DE4117623A1 - Brennelement fuer leichtwasserreaktoren, insbesondere fuer heizreaktoren, und kernstruktur daraus - Google Patents
Brennelement fuer leichtwasserreaktoren, insbesondere fuer heizreaktoren, und kernstruktur darausInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für Leichtwas
serreaktoren, insbesondere für Heizreaktoren, bestehend aus
mehreren axial aneinanderreihbaren Teilbrennelementen polygo
nalen Querschnitts, deren jedes ein Bündel von Brennstäben
sowie kopf- und fußseitig je eine Endplatte umfaßt.
Ein solches Brennelement ist durch die DE-AS 11 95 877 bekannt.
In dieser Schrift ist eine Brennelementsäule beschrieben, deren
einzelne Teilbrennelemente Rundquerschnitt aufweisen und
mittels Halbring-Kupplungen an ihren kopf- und fußseitigen
Enden miteinander gekuppelt werden können. Die Endplatten sind
als Kreisscheiben ausgeführt; es findet sich jedoch auch ein
Hinweis darauf, daß anstelle kreisscheibenförmiger Endplatten
eliptische oder eckige Platten verwendet werden können, z. B.
rechteckige Platten oder solche in der Form regelmäßiger Viel
ecke, insbesondere Quadrate, Sechs-, Acht- oder Zwölfecke.
Aufgrund der Kupplungen zwischen den Teilbrennelementen kann
die Reihenfolge letzterer innerhalb der Brennelementsäule
geändert werden, was im Interesse eines gleichmäßigen Abbrandes
und einer Vergleichmäßigung der Flußverteilung in axialer und
radialer Richtung von Vorteil ist. Ein Hinweis darauf, daß die
Teilbrennelemente auch gewendet, d. h. ihre kopf- und fußseiti
gen Endplatten in ihrer Position miteinander vertauscht werden
können, findet sich in der genannten DE-AS nicht. Auch ein Ver
drehen der Teilbrennelemente relativ zueinander ist wegen der
vorgegebenen Position der Kupplungsringhälften in bezug auf die
Brennelementwechselmaschine nicht gegeben und nicht beabsich
tigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem
Brennelement für Leichtwasserreaktoren der eingangs genannten
Art, dieses so auszubilden, daß seine Teilbrennelemente nicht
nur verschiedene Axialpositionen innerhalb der Brennelement
säule einnehmen können, sondern dessen Teilbrennelemente auch
gewendet und innerhalb der Kerngitterstruktur auch verdreht
werden können. Eine der Erfindung zugrundeliegende Unterauf
gabe besteht darin, die Manipulierbarkeit der Brennelemente
unter beengten räumlichen Verhältnissen, insbesondere beim
Brennelementwechsel von kompakt aufgebauten Heizreaktoren, und
die Vergleichmäßigung des Abbrandes über die Kernhöhe gesehen
zu verbessern. Weiterhin soll ein einfacher, kostengünstiger
Aufbau des Brennelementes bzw. seiner jeweiligen Teilbrenn
elemente gewährleistet sein, der einerseits fertigungsgerecht
sein, andererseits aber auch die spätere leichte Zerlegbarkeit
berücksichtigen soll.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung
ein Brennelement für Leichtwasserreaktoren, insbesondere für
Heizreaktoren, bestehend aus mehreren axial aneinanderreihbaren
Teilbrennelementen polygonalen Querschnitts, deren jedes ein
Bündel von Brennstäben sowie kopf- und fußseitig je eine End
platte umfaßt, mit den folgenden weiteren Merkmalen:
- a) Die beiden Endplatten jedes Brennelementes sind gleichartig ausgebildet und in ihrer Funktion als Kopfplatte oder Fuß platte vertauschbar, so daß durch Wenden eines Teilbrenn elementes eine kopfseitige Endplatte die Position und Funk tion einer fußseitigen Endplatte und umgekehrt einnimmt, und
- b) die beiden Endplatten des Teilbrennelementes sind mittels Skelett-Elementen starr miteinander verbunden, wobei die Skelett-Elemente als langgestreckte Zuganker ausgebildet sind, sich jeweils über die Länge des Teilbrennelementes erstrecken und so den Abstand der beiden Endplatten zuein ander fixieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 21
angegeben.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem
darin zu sehen, daß ein Stapel- und Wende-Brennelement
geschaffen worden ist, welches aufgrund der vielfältigen Posi
tionen, die es im Kern eines Leichtwasserreaktors einnehmen
kann, einen gleichmäßigen Abbrand und damit eine verbesserte
Brennstoffausnutzung sowie eine Vergleichmäßigung der Fluß
verteilung in axialer und radialer Richtung ermöglicht.
Aufgrund seiner verringerten axialen Länge - ein einzelnes
Brennelement kann z. B. aus drei axial aufeinandergestapelten
Teilbrennelementen zusammengesetzt sein - sind seine axiale
Dehnung und sein axialer Schrumpf im Bereich des Betriebstem
peratur-Bereichs relativ klein, so daß die starre Verbindung
der Endplatten mittels als Zuganker ausgebildeten Skelett-Ele
menten möglich ist.
