DE3900425A1 - Steuerstab fuer kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Steuerstab für Kernreaktoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Steuerstab der vorgenannten Art ist bekannt aus der "US- PS 34 48 008". Jede Absorberplatte dieses Steuerstabes hat einen parallel zur Mittellinie des Stabes verlaufenden Randabschnitt, der einen langestreckten Raum enthält, wel­ cher in offener Verbindung mit allen Kanälen steht und einen Gasfluß zwischen diesen Kanälen ermöglicht. An dem Rand, der von der Mittellinie des Steuerstabes wegweist, enthält der Randabschnitt eine nach außen geschlossene Nut in der Absor­ berplatte, in welcher ein längslaufender Stab angeordnet ist, der an den Öffnungen der Kanäle am Boden der Nut an­ liegt.

Wenn Borkarbid bestrahlt wird, bildet sich Helium. Da die Absorberplatten in einem Steuerstab keiner gleichmäßigen Be­ strahlung ausgesetzt sind, ist die Menge des entwickelten Gases in verschiedenen, mit Absorbermaterialien gefüllten Kanälen unterschiedlich. Bei dem oben beschriebenen, bekann­ ten Steuerstab ist ein Ausgleich des Gasdruckes in den ver­ schiedenen Kanälen dadurch möglich, daß - wie erwähnt - die Kanäle durch einen Randabschnitt verschlossen sind, welche einen Gasfluß zwischen verschiedenen Kanälen zuläßt.

Die Neutronenbetrahlung des Borkarbids verursacht auch ein Quellen des Borkarbids. Dieses Quellen des Absorbermaterials im Kanal kann eine Spannungskorrosion in dem Konstruktions­ material hervorrufen, welches den mit Absorbermaterial ge­ füllten Kanal umgibt, d.h. in dem Material, aus welchem der Steuerstab hergestellt ist. Die Gefahr eines Auftretens von Rissen im Konstruktionsmaterial infolge von Spannungskorro­ sion nimmt mit zunehmender Bestrahlung und mit zunehmendem Quellen des Absorbermaterials zu. Wenn im Kanal ein Riß auf­ tritt, kommt es zu einem Transport von Borkarbid, welches in dem bekannten Fall in pulverförmiger Form vorliegt, aus dem Kanalraum, so daß der Kanal von Borkarbid entlehrt wird. Außerdem findet in dem beschriebenen Steuerstab ein Trans­ port von Absorbermaterial aus anderen, benachbart gelegenen beschädigten Kanälen statt, insbesondere in dem am dichtesten am Randabschnitt liegenden Bereich, weil der Randabschnitt nicht in ausreichendem Maße verhindert, daß ein Transport von Flüssigkeit aus dem defekten Kanal in einen unbeschädigten Kanal stattfindet, sowie ein Transport von Flüssigkeit zusammen mit Absorbermaterial aus einem un­ beschädigten Kanal in den beschädigten Kanal und von dort in die Umgebung stattfindet. Diese, durch das Quellen des Ab­ sorbermaterials hervorgerufenen Vorgänge, sind beschrieben in der "EP-A 8 51 10 667-4". Um den beschriebenen Vorgängen entgegenzuwirken, wird ein Körper aus Hafnium oder einem an­ deren metallischen Absorbermaterial außerhalb des Borkarbids oder eines anderen pulverförmigen Absorbermaterials in dem nach außen gerichteten Teil des Kanals angeordnet. Dieser Körper formt zwischen sich und der inneren Wand des Kanals einen Spalt, der den Durchtritt von Gas erlaubt, den Durch­ tritt des im Kanal vorhandenen pulverförmigen Absorbermate­ rials jedoch verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steuerstab der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem den vorge­ nannten schädlichen Einflüssen entgegengewirkt wird, die sich aus dem Schwellen des Absorbermaterials in einem ge­ bohrten Kanal und der daraus erwachsenden Spannungskorrosion in dem den Kanal umgebenden Konstruktionsmaterial ergeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Steuerstab gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfin­ dungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ge­ nannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntniss, daß den o.g. schädlichen Einflüssen entgegengewirkt werden kann durch Ausnutzung der Eigenschaft der Absorberplatte, daß ihre in­ neren Teile nicht dem Einfluß der korrosiven Umgebung ausge­ setzt werden, wie dies für die oberflächlich gelegenen Teile der Absorberplatte der Fall ist. Zu den gemäß der Erfindung ergriffenen Maßnahmen gehört es, jeden mit Absorbermaterial gefüllten Kanal, zumindest aber die in demjenigen Bereich der Absorberplatte gelegenen Kanäle, wo die beschriebenen schädlichen Vorgänge auftreten, in einer Entfernung zu einem benachbarten Kanal anzuordnen, die kleiner ist, als die Ent­ fernung zu der Oberfläche der Absorberplatte. Auf diese Weise wird das Quellen des Borkarbids von demjenigen Kon­ struktionsmaterial aufgenommen, welches nicht in Kontakt mit den korrosiven Medium steht, wodurch die Gefahr des Auftre­ tens von Rissen in dem den Kanal umgebenden Konstruktionsma­ terial herabgesetzt wird.

