DE4006262A1 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Kernreaktorbrennelement ist aus der europäischen Patentanmeldung 03 07 705 bekannt. Das erste Endstück am Ober­ ende des Kühlmittelrohres dieses bekannten Kernreaktorbrenn­ elementes ist eine plattenartige Endblende mit Durchtritts- Öffnungen für das flüssige Kühlmittel. An dieser Endblende befindet sich ein zum Kühlmittelrohr paralleler Bolzen, der an der Innenseite des Brennelementkopfes lose durch eine Durch­ führung eines gitterförmigen Rostes dieses Brennelementkopfes greift.

Das zweite Endstück am Unterende des Kühlmittelrohres ist ebenfalls eine Endblende, diese Endblende hat außen einen ebenfalls zur Längsrichtung des Kühlmittelrohres parallelen Gewindebolzen, der zwar auch durch eine Durchführung eines gitterförmigen Rostes des Brennelementfußes greift, aber dort mit einer Mutter am Brennelementfuß festgeschraubt ist.

Dieses Kernreaktorbrennelement hat zwischen Brennelementkopf und Brennelementfuß in mehreren Querschnittsebenen gitterförmi­ ge Abstandshalter mit Maschen, durch die jeweils ein Kernbrenn­ stoff enthaltender Brennstab greift. Einige dieser Brennstäbe sind sogenannte Tragestäbe, die an beiden Enden Gewindebolzen haben, mit denen sie am Brennelementkopf mit einer Mutter und am Brennelementfuß direkt festgeschraubt sind. Die anderen Brennstäbe greifen lose mit an ihren beiden Enden befindlichen Bolzen in Durchführungen im Brennelementkopf und Brennelement­ fuß. Alle Brennstäbe sind jeweils mit einer auf Druck vorge­ spannten Schraubenfeder fixiert, die auf den Gewindebolzen bzw. Bolzen auf der Innenseite des Brennelementkopfes sitzen und sich an dieser Innenseite und am betreffenden Brennstab ab­ stützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Kernreaktor­ brennelement weiterzubilden und insbesondere Tragestäbe mit an beiden Enden befindlichen Gewindebolzen, die sowohl am Brennelementkopf als auch am Brennelementfuß festgeschraubt sind, zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat ein Kernreaktorbrennelement der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Patentanspruches 1.

Dadurch kann das Gewicht des Kernreaktorbrennelementes beim Anheben desselben am Griff des Brennelementkopfes voll vom Kühlmittelrohr übernommen werden. Alle Brennstäbe können gleich ausgebildet sein und brauchen nur mit den Bolzen an ihren Enden lose in die Durchführungen im Brennelementkopf und Brennele­ mentfuß zu greifen.

Die Patentansprüche 2 und 3 sind auf vorteilhafte Ausbildungen dieses Kernreaktorbrennelementes gerichtet, durch die Gewichts­ kräfte federnd aufgefangen werden, die durch Aufliegen des Hebewerkzeuges auf dem Brennelementkopf auftreten können.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht und teilweise in Explosionsdarstellung das Skelett eines erfindungsgemäßen Kern­ reaktorbrennelementes.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf den Brennelementkopf des Skeletts nach Fig. 1.

Fig. 3 und 4 zeigen Längsschnitte durch Griff und Brennelement­ kopf entsprechend den strichpunktierten Linien III und IV für eine weitergebildete Ausführungsform des Kernreaktorbrennele­ mentes.

Fig. 5 zeigt in Vergrößerung einen Ausschnitt aus Fig. 3.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Anlagefläche zum Aus­ schnitt nach Fig. 5.

Fig. 7 zeigt im Längsschnitt den Brennelementfuß des Skelett nach Fig. 1 für ein abgewandeltes Kernreaktorbrennelement.

Das Kernreaktorbrennelement nach Fig. 1 ist insbesondere für einen Siedewasserkernreaktor bestimmt und weist einen Brenn­ elementkopf 2 und einen Brennelementfuß 3 mit jeweils recht­ eckigem, hier quadratischem Querschnitt, ein langgestrecktes Kühlmittelrohr 4 mit rechteckigem, hier quadratischem Quer­ schnitt und einen langgestreckten Brennelementkasten 5 eben­ falls mit rechteckigem, hier quadratischem Querschnitt auf. Das Kühlmittelrohr 4 ist mittig in gitterförmigen Abstandhal­ tern 6 angeordnet, die sich innerhalb des Brennelementkastens 5 befinden und - in Längsrichtung des Kühlmittelrohres 4 ge­ sehen - Abstand voneinander haben. Durch jede Masche dieser Abstandhalter 6 greift ein Kernbrennstoff enthaltender Brenn­ stab 7. Diese Brennstäbe 7 greifen lose mit an ihren beiden Enden befindlichen Bolzen 7a in Durchführungen im Brennelement­ kopf 2 und Brennelementfuß 3. Alle Brennstäbe 7 sind jeweils mit einer auf Druck vorgespannten, in Fig. 3 erkennbaren Schrau­ benfeder 7b fixiert, die auf dem Bolzen 7a auf der Innenseite des Brennelementkopfes 2 sitzen und sich an dieser Innenseite und am betreffenden Brennstab 7 abstützen.