Grundsätzlich ist das neue Brennelement für Druckwasser-,
Siedewasser- oder Schwerwasserreaktoren einsetzbar. Mit beson
derem Vorteil ist es indessen für Heizreaktoren, die nach dem
Siedewasserreaktor-Prinzip arbeiten, geeignet. Demgemäß
besteht eine bevorzugte Ausführungsform des Brennelements
gemäß Anspruch 2 darin, daß jedes seiner Teilbrennelemente
einschließlich des beider Endplatten einen quadratischen
Grundquerschnitt aufweist. Unter quadratischer Grundquerschnitt
wird verstanden, daß die Ecken des Brennelementes bzw. seiner
Teilbrennelemente auch abgerundet oder abgeflacht sein können;
eine Abflachung oder eine Einziehung der Eckenkontur wird
insbesondere dann vorgesehen, wenn zwischen den Brennelementen
in Kreuzungspunkten des Kerngitters Steuerstäbe mit ihren
Absorberelementen angeordnet sind. Demgemäß besteht eine
bevorzugte Ausgestaltung mit Brennelementen nach der Erfindung
und einer Kernstruktur nach Anspruch 19 darin, daß um einen
Kreuzspalt vier Brennelemente quadratischen Querschnitts, je
eines in einem Quadranten eines mit dem Kreuzspalt zusammen
fallenden Achsenkreuzes, angeordnet sind und diese Brenn
element-Vierergruppe mit einem Steuerstab, dessen kreuzförmige
Absorberblätter in dem Kreuzspalt entsprechender Spaltweite
aufwärts und abwärts bewegbar sind, eine Kernzelle bildet.
Kernzellen bei Siedewasserreaktoren sind in ihrer grundsätz
lichen Ausführung z. B. bekannt durch das Buch "VGB-Kernkraft
werks-Seminar 1970", Seite 89, insbesondere Abbildung 2. Eine
Kernzelle besteht danach aus einem kreuzförmigen Steuerstab
und vier rechteckigen Brennelementkästen.
Ausgehend von einer solchen Kernstruktur, wobei die Kernzelle
einen Steuerstab mit hydraulischem Antrieb aufweist und ein
Kolben-Zylinder-System des Steuerstabantriebs im Zentrum der
Kernzelle angeordnet ist, besteht eine Weiterbildung der
Erfindung nach Anspruch 20 darin, daß die dem Steuerstabantrieb
zugewandten Eckenkonturen der Brennelemente bzw. der Teilbrenn
elemente zwecks Freilassung eines erweiterten Freiraums für
den Steuerstabantrieb eingezogen sind.
Nach Anspruch 21 ist die Eckenkontur der Brennelemente bzw.
Teilbrennelemente vorzugsweise so weit eingezogen, daß die
gewonnene, etwa sektorförmige Querschnittsfläche der normaler
weise benötigten Querschnittsteilfläche eines Ecken-Brennestabs
entspricht. Es wird damit der Raum für robuste hydraulische
Steuerstabantriebe gewonnen, deren Kolben-Zylinder-System sich
innerhalb des Kerns als sogenannte interne Steuerstabantriebe
befinden, wobei die hydraulischen Auftriebskräfte jeweils so
dosiert werden können, daß der Steuerstab mit seinen Absorber
elementen eine gewünschte Axialposition einnimmt. Im Falle
eines Abfalls des hydraulischen Drucks nehmen die Steuerstäbe
mit ihren Absorberelementen automatisch die in den Kern einge
fahrene, also die Sicherheitsposition, ein. Der geschilderte
Kernstrukturaufbau ist bei Heizreaktoren zur Erzielung einer
gewünschten inhärenten Sicherheit bei einfacher Bedienung
besonders vorteilhaft, zumal der Wegfall eines Eckenstabs pro
Brennelement wegen der relativ geringen Leistungsdichte im
Kern von Heizreaktoren als nachteilig nicht ins Gewicht fällt.
Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes
werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in welcher
mehrere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt
sind. In der Zeichnung zeigt im zum Teil vereinfachter, schema
tischer Darstellung:
Fig. 1 ein einzelnes aus drei Teilbrennelementen
zusammengesetztes, als Wende- und Stapel-Brennele
ment ausgeführtes Brennelement nach der Erfindung;
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1;
Fig. 3 ausschnittsweise im Querschnitt eine Kernstruktur
in Gestalt einer Kernzelle mit einer ersten Aus
führungsform eines Brennelementes nach der Erfin
dung, dessen Skelett-Elemente als gesonderte Zug
anker in Zwischenräumen zwischen den Brennstäben
angeordnet sind;
Fig. 4 den Schnitt nach der Schnittebene IV-IV aus Fig. 3
durch ein Teilbrennelement;
Fig. 5 in entsprechender Querschnittsdarstellung zu
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Brenn
elementes nach der Erfindung innerhalb der Kern
struktur einer Kernzelle, wobei als Skelettstäbe
und Haltestäbe für ein Abstandshaltegitter ein
Teil der Brennstäbe selbst verwendet ist;
Fig. 6 den Schnitt nach der Schnittebene VI-VI aus Fig. 5
durch ein Teilbrennelement;
Fig. 7 einen Teil-Querschnitt durch die obere Endplatte
des Teilbrennelements nach Fig. 6 längs der
Schnittebene VII-VII;
Fig. 8 im Ausschnitt den Eingriff zwischen den Noppen
eines Haltestabes und dem Abstandshaltegitter bei
einem Teilbrennelement nach Fig. 5 bis 7;
Fig. 9 die Draufsicht auf das Detail nach Fig. 8;
Fig. 10 in entsprechender Darstellungsweise zu Fig. 3
und 5 eine dritte Ausführungsform eines Brennele
mentes nach der Erfindung innerhalb der Kernstruk
tur einer Kernzelle mit flachen Zugbändern als
Skelett-Elemente;
Fig. 11 den Teilschnitt nach der Schnittebene XI-XI aus
Fig. 10 durch ein Teilbrennelement;
Fig. 12 in perspektivischer Darstellung ein Brennelement-Ske
lett für ein Brennelement nach Fig. 10 und
11 mit jeweils vier Zugbändern zwischen der oberen
Endplatte und dem Mittelteil sowie zwischen der
unteren Endplatte und dem Mittelteil;
Fig. 13 eine Variante des Brennelement-Skeletts nach
Fig. 12 mit nur vier Zugbändern, davon je zwei
in einer Flucht und
Fig. 14 eine zweite Variante, ebenfalls mit nur vier Zug
bändern, die paarweise über Kreuz angeordnet sind und
Fig. 15 einen Heizreaktor perspektivisch im Ausschnitt,
welcher Kernzellen aufweist, die mit Wende- und
Stapel-Brennelementen nach der Erfindung bestückt
werden können.
