DE4117622A1 - Kerngitterstruktur fuer kernreaktoren, insbesondere fuer heizreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kerngitterstruktur für Kernreaktoren, insbesondere für Heizreaktoren, zur Aufnahme und zur Halterung der Brennelemente in rechteckigen Gitterzellen des Reaktorkerns, wobei jeweils vier Gitterzellen um einen Kreuzspalt gruppiert sind und die dem Kreuzspalt zugewandten Ecken der Gitterzellen einer jeweiligen Gitterzellen-Vierer­ gruppe von inneren Winkelblechen begrenzt werden, welche einen solchen Abstand voneinander haben, daß sie zwischen sich den von Brennelementen nicht besetzten Kreuzspalt bilden, wobei der Kreuzspalt zur Aufnahme auf- und abwärts bewegbarer Steuer­ stäbe einschließlich deren Absorberelemente eingerichtet ist.

Bei Heizreaktoren, die bevorzugt als Siedewasserreaktoren kleiner Leistung bis etwa 200 MW_e gebaut werden, ist es vorteil­ haft, die Kerngitterstruktur (oder den Kernverband) so aufzubauen, daß für Belade- und Umladevorgänge keine Reaktordruck­ behälter-Einbauten manipuliert werden müssen. Eine hierzu vorteilhafte Ausführung einer Kerngitterstruktur für einen Heizreaktor mit den eingangs genannten Merkmalen ist durch die EP-Bl 01 48 404 bekannt. Der Reaktorkern besteht dabei aus Brennelementen, die - zu Kernzellen gruppiert - mit in verti­ kaler Richtung angeordneten und bewegbaren, Absorbermaterial enthaltenden Steuerstäben und zugehörigen Antrieben zusammen­ arbeiten, wobei den Kernzellen jeweils ein Blechschacht zuge­ ordnet ist, welcher über den Reaktorkern hinausragt, den gleichen Querschnitt wie die Kernzelle hat und Kanäle zum Ein­ und Ausladen der Brennelemente bildet. Der jeweilige Blech­ schacht ragt mindestens um die Länge des Steuerstabes über den Reaktorkern hinaus und schließt den Antrieb für den Steuerstab ein.

Eine Kernzelle bei Siedewasserreaktoren besteht insbesondere aus einem kreuzförmigen Steuerstab und vier rechteckigen Brenn­ elementkästen, in denen jeweils Brennstoffstäbe in quadratischem Gitter angeordnet sind, vgl. hierzu den Tagungsband "VGB-Kern­ kraftwerks-Seminar 1970", Seite 89, Abbildung 2.

Der spezielle Aufbau der Kerngitterstruktur aus jeweils vier, fest miteinander verbundenen, über die Kernhöhe und den Steuer­ stabweg kontinuierlich durchgezogenen Brennelementschächten (in Gestalt von Vierkantrohren mit abgerundeten Ecken) bietet den Vorteil einer präzisen Führung und Halterung der Steuerstäbe und einer robusten Abstützung der Brennelemente sowie der Steuerstäbe mit ihren Antrieben im Erdbebenfalle gegen Querkräfte, abgesehen davon, daß beim Be- und Umladen der Brenn­ elemente Einbauten nicht entfernt werden müssen. Indessen bedeutet die Herstellung der langgestreckten Blechschächte bzw. der dafür verwendeten Vierkantrohre und die Unterteilung dieser Blechschächte durch langgestreckte Zwischenbleche einen relativ hohen fertigungstechnischen Aufwand. Hinzu kommt, daß wegen einer möglichst günstigen Neutronenökonomie die Blechschächte mindestens im Kernbereich aus Zirkoniumlegierungen gefertigt werden müssen.

Ausgehend von der bekannten Kerngitterstruktur für Kernreakto­ ren nach der Präambel des Patentanspruchs 1, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese so auszubilden, daß mindestens die gleiche Kerngitterstabilität wie bei der Verwendung von Vierkantrohren für die Brennelementschächte erzielt wird, ohne daß jedoch solche Vierkantrohre verwendet werden müßten. Mit anderen Worten: Es soll der fertigungstech­ nische Aufwand im Vergleich zum Bekannten ohne Einbuße an Funktionstüchtigkeit reduziert werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung eine Kerngitterstruktur für Kernreaktoren, insbesondere für Heizreaktoren, zur Aufnahme und zur Halterung der Brennelemente in rechteckigen Gitterzellen des Reaktorkerns, wobei jeweils vier Gitterzellen um einen Kreuzspalt gruppiert sind und die dem Kreuzspalt zugewandten Ecken der Gitterzellen einer jeweiligen Gitterzellen-Vierergruppe von inneren Winkel­ blechen begrenzt werden, welche einen solchen Abstand von­ einander haben, daß sie zwischen sich den von Brennelementen nicht besetzten Kreuzspalt bilden, wobei der Kreuzspalt zur Aufnahme auf- und abwärts bewegbarer Steuerstäbe einschließ­ lich deren Absorberelemente eingerichtet ist, mit den folgen­ den weiteren Merkmalen:

• a) die inneren Winkelbleche der jeweiligen Gitterzellen-Vierer­ gruppe sind als in sich selbst tragfähige und separate Vor­ fertigungs-Baueinheit miteinander zu die Gitterzellen-Teilung definierenden Führungskreuzen verbunden, welche von einem Kreuzzentrum abstehende, durch je ein Paar starr miteinander verbundener Winkelblechschenkel gebildete Kreuzschenkel aufweisen,
• b) die aneinanderstoßenden äußeren Enden der Kreuzschenkel einander benachbarter Führungskreuze greifen formschlüssig über Kupplungselemente ineinander, so daß die gesamte Kern­ gitterstruktur nach dem Bausteinprinzip aus den Führungs­ kreuzen zusammensetzbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Patentansprüchen 2 bis 18 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß nun nicht mehr die Vierkantrohre, sondern die Führungskreuze die über den Querschnitt der Kerngitter­ struktur verteilten, in sich selbst tragfähigen und separaten Gitterelemente bilden, welche auf fertigungstechnisch wenig aufwendige Weise als Vorfertigungs-Baueinheiten hergestellt werden können. Es brauchen nur entsprechend auf Maß geschnittene lange Bleche zu Winkelblechen abgebogen und vier solcher Winkelbleche derart zusammengespannt werden, daß sich der gewünschte Kreuzspalt zwischen ihnen ergibt. Dann können die äußeren (noch offenen) Enden der Führungskreuze vorteilhafter­ weise durch ebenso lange Abschlußleisten starr miteinander verbunden werden, indem die Winkelblech-Enden mit den eingefüg­ ten Abschlußleisten z. B. verschweißt werden. Für den Verbin­ dungsvorgang ist eine sehr gute Zugänglichkeit gegeben. Die Kerngitterstruktur wird dann aus einer Vielzahl solcher Vorfertigungs-Baueinheiten zusammengesetzt. Zu diesem Zweck greifen die einander stoßenden äußeren Enden der Kreuzschenkel einander benachbarter Führungskreuze jeweils formschlüssig über Kupplungselemente ineinander. Gemäß Anspruch 6 sind die Abschlußleisten unmittelbar als Kupplungselement ausgebildet und hierzu mit in Kreuzschenkelrichtung orientierten Vor- und Rücksprüngen versehen, mittels welcher aneinanderstoßende Kreuzschenkel benachbarter Führungskreuze wechselseitig und formschlüssig ineinandergreifen.

Eine günstige Ausführungsform ist dabei diejenige nach Anspruch 7, wonach die Rücksprünge als Längsnuten und die Vorsprünge als Längsschienen ausgebildet sind, so daß Nut- und Schienenflanken als Paßflächen wechselseitig aneinanderliegen und am Grunde der Längsnuten sowie am Kopf der Längsschienen sich einander gegenüberstehende Querflächen ergeben.

Eine andere günstige Ausführungsform ist eine gelenkige Kupplung der einander stoßenden Kreuzschenkelenden mittels Gelenkaugen und Gelenkzapfen nach den Ansprüchen 8 bis 10.

Wird, wie bisher beschrieben, ein unmittelbar formschlüssiger Eingriff über die Kupplungselemente vorgenommen, so sind die Führungskreuze die kleinsten immer wiederkehrenden Kerngitter­ elemente. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Kreuzschenkelenden der Führungskreuze von rechtecki­ gen Versteifungsgurten umfaßt und mit diesen zu einer Kernzel­ le, umfassend eine Gitterzellen-Vierergruppe, fest verbunden, sind mehrere Versteifungsgurte über die axiale Länge der Führungskreuze verteilt angebracht und greifen die Versteifungs­ gurte einander benachbarter Kernzellen mittels zueinander komplementärer Vor- und Rücksprünge wechselseitig und form­ schlüssig ineinander (Anspruch 13). Bei dieser Ausführung ist gewissermaßen ein mittelbarer Formschluß getroffen; die Kupplungselemente sind nicht unmittelbar an den Abschluß­ leisten angebracht, sondern letztere sind mit den Versteifungs­ gurten starr verbunden, und der wechselseitig formschlüssige Eingriff erfolgt zwischen den Versteifungsgurten einander benachbarter Kernzellen, vorzugsweise im Eckbereich der Kern­ zellen bzw. Versteifungsgurte, vgl. Anspruch 14.

Gemäß Anspruch 15 wird die Kernzellenstruktur dadurch vervoll­ ständigt, daß die Versteifungsgurte am Innenumfang ihrer vier Eckbereiche mit äußeren Winkelblechen verbunden sind, welche jeweils zusammen mit den inneren Winkelblechen der betreffen­ den Gitterzelle den Aufnahmequerschnitt für ein Brennelement definieren.

Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes sowie ihre Wirkungsweise werden im folgenden anhand mehrerer Ausfüh­ rungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind, erläutert. Darin zeigt in zum Teil vereinfachter, schematischer Darstel­ lung:

Fig. 1 die erste Ausführung einer Kerngitterstruktur in Draufsicht und im Ausschnitt, wobei eine Gitterzelle vollständig und die angrenzenden acht Gitterzellen nur teilweise dargestellt sind, ferner sind die einzufügen­ den Brennelemente in ihren Umrissen und bei einigen die Brennstabpositionen zum Teil dargestellt;

Fig. 2 die Einzelheit II der ineinandergreifenden Kupplungs­ elemente der Kreuzschenkel aus Fig. 1 vergrößert im Detail sowie im Schnitt;

Fig. 3 eine Variante der formschlüssig ineinandergreifenden Kupplungselemente nach Fig. 2 mit vergrößerten Kupplungselementen;

Fig. 4 in entsprechender Darstellungsweise wie Fig. 2 und 3 eine weitere Variante der formschlüssig ineinandergrei­ fenden Kupplungselemente, welche in ihrem Inneren ausgekehlt sind, so daß ein im Querschnitt kreisförmiger Kanal zur Rückführung des Hydraulikmediums der Steuer­ stabantriebe gebildet ist;

Fig. 5 eine dritte Variante des formschlüssigen Eingriffs der Kupplungselemente mittels Gelenkaugen und Gelenkzapfen;

Fig. 6 in perspektivischer Darstellung zwei miteinanander in Eingriff zu bringende Kreuzschenkel, die mit gegenein­ ander axial versetzten Gelenkaugen versehen und nach dem Zusammenfügen durch einen Gelenkzapfen miteinander formschlüssig verbunden werden können;

Fig. 7 eine schematische Darstellung in Draufsicht, wie die Gelenke an den Kreuzschenkelenden durch Drehung um den Mittelpunkt der Führungskreuze in bzw. außer Eingriff gebracht werden können;

Fig. 8 eine Variante zum Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 bis 7 mit zusätzlichen Kanälen in den Kupplungsele­ menten zur Rückführung des Hydraulikmediums der Steuer­ stabantriebe;

Fig. 9 in perspektivischer Darstellung eine zweite grundsätz­ liche Ausführungsform für die Kerngitterstruktur nach der Erfindung, bei welcher die Führungskreuze mittelbar über Versteifungsgurte miteinander formschlüssig zur Kerngitterstruktur zusammengefügt sind, wobei mehrere über die axiale Länge einer Kernzelle verteilte Versteifungsgurte vorgesehen sind; und

Fig. 10 Schnitt durch die Kerngitterstruktur nach Fig. 9 längs der Schnittebene X-X aus Fig. 9.