Es ist auch möglich, einen Kanal in so kleiner Entfernung vom benachbarten Kanal anzuordnen, d.h. die Trennwand zwi­ schen den beiden Kanälen so dünn zu machen, daß sicherge­ stellt ist, daß ein Quellen des Absorbermaterials zu einer Beanspruchung in dieser Trennwand und einer Aufnahme der Quellung des Borkarbids durch diese Trennwand führt, bevor irgendeine bedeutende Beanspruchung in anderen Teilen des den Kanal umgebenden Konstruktionsmaterials auftritt. Die Entfernung zwischen dem Kanal und einem benachbarten Kanal sollte in diesem Falle kleiner sein als die Hälfte der Ent­ fernung zwischen dem Kanal und der Oberfläche der Absorber­ platte.

Bei einem Steuerstab mit dem Merkmalen nach Anspruch 2 sind die Kanäle gewissermaßen paarweise nebeneinander angeordnet. Hierdurch werden folgende Vorteile erreicht:

Das Quellen des Absorbermaterials wird in der oben beschrie­ benen, vorteilhaften Weise aufgefangen, die Menge des Absor­ bermaterials kann einem optimalen Wert angepaßt werden und den Absorberplatten kann die erforderliche, mechanische Steife gegeben werden. Es ist jedoch auch möglich, mehr als zwei Kanäle dicht nebeneinander anzuordnen, z.B. je drei oder je vier.

Als Konstruktionsmaterial für die Absorberplatten wird vor­ zugsweise rostfreier Stahl verwendet, z.B. "SIS 2352" (ent­ sprechend der Werkstoffnummer 1.4306 und DIN 17440) oder "SIS 2353" (entsprechend der Werkstoffnummer 1.4435 und DIN 17443); es können aber auch andere Materialien verwendet werden, wie z.B. INCONEL 600 oder irgendeine auf Nickel ba­ sierenden Legierung.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht, zum Teil im Schnitt, eines Steu­ erstab gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Steuerstab gemäß der Erfindung,

Fig. 3 einen Querschnitt einer Absorberplatte parallel zur Mittellinie des Steuerstabes im Bereich des Randab­ schnittes der Platte, der von der Mitte des Steuer­ stabes wegweist,