Fig. 1 und 2 zeigen ein als Ganzes mit BE bezeichnetes
Brennelement für Leichtwasserreaktoren, vorzugsweise für
Heizreaktoren. Dieses besteht aus mehreren, im vorliegenden
Fall drei, axial aneinanderreihbaren Teilbrennelementen T1 bis
T3 polygonalen Querschnitts. Im vorliegenden Fall ist der
Querschnitt des Brennelements BE und demgemäß auch seiner
Teilbrennelemente quadratisch, weil dies die bevorzugte
Ausführung für Heizreaktoren ist, welche in ihrem Kern einen
Kernzellenaufbau haben, wie er z. B. in Fig. 15 im Ausschnitt
dargestellt ist (darauf wird später eingegangen). Jedes der
Teilbrennelemente T1-T3 umfaßt ein Bündel von Brennstäben f
sowie kopf- und fußseitig je eine Endplatte K bzw. F. Die
beiden Endplatten K, F sind gleichartig ausgebildet und in
ihrer Funktion als Kopfplatte oder Fußplatte austauschbar, so
daß durch Wenden eines Teilbrennelementes, wie es der Drehpfeil 1
symbolisiert, eine kopfseitige Endplatte K die Position und
Funktion einer fußseitigen Endplatte F einnimmt und umgekehrt,
d. h. eine fußseitige Endplatte F die Position und Funktion
einer kopfseitigen Endplatte K. Aus diesem Grund sind die
beiden kopf- und fußseitigen Endplatten K, F in ihren Abmes
sungen (Querschnitt und Höhe bzw. Dicke) einander gleich.
Aus Fig. 1 ist noch ein Abstandshaltegitter A für die Brennstäbe
f erkennbar, welches auf halber Länge des Teilbrennelementes
T1 mit dem aus dieser Figur nicht näher ersichtlichen Brenn
element-Skelett starr verbunden ist bzw. einen Teil dieses
Skeletts bildet. Wenn man nun das Teilbrennelement T1 beispiels
weise um die Wendeachse 2 wendet, dann werden auch die vordere
und hintere Seite der beiden Endplatten F, K nicht nur in
ihrer Höhen-, sondern auch in ihrer Seitenposition vertauscht,
denn die mit F1 bezeichnete Frontseite der fußseitigen Endplat
te F aus Fig. 2 gelangt nach dem Wenden in eine hintere Posi
tion. Entsprechendes gilt für die vordere Flanke K1 der kopf
seitigen Endplatte K, wenn das Teilbrennelement T1 gewendet
wird. Hat das Brennelement BE oder haben seine Teilbrennelemen
te T1 bis T2 nicht nur einen quasi-quadratischen, sondern
einen reinquadratischen Grundriß oder Querschnitt, so sind
alle vier Längsseiten eines Teilbrennelements ebenfalls mit
einander vertauschbar. Mithin kann ein solches Teilbrenn
element nach Fig. 2 vier Drehpositionen um seine Längsachse 4
einnehmen, wenn es in Richtung des Drehpfeils 3 gedreht wird
(oder in entgegengesetzter Drehrichtung), und in der beschrie
benen Wendeposition, wenn also die fußseitige Endplatte F und
die kopfseitige Endplatte K miteinander vertauscht sind,
ebenfalls vier Drehpositionen, also zusammen acht.
Wenn man bei der dargestellten Ausführung eines Brennelements,
das aus drei Teilbrennelementen T1 bis T3 besteht, jedes der
drei Teilbrennelemente jede der drei Höhenpositionen nach
Fig. 1 einnehmen läßt und außerdem die Wende- und Drehpositio
nen berücksichtigt, so kann ein einzelnes Teilbrennelement
innerhalb der Brennelementsäule nach Fig. 1 insgesamt 24
verschiedene Positionen einnehmen. Die Erfindung ist auf drei
axial aneinandergereihte Teilbrennelemente einer Brennelement
säule BE nicht beschränkt; es kann sich auch nur um zwei Teil
brennelemente oder aber um mehr als drei handeln. Je größer
die Anzahl der axial aneinandergereihten Teilbrennelemente, um
so kleiner wird die resultierende aktive Zone, die sich aus
der Summe der einzelnen aktiven Zonen a1 jedes Teilbrennelemen
tes T1 bis T3 ergibt. Die aktive Zone ist definiert durch die
axiale Länge der für den Kernspaltungsprozeß zur Verfügung
stehenden Kernbrennstoffs eines Brennstabs f bzw. des zugehöri
gen Teilbrennelements, das generell mit T bezeichnet wird.
Fig. 3 und 4 zeigen eine erste Ausführungsform für ein Teil
brennelement nach den Fig. 1 und 2. Die beiden Endplatten K
und F sind mittels Skelett-Elementen SE1 bis SE4, generell mit
SE bezeichnet, starr miteinander verbunden, wobei diese
Skelett-Elemente als langgestreckte Zuganker 5 (vgl. Fig. 4)
ausgebildet sind, die sich jeweils über die Länge des Teil
brennelementes T erstrecken und so den Abstand der beiden End
platten K, F zueinander fixieren. Die Zuganker 5 sind Stäbe
kreisförmigen Querschnitts, bestehend aus korrosionsbeständi
gem Stahl; sie sind, vergleiche Fig. 3, in Zwischenräumen
zwischen den Brennstäben f angeordnet. Bei dem in Fig. 3
und 4 dargestellten Brennelement BE bzw. Teilbrennelement T
quadratischen Grundquerschnitts ist es vorteilhaft, wenn je
ein Zuganker 5 je einem Quadranten QI bis QIV des quadrati
schen Grundquerschnitts des Teilbrennelements T zugeordnet und
jeder der vier Zuganker 5 des Teilbrennelements mittig inner
halb seines Quadranten QI bis QIV angeordnet ist. Von den
Zugankern 5 ist wenigstens ein Abstandshaltegitter A (vgl.