Die als Ganzes mit CS1 bezeichnete Kerngitterstruktur für Kernreaktoren nach Fig. 1 dient zur Aufnahme und zur Halterung der Brennelemente BE in rechteckigen Gitterzellen 1 des Reaktorkerns. Jeweils vier der im einzelnen mit 1A bis 1J bezeichneten Gitterzellen 1 sind um einen Kreuzspalt 2 grup­ piert, z. B. die Gitterzellen 1A bis 1D um den rechts oben in Fig. 1 dargestellten Kreuzspalt 2. Die dem Kreuzspalt 2 zuge­ wandten Ecken 1.0 der Gitterzellen 1 einer jeweiligen Gitter­ zellen-Vierergruppe CC werden von inneren Winkelblechen 3 begrenzt, welche einen solchen Abstand a1, a2 voneinander haben, daß sie zwischen sich den von Brennelementen BE nicht besetzten Kreuzspalt 2 bilden. Der Kreuzspalt 2 ist jeweils zur Aufnahme auf- und abwärts bewegbarer Steuerstäbe 4 ein­ schließlich deren flügel- oder blattförmiger Absorberelemente 4a eingerichtet. Die Position der Brennstäbe 5 innerhalb eines Brennelementes BE ist in Teilbereichen angedeutet. Es kann sich um ein einziges achteckiges Brennelement BE pro Gitter­ zelle 1 handeln oder um mehrere Teil-Brennelemente. Zum Beispiel könnten anstelle eines einzigen Brennelementes BE, wie in Fig. 1 dargestellt, vier fünfeckige Teil-Brennelemente in den durch die sich kreuzenden Rasterlinien 6, 7 und die Winkel­ bleche 3 begrenzten Teilfeldern F1 bis F4 der Gitterzelle 1A angeordnet sein, was für die übrigen dargestellten Gitterzellen 1B-1J sinngemäß gilt.

Erfindungsgemäß sind nun die inneren Winkelbleche 3 einer jeweiligen Gitterzellen-Vierergruppe CC, zu der z. B. die Gitter­ zellen 1A bis 1D gehören, als in sich selbst tragfähige und separate Vorfertigungs-Baueinheit miteinander zu einem die Gitterzellen-Teilung definierenden Führungskreuz 8 verbunden, welches von einem Kreuzzentrum 8.0 abstehende, durch je ein Paar starr miteinander verbundener Winkelblechschenkel 3a, 3b gebildete Kreuzschenkel 8.1 aufweist. Dieser Aufbau trifft auch für die übrigen drei in Fig. 1 dargestellten Führungs­ kreuze 8 zu, wobei das links oben dargestellte Führungskreuz 8 im Zentrum der vier Gitterzellen 1A, 1H, 1J, 1B angeordnet ist, das links unten dargestellte Führungskreuz 8 im Zentrum der Gitterzellen 1F, 1G, 1H, 1A und das rechts unten darge­ stellte Führungskreuz 8 im Zentrum der Gitterzellen 1E, 1F, 1A, 1D.

Die aneinanderstoßenden äußeren Enden der Kreuzschenkel 8.1 einander benachbarter Führungskreuze 8 greifen nun weiterhin formschlüssig über Kupplungselemente 9a, 9b ineinander, so daß die gesamte Kerngitterstruktur CS1 nach dem Bausteinprinzip aus den Führungskreuzen 8 zusammensetzbar ist, und zwar inner­ halb der von nicht näher dargestellten Stützblechen der Kern­ tragstruktur definierten Flächenbereiche. Solche Stützbleche sind in Fig. 3 der eingangs erwähnten EP-A1-01 48 404 darge­ stellt; es wird deshalb hier nicht näher darauf eingegangen.

Durch die Führungskreuze wird also der Gitterraster der Kern­ gitterstruktur CS1 definiert, d. h. das Volumen (Querschnitt×Länge) der im dargestellten Falle achteckigen Gitterzellen 1 oder entsprechender Teilgitterzellen. Es ist auch möglich, aus den Führungskreuzen 8 mit den vier anliegenden Teilgitter­ zellen (z. B. denjenigen, welche die Teilflächen F2, F5, F6 und F7 einnehmen) sogenannte Kernzellen zu bilden. Eine solche Ausführungsform wird weiter unten anhand der Fig. 9 und 10 erläutert. Was die Art der Brennelemente BE der in Fig. 1 dargestellten grundsätzlichen Kerngitterstruktur angeht, so können, wie dargestellt, quadratische Brennelemente mit abge­ flachten Ecken, die also im Ergebnis achteckig sind, oder solche mit abgerundeten Ecken (nicht dargestellt) vorgesehen werden, vorzugsweise für Brennelemente von Heizreaktoren, die nach dem Siedewasserreaktor-Prinzip arbeiten. Deshalb sind die Führungskreuze 8 zur Aufnahme auf- und abwärts bewegbarer Steuerstäbe 4 mit blatt- oder flügelförmigen Absorberelementen 4a eingerichtet - ein Typ von Steuerstäben, der bevorzugt bei Siedewasserreaktoren angewendet wird. Damit auch ein hydrauli­ scher Steuerstabantrieb innerhalb der Führungskreuze 8 unter­ gebracht werden kann, sind die Winkelbleche 3, wie dargestellt, in ihrem Eckenbereich eingezogen, und zwar vorzugsweise zweimal abgebogen, und dadurch wird ein im Vergleich zum Abstand a1 der Winkelblechschenkel im Bereich der Absorberele­ mente 4a vergrößerter Abstand a2 erhalten, welcher sich zwi­ schen gegenüberliegenden 45°-Winkelblechpartien 3c ergibt, so daß im Mittenbereich der Führungskreuze 8 im Querschnitt vergrößerte, angenähert rechteckige Kammern 10 gebildet werden, welche für den (nicht dargestellten) Kolben-Zylinder-Antrieb der jeweiligen Steuerstäbe 4 ein ausreichendes Volumen bieten. Angrenzend an die Kammern 10 sind die schmäleren Absorberräume 11 des Kreuzspalts 2 vorgesehen, deren Breite durch den Ab­ stand a1 < a2 definiert ist.

