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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
Kernbrennelemente und mehr im einzelnen auf ein
Kernbrennstabgitter mit einer einzigartigen brennstabstützenden
Federkonstruktion.
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In den meisten Kernreaktoren besteht der Reaktorkern aus
einer großen Anzahl länglicher Brennelemente, die jeweils
eine Vielzahl von Brennstäben enthalten, die in einer
organisierten Anordnung mittels einer Mehrzahl von Gittern
gehalten werden, die axial entlang des Brennelements mit
gegenseitigen Abständen angeordnet und an längsverlaufenden
Steuerstabführungsrohren befestigt sind, an deren
entgegengesetzten Enden ein Kopfstück und ein Fußstück des
Brennelements befestigt sind.
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Wie aus dem Fachgebiet bekannt ist, dienen die Gitter eines
Brennelements zur Aufrechterhaltung eines genauen Abstands
zwischen den Brennstäben, zur Verhinderung von
Brennstabschwingungen, zur Herstellung einer seitlichen Abstützung für
die Brennstäbe, und in gewissem Maße auch zur reibschlüssigen
Halterung der Brennstäbe gegen Längsbewegungen.
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Eine übliche herkömmliche Gitterkonstruktion, wie sie in der
US-A 4 492 844 dargestellt und beschrieben ist, besteht aus
einer Vielzahl von ineinandergreifenden Metallstreifen zur
Bildung einer eierkistenartigen Struktur, die offene Zellen
zur Aufnahme der Brennstäbe und von Steuerstabführungsrohren
bildet. Die durch die verschiedenen Zellen verlaufenden
Brennstäbe werden darin seitlich durch Vorsprünge abgestützt,
wie beispielsweise relativ nachgiebige Federn und relativ
starre Noppen, die aus dem Metall der ineinandergreifenden
Streifen geformt sind und in die betreffenden Zellen
hineinragen, so daß sie an den durch diese hindurchverlaufenden
Brennstäben reibschlüssig anliegen. Die äußere Peripherie
solcher Gitter ist durch äußere Streifen gebildet, die an
ihren Enden miteinander verbunden sind und mit denen die
Enden der inneren Streifen so verbunden sind, daß sie dem
gesamten Gitter Festigkeit und Steifigkeit verleihen. Andere
Beispiele bekannter Haltegitter der in Rede stehenden Art
sind in der EP-A-0 025 395, FR-A-2 365 182 oder
US-A-3 928 131 beschrieben.
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Das Hauptziel der Erfindung liegt darin, ein Gitter mit
verbesserter Federkonstruktion zu schaffen, die eine
Verminderung der Gitterhöhe und damit auch der Menge von
neutronenparasitärem und den Druckabfall vergrößernden
Konstruktionsmaterial ermöglicht, ohne die gewünschte Funktion der
Federkonstruktion oder die Festigkeit und Steifigkeit des Gitters
insgesamt zu beeinträchtigen.
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Demgemäß besteht die Erfindung in einem
Kernbrennstabhaltegitter, wie es im anliegenden Patentanspruch 1 angegeben ist.
Das längliche Querelement ist vorzugsweise in solcher Weise
bogenförmig, daß es zwischen sich und der Ebene des
zugehörigen zellenwandbildenden Streifenabschnitts einen Zwischenraum
bildet, der eine ungehinderte Kühlmitteldurchströmung
ermöglicht. Jedes der Schenkelelement ist etwas gekrümmt, so daß
es aus der Ebene des zugehörigen zellenwandbildenden
Streifenabschnitts einwärts in die zugehörige Zelle hineinragt,
jedoch in einem geringerem Ausmaß als das Querelement, und
beide Schenkelelemente sind in Richtung zu dieser Ebene
elastisch auslenkbar. Vorzugsweise ist das längliche Querelement
unter einem Winkel von etwa 45ºC mit Bezug auf die
Schenkelelemente und folglich zur Längsachse der zugeordneten Zelle
(und demzufolge zur Richtung der Kühlmittelströmung durch die
Zelle) abgeschrägt. Dies erscheint als optimaler Winkel, der
in einer verringerten Gitterhöhe und einer Minimierung des
der Kühlmittelströmung durch die Zelle entgegenstehenden
Federprofils resultiert. In der Tat ist dieses Profil des
Federteils nach der Erfindung kleiner als dasjenige eines
herkömmlichen horizontalen Noppen, weil aufgrund des schrägen
Winkels, unter welchem das Querelement angeordnet ist,
kleinere Radien gestanzt werden können. Darüberhinaus versteift
das diagonale Querelement den Gitterstreifen, in dem es
gebildet ist, und trägt so zur Stabilität des Gitters bei.