Fig. 4) für die Brennstäbe f gehaltert. Bei nur einem Abstands
haltegitter A pro Teilbrennelement T (vgl. auch Fig. 2) ist
es günstig, dieses auf halber axialer Länge des Teilbrenn
elements T anzuordnen. Eine günstige Ausführung für die Halte
rung des Abstandshaltegitters A ist die, daß letzteres achs
parallel zu den Brennstabachsen f′ verlaufende integrale Rohr
hülsen 6 aufweist, welche von den Zugankern 5 durchdrungen
sind. Die Rohrhülsen 6 und mit ihnen das Abstandshaltegitter A
sind dann durch auf den Zugankern 5 sitzende Distanzrohre 7
axial fixiert. Die Zuganker 5, welche mit dem Abstandshalte
gitter A und den Distanzrohren 7 sowie mit kopf- und fußseiti
ger Endplatte K, F das Brennelement-Skelett bilden, sind mit
den kopf-und fußseitigen Endplatten K, F jeweils verschweißt,
vgl. Ringschweißnähte 8. Die Brennstäbe f dagegen sind vorzugs
weise formschlüssig durch das Brennelement-Skelett, d. h. zwi
schen kopf- und fußseitiger Endplatte K, F gehalten. In die
Hüllrohre 9 der Brennstäbe f sind hierzu an deren Enden End
stopfen 10 eingeschweißt sind. Die Endstopfen 10 weisen jeweils
eine Ringschulter 10a auf, und über den Endstopfen mit seiner
Ringschulter greift formschlüssig die jeweilige Endplatte K
bzw. F mit einer angepaßten Aussparung 11.
Anstelle einer Fixierung des Abstandshaltegitters A mittels
der Distanzrohre 7 könnte das Abstandshaltegitter A auch an
den Zugankern 5 angeschweißt sein.
Für die Querschnittsform der Zuganker 5 und der zugehörigen
Rohrhülsen 6 sowie Distanzrohre 7 können außer der in Fig. 3
dargestellten Rundquerschnittsform auch andere Querschnitts
formen günstig sein, so z. B. ein Karo-Querschnitt, wobei die
Karo-Spitzen in die vier benachbarten Lücken zwischen den Brenn
stäben ragen, oder ein quadratischer Querschnitt, wobei die
Quadratecken ebenfalls in die Lücken ragen. Eine weitere gün
stige Querschnittsform mit reduzierter Materialanhäufung ist
eine Kreuzform, wobei die Kreuzschenkelenden wieder auf die
Lücken zwischen den benachbarten Brennstäben ausgerichtet sind.
In Fig. 4 sind im Schnitt Blattfederelemente 12 des Abstands
haltegitters A dargestellt, welche mit ihren Vorsprüngen 12a
am Umfang des einen Brennstabs f anliegen und mit ihren Rück
sprüngen 12b am Nachbarbrennstab. Ferner erkennt man aus Fig.
4 die einzelnen Pellets oder Brennstofftabletten 13 innerhalb
des Hüllrohrs 9 eines Brennstabs f.
In Fig. 3 ist durch die sich kreuzenden Koordinatenlinien x
und y die Lage eines Kreuzspalts 14 zwischen den vier Brenn
elementen BE1 einer Kernzelle CC angedeutet. Der zentrale Teil
14.1 des Kreuzspalts 14 ist zur Bildung eines angenähert kreis
förmigen Querschnitts erweitert. Diese Erweiterung dient zur
Aufnahme eines Steuerstabs mit seinem hydraulischen Kolben-
Zylinder-Antrieb, wobei sich an die zentrale Erweiterung 14.1
in den vier Koordinatenrichtungen je ein Kreuzspaltschenkel
14.2 anschließt, in welchem die blatt- oder flügelförmigen
Absorberelemente des Steuerstabantriebs auf- und abbewegt
werden können (wird weiter unten anhand von Fig. 15 noch
erläutert). Die dem (in Fig. 3 nicht dargestellten) Steuer
stabantrieb zugewandten Eckenkonturen der Brennelemente der
Kernzelle CC bzw. der zugehörigen Teilbrennelemente T sind
zwecks Schaffung eines erweiterten Freiraums für den Steuer
stab bzw. dessen Antrieb, wie dargestellt, eingezogen, d. h.
anstelle der gestrichelt dargestellten Eckenkontur 15′ einer
virtuellen Kernzellenwand 16 verläuft jetzt die Eckenkontur 15
angenähert unter 45° abgeflacht bzw. leicht konkav (eingewölbt).
Dabei ist die Eckenkontur 15 insbesondere so weit eingezogen,
daß die gewonnene, etwa sektorförmige Querschnittsfläche 17 der
normalerweise benötigten Querschnittsteilfläche eines (nicht
vorhandenen) Ecken-Brennstabs entspricht, dessen virtuelle
Position durch ein gestricheltes Kreuz 18′ angedeutet ist.
Von den vier zu einer vollständigen Kernzelle gehörigen Brenn
elementen BE1 ist in Fig. 3 nur eines vollständig in seinem
Querschnitt und ein zweites nur zum Teil in seinen Umrissen
dargestellt; das dritte und das vierte Brennelement sind in
Fig. 3 weggelassen, weil zum Verständnis nicht erforderlich.
Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bis 9 ist ein
Teil der Brennstäbe f, selbst, nämlich die mit S bezeichneten,
als Skelett-Elemente in Form von Skelettstäben ausgebildet
(Fig. 5). Hierzu sind die Skelettstäbe S mit ihren Endstopfen
10 jeweils mit den beiden kopf- bzw. fußseitigen Endplatten K,
F starr verbunden, insbesondere verschweißt (Ringschweißnähte
170). Wie es der Querschnitt nach Fig. 5 verdeutlicht, ist es
bei Brennelementen BE2 oder zugehörigen Teilbrennelementen T
quadratischen Grundquerschnitts vorteilhaft, wenn je ein Ske
lettstab S je einem Quadranten QI bis QIV des Grundquerschnitts
des Teilbrennelements zugeordnet ist und jeder der vier Skelett
stäbe S innerhalb seines Quadranten die Stabposition eines inne
ren Brennstabes f besitzt. Dabei bedeutet "innerer Brennstab"
einen solchen, der innerhalb der äußeren Brennstabreihen 180
angeordnet ist. Diese Skelettstäbe S übernehmen deshalb für
ihren jeweiligen Quadranten QI bis QIV anteilig die Zugbean
spruchung aufgrund von Wärmedehnungen eines Teilbrennelements.
Zur Halterung des Abstandshaltegitters A ist bei der Ausführung
nach Fig. 5 bis 9 ein Teil der Brennstäbe f selbst, nämlich
die mit H bezeichneten (vgl. Fig. 5) als Haltestäbe für wenig
stens ein Abstandshaltegitter ausgebildet. Hierzu sind die
Haltestäbe H (vgl. insb. Fig. 6 und 8) an ihrem Außenumfang
mit Noppen 19 versehen, mit denen das Abstandshaltegitter A
mittels einwärts gerichteter Vorsprünge 12a und Rücksprünge
12b seiner Blattfederelemente 12 (integrierte federnde Hülsen
bzw. Gittermaschen) formschlüssig in Eingriff bringbar ist.
Gemäß Fig. 8 greift jeweils ein federnder Vorsprung 12a
zwischen zwei Noppen 19 des Haltestabs H. Die Vor- und Rück
sprünge 12a, 12b an den federnden Hülsen 12 erstrecken sich
nicht über den gesamten Umfang eines Haltestabs H, sondern -
wie es Fig. 9 zeigt - jeweils nur über einen Umfangsteil
bereich, so daß durch Verdrehung des Haltestabs H die Noppen
19 um z. B. 45° außer Eingriff der Vor-und Rücksprünge 12a, 12b
gelangen. In der Eingriffs-Drehstellung nach Fig. 8 und 9
wird zweckmäßig der jeweilige Haltestab H durch einen Keil 20
verdrehgesichert, welcher von außen in eine Längsnut 21 ein
fügbar ist. Diese Nut 21 wird jeweils von einer Ausnehmung
gebildet, die in den Außenumfang des Endstopfens 10 und den
Innenumfang der Aufnahmebohrung 11 der kopf- bzw. fußseitigen
Endplatte K bzw. F eingebracht ist. Anstelle eines Keils 20
könnte auch ein Stift oder eine Inbusschraube verwendet sein,
wobei zu diesen Verbindungselementen eine entsprechende Auf
nahmebohrung oder eine Gewindebohrung gehören würde.
Vorzugsweise ist jedem der Skelettstäbe S je ein Haltestab H
benachbart, wie es Fig. 5 verdeutlicht, so daß jeder der vier
Quadranten QI bis QIV je ein Skelettstab/Haltestab-Paar S/H
aufweist.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 bis 12 und bei den
Varianten dazu nach Fig. 13 und 14 sind die Skelett-Elemente
SE durch metallische Zugbänder 22 gebildet, von denen je ein
Zugband 22 je einem Paar von Quadranten QI/QII, QII/QIII usw.
zugeordnet ist. Der Aufbau der Kernzelle CC ist im Prinzip so,
wie anhand der Fig. 3 und 5 erläutert. Das in der letzt
genannten Figur dargestellte Brennelement wird mit BE2 und
dasjenige nach den Fig. 10 bis 12 mit BE3 bezeichnet. Die
perspektivisch vereinfachte Darstellung nach Fig. 12 zeigt in
Verbindung mit Fig. 10, daß die Zugbänder 22 zusammen mit dem
Abstandshalter A und den beiden Endplatten K und F ein Brenn
element-Skelett bilden, so daß die in diesem Skelett 23
gehaltenen Brennstäbe f (siehe Fig. 11) außer ihrer Brennstab
funktion keine Sonderfunktion (z. B. die eines Halte- oder
Skelettstabs) auszufüllen haben. Bei der Herstellung des Brenn
elementes BE3 bzw. seiner Teilbrennelemente T wird zweckmäßig
so vorgegangen, daß das Skelett 23 nach Fig. 12 ohne eine
seiner Endplatten F bzw. K mit den Brennelementen f bestückt
und sodann durch Aufsetzen der noch fehlenden Endplatte und
Fixieren dieser Endplatte an den Zugbändern 22 das Teilbrenn
element T vervollständigt wird und die einzelnen Brennelemente
f formschlüssig in ihre endgültigen Positionen gesichert
werden. Als ein geeignetes Verbindungsverfahren zwischen der
als Abschlußelement anzufügenden Endplatte, z. B. K, und den
Enden der Zugbänder 22 ist ein Schweißverfahren, insbesondere
ein Laserschweißverfahren, besonders geeignet. In Fig. 12 ist
das Abstandshaltegitter A nur in seinen Umrissen dargestellt;
Fig. 11 zeigt im Querschnitt den aus den Fig. 4 und 6
bekannten Aufbau mit Federelementen 12 bzw. Maschen und ent
sprechenden federelastischen Vorsprüngen 12a sowie Rücksprün
gen 12b. Das Brennelementskelett 23 nach Fig. 12, das vorzugs
weise aus einer Zirkoniumlegierung besteht, kann bis auf die
beiden Endplatten K, F so hergestellt werden, daß aus einem
Blech die Abwicklung zunächst herausgearbeitet (gestanzt oder
mittels Laser herausgetrennt) wird, sodann wird durch Abbiegen
der Umrißkanten 24 aus der ebenen Abwicklung der Umriß des
Abstandshaltegitters A hergestellt, wobei die aneinanderstoßen
den Kanten 24.1 und 24.2 z. B. mittels Laserschweißens miteinan
der verbunden werden. Dann wird eine der beiden Endplatten F
bzw. K angeschweißt und nach dem Bestücken mit den Brennstäben
f und dem formschlüssigen Anfügen der zweiten Endplatte K bzw.