Grundsätzlich läßt sich die in Fig. 1 dargestellte Kerngitter­ struktur auch für Druckwasserreaktoren (DWR) oder für soge­ nannte Fortschrittliche Druckwasserreaktoren (FDWR) verwenden. Letztere haben im Vergleich zu normalen Druckwasserreaktoren bekanntlich ein härteres Neutronenspektrum (im allgemeinen wird dabei statt mit thermischen mit sogenannten epithermi­ schen Neutronen gearbeitet).

Bei der Kerngitterstruktur CS1 nach den Fig. 1 und 2 sind an den freien Enden der Kreuzschenkel 8.1 die beiden Winkel­ blechschenkel 3a, 3b jeweils durch eine Abschlußleiste 12 bzw. 13 miteinander starr verbunden. Bevorzugt erstrecken sich diese Abschlußleisten 12, 13 über die gesamte Länge der Füh­ rungskreuze 8 durchgehend, weil dadurch eine hohe Formsteifig­ keit erzielt werden kann. Jede der beiden Abschlußleisten 12 bzw. 13 ist über ein Paar von Längsschweißnähten 14 mit den Enden der Winkelblechschenkel 3a, 3b verschweißt; zu diesem Zweck weisen die Abschlußleisten 12, 13 an ihren Seiten­ flanken 15 Eckaussparungen zur Bildung von Schultern 15a auf, die in ihrer Tiefe der Blechdicke a3 der Winkelblechschenkel 3a, 3b entsprechen. Die Schweißnähte 14 sind über die gesamte Länge der Führungskreuze 8 bzw. der Abschlußleisten 12, 13 vorzugsweise durchgehend; im Falle einer Punktschweißverbin­ dung können es auch Schweißpunktreihen sein.

Die Abschlußleisten 12, 13 sind zusammen mit den Kreuz­ schenkeln 8.1, an deren Enden sie sitzen, unmittelbar als Kupplungselemente 9a, 9b ausgebildet und hierzu mit in Kreuz­ schenkelrichtung, vgl. die Rasterlinie 7, orientierten Vor- und Rücksprüngen 16, 17 versehen, mittels welcher die aneinander­ stoßenden Kreuzschenkel 8.1 benachbarter Führungskreuze 8 (vgl. Fig. 1) wechselseitig und formschlüssig ineinandergrei­ fen. Besonders günstig ist es, wenn - wie dargestellt - die Rücksprünge 17 als Längsnuten und die Vorsprünge 16 als Längs­ schienen ausgebildet sind, so daß Nut- und Schienenflanken 18, 19 als Paßflächen wechselseitig aneinanderliegen und am Grunde der Längsnuten 17 sowie am Kopf der Längsschienen 16 sich einander gegenüberstehende kopfseitige Querflächen 16a und nutengrundseitige Querflächen 17a ergeben, die zueinander einen Abstand a4 aufweisen, so daß Abstandszwischenräume 20 frei bleiben. Diese Abstandszwischenräume 20 lassen eine Wärmedehnung der Kreuzschenkel 8.1 in ihrer Längsrichtung zu, ohne daß die Querflächen 16a und 17a einander berühren. Dies gilt auch für die einander gegenüberstehenden äußeren Quer­ flächen 16b, 17b, zwischen denen sich ein dem Abstand a4 entsprechender, nicht näher bezeichneter Abstand aufspannt. Die Größe des Spaltes a4 und der entsprechender Spalte zwischen den Querflächen 16b, 17b ist so zu wählen, daß bei der höchstmöglichen Betriebstemperatur der Kerngitterstruktur noch eine freie Wärmedehnung ohne Entstehung von Zwangskräften ermöglicht ist, d. h. bei der höchstmöglichen Betriebstempera­ tur soll gerade noch kein Touchieren der Querflächen 16a, 17a und 16b, 17b gestattet sein.

Die Herstellung des formschlüssigen Eingriffs nach Fig. 2 bei der Kerngitterstruktur CS1 nach Fig. 1 erfolgt durch senk­ rechtes Einfügen eines Führungskreuzes nach dem anderen inner­ halb des von der Kerntragstruktur vorgegebenen Flächenbereichs; die Demontage erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. In Fig. 2 sind noch ausschnittsweise zwei Reihen der Brennstäbe 5 und die Absorberelemente 4a angedeutet.

Bei der ersten Variante CS11 zur Kerngitterstruktur CS1 nach den Fig. 1 und 2, die in Fig. 3 dargestellt ist (gleiche Teile tragen auch die gleichen Bezugszeichen), sind die Abschlußleisten 12, 13 in Querrichtung, d. h. in Richtung der Rasterlinie 6, verbreitert, so daß sich nicht nur zwei, sondern vier ineinandergreifende Schienen- und Nutenpaare 16, 17 mit entsprechenden Querflächenpaaren 16a, 17a ergeben. In der Mitte der als Ganzes mit K11 bezeichneten formschlüssigen Kupplung (diejenige nach Fig. 2 wird demgegenüber als Ganzes mit K1 bezeichnet) haben beide Kupplungshälften 9a, 9b je einen Mittelsteg mit den beiden Querflächen 16c bzw. 17c. Beim Beispiel nach Fig. 3 sitzen die Winkelbleche 3a, 3b wieder auf Schultern 15a der Abschlußleisten 12, 13; letztere sind jedoch in Richtung der Rasterlinie 6, wie gesagt, verbreitert, so daß die Anzahl der Paßflächen-Paarungen 18/19 (Nut- und Schienenflanken) verdoppelt ist. Dadurch ist die Steifigkeit der Kerngitterstruktur gegen Biegung (bei einer Beanspruchung in Richtung der Rasterlinien 6) vergrößert.

