DE4125945A1 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktorbrennelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Kernreaktorbrennelement ist insbesondere aus den Fig. 8 und 9 der deutschen Offenlegungsschrift 32 28 380 bekannt. Der Haltestab dieses Kernreaktorbrenn­ elements trägt außen an der Innenseite der Halteplatte, durch deren Durchführung er greift, einen Stützkörper für die Halte­ platte. Auf der Außenseite der Halteplatte befindet sich zwischen dieser Außenseite und der radialen Haltenase außen am Haltestab die flach auf dieser Außenseite liegende Verrie­ gelungsplatte. Diese Verriegelungsplatte weist ein Langloch auf, durch die der Haltestab greift. Die Verriegelungsplatte ist auf der Außenseite der Halteplatte in Richtung des langen Durchmessers des Langlochs verschiebbar geführt. Wird diese Verriegelungsplatte verschoben, so daß der Haltestab von einem Ende des längsten Durchmessers zum anderen gelangt, wo sich ein seitlich vom Langloch ausgehender Durchtrittsschlitz für die Haltenase am Haltestab befindet, kann die Halteplatte zusammen mit der Verriegelungsplatte vom Haltestab abgehoben werden. Hierbei wird die Haltenase durch den vom Langloch seitlich ausgehenden Durchtrittsschlitz und die Durchführung in der Halteplatte hindurch bewegt.

Im Reaktorkern eines Druckwasserkernreaktors befindet sich eine Haltestruktur für ein solches Kernreaktorbrennelement. In dieser Haltestruktur ist das Kernreaktorbrennelement sowohl an der einen Brennelementfuß bildenden Halteplatte als auch an der einen Brennelementkopf bildenden anderen Halteplatte gehaltert. Zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen der Haltestruktur im Reaktorkern einerseits und des Kernreaktor­ brennelements in seiner Längsrichtung andererseits befinden sich in der Regel an der den Brennelementkopf bildenden Halte­ platte an deren Außenseite Aufbauten, die gegen eine Feder­ kraft verschiebbar sind und an denen die Haltestruktur im Reaktorkern des Druckwasserkernreaktors angreift.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kernreaktor­ brennelement anzugeben, das bei vorgegebener Haltestruktur im Reaktorkern eines Druckwasserreaktors und bei vorgegebener Nennleistung dieses Reaktorkerns eine möglichst geringe Leistungsdichte in diesem Reaktorkern bewirkt.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat ein Kernreaktorbrennelement der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1.

Bei diesem Kernreaktorbrennelement kann die erste Druckfeder, die sich mit einem Federende an der Abdeckhülse und mit dem anderen Federende an der Stützscheibe abstützt, in die Verrie­ gelungsplatte greifen oder sogar diese Verriegelungsplatte durchgreifen. Dies bedeutet, daß die Aufbauten auf der be­ treffenden Halteplatte mit einer verhältnismäßig geringen Bauhöhe ausgeführt sein können. Deshalb können bei vorge­ gebener Haltestruktur im Reaktorkern des Druckwasserkern­ reaktors die Brennstäbe des Kernreaktorbrennelements eine relativ große Länge haben, so daß sich mit diesem Kernreak­ torbrennelement eine verhältnismäßig geringe Leistungsdichte im Reaktorkern ergibt. Diese verhältnismäßig geringe Leistungsdichte bedeutet eine verhältnismäßig geringe Temperatur an der Außenoberfläche der Brennstäbe, so daß Sieden an der Außenoberfläche dieser Brennstäbe sicher vermieden werden kann. Deshalb haben die Brennstäbe an der Außenoberfläche ihrer in der Regel aus einer Zirkoniumle­ gierung bestehenden Hüllrohre auch eine verhältnismäßig geringe Korrosion und eine verhältnismäßig geringe Wasser­ stoffaufnahme, so daß das Kernreaktorbrennelement eine ver­ hältnismäßig große Standzeit in einem Druckwasserkernreaktor hat.

Die Patentansprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Weiterbil­ dungen dieses Kernreaktorbrennelements gerichtet.

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

Fig. 1 zeigt stark schematisiert und in Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Kernreaktorbrennelement.

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt das Kernreaktorbrennelement nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt im Ausschnitt eine Draufsicht der entsprechend der strichpunktierten Linie III-III in Fig. 2.

Das Kernreaktorbrennelement nach Fig. 1 ist für einen Druck­ wasserkernreaktor bestimmt und hat einen Brennelementfuß 2 und einen Brennelementkopf 3, die Abstand voneinander haben. Der Brennelementfuß 2 hat eine Halteplatte 4 und der Brenn­ elementkopf 3 eine Halteplatte 5. Die Halteplatten 4 und 5 sind zueinander parallel. Zwischen ihren Innenseiten befinden sich mit Brennstoff gefüllte Brennstäbe, von denen ein ein­ zelner Brennstab 6 dargestellt ist. Dieser Brennstab 6 ist parallel zur Längsachse 7 des Kernreaktorbrennelements. Seine Stabenden haben jeweils Abstand von der Halteplatte 4 und der Halteplatte 5.