Während Brennelementkopf 2 und Brennelementfuß 3 aus rost­ freiem Stahl bestehen, ist der langgestreckte Brennelement­ kasten 5 aus einer Zirkoniumlegierung gefertigt. Er ist an beiden Enden offen und mit einem Ende über den Brennelement­ kopf 2 und mit dem anderen Ende über den Brennelementfuß 3 gestülpt. Der Brennelementkasten 5 umfaßt also den Brenn­ elementkopf 2 und den Brennelementfuß 3. Am Oberende weist der Brennelementkasten 5 innen an den Ecken nicht dargestellte Blechstreifen auf, die am Oberende von Stehbolzen 9 an der Oberseite des Brennelementkopfes 2 festgeschraubt sind.

Das Kühlmittelrohr 4 mit rechteckigem bzw. quadratischem Quer­ schnitt besteht ebenfalls aus einer Zirkoniumlegierung. Die Seiten seines Querschnitts sind parallel zur jeweils benach­ barten Seite des Querschnitts des Brennelementkastens 5.

Die Stege der Abstandhalter 6 durchsetzen sich rechtwinklig und sind ebenfalls zu jeweils zwei zueinander parallelen Seiten des Querschnitts des Kühlmittelrohres 4 parallel. Alle Seiten des Querschnitts des Kühlmittelrohres 4 haben von der jeweils benachbarten Seite des Querschnitts des Brennelementkastens 5 gleichen Abstand.

Das Kühlmittelrohr 4 ist am Oberende mit einem ersten Endstück 11 und am Unterende mit einem zweiten Endstück 12 verschlossen. Beide Endstücke 11 und 12 bestehen ebenfalls aus einer Zirko­ niumlegierung und sind an dem Kühlmittelrohr 4 festgeschweißt. Das obere Endstück 11 hat zwei sich in Längsrichtung des Kühl­ mittelrohres 4 erstreckende Durchtrittsöffnungen 13 für das Kühlmittel (vgl. Fig. 3), während das zweite Endstück am Unter­ ende mit einer in Fig. 1 nicht erkennbaren Durchtrittsöffnung für das Kühlmittel versehen ist, die sich in Längsrichtung des Kühlmittelrohres 4 erstreckt.

Das erste Endstück 11 am Oberende des Kühlmittelrohres 4 weist zwei Stehbolzen 14 und 15 auf, die verschiedene Außendurch­ messer haben und mit Gewinde versehen sind. Mit dem Gewinde durchgreifen sie den Brennelementkopf 2 und einen Griff 16 auf der Außenseite des Brennelementkopfes 2 in einer Diagonalen des Brennelementkopfes 2. Der Griff 16 hat zwei seitliche Ausleger 16a, die sich auf der Außenfläche des Brennelement­ kopfes 2 abstützen und an zwei sich diagonal gegenüber befind­ lichen Stehbolzen 9 zwischen diesen Stehbolzen und den Blech­ streifen in den Ecken des Brennelementkastens 5 festgeschraubt sind. Jeweils mit einer auf die Gewindebolzen 14 und 15 aufge­ schraubten Überwurfmutter 17 auf der Außenseite des Brenn­ elementkopfes 2 sind der Griff 16 und der Brennelementkopf 2 auf Anschlag an Schultern 14a und 15a (vgl. Fig. 4) an den Steh­ bolzen 14 und 15 festgeschraubt. Aufgrund der beiden Stehbolzen 14 und 15 ist der Kopfteil 2 verdrehungssicher am Kühlmittel­ rohr 4 festgeschraubt. Die verschiedenen Außendurchmesser der Stehbolzen 14 und 15 sorgen ferner dafür, daß der Brennelement­ kopf 2 stets in derselben Winkelposition im Bezug auf die Längsachse des Wasserrohres 4 an diesem Wasserrohr 4 festge­ schraubt wird.

Das zweite Endstück 12 am Unterende des Kühlmittelrohres 4 greift mit einem Gewindebolzen 38 (vgl. Fig. 7) auf der Innen­ seite des Brennelementfußes 3 durch eine Durchführung eines gitterförmigen Rostes dieses Brennelementfußes 3 und ist dort mit einer Mutter an diesem Brennelementfuß 3 auf Anschlag festgeschraubt.