Bei der in Fig. 4 dargestellten zweiten Variante zum Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 einer Kerngitterstruktur CS12 ist die formschlüssige Kupplung K12 im Vergleich zu der­ jenigen K11 nach Fig. 3 derart abgewandelt, daß der größte Teil der inneren Querflächen 16c, 17c zu einem im Querschnitt kreisförmigen, vertikal verlaufenden Kanal 21 erweitert sind. Dieser Kanal 21 reicht von einem oberen Bereich der Führungs­ kreuze 8, wo das Hydraulikabwasser des hydraulischen Antriebs der Steuerstäbe 4 zur Ankopplung eines hochliegenden Ultra­ schall-Wandlers verwendet wird (dieser dient zur Abstandsmes­ sung, wie weit die Absorberelemente in den Kern eingefahren sind) bis hinunter zum Eintrittsplenum der Brennelemente, wo also das frische, rückgekühlte Reaktorkühlwasser in die ein­ zelnen Brennelemente BE eintritt. Der vertikale Kanal 21 kommu­ niziert über Querkanäle 21a, 21b mit den Absorberräumen 11. Im vertikalen Kanal 21 strömt damit das Kühlwasser im Gegenstrom in Richtung des Pfeils f1 abwärts, bezogen zur Strömungsrich­ tung f2 innerhalb der Brennelemente BE. Die Strömung des Kühl­ wassers innerhalb der nicht näher dargestellten Kolben-Zylinder- Antriebe der Steuerstäbe 4 ist ebenfalls grundsätzlich von unten nach oben, weil die Steuerstäbe in ihrer jeweiligen Position durch einen definierten hydraulischen Auftrieb fest­ gehalten werden, welcher der Schwerkraft des Steuerstabs 4 entgegengerichtet ist.

Bei der dritten Variante einer formschlüssigen Kupplung K13 bei einer Kerngitterstruktur CS13 gemäß Fig. 5 sind die jeweils an­ einanderstoßenden Enden der Kreuzschenkel 8.1 gelenkig mitein­ ander gekuppelt. Hierzu sind die aneinanderstoßenden Enden der Kreuzschenkel 8.1 mit Kupplungselementen 9a, 9b versehen, wel­ che einen Abschlußleistenteil 12′ bzw. 13′ aufweisen und ferner mit diesen Abschlußleistenteilen 12′ bzw. 13′ verbundene oder einen integralen Bauteil bildende Gelenkaugen 22, 23, wobei die eine Flucht der Gelenkaugen 22 des Kupplungselementes 9a zur anderen Flucht der Gelenkaugen 23 des Kupplungsteils 9b um eine Gelenkaugenlänge a5, die gleich dem Gelenkaugenabstand a6 ist, axial versetzt ist, so daß, wie es die Pfeile f3 in Fig. 6 andeuteten, jeweils ein Gelenkauge 22 in eine Lücke 24 paßt und ein Gelenkauge 23 in eine Lücke 25. Sind die beiden Kupp­ lungselemente 9a, 9b unter fluchtender Ausrichtung ihrer Axial­ bohrungen 26 ineinandergefügt, dann kann durch einen in die axial fluchtenden Gelenkaugen einsteckbaren Gelenkzapfen 27, vgl. Richtungspfeil f4, die formschlüssige Kupplung vervoll­ ständigt werden, so daß dann an sich nur noch der Freiheits­ grad einer gegenseitigen Verdrehung um die Achse der Bohrungen 26 möglich wäre. Da aber die Führungskreuze 8 im Verband der Kerngitterstruktur CS13 mit jeweils vier Kreuzschenkeln 8.1 formschlüssig mit den Nachbar-Führungskreuzen gekuppelt sind, so ist auch dieser letzte Freiheitsgrad blockiert. Fig. 5 in Verbindung mit Fig. 7 verdeutlicht, daß jeweils konvexe Außenpaßflächen 28 an den Gelenkaugen 23 (bzw. 22) des einen Kreuzschenkels 8.1 und konkave Gegenpaßflächen 29 an einer Abschlußleiste 12′ (bzw. 13′) des Gegenkreuzschenkels 8.1 einen Krümmungsradius R1 solcher Größe haben, daß bei gezo­ genen Brennelementen BE und gezogenem Gelenkzapfen 27 die Ge­ lenkkupplung K13 zwischen zwei Führungskreuzen 8, 8 durch Ver­ drehung eines Führungskreuzes um seine Schaftachse 8.0 voll­ ständig lösbar ist. Andererseits ist die Kerngitterstruktur, welche aus Führungskreuzen 8 und formschlüssigen Kupplungen K13 nach Fig. 5 bis 7 aufgebaut ist, durch die eingefügten Zapfen 27 und die eingefügten Brennelemente BE doppelt ver­ riegelt; die Kerngitterstruktur kann erst dann demontiert werden (durch Verdrehen und Anheben der Führungskreuze 8), wenn sowohl die Brennelemente BE als auch die Gelenkzapfen 27 gezogen sind.

Die vierte Variante einer formschlüssigen Kupplung K14 einer Kerngitterstruktur CS14 nach Fig. 8 unterscheidet sich von derjenigen nach den Fig. 5 bis 7 dadurch, daß die Abschluß­ leistenteile 12′, 13′, so wie anhand der Fig. 4 erläutert, interne vertikale Hydraulikkanäle 21 mit Querkanälen 21a, 21b aufweisen. Eine Besonderheit bei diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, daß jedes Kupplungselement 9a bzw. 9b seinen eigenen vertikalen Kanal 21 hat.

Durch die im Vergleich zu Fig. 2 verbreiterten Kupplungen bei der ersten bis vierten Variante (nach den Fig. 3 bis 8) ergibt sich, daß ein Teil der normalerweise für Brennstäbe zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche von den Kupplungselemen­ ten 9a, 9b beansprucht wird, im dargestellten Fall müssen je zwei Brennstabpositionen der beiden einander benachbarten Brennelemente unbesetzt bleiben. Bei Heizreaktoren nach dem Siedewasserreaktor-Prinzip, die im Vergleich zu normalen Siede­ wasserreaktoren oder Druckwasserreaktoren eine verhältnismäßig geringe Leistungsdichte im Kern aufweisen, fällt dieses als nachteilig praktisch nicht ins Gewicht.