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Die beiden Schenkelelemente, die nur mit ihren beiderseitigen
Enden mit dem zugeordneten zellenwandbildenden
Streifenabschnitt verbunden sind, verleihen dem Federteil nach der
Erfindung eine weich-nachgibiege Federwirkung. Ein in die
betreffende Zelle eingeführter Brennstab kommt mit dem
Mittelabschnitt des Querelements jedes Federteils in der Zelle
in Anlage und lenkt dieses gegen den zugeordneten
zellenwandbildenden Streifenabschnitt aus, wodurch auch die mit dem
Querelement verbundenen Schenkelelemente elastisch zurück in
die Ebene des Streifenabschnitts und folglich aus dem
Kühlmittelströmungspfad durch die Zelle heraus ausgelenkt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun
lediglich beispielshalber unter Bezug auf die anliegenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
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Fig. 1 Eine teilweise geschnittene Ansicht
eines Brennelements in vertikal
verkürzter Form und mit der Klarheit
halber weggebrochener Teile,
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Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht entlang
der Linie 2-2 in Fig. 1 auf eines
der Brennstabhaltegitter des
Brennelements,
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Fig. 3 in vergrößerter Teildraufsicht die
untere rechte Ecke des in Fig. 2
gezeigten Gitters,
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die Fig. 4 und 5 Ansichten von Endabschnitten äußerer
Gitterstreifen, die miteinander das
Gittereck nach Fig. 3 bilden,
entlang der Linie 4-4 bzw. 5-5 gesehen,
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Fig. 6 eine vergrößerte Teildraufsicht auf
einen von einer ersten Gruppe
innerer Streifen des Gitters nach
der Erfindung,
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Fig. 7 eine Seitenansicht gemäß Linie 7-7
in Fig. 6,
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Fig. 8 eine andere Seitenansicht gemäß
Linie 8-8 in Fig. 6,
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Fig. 9 eine vergrößerte Teildraufsicht auf
einen von einer zweiten Gruppe der
inneren Streifen, die zur Bildung
des Gitters mit den inneren Streifen
der ersten Gruppe ineinandergreifen,
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Fig. 10 eine Seitenansicht gemäß Linie 10-10
in Fig. 9,
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Fig. 11 eine weitere Seitenansicht gemäß
Linie 11-11 in Fig. 9,
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Fig. 12 einen Ausschnitt der Seitenansicht
nach Fig. 11,
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Fig. 13 eine Stirnansicht gemäß Linie 13-13
in Fig. 12,
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Fig. 14 einen Schnitt entlang der Linie
14-14 in Fig. 12,
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Fig. 15 einen vergrößerten Schnitt entlang
der Linie 15-15 in Fig. 12, der die
Krümmung eines Schenkelelements des
Federteils am inneren Streifen
zeigt,
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Fig. 16 einen vergrößerten Schnitt entlang
der Linie 16-16 in Fig. 12, der die
Krümmung eines der Noppen auf dem
inneren Streifen zeigt,
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Fig. 17 einen vergrößerten Schnitt entlang
der Linie 17-17 in Fig. 12, der die
Krümmung des Querelements des
Federteils an dem inneren Streifen zeigt,
und
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Fig. 18 einen weiteren vergrößerten Schnitt
entlang der Linie 18-18 in Fig. 12,
der die Krümmung von Quer- und
Schenkelelementen des Federteils an
dem inneren Streifen zeigt.
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In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen
Darstellungen der Zeichnungen; Begriffe wie "vorwärts", "rückwärts"
"links", "rechts", "aufwärts", "abwärts" sind lediglich
zweckmäßigkeitshalber gewählte Ausdrücke und nicht in
einschränkendem Sinne zu verstehen.
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Um nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 Bezug
zu nehmen, das dort gezeigte und allgemein mit der Zahl 10
bezeichnete Brennelement ist von der Bauart, wie sie
üblicherweise in Druckwasserreaktoren (PWR) verwendet wird.
Grundsätzlich weist es eine untere Endkonstruktion bzw. ein
Fußstück 12 zum Halten des Elements auf der unteren
Kerntragplatte (nicht dargestellt) im Kernbereich eines Reaktors
(nicht dargestellt), eine Mehrzahl von Führungsrohren 14, die
vom Fußstück 12 nach oben längsverlaufen, eine Mehrzahl von
querverlaufenden Gittern 16, die axial mit gegenseitigen
Abständen entlang der Führungsrohre 14 angeordnet und von
diesen gehalten sind, eine Vielzahl langgestreckter Brennstäbe
18, die mit Querabständen in einer organisierten Anordnung
von den Gittern 16 gehalten sind, ein in der Mitte des
Brennelements positioniertes Instrumentierungsrohr 20, und eine
obere Endkonstruktion bzw. ein Fußstück 22 auf, das an den
oberen Enden der Führungsrohre 14 befestigt ist. Mit dieser
Anordnung seiner Teile bildet das Brennelement 10 eine
integrale Einheit, die ohne Beschädigung seiner Teile zweckmäßig
handhabbar ist.