In einem Siedewasserkernreaktor ist das Kernreaktorbrennele­ ment nach Fig. 1 vertikal angeordnet und wird im Brennelement­ kasten von einem Kühlmittel durchströmt, das aus einem Zwei­ phasengemisch aus Wasser und Dampf besteht. Durch den gitter­ förmigen Rost des Brennelementfußes 3 hindurch tritt Wasser in den Brennelementkasten 5 ein und durch einen gitterförmigen Rost des Brennelementkopfes 2 hindurch tritt Naßdampf aus dem Brennelementkasten 5 aus. Im Kühlmittelrohr 4 befindet sich ausschließlich Wasser in der flüssigen Phase, das eine erhöhte Reaktivität im Reaktorkern des Siedewasserkernreaktors be­ wirkt.

In Weiterbildung des Kernreaktorbrennelementes ist entsprechend den Fig. 3 bis 5 der Abstand der Schultern 14a und 15a der Stehbolzen 14 und 15 am ersten Endstück des Kühlmittelrohres 4 so groß gewählt, daß Brennelementkopf 2 und Griff 16 nicht auf Anschlag an den Schultern 14a und 15a an den beiden Stehbolzen 14 und 15 gehaltert sind, sondern daß der Brennelementkopf 2 bezüglich diesem ersten Endstück 11 gegen die Federkraft der auf den Brennstäben 7 sitzenden Druckfedern 7b verschiebbar ist. Die als Schraubenfedern ausgebildeten Druckfedern 7b stützen sich mit einem Ende am Brennelementkopf 2 und mit dem anderen Ende an den Brennstäben 7 und damit am Brennelementfuß 3 ab. Damit können die Druckfedern 7b eine Verschiebung des Griffes 16 und des Brennelementkopfes 2 beispielsweise durch Gewichtskräfte in Richtung auf die Schultern 14a und 15a federnd abfangen. Die Schultern 14a und 15a befinden sich vorteilhafterweise zwischen dem Brennelementkopf 2 und der Angriffstelle der Druckfedern 7b an den Brennstäben 7, so daß diese Druckfedern 7b nicht auf Blockbildung beansprucht werden, wenn der Brennelementkopf 2 an den Schultern 14a und 15a der als Anschlagkörper wirkenden Stehbolzen 14 und 15 anschlägt.

Andere Anschlagkörper am ersten Endstück 11 sind die auf der Außenseite des Brennelementkopfes 2 befindlichen Überwurf­ muttern 17 auf den Stehbolzen 14 und 15. Diese Überwurfmuttern 17 definieren eine Ausgangsposition des Brennelementkopfes 2. Sie sind jeweils in einer am Griff 16 befindlichen Hülse 25 geführt. Die Überwurfmuttern 17 weisen als Verrastorgan an ihrer Anlagefläche am Griff 16 einen Zapfen 21 auf, der in eine Ringnut 22 als Gegenverrastorgan an der Anlagefläche des Griffes 16 an der Überwurfmuttern 17 einrastet. Dadurch kann die Verrastung der Überwurfmuttern 17 mit dem Griff 16 nur gelöst werden, wenn auf den Griff 16 bzw. auf den Brennelement­ kopf 2, z. B. eine Gewichtskraft in Richtung auf den Brennelement­ fuß 3 einwirkt und eine Trennbewegung zwischen Überwurfmuttern 17 und Griff 16 in Längsrichtung des Stehbolzens und gegen die Federkraft der Druckfedern 7b erfolgt.

Günstigerweise sind die Stehbolzen 14 und 15 am oberen End­ stück 11 des Kühlmittelrohres 4 festgeschraubt, so daß sie ohne weiteres ausgetauscht werden können, wenn z. B. ihre Ge­ winde auf der Außenseite des Brennelementkopfes 2 beschädigt sind.

Auch auf den Stehbolzen 14 und 15 können nicht dargestellte Druckfedern sitzen, die z. B. Schraubenfedern sind und sich am Brennelementkopf 2 und an den Schultern 14a bzw. 15a abstützen.