Es kann vorteilhaft sein, mehrere einander benachbarte Führungs­ kreuze 8 zu einer Kerngitter-Substruktur miteinander zu ver­ schweißen. So könnten die in Fig. 1 dargestellten vier Füh­ rungskreuze 8 im Bereich der vier mit K1 bezeichneten Kupplungen zu einer Kerngitter-Substruktur mittels Schweißen verbunden werden, derart, daß die übrigen der Gitterzelle 1A abgewandten Kreuzschenkel 8.1 der Führungskreuze 8 mit den angrenzenden Führungskreuzen wieder mittels formschlüssiger Kupplungen ver­ bunden werden. Ein solcher Aufbau würde die Montage- und Demontagevorgänge beschleunigen, weil durch Herausheben oder Absenken einer Kerngitter-Substruktur, bestehend aus vier mit­ einander verschweißten Führungskreuzen, der vierfache Flächen­ bereich eines einfachen Führungskreuzes 8 überstrichen wird.

Das Prinzip der Zusammenfassung von mehreren Führungskreuzen zu einer Kerngitter-Substruktur läßt sich auch durch Zusammen­ schweißen oder anderweitiges starres Verbinden von nur zwei Führungskreuzen 8 verwirklichen.

Beim zweiten grundsätzlichen in den Fig. 9 und 10 darge­ stellen Ausführungsbeispiel mit mittelbaren formschlüssigen Kupplungen K2 zum Aufbau einer Kerngitterstruktur CS2 sind die Kreuzschenkelenden 8.1 der Führungskreuze 8 jeweils von recht­ eckigen Versteifungsgurten 30 eingefaßt und mit diesen zu einer Kernzelle, umfassend eine Gitterzellen-Vierergruppe, fest verbunden. Die vier Gitterzellen einer Kernzelle 31 sind mit G1 bis G4 bezeichnet. Mehrere Versteifungsgurte 30 sind über die axiale Länge der Führungskreuze 8 verteilt angebracht; der Ausschnitt nach Fig. 9 zeigt lediglich zwei zueinander axial beabstandete Versteifungsgurte. Je nach Länge der Brenn­ elemente könnten es z. B. vier bis 10 Versteifungsgurte pro Kern­ zelle 31 sein. Der axiale Abstand von Versteifungsgurt zu Versteifungsgurt kann z. B. in der Größenordnung von einem Meter liegen. Die Versteifungsgurte 30 einander benachbarter Kernzellen 31 sind nun mittels zueinander komplementärer Vorsprünge 32 und Rücksprünge 33, welche wechselseitig und formschlüssig ineinandergreifen, miteinander zu einem in sich in bezug auf Querkräfte starren Gitterverband gekuppelt. Die Versteifungsgurte 30 stellen gewissermaßen die Abstandshalter zwischen den einzelnen Kernzellen 31 innerhalb der Kerngitter­ struktur CS2 dar.

Günstig ist es, auch bei den Kernzellen 31 die Abschlußleisten, wie sie bei den bisherigen Ausführungsbeispielen erläutert wurden, zu verwenden, allerdings in einer etwas anderen Funk­ tion. Die hier verwendeten Abschlußleisten 34 verbinden wieder die Schenkel 3a, 3b der inneren Winkelbleche 3 an ihren Enden starr miteinander und erstrecken sich über die gesamte Länge der Kernzellen 31. Jedoch sind mit diesen Abschlußleisten 34 die Versteifungsgurte im Mittenbereich der vier Gurtteile, also dort, wo die Gurte an den Abschlußleisten anliegen, starr verbunden. Im Bereich der vier Ecken der Versteifungsgurte 30 sind diese mit den Vorsprüngen 32 und Rücksprüngen 33 zur wechselseitigen Verzahnung mit den Rücksprüngen 33 und Vor­ sprüngen 32 der jeweiligen Nachbar-Kernzelle 31 versehen. Eine günstige starre Verbindung ist die dargestellte: Die Verstei­ fungsgurte 30 sind jeweils mittig ihrer vier Gurtteile an den Abschlußleisten mittels Zapfen 35 befestigt. Bei der Herstel­ lung wird zweckmäßig so vorgegangen, daß der in Position zum Führungskreuz 8 gebrachte Versteifungsgurt 30 zusammen mit dem Führungskreuz festgespannt wird. Nach entsprechender Markie­ rung werden die Zapfenbohrungen 35a, welche durch die Verstei­ fungsgurte 30 hindurch bis in die Abschlußleisten 34 reichen, eingebracht. In diesem Falle sind zwei übereinander liegende Zapfenbohrungen 35a pro Gurtteil vorgesehen. Der äußere Teil der Zapfenbohrung 35a ist zur Aufnahme des Zapfenkopfes etwas erweitert. Sodann werden die mit Köpfen 35.1 versehenen Zapfen 35 (vgl. Fig. 10) in die Zapfenbohrungen 35a eingebracht, die Zapfenköpfe werden am Öffnungsrand sicherungsverschweißt, und etwa überstehendes Material der Zapfenköpfe 35.1 wird abge­ schliffen (vgl. Fig. 10).

Fig. 10 läßt in ihrem Querschnitt die Befestigung der Verstei­ fungsgurte 30 an den Enden der Kreuzschenkel 8.1 bzw. an den Abschlußleisten 34 der Kreuzschenkelenden sowie auch den form­ schlüssigen Eingriff der Versteifungsgurte untereinander mit­ tels der Vorsprünge 32 und der Rücksprünge 33 deutlich erkennen. Fig. 10 zeigt dabei eine mittlere Kernzelle 31 und im Aus­ schnitt die vier sie umgebenden Kernzellen 31A bis 31D. Im Eck­ bereich der Kernzellen, dort, wo die mäanderförmige Kontur der Vor- und Rücksprünge angeordnet ist, bleiben jeweils Freiräume 36 von rechteckigem Querschnitt erhalten, welche den Vorteil haben, daß die Toleranzanforderungen an die Passung nicht zu groß sein müssen. Außerdem ist der Vorteil eins zusätzlichen Kühlkanals, der eine Strömung des Kühlwassers in den Zwischen­ räumen zwischen den Kernzellen ermöglicht, und damit eine gleich­ mäßigere Kühlung über den Querschnitt der Kerngitterstruktur gesehen gegeben.