F wird auch diese vorzugsweise angeschweißt. Die Schweißnähte
sind mit 25 bezeichnet. Grundsätzlich wäre auch eine Schraub
verbindung, z. B. mittels verdrehgesicherter Inbus-Schrauben,
oder eine Zapfenverbindung (wobei die Zapfenköpfe zur Verdreh
sicherung durch Schweißpunkte gesichert werden) zwischen den
Zugbändern 22 und den Endplatten K, F möglich.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 13 sind zwischen den
beiden Endplatten K und F einerseits und dem Abstandshalte
gitter A jeweils zwei Paare einander gegenüberliegender
Zugbänder 22 vorgesehen, wobei das obere Zugbandpaar 22, 22
mit dem unteren fluchtet. Bei der Abwandlung nach Fig. 14
erstreckt sich ein erstes Paar von Zugbandabschnitten 22a, 22a
von ersten gegenüberliegenden Seiten K1 und K2 einer ersten
Endplatte K zu ersten gegenüberliegenden Seiten 26.1, 26.2 des
Halterahmens 26 für das Abstandshaltegitter A. Ein zweites
Paar von Zugbandabschnitten 22b, 22b erstreckt sich von zwei
ten gegenüberliegenden Seiten F1, F2 der fußseitigen oder
zweiten Endplatte F zu zweiten gegenüberliegenden Seiten 26.3,
26.4 des Halterahmens 26, wobei das Paar von Endplattenseiten
F1, F2 um 90° relativ zu den ersten Endplattenseiten K1, K2
um die Längsachse des Skeletts verdreht ist.
In Fig. 12 und 13 ist ebenfalls nur der Halterahmen 26 des
Abstandshaltegitters A dargestellt. Das Prinzip, ein Brenn
elementskelett aus Zugbändern und einem Halterahmen für ein
Abstandshaltegitter A zu bilden, ist auf die dargestellte
quadratische Form eines Teilbrennelements T nicht beschränkt,
sondern gilt allgemein für ein polygonales Brennelement. Zum
Beispiel könnten bei einem hexagonalen Brennelement, wenn man
die grundsätzliche Ausführungsform nach Fig. 12 zugrundelegt,
jeder zweiten der sechs Seiten einer Endplatte und des Halte
rahmens 26 je ein Zugband 22 zugeordnet sein. Für die Her
stellung von Teilbrennelementen mit einer Skelettkonstruktion
nach den Fig. 13 oder 14 gilt sinngemäß das, was im Zusam
menhang mit der Skelettkonstruktion nach Fig. 12 gesagt wurde.
Fig. 15 zeigt eine Kernstruktur 27 eines Heizreaktors 28, die
aus einzelnen Kernzellen CC aufgebaut ist, wobei in jede der
Kernzellen CC vier Brennelemente BE, jedes zusammengesetzt aus
drei axial aneinandergereihten Teilbrennelementen T1 bis T3,
einfügbar sind. Die jeweilige Kernzelle CC wird gebildet durch
ein an seinen Ecken abgerundetes Vierkantrohr, das zweckmäßi
gerweise zumindest im Bereich der Kernstruktur 27, also dort,
wo die Brennelemente BE im eingefügten Zustand sich befinden,
aus einer Zirkoniumlegierung besteht. In ihrem Inneren sind
die Vierkantrohre 29 durch Winkelbleche 30 in vier Aufnahme
schächte 31 für die Brennelemente BE unterteilt, und zwar
unter Freilassung des Kreuzspalts 14 zur Aufnahme des je
weiligen Steuerstabs 32 mit seinen kreuzförmigen Absorber
elementen 33. In der Mitte des Kreuzspalts 14 - dieser ist für
eine der Kernzellen CC im geöffneten Zustand dargestellt -
befindet sich ein Hydraulikzylinder 34, in welchem ein mit dem
Steuerstab 32 verbundener Druckmittelkolben 35 gleiten kann.
Als Hydraulikmittel dient das Kühlwasser des Kernreaktors 28.