Fig. 4 und 5 zwei Schnitte senkrecht zur Schnittdarstellung in Fig. 3.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Steuerstab ist haupt­ sächlich aus rostfreiem Stahl hergestellt und besteht aus einem Absorberteil 12, der von einem vertikal angeordneten Kupplungsstab 11 getragen wird. Der Absorberteil 12 besteht aus vier Absorberplatten 13-16, die ein rechtwinkliges Kreuz bilden, dessen Mittellinie mit der Mittellinie des Kupp­ lungsstabes 11 zusammenfällt. Die Absorberplatten sind längs der Mittellinie des Absorberteils mit Ausnehmungen 17 und Vorsprüngen 27 versehen und sind an den Vorsprüngen 27 mit­ einander und mit einem Tragblock 28 verschweißt, der einen quadratischen Querschnitt hat und neben den Vorsprüngen 27 angeordnet ist. Die Platten, die eine Dicke vom 8 mm haben, sind mit einer großen Zahl von gebohrten Kanälen 18 (18 a-c) versehen, die einen Durchmesser von 6 mm und eine Tiefe von 100 mm haben. Um die Fig. 1 nicht zu unübersichtlich zu ma­ chen, sind die genannten Kanäle ohne die gegenseitigen Ab­ stände dargestellt, die in Wirklichkeit vorhanden sind, wie aus dem folgenden klar werden wird. Die oberen Kanäle 18 a, die am stärksten der Strahlung ausgesetzt sind, sind mit Stäben aus Hafnium gefüllt, welche die gleiche Länge wie die Kanäle haben. Hafnium hat die Eigenschaft, unter Bestrahlung nicht aufzuquellen. Die Kanäle 18 b, die unterhalb der Kanäle 18 a angeordnet sind, sind mit pulverförmigem Borkarbid 20 gefüllt, mit Ausnahme des am weitesten außen liegenden Teils, der mit einem kreiszylindrischen Körper 21 aus Haf­ nium gefüllt ist. Der Durchmesser des Körpers 21 ist etwas kleiner als der des Kanals. Die nahe dem Boden liegenden Kanäle 18 c, wo die Strahlung am geringsten ist, sind voll­ ständig mit pulverförmigem Borkarbid 20 der o.g. Art ge­ füllt. Der Abstand zwischen der zylindrischen Wandfläche zweier benachbarten Kanäle des Typs 18 a und 18 c beträgt an allen Stellen 2 mm. Für jeden Kanal 18 b beträgt der Abstand zu dem benachbarten Kanal auf einer seiner Seiten 0,4 mm (der mit "a" bezeichnete Abstand in Fig. 3), und der Ab­ stand zu dem benachbarten Kanal auf der anderen Seite be­ trägt 3,6 mm (der mit "b" bezeichnete Abstand in Fig. 3).

Diejenige Schmalseite jeder Absorberplatte, die von der Mit­ tellinie des Stabes wegweist, ist mit einer Nut 22 versehen, in welcher ein Stab 23 angeordnet ist. Zumindest in seinem oberen Teil besteht der Stab 23 zweckmäßigerweise aus Haf­ nium. Er kann auch vollständig oder zumindest in seinem un­ teren Teil aus beispielsweise rostfreiem Stahl bestehen. Die Verwendung des Stabes 23 in der Nut 22 und der dichtende Verschluß der Nut 22 werden unten ausführlicher anhand der Fig. 3-5 erläutert. Zur Führung des Steuerstabes in den relativ engen Spalten zwischen den Brennstoffkästen im Reak­ tor ist der obere Teil des Steuerstabes mit Führungskissen 24 aus Inconel versehen. Außerdem ist er mit einem Hebegriff 25 zu seiner Handhabung während des Einsetzens und Auswech­ selns versehen. An seinem unteren Ende hat der Stab einen Kupplungskopf 26, über welchen der Steuerstab an einen als Steuervorrichtung dienenden Antriebsmechanismus angeschlos­ sen werden kann.