Bislang war nur von sogenannten inneren Winkelblechen 3 die Rede, welche mit ihrem Scheitelpunkt bzw. ihrer 45°-Winkelblech­ partie 3c dem Zentrum 8.0 der Führungskreuze 8 zugewandt sind. Aus Fig. 9 und 10 erkennt man außerdem äußere Winkelbleche 37, deren Scheitelpunkt 37c, vorzugsweise in Gestalt einer abge­ rundeten Ecke, dem Scheitelpunkt der inneren Winkelbleche 3 dia­ gonal gegenüberliegt. Diese äußeren Winkelbleche 37 sind, siehe Längsschweißnähte 38, an den Versteifungsgurten 30 festge­ schweißt. Sie definieren jeweils zusammen mit den gegenüber­ liegenden inneren Winkelblechen 3 der betreffenden Teilgitter­ zelle den Aufnahmequerschnitt für ein Brennelement BE (vgl. Fig. 9 in Verbindung mit Fig. 10). Die inneren und äußeren Winkelbleche 3, 37 müssen nicht einen über seinen Umfang ge­ schlossenen Blechkasten bilden; wie man es aus Fig. 9 und - noch besser aus Fig. 10 - erkennt, können an den Enden der inneren und äußeren Winkelbleche Eckenspalte 38 freibleiben, welche nur im Bereich der Versteifungsgurte 30 geschlossen und sonst seitlich offen sind, so daß über diese Eckenspalten 38 zwischen benachbarten Brennelementen eine strömungsmäßige Quer­ verbindung besteht.

Aus Gründen der Neutronenökonomie empfiehlt es sich, die inneren Winkelbleche 3 aus einer Zirkoniumlegierung, insbeson­ dere aus Zirkaloy, zu fertigen. Dies gilt auch für die äußeren Winkelbleche 37.

Aus Fig. 9 erkennt man, daß das im linken Teil der Figur dargestellte Brennelement BE in seiner eingefahrenen Position einen Schachtabschnitt 39 der zugehörigen Teilgitterzelle freiläßt. Dieser Schachtabschnitt 39 ist vorzugsweise so lang, daß ein aus dem Brennelementbereich mit seinen Absorberelementen 4a herausgezogener Steuerstab 4 durch das betreffende Führungs­ kreuz 8 noch geführt und gehalten ist, und zwar vorzugsweise auf seiner gesamten Länge. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht deshalb darin, daß der axiale Überstand der Führungskreuze 8 oberhalb des durch die eingefahrenen Brennele­ mente BE in seiner Höhe definierten Kerns mindestens so groß ist wie die Länge der Absorberelemente 4a.

Aus Fig. 9 ist erkennbar, daß sogenannte kastenlose Brenn­ elemente BE im Rahmen der Erfindung geeignet sind; diese haben lediglich zugleich der Versteifung dienende Abstandhalte- Rahmen 40 in demjenigen Längenbereich, der im eingefügten Zustand des Brennelements in den Höhenbereich der Versteifungs­ gurte 30 fällt. Die Erfindung ist indessen nicht auf kasten­ lose Brennelemente beschränkt.

Abschließend seien noch einmal die besonderen Vorteile genannt, welche die Kerngitterstruktur nach der Erfindung im Vergleich zu derjenigen nach der eingangs erwähnten EP-B1 (Blechschächte durch Vierkantrohre gebildet) hat:
Die Vierkantrohre zur Bildung der Blechschächte werden ersetzt durch Führungskreuze mit inneren Winkelblechen (Fig. 1 bis 8) bzw. durch Führungskreuze mit inneren und äußeren Winkelblechen sowie mit Versteifungsgurten 30 (Fig. 9 und 10). Die Herstel­ lung dieser Führungskreuz-Ausführung ist fertigungstechnisch wesentlich weniger aufwendig als eine Fertigung von Vierkant­ rohren, innerhalb welcher Distanzstegelemente angeordnet werden müssen. Die Schweißnähte bzw. Schweißpunktreihen (bei einer Punktschweißverbindung) sind beim Gegenstand der Erfindung einfacher und besser zugänglich. Etwa die Hälfte des Blech­ materials in einem Reaktorkern entfällt. Das bedeutet eine Einsparung an Zirkoniumblech und eine Verbesserung der Neutro­ nenökonomie.

Claims (18)

1. Kerngitterstruktur (CS1, CS11-CS14; CS2) für Kernreakto­ ren, insbesondere für Heizreaktoren, zur Aufnahme und zur Halterung der Brennelemente (BE) in rechteckigen Gitterzellen (1A-1J; G1-G4) des Reaktorkerns, wobei jeweils vier Gitterzellen um einen Kreuzspalt (2) gruppiert sind und die dem Kreuzspalt (2) zugewandten Ecken (1.0) der Gitterzellen einer jeweiligen Gitterzellen-Vierergruppe von inneren Winkel­ blechen (3) begrenzt werden, welche einen solchen Abstand (a1, a2) voneinander haben, daß sie zwischen sich den von Brenn­ elementen (BE) nicht besetzten Kreuzspalt (2) bilden, wobei der Kreuzspalt (2) zur Aufnahme auf- und abwärts bewegbarer Steuerstäbe (4) einschließlich deren Absorberelemente (4a) eingerichtet ist, mit den folgenden weiteren Merkmalen:

• a) die inneren Winkelbleche (3) der jeweiligen Gitterzellen- Vierergruppe (z. B. 1A-1D) sind als in sich selbst trag­ fähige und separate Vorfertigungs-Baueinheit miteinander zu die Gitterzellen-Teilung definierenden Führungskreuzen (8) verbunden, welche von einem Kreuzzentrum (8.0) abstehende, durch je ein Paar starr miteinander verbundener Winkelblech­ schenkel (3a, 3b) gebildete Kreuzschenkel (8.1) aufweisen,
• b) die aneinanderstoßenden äußeren Enden der Kreuzschenkel (8.1) einander benachbarter Führungskreuze (8) greifen formschlüssig über Kupplungselemente (9a, 9b) ineinander, so daß die gesamte Kerngitterstruktur nach dem Baustein­ prinzip aus den Führungskreuzen (8) zusammensetzbar ist.