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Jeder Brennstab 18 enthält Kernbrennstofftabletten 24 und ist
an seinen entgegengesetzten Enden durch Endkappen 26, 28
hermetisch abgeschlossen, wobei eine Feder 30 zwischen der
oberen Endkappe 26 und den Tabletten 24 eingebaut ist, um die
Tabletten innerhalb des Brennstabs 18 festgepackt zu halten.
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Das Kopfstück 22 stützt einen Steuerstabbündelmechanismus 34
ab, der ein mit Innengewinde versehenes zylindrisches Teil 36
mit radial wegragenden Armen 38 aufweist, die jeweils mit
einem Steuerstab 32 verbunden sind, der axial in einem der
Führungsrohre 14 verschiebbar sind, wobei der
Steuerstabmechanismus 34 im Sinne einer Bewegung der Steuerstäbe 32
betätigbar ist, um den Spaltvorgang in dem Brennelement 10 zu
steuern, wie an sich bekannt.
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Gemäß den Fig. 2 bis 11 besteht das hier dargestellte Gitter
16 aus einer Vielzahl innerer und äußerer Streifen 40, 42 mit
Einschnitten 44, die das Ineinanderstecken der Streifen in
einerkistenartiger Konfiguration ermöglichen, um so eine
Matrix offener Zellen 46 zur Aufnahme von Brennstäben, und
eine Vielzahl von Öffnungen 48 zu bilden. An ihren
Kreuzungsstellen sind die Streifen 40, 42 in geeigneter Weise,
beispielsweise durch Schweißen, aneinander befestigt. Die Zellen
46 des Gitters 16 sind dafür ausgebildet, jeweils einen der
Brennstäbe 18 aufzunehmen, und in die Öffnungen 48 sind
Hülsen 50 eingesetzt, die an den inneren Streifen 40
befestigt sind und zur Befestigung des Gitters 16 an den
Führungsrohren 14 dienen.
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Jede der brennstabaufnehmenden Zellen 46 ist durch zwei Paare
gegenüberliegender Wände definiert, die durch
Streifenabschnitte gebildet sind, die daran gebildete
brennstababstützende Vorsprünge haben. Mehr im einzelnen, wie in den
Fig. 3 bis 5 gezeigt ist, bilden die äußeren Streifen 42
Zellenwandabschnitte 54, die jeweils zwei horizontal
verlaufende und mit Vertikalabstand angeordnete, damit einstückig
ausgebildete und einer Zelle 46 zugeordnete Noppen 56
aufweisen, an denen der Brennstab anliegt. In ähnlicher Weise
bilden die inneren Streifen 40 Zellenwandabschnitte 42, die
jeweils zwei horizontal verlaufende und mit Vertikalabstand
angeordnete, damit einstückig ausgebildete und einer Zelle 46
zugeordnete Noppen 58 aufweisen, an denen der Brennstab
anliegt. Einer der Noppen 58 an jedem Wandabschnitt 52 der
inneren Streifen 40 ist oberhalb einer Federstruktur
angeordnet, die aus unten erläuterten Elementen 62 und 64 besteht
und die Erfindung verkörpert, während der andere Noppen 58
darunter angeordnet ist. Jede entlang der Peripherie des
Gitters 16 durch die inneren und äußeren Streifen 40, 42
gebildete Zelle 46 weist vier Noppen 56, 58 und zwei Federteile
auf, und jede nur durch innere Streifen 40 in dem Gitter 16
gebildete Zelle 46 weist vier Noppen 58 und zwei Federteile
auf. Folglich wird der Brennstab in jeder Zelle 46 an sechs
umfangsmäßigen und axial versetzten Stellen abgestützt.
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Nunmehr wird besonders auf die Fig. 6 bis 18 Bezug genommen,
gemäß welchen die brennstababstützenden Federteile nach der
Erfindung aus elastisch nachgiebigem flexiblem Material der
inneren Streifen 40, beispielsweise rostfreiem Stahl, geformt
sind, wobei die Komponenten jedes Federteils, beispielsweise
durch einen herkömmlichen Stanzvorgang, einstückig aus dem
betreffenden Wandabschnitt 52 der inneren Streifen 40
ausgebildet sind.
