen 16 und 17 tragende Stutzen 10 von oben in die zugehörige Bohrung 2 eingeführt, bis das Fußstück 5 durch die Bolzen 6 zentriert ist und der Flansch 14 auf der Schulter 3 aufliegt. Dabei bleibt infolge der Vorspannung der Schraubendruckfeder 12 der Bund 15 an dem Flansch 14 liegen. Erst durch die Montage der oberen Gitterplatte, die starr von oben auf das Brennelement 7 drückt, wird der Stutzen 10 weiter nach unten bewegt und der verschiebbare Flansch 14 löst sich von dem Bund 15 und drückt die Schraubendruckfeder 12 weiter zusammen.

Durch entsprechende Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen und Einstellung der Vorspannung der Schraubendruckfeder 12 ist deren Federkraft nach erfolgter Montage der oberen Gitterplatte mindestens gleich der Summe aus dem Eigengewicht des Brennelementes 7 und einer beim Einfallen der Steuerstäbe im Brennelement 7 auftretenden Stoßkraft. Dadurch ist das Brennelement 7 bei jedem Betriebszustand in seiner bestimmungsgemäßen Position unmittelbar unter der oberen Gitterplatte.

Infolge von unterschiedlichen Wärmedämmungen oder aus anderen Ursachen auftretende unterschiedliche Längenänderungen der Brennelemente 7 gegenüber dem Abstand der oberen Gitterplatte von der unteren Gitterplatte werden ohne weiteres durch entsprechende Verschiebungen des Flansches 14 auf dem Stutzen 10 ausgeglichen. Dabei auftretende Änderungen in der Vorspannung der Schraubendruckfeder 12 erfolgen in einem Bereich oberhalb der Summe aus dem Eigengewicht des Brennelements 7 und der maximal zu erwartenden Stoßkräfte beim Einfallen von Steuerstäben.

Claims (5)

1. Kernreaktor mit einem aus einzelnen Brennelementen (7) lösbar zusammengesetzten Kern und mit einem flüssigen Kühlmittel, das entgegen der Schwerkraft durch den Kern strömt, wobei die Brennelemente (7) Brennstäbe umfassen, die in einem Kopfstück und in einem Fußstück (5) gehalten werden, und wobei ferner die Kopfstücke in einer oberen Gitterplatte und die Fußstücke (5) in einer unteren Gitterplatte (1) festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Fußstück (5) als Führung für mindestens eine Schraubendruckfeder (12) dient, deren oberes Ende sich am Fußstück (5) und deren unteres Ende sich über einen in Achsrichtung des Fußstückes (5) verschiebbaren Flansch (14) auf der unteren Gitterplatte (1) abstützt,
• - daß die Federkraft der Schraubendruckfeder (12) in Einbaulage der Brennelemente (7) bei montierter oberer Gitterplatte größer ist als die Summe aus dem jeweiligen Eigengewicht des Brennelementes (7) und einer beim Einfallen der Steuerstäbe auf das Brennelement (7) ausgeübten Stoßkraft, und
• - daß das Kopfstück des Brennelementes sich ungefedert und starr von unten an der oberen Gitterplatte abstützt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine konzentrisch zum als nach unten gerichteter Stutzen (10) ausgebildeten Fußstück (5) angeordnete Schraubendruckfeder (12) auf ihrem Außenmantel von zwei dichtend ineinandergleitenden Hülsen (16, 17) umgeben ist, deren eine (16) von dem verschiebbaren Flansch (14) und deren andere (17) von dem Fußstück (5) getragen ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fußstück (5) unabhängig von der Schraubendruckfedern­ anordnung von drei von der unteren Gitterplatte (1) getragenen Bolzen (6) geführt ist.

4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebbare Kranz (14) auf einer oberen (3) von zwei Schultern in einer Durchgangsbohrung (2) der unteren Gitterplatte (1) liegt, und daß ein Kanal (11) im Stutzen (10) sowie der unterste Teil der Durchgangsbohrung (2) etwa den gleichen Durchmesser haben und für das Kühlmittel als Zuleitungskanal zum Brennelement (7) dienen.

5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere (5) Gitterplatte etwa die gleiche Dicke aufweisen.