Es ist sowohl eine Ausführung möglich, bei welcher der Kolben
35 feststeht und der Steuerstab mit seinem Zylinder 34 auf
diesem Kolben gleitet (dargestellt) oder die kinematische
Umkehrung (feststehender Zylinder und in diesem mit dem Steuer
stab 32 gleitender Kolben). Durch eine Hydraulikströmung inner
halb des Kreuzspalts 14 wird der erforderliche Auftrieb er
zeugt, durch welchen die Gewichtskräfte des Steuerstabs in
einer bestimmten Höhenposition kompensiert werden. Die Kern
struktur 27 bzw. die Kernzellen CC sitzen auf der unteren Trag
platte 36 auf, die mit Öffnungen 37 für das Kühlwasser ver
sehen ist. Der seitliche Halt der Kernstruktur 27 ist vor
allem durch die kreisringförmigen Stützbleche 38 bestimmt, die
sich vom Innenumfang der Druckbehälterwand 39 durch den Ring
raum 40 erstrecken und mit ihrem Innenumfang 41 den Kernquer
schnitt definieren. Die Naturumlaufströmung des Reaktorkühl
mittels ist durch Pfeile 42 symbolisiert; die Kühlmittelströ
mung tritt durch große Öffnungen 43 parallel zur Längsachse
des Kernreaktors 28 hindurch, und zwar im Ringraum 40 abwärts
gerichtet und nach einer Umlenkung im unteren Plenum 44 auf
wärts durch die Öffnungen 37 der unteren Tragplatte 36 und
durch die Kühlkanäle der einzelnen Brennelemente BE der Kern
zellen CC. Die Höhe der "Blechschächte" 29 oder Vierkantrohre
übersteigt diejenige der eingefügten Brennelemente BE etwa um
das Doppelte, so daß ein aus dem Kern ausgefahrener Steuerstab
32 innerhalb seiner Kernzelle CC noch eine ausreichende Füh
rung und Abstützung findet. Die Kernzellen CC dienen jedoch
nicht nur zur Abstützung der Steuerstäbe 32; sie bilden soge
nannte Strömungskästen, die eine für den Naturumlauf erforder
liche Kaminhöhe haben. Für einen 200 MWth-Reaktor, insbeson
dere Heizreaktor, besteht der Reaktorkern oder die Kern
struktur 27 aus 45 solcher Kernzellen CC, welche sich gegen
seitig stützend auf der Tragplatte 36 (lösbar) angeordnet
sind. Da die Steuerstäbe 32 innerhalb der kreuzförmigen Füh
rungen verfahren werden, die ihrerseits in den Strömungskästen
der Kernzellen CC angeordnet sind, so besteht der gewünschte
direkte Zugang zu den Brennelementen BE, ohne andere Teile
ausbauen zu müssen.
Das in Fig. 15, oben, dargestellte Brennelement befindet sich
gerade in einem Zustand des Einfügens (oder Herausnehmens) in
bzw. aus einer Kernzelle CC. Das in der Kernstruktur 27 aufge
heizte aufwärts strömende Reaktorkühlwasser wird über (nicht
dargestellte) Wärmetauscher in ein externes Heiznetz einge
koppelt, und das nach Durchströmen des Wärmetauschers abge
kühlte Reaktorkühlwasser gelangt dann wieder in das obere
Plenum 45 des Reaktordruckbehälters, von wo es abwärts gemäß
Pfeilen 42 strömt.
Bei den für die Kernzellen CC verwendeten fünfeckigen Brenn
elementen BE bzw. T nach Fig. 3 bis 15 (in den Fig. 12
bis 14 ist eine idealisierte rein quadratische Querschnitts
form dargestellt, die naturgemäß auch an die Kernzellen-Bau
form angepaßt werden kann) ist die Anzahl der Wende- und Dreh
positionen im Vergleich zur rein quadratischen Bauform nach
den Fig. 1 bis 3 reduziert, weil die abgeflachte oder
eingezogene Eckenkontur 15 eines Teilbrennelements T, wenn es
in eine Kernzelle eingesetzt wird, immer dem Steuerstab 32
(Fig. 15) zugewandt sein muß. Es ergeben sich jedoch noch
genügend Variationsmöglichkeiten, wenn man die Teilbrennelemen
te T innerhalb einer Kernzelle - im Uhr- oder Gegenzeigersinn
um die Steuerstabachse - einen Platzwechsel vornehmen läßt.
Man kann auf diese Weise alle vier möglichen Drehpositionen
ausnutzen.
Claims (21)
1. Brennelement für Leichtwasserreaktoren, insbesondere für
Heizreaktoren, bestehend aus mehreren axial aneinander reih
baren Teilbrennelementen (T; T1-T3) polygonalen Querschnitts,
deren jedes ein Bündel von Brennstäben (f) sowie kopf- und
fußseitig je eine Endplatte (K, F) umfaßt, mit den folgenden
weiteren Merkmalen:
- a) Die beiden Endplatten (K, F) jedes Brennelementes (BE; BE1-BE3) sind gleichartig ausgebildet und in ihrer Funktion als Kopfplatte (K) oder Fußplatte (F) vertauschbar, so daß durch Wenden eines Teilbrennelementes (T) eine kopfseitige End platte (K) die Position und Funktion einer fußseitigen Endplatte (F) und umgekehrt einnimmt, und
- b) die beiden Endplatten (K, F) des Teilbrennelementes (T) sind mittels Skelett-Elementen (SE; SE1-SE4) starr miteinander verbunden, wobei die Skelett-Elemente als langgestreckte Zuganker (5, S, 22) ausgebildet sind, sich über die Länge des Teilbrennelementes (T) erstrecken und so den Abstand der beiden Endplatten (K, F) zueinander fixieren.
2. Brennelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes
seiner Teilbrennelemente (T) einschließlich dessen beider End
platten (K, F) einen quadratischen Grundquerschnitt aufweist.
3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß Skelett
elemente (SE) in Form von gesonderten Zugankern (5) in Zwi
schenräumen zwischen den Brennstäben angeordnet sind.
4. Brennelement nach Anspruch 3, mit quadratischem Grundquer
schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß
je ein Zuganker (5) je einem Quadranten (QI-QIV) des Grund
querschnittes des Teilbrennelementes (T) zugeordnet und jeder
der vier Zuganker (5) eines Teilbrennelementes (T) mittig
innerhalb seines Quadranten (QI-QIV) angeordnet ist.
5. Brennelement nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß von den Zug
ankern (5) wenigstens ein Abstandshaltegitter (A) für die
Brennstäbe (f) gehaltert ist.
6. Brennelement nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Abstands
haltegitter (A) achsparallel zu den Brennstabachsen (f) ver
laufende integrale Rohrhülsen (6) aufweist, welche von den
Zugankern (5) durchdrungen sind, wobei die Rohrhülsen (6) und
mit ihnen das Abstandshaltegitter (A) durch auf den Zugankern
(5) sitzende Distanzrohre (7) axial fixiert sind.