Wie Fig. 7 zeigt, kann auch das zweite Endstück 12 am Unterende des Kühlmittelrohres 4 mit dem Gewindebolzen 38 durch den Brennelementfuß 3 greifen und gegen die Federkraft einer als Schraubenfeder ausgebildeten Druckfeder 39 in Bezug auf den Brennelementfuß 3 verschiebbar sein. Diese Druckfeder 39 sitzt auf dem Gewindebolzen 38 des zweiten Endstückes 12 und stützt sich mit einem Ende am zweiten Endstück 12 und damit am Brennelementkopf 2 und mit dem anderen Ende am Brennelement­ fuß 3 ab. Der Brennelementkopf 2 mit dem Griff 16 können dann auf Anschlag an den Schultern 14a bzw. 15a des Stehbolzens 14 und 15 festgeschraubt sein. Als Anschlagkörper für das zweite Endstück 12 am Brennelementfuß 13 dient einerseits die auf Block belastete Druckfeder 18 auf der Innenseite des Brenn­ elementfußes 3 und andererseits eine auf der Außenseite des Brennelementfußes 3 befindliche, auf dem Stehbolzen 18 sitzende Mutter 23, die so eine Ausgangsposition für den Brennelement­ fuß 3 definiert.

Wie Fig. 7 verdeutlicht, kann der am Brennelementkopf 2 festge­ schraubte Brennelementkasten 5 an der Mantelfläche 24 des Brennelementfußes 3 in Längsrichtung dieses Brennelementkastens 5 mit dem Brennelementkopf 2 mit verschoben werden.

Claims (15)

1. Kernreaktorbrennelement mit zueinander parallelen, Kern­ brennstoff enthaltenden Brennstäben, mit einem an der Außen­ seite einen Griff aufweisenden Brennelementkopf an einem Ende und mit einem Brennelementfuß am anderen Ende dieser Brenn­ stäbe, mit einem an beiden Enden geöffneten Kühlmittelrohr, das parallel zu diesen Brennstäben ist, das an einem Oberende ein erstes Endstück aufweist und mit diesem ersten Endstück an der Innenseite des Brennelementkopfes in diesen Brenn­ elementkopf greift und das an einem Unterende mit einem zweiten Endstück versehen ist und mit diesem zweiten Endstück an der Innenseite des Brennelementfußes gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Endstück (11) am Brennelementkopf (2) gehaltert ist.

2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennelementkopf (2) bezüglich dem ersten Endstück (11) gegen die Federkraft einer am Brennelementkopf und Brennele­ mentfuß angreifenden Feder (76) verschiebbar ist und
daß am ersten Endstück (11) ein Anschlagkörper (17) für den Brennelementkopf angebracht ist und eine Ausgangsposition des Brennelementkopfes (2) definiert.

3. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennelementfuß (3) bezüglich dem zweiten Endstück (12) gegen die Federkraft einer am Brennelementkopf (2) und Brennelementfuß (3) angreifenden Feder (39) verschiebbar ist und
daß am zweiten Endstück (12) ein Anschlagkörper (23) für den Brennelementfuß (3) angebracht ist und eine Ausgangsposition für diesen Brennelementfuß (3) definiert.

4. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (76) auf einem Brennstab (7) angeordnet ist.

5. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder auf dem ersten Endstück (11) angeordnet ist.

6. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (39) auf dem zweiten Endstück (12) angeordnet ist.

7. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Endstück (11) den Brennelementkopf (2) ver­ drehungssicher durchgreift.

8. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Endstück (11) den Brennelementkopf (2) mit einem Stehbolzen (14, 15) durchgreift, der am ersten Endstück (11) angebracht ist.

9. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Endstück (11) einen das Kopfteil (2) durchgrei­ fenden Stehbolzen (14, 15) bildet, auf dem auf der Außenseite des Kopfteiles (2) der Griff (16) verschiebbar sitzt und eine am Oberende des Stehbolzens (14, 15) festgeschraubte Über­ wurfmutter (17) als Anschlagkörper hat.

10. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Überwurfmutter (17) auf Anschlag auf dem Stehbolzen (14, 15) sitzt sowie ein Verrastorgan (21) zum Verrasten mit einem Gegenverrastorgan (22) am Griff aufweist und
daß Verrastorgan (21) und Gegenverrastorgan (22) durch eine Trennbewegung zwischen Überwurfmutter (17) und Griff (16) in Längsrichtung des Stehbolzens (14, 15) und gegen die Federkraft voneinander trennbar sind.

11. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Endstück (11) eine Anschlagschulter (14a, 15a) für die Innenseite des Brennelementkopfes (2) ausgebildet ist, die die Verschiebbarkeit des Brennelementkopfes (2) gegen die Federkraft begrenzt.

12. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (16) einen seitlichen Ausleger (16a) hat, der sich auf der Außenseite des Brennelementkopfes (2) abstützt.

13. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger (16a) an der Außenseite des Brennelementkopfes (2) befestigt ist.

14. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Endstück (11) den Brennelementkopf (2) mit zwei Stehbolzen (14, 15) durchgreift, die verschieden dick sind.

15. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stehbolzen (14, 15) lösbar am ersten Endstück ange­ bracht ist.