Fig. 3 zeigt eine Anzahl von Kanälen 18 b in der Absorber­ platte 15, sowie die Nut 22, die im gezeigten Beispielsfall eine Breite von 5,5 mm über ihre gesamte Länge hat. Aus den oben gemachten Angaben über die Dicke der Absorberplatte 15, den Durchmesser der Kanäle 18 und den Abstand a und b zwi­ schen den einzelnen Kanälen des Typs 18 b ergibt sich, daß für jeden Kanal 18 b der Abstand zwischen seiner Innenwand und der Innenwand eines benachbarten Kanals kleiner als der Abstand c zwischen seiner Innenwand und der Oberfläche der Absorberplatte ist. Wie aus den Fig. 4 und 5 deutlicher wird, hat die Absorberplatte 15 einen Randbereich 30, zu dem eine gasdichte Schmalseitenwand 31, ein langesteckter Raum 32 innerhalb der Schmalseitenwand, und ein in der Nut 22 an­ geordneter, langestreckter Stab 23 gehören, welcher die gleiche Breite wie die Nut 22 hat und mit einer längs verlau­ fenden Ausnehmung 33 versehen ist, die eine begrenzende Wand für den Raum 32 bildet. Der Stab 23 bedeckt nicht vollstän­ dig die Öffnungen 34 der Kanäle am Boden der Nut 22, da seine Breite kleiner ist als der Durchmesser der Kanäle, der, wie oben erwähnt, im Beispielsfall 6 mm beträgt. Dies führt zur Bildung eines Spaltes 35 zwischen dem Stab 23 und den Seitenwänden der Nut 22, dort wo die Kanäle vorhanden sind, da die Seitenwände der Nut 22 in den Abschnitten 38 (Fig. 3), wo keine Kanäle gebohrt sind und folglich die Seitenwände der Nut 22 dicker sind, mit dem Stab 23 in Kon­ takt stehen. Die Kanäle 18 b, sowie die Kanäle 18 a und 18 c, stehen über die Spalte 35 in offener Verbindung mit dem Raum 32, so daß sich infolge der Bestrahlung des pulverförmigen Absorbermaterials bildendes Gas von einem Kanal in einen be­ liebigen anderen Kanal der Platte 15 strömen kann, wodurch sich ein Druckausgleich einstellt. Der Spalt 36 zwischen dem Hafniumkörper 21 und der inneren Wand des Kanals 18 b gestat­ tet einen Gasstrom, verhindert aber oder behindert nachhal­ tig einen gleichzeitigen Transport von Absorbermaterial aus dem Kanal heraus. Auf diese Weise wird ganz oder weitgehend verhindert, daß ein Transport von Absorbermaterial aus einem unbeschädigten Kanal in einen Kanal, der einen Riß hat, und durch diesen Riß in die Umgebung des Steuerstabes stattfin­ det. Der Spalt 36 (der Abstand zwischen der inneren Wand des Kanals 10 b und der Oberfläche des Körpers 21) ist daher schmaler und auch länger als der Spalt 35 (der Abstand zwi­ schen der inneren Seite der Schmalseitenwand 31 und der Oberfläche des Stabes 23 an der Seite des Raumes 32). Der Querschnitt des Spaltes 36 ist auch kleiner als der Quer­ schnitt des Raumes 32, d.h. kleiner als die Transportwege für das Gas im Randabschnitt.

Bei der Herstellung der Absorberplatte werden die Kanäle 18 von der Schmalseite einer planparallelen Platte gebohrt. Da­ nach wird die Nut 22 gefräst. Nach Füllen der Kanäle mit Ab­ sorbermaterial, wird der Stab 23 in die Nut 22 eingelegt, und dann werden die zunächst gerade und parallel zueinander verlaufenden Seitenwände der Nut 22 gegen den Stab 23 ge­ preßt und an ihren Endflächen miteinander verschweißt, wo­ durch man eine gasdichte Schmalseitenwand 31 erhält. Die Schweißnaht ist mit 37 bezeichnet. Auch an ihren Enden, oben und am Boden der Absorberplatte, wird die Nut 22 durch Schweißverbindungen verschlossen.

Die Erfindung wurde ausführlich in Verbindung mit der Benut­ zung von Borkarbid als quellendes Absorbermaterial beschrie­ ben. Die Erfindung ist auch bei Verwendung von anderen Ab­ sorbermaterialien verwendbar, wie z.B. Europium in Form ei­ nes Oxyds oder einer anderen Verbindung. Sie ist natürlich auch anwendbar für Steuerstäbe, die keinen Hafniumkörper 21 im äußeren Teil bestimmter Absorberplatten enthalten.

Claims (3)

1. Steuerstab für Kernreaktoren mit einer Anzahl von Absor­ berplatten (13-16), die längs der Mittellinie des Stabes miteinander verbunden sind und die eine Vielzahl von gebohr­ ten Kanälen (18) aufweisen, die zumindest im wesentlichen senkrecht zu der Mittellinie des Stabes verlaufen und Bor­ karbid oder ein anderes Absorbermaterial (20) enthalten, welches bei Bestrahlung quillt, und welche Kanäle gegenüber der Umgebung des Steuerstabes dicht verschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in minde­ stens einem Bereich der Absorberplatte jeder Kanal (18 b) einen kleineren Abstand (a) zu einem benachbarten Kanal hat, als (c) zur Oberfläche der Absorberplatte.

2. Steuerstab nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest in dem genannten Be­ reich der Absorberplatte jeder Kanal (18 b) zu dem benachbar­ ten Kanal auf der einen Seite einen kleineren Abstand (a), als zu dem benachbarten Kanal auf der anderen Seite (b) hat.

3. Steuerstab nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in dem genannten Bereich der Absorberplatte jeder Kanal (18 b) einen Abstand (a) zu einem benachbarten Kanal hat, der kleiner als der halbe Abstand (c) zur Oberfläche der Absor­ berplatte ist.