7. Brennelement nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Abstands
haltegitter (A) mit den Zugankern (5) verschweißt ist.
8. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Enden
der Skelett-Elemente (SE) bzw. der Zuganker (5) mit den End
platten (K, F) der Teilbrennelemente (T) verschweißt sind.
9. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der Brennstäbe (f) selbst als Skelett-Elemente (SE) in Form von
Skelettstäben (S) ausgebildet ist und hierzu die Skelettstäbe
(S) mit ihren Endstopfen (10) jeweils mit den beiden Endplatten
(K, F) starr verbunden sind.
10. Brennelement nach Anspruch 9, mit quadratischem Grundquer
schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß
je ein Skelettstab (S) je einem Quadranten (QI-QIV) des
Grundquerschnitts des Teilbrennelementes (T) zugeordnet und
jeder der vier Skelettstäbe (S) innerhalb seines Quadranten
die Stabposition eines inneren Brennstabes besitzt, wobei
innerer Brennstab einen Brennstab bedeutet, der innerhalb der
äußeren Brennstabreihe (180) angeordnet ist.
11. Brennelement nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der Brennstäbe (f) selbst als Haltestäbe (H) für wenigstens ein
Abstandshaltegitter (A) ausgebildet ist und hierzu die Halte
stäbe (H) an ihrem Außenumfang mit Noppen (19) versehen sind,
mit denen das Abstandshaltegitter (A) mittels einwärts gerich
teter Vor- und Rücksprünge (12a, 12b) an integrierten federnden
Hülsen (12) formschlüssig in Eingriff bringbar ist.
12. Brennelement nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen
(19) an den Haltestäben (H) mit den Vor- und Rücksprüngen (12a,
12b) der federnden Hülsen (12) durch eine Drehung verriegelbar
sind, wobei zwecks Verdrehsicherung dieses verriegelten Ein
griffs der Haltestab (H) an wenigstens einer seiner Endplatten
(K, F) durch ein Verriegelungselement, z. B. in Form eines
Keiles (20) oder Stiftes, fixiert ist.
13. Brennelement nach den Ansprüchen 10 und 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem
der Skelettstäbe (S) in den vier Quadranten (QI-QIV) je ein
Haltestab (H) benachbart ist.
14. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Skelett-Ele
mente (SE) durch metallische Zugbänder (22) gebildet sind.
15. Brennelement nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens
zwei Zugbänder (22) vorgesehen sind, von denen je eines mit je
einer Polygonseite der beiden Endplatten (K, F) starr verbunden ist.
16. Brennelement nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zugbänder
(22) bzw. die Polygonseiten der Endplatten (K, F) einander
gegenüberliegen.
17. Brennelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zug
bänder (22) als Träger eines Halterahmens (26) für ein Abstands
haltegitter (A) ausgebildet sind.
18. Brennelement nach den Ansprüchen 16 und 17,
dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes
Paar von Zugbandabschnitten (22a) von ersten gegenüberliegenden
Seiten (K1, K2) einer ersten Endplatte (K) zu ersten gegenüber
liegenden Seiten (26.1, 26.2) des Halterahmens (26) sich
erstreckt und daß ein zweites Paar von Zugbandabschnitten (22b)
von zweiten gegenüberliegenden, gegenüber den ersten gegenüber
liegenden Endplattenseiten (K1, K2) um einen Winkel verdrehten
Seiten (F1, F2) der zweiten Endplatte (F) sich zu zweiten
gegenüberliegenden Seiten (26.3, 26.4) des Halterahmens (26)
erstreckt.
19. Kernstruktur mit einem Brennelement nach einem der
Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß um einen
Kreuzspalt (14) vier Brennelemente (BE) quadratischen Quer
schnitts, je eines in einem Quadranten eines mit dem Kreuzspalt
(14) zusammenfallenden Achsenkreuzes (x-y), angeordnet sind und
daß diese Brennelement-Vierergruppe mit einem Steuerstab (32),
dessen kreuzförmige Absorberblätter (33) in dem Kreuzspalt (14)
entsprechender Spaltweite aufwärts und abwärts bewegbar sind,
eine Kernzelle (CC) bildet.
20. Kernstruktur nach Anspruch 19, wobei die Kernzelle (CC)
einen Steuerstab (32) mit hydraulischem Antrieb aufweist und
ein Kolben-Zylindersystem (35, 34) des Steuerstabantriebs im
Zentrum der Kernzelle (CC) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die dem
Steuerstabantrieb zugewandten Eckenkonturen der Brennelemente
(BE) bzw. Teilbrennelemente (T) zwecks Freilassung eines
erweiterten Freiraums (14.1) für den Steuerstabantrieb
eingezogen sind.
21. Kernstruktur nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken
kontur (15) der Brennelemente (BE) bzw. Teilbrennelemente (T)
so weit eingezogen ist, daß die gewonnene, etwa sektorförmige
Querschnittsfläche (17) der normalerweise benötigten Quer
schnittsteilfläche eines Ecken-Brennstabs (f) entspricht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4117623A DE4117623A1 (de) | 1991-05-29 | 1991-05-29 | Brennelement fuer leichtwasserreaktoren, insbesondere fuer heizreaktoren, und kernstruktur daraus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4117623A DE4117623A1 (de) | 1991-05-29 | 1991-05-29 | Brennelement fuer leichtwasserreaktoren, insbesondere fuer heizreaktoren, und kernstruktur daraus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4117623A1 true DE4117623A1 (de) | 1993-02-18 |
Family
ID=6432734
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4117623A Ceased DE4117623A1 (de) | 1991-05-29 | 1991-05-29 | Brennelement fuer leichtwasserreaktoren, insbesondere fuer heizreaktoren, und kernstruktur daraus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4117623A1 (de) |
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- 1991-05-29 DE DE4117623A patent/DE4117623A1/de not_active Ceased
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