2. Kerngitterstruktur nach Anspruch 1, wobei die Steuerelemente (4) durch die Führungskreuze (8) von oben in den Reaktorkern einfahrbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Führungskreuze (8) die durch die Brennelementlänge gegebene Kernhöhe wesentlich übersteigt, so daß auch ein aus dem Kern ausgefahrenes Steuerelement (4) durch sein Führungs­ kreuz geführt und gehalten ist.

3. Kerngitterstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Überstand der Führungskreuze (8) oberhalb des Kerns mindestens so groß ist wie die Absorberelementlänge.

4. Kerngitterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den freien Enden der Kreuzschenkel (8.1) deren beide innere Winkelbleche (3) jeweils durch Abschlußleisten (12, 13; 12′, 13′; 34) miteinander starr verbunden sind.

5. Kerngitterstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abschlußleisten (12, 13; 12′, 13′; 34) durchgehend über die Länge der Führungskreuze (8) erstrecken.

6. Kerngitterstruktur nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschluß­ leisten (12, 13; 12′, 13′; 34) unmittelbar als Kupplungselement ausgebildet und hierzu mit in Kreuzschenkelrichtung (7) orien­ tierten Vor- und Rücksprüngen (16, 17) versehen sind, mittels welcher aneinanderstoßende Kreuzschenkel (8.1) benachbarter Führungskreuze (8) wechselseitig und formschlüssig ineinander­ greifen.

7. Kerngitterstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rück­ sprünge (17) als Längsnuten und die Vorsprünge (16) als Längs­ schienen ausgebildet sind, so daß Nut- und Schienenflanken (18, 19) als Paßflächen wechselseitig aneinanderliegen und am Grunde der Längsnuten (17) sowie am Kopf der Längsschienen (16) sich einander gegenüberstehende Querflächen (16a, 17a) ergeben.

8. Kerngitterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils aneinander stoßenden Kreuzschenkelenden gelenkig miteinander gekuppelt sind.

9. Kerngitterstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aneinander stoßende Kreuzschenkelenden mit axial gegeneinander versetzten Gelenkaugen (26) ineinanderfügbar und mittels eines durch die axial fluchtenden Gelenkaugen (26) eintreibbaren Gelenkzapfens (27) miteinander kuppelbar sind.

10. Kerngitterstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß konvexe Außenpaßflächen (28) der Gelenkaugen (26) an einem Kreuz­ schenkel (8.1) und konkave Gegenpaßflächen (29) an einer Abschlußleiste (12′) des Gegenkreuzschenkels (8.1) einen Krüm­ mungsradius (R1) solcher Größe aufweisen, daß bei gezogenen Brennelementen (BE) und gezogenem Gelenkzapfen (27) die Gelenkkupplung zwischen zwei Führungskreuzen (8) durch Ver­ drehung eines Führungskreuzes um seine Schaftachse (8.0) voll­ ständig lösbar ist.

11. Kerngitterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die anein­ ander stoßenden äußeren Enden der Kreuzschenkel (8.1) bei wenigstens einem Teil der Führungskreuze (8) miteinander ver­ schweißt sind.

12. Kerngitterstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einander benachbarte Führungskreuze (8) zu einer Kerngitter- Substruktur miteinander verschweißt sind und einander benach­ barte Kerngitter-Substrukturen mittels an den freien Enden der aneinanderstoßenden Kreuzschenkel (8) befestigter Kupplungs­ elemente (9a, 9b) formschlüssig sowie de- und remontabel ineinandergreifen.

13. Kerngitterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuz­ schenkelenden der Führungskreuze (8) von rechteckigen Verstei­ fungsgurten (30) umfaßt und mit diesen zu einer Kernzelle (31), umfassend eine Gitterzellen-Vierergruppe (G1-G4), fest verbunden sind, daß mehrere Versteifungsgurte (30) über die axiale Länge der Führungskreuze (8) verteilt angebracht sind und daß die Versteifungsgurte (30) einander benachbarter Kernzellen (31) mittels zueinander komplementärer Vor- und Rücksprünge (32, 33) wechselseitig und formschlüssig ineinandergreifen.

14. Kerngitterstruktur nach Anspruch 13, mit Abschlußleisten (34) an den Enden der Kreuzschenkel, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Versteifungsgurte (30) im Mittenbereich ihrer Gurtteile mit den Abschlußleisten (34) starr verbunden und in ihrem Eckbereich mit den Vor- und Rück­ sprüngen (32, 33) zur wechselseitigen Verzahnung mit Rück- und Vorsprüngen (33, 32) der jeweiligen Nachbar-Kernzelle versehen sind.

15. Kerngitterstruktur nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsgurte (30) der Kernzellen (31) am Innenumfang ihrer vier Eckbereiche mit äußeren Winkelblechen (37) verbun­ den sind, welche jeweils zusammen mit den inneren Winkel­ blechen (3) der betreffenden Gitterzelle den Aufnahmequer­ schnitt für ein Brennelement (BE) definieren.

16. Kerngitterstruktur nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsgurte (30) an den Führungskreuzen (8) durch Verbohren, Verzapfen und Sicherungsschweißen der über die Gurtaußenfläche nicht überstehenden Zapfenköpfe (35a) befestigt sind.

17. Kerngitterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Winkelbleche (3) aus einer Zirkoniumlegierung, insbesondere aus Zirkalloy, bestehen.

18. Kerngitterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß auch die äußeren Winkelbleche (37) aus einer Zirkoniumlegierung, insbesondere aus Zirkaloy, bestehen.