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Grundsätzlich besteht jedes Federteil aus zwei mit seitlichem
Abstand angeordneten länglichen Federschenkelementen 62 und
einem länglichen Federquerelement 64. Jedes Schenkelelement
62 jedes Federteils weist entgegengesetzte obere und untere
Enden 66, 68 auf, die einstückig mit oberen und unteren
Bereichen 70, 72 des zugeordneten Wandabschnitts 52 verbunden
sind, und das Querelement 64 verläuft diagonal zwischen den
beiden Schenkelelementen 62 und ist mit seinen
entgegengesetzten oberen und unteren Enden 74, 76 einstückig damit im
Bereich des oberen Endes des einen Schenkelelements und des
unteren Endes des anderen Schenkelelements verbunden. Das
gesamte, auf diese Weise durch die Schenkelelemente 62 und
das diagonale Querelement 64 gebildete Federteil hat eine
effektive Länge, die größer (beispielsweise zweifach) als die
tatsächliche Länge ist, die es auf jedem Wandabschnitt 52 des
betreffenden inneren Streifens 40 einnimmt. Die
Schenkelelemente 62 verlaufen etwa parallel zueinander und in zu den
Längsachsen der betreffenden Gitterzellen 46 etwa paralleler
Richtung, und die Querelemente 64 sind vorzugsweise um etwa
45ºC mit Bezug auf die zugehörigen Schenkelelemente 62 und
mit Bezug auf die Richtung der Kühlmittelströmung durch das
Gitter und die Längsachse jeder Gitterzelle geneigt.
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Wie am besten aus den Fig. 15 und 18 ersichtlich ist, ist
jedes Schenkelelement 62 über einen Längsabschnitt des
Schenkelelements schwach ausgebaucht bzw. bogenförmig.
Aufgrund dieser Krümmung ragt das Schenkelelement 62 aus der
Ebene P des Wandabschnitts 62 zur Längsachse der betreffenden
Zelle 46 hin vor. Jedes Querelement 64 ist in gleicher Weise
über einen Längsabschnitt derselben gewölbt bzw. bogenförmig
und ragt aus dem Wandabschnitt 52 in Richtung zur Längsachse
der zugehörigen Zelle 46 weiter vor als die Schenkelelemente
62, nämlich ausreichend weit, daß die Mitte 78 des
Querelements an dem durch die Zelle 46 verlaufenden Brennstab 18
anliegen kann.
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Das Querelement 64 jedes Federteils kann in zur Längsachse
der zugehörigen Zelle 46 etwa orthogonaler Richtung und von
der Längsachse weg elastisch nachgeben, so daß es beim
Einsetzen eines Brennstabs in die betreffende Zelle 46 durch
diesen elastisch zum Wandabschnitt 52 hin ausgelenkt wird.
Die Schenkelelemente 62, die ebenfalls in die Zelle 46 hinein
vorspringen, werden, obwohl sie beim Einführen eines
Brennstabs 18 in die Zelle nicht berührt werden, aufgrund der
elastischen Auslenkung des Querelements 16 durch dessen
Berührung durch den eingeführten Brennstab ebenfalls elastisch
zurück in die Ebene P des zugehörigen Wandabschnitts
ausgelenkt.
In diesen ausgelenkten Positionen blockieren die
Schenkelelemente 62 die Kühlmittelströmung durch das Gitter
16 nicht. Wie aus den Fig. 13, 14, 16 und 17 ersichtlich ist,
ragen das Querelement 64 sowie auch die Noppen 58 vom
Wandabschnitt 52 derart vor, daß sie dazwischen einen offenen Raum
bilden, der es ermöglicht, daß das Kühlmittel ungehindert
hindurch und entlang des in der Zelle aufgenommenen
Brennstabs strömt.
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Zusammengefaßt ermöglicht die Konfiguration des Federteils
also ein sehr kleines Profil, eine verringerte Gitterhöhe und
eine niedrige Federkonstante. Das Federquerelement 64 ist
unter etwa 45ºC mit Bezug auf die Richtung der
Kühlmittelströmung angeordnet, wird aber bei der Herstellung so
ausgestanzt, daß die Schenkelteile 62 gebildet werden, die
parallel zur Kühlmittelströmungsrichtung verlaufen und eine
Nachgiebigkeit des Federteils ohne Vergrößerung des
Strömungswiderstands ermöglichen.
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Obwohl dies keinen Teil der Erfindung bildet, können die
Gitter 16 Mischflügel 80 aufweisen, die entlang der oberen
Ränder seiner inneren und äußeren Streifen 40, 42 gebildet
sind.