Zwei zur Längsachse 7 des Kernreaktorbrennelements ebenfalls parallele als Halterohre 8a und 8b ausgebildete Haltestäbe haben eine Längsachse, die die Halteplatte 4 des Brennele­ mentfußes 2 und die Halteplatte 5 des Brennelementkopfs 3 rechtwinklig durchdringt. An einem Ende sind die Halterohre 8a und 8b am Brennelementfuß 2 und mit dem anderen Ende am Brennelementkopf 3 gehaltert.

Zwischen den Innenseiten der Halteplatten 4 und 5 befinden sich in Querschnittsebenen des Kernreaktorbrennelements in Richtung der Längsachse 7 des Kernreaktorbrennelements gesehen mit Abstand voneinander gitterförmige Abstandhalter 29, die in Fig. 1 schematisch dargestellt sind. Jedes der beiden Halterohre 8a und 8b ist durch jeweils eine, nicht erkennbare Masche des gitterförmigen Abstandhalters 29 geführt, und diese gitterförmigen Abstandhalter 29 sind an mindestens einem der Halterohre 8a und 8b formschlüssig gehaltert. Der Brennstab 6 ist hingegen durch eine ebenfalls nicht erkennbare andere Masche der gitterförmigen Abstandhalter 29 geführt und jeweils in dieser Masche mit Hilfe einer radial wirkenden Feder, die sich in der Masche an einer Maschenwand befindet und den Brennstab 6 gegen zwei ebenfalls in der Masche an zwei anderen Maschenwänden befindliche starre Noppen preßt, kraftschlüssig gehaltert.

Wie Fig. 2 zeigt, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen in Fig. 1 versehen sind, sind die beiden Halterohre 8a und 8b an einem Ende, an dem sie jeweils eine Öffnung mit nur geringem Querschnitt aufweisen, an der Halteplatte 4 des Brennelementfußes 2 festgeschraubt.

Der Brennelementkopf 3 weist nicht nur die Halteplatte 5 auf, sondern auf der Außenseite der Halteplatte 5 eine auf dieser Außenseite aufliegende Verriegelungsplatte 9.

Mit dem anderen, offenen Ende durchgreifen die Halterohre 8a und 8b die Halteplatte 5 jeweils in einem Langloch 10. Die Langlöcher 10 in der Halteplatte 5 haben zueinander parallele oder sogar miteinander fluchtende längste Durchmesser.

In Fig. 2 befinden sich die beiden Haltestäbe 8a und 8b an einem Ende des längsten Durchmessers des jeweiligen Langlochs 10. Dort liegen diese beiden Halterohre 8a und 8b mit einem jeweils eine Haltenase darstellenden Außenflansch 11a bzw. 11b an der Außenseite der Halteplatte 5 an. Am anderen Ende des längsten Durchmessers der Langlöcher 10 ist der Querschnitt dieser Langlöcher 10 so groß, daß die Außenflansche 11a bzw. 11b außen an den Halterohren 8a bzw. 8b hindurchbewegt werden können.

An der der Halteplatte 5 zugewandten Unterseite der Verrie­ gelungsplatte 9 sind Buchsen 12a und 12b ausgebildet, in die zur Längsachse 7 parallele Durchführungen 13a bzw. 13b in der Halteplatte 5 übergehen. Ferner ist ein sich an der Innenseite der Halteplatte 5 abstützender, zur Längsachse 7 des Kern­ reaktorbrennelementes paralleler Zuganker 14 vorgesehen, der an der Halteplatte 5 befestigt ist und die Verriegelungsplat­ te 9 und eine über dieser Verriegelungsplatte 9 befindliche Stützscheibe 15 lose durchgreift. An der von der Verrie­ gelungsplatte 9 abgewandten Oberseite dieser Stützscheibe 15 ist auf dem Zuganker 14 eine Mutter 14a aufgeschraubt, die an der Stützscheibe 15 anliegt. Die Stützscheibe 15 ist ferner mit einem geschlossenen Kragen 15a versehen, mit dem diese Stützscheibe 15 die Mantelfläche der Verriegelungsplatte 9 lose übergreift. Damit ist die Stützscheibe 15 von der Ver­ riegelungsplatte 9 geführt.

Die außen an den Halterohren 8a und 8b befindlichen Außen­ flansche 11a bzw. 11b, die an der Außenseite der Halteplatte 5 anliegen und so Haltenasen bilden, befinden sich innerhalb der Buchsen 12a bzw. 12b und sind so in der Verriegelungsplatte 9 radial geführt. Innerhalb der Buchse 12a und der Durchführung 13a in der Verriegelungsplatte 9 ist ferner eine zum Haltestab 8a koaxiale, an beiden Enden offene Abdeckhülse 16a in ihrer Längsrichtung verschiebbar geführt. Diese Abdeckhülse 16a durchgreift lose die Stützscheibe 15 und steht auf dem Stab­ ende des Haltestabes 8a mit dem eine Haltenase bildenden Außenflansch 11a auf. Eine aus einer Schraubenfeder bestehende Druckfeder 17a umschließt die Abdeckhülse 16a und stützt sich mit einem Ende an der der Verriegelungsplatte 9 zugewandten Unterseite der Stützscheibe 15 und mit dem anderen Ende an dem Außenflansch 18a außen an der Abdeckhülse 16a ab.

Innerhalb der Durchführung 13a ist eine Schulter 19a als Anschlagstelle für den Außenflansch 18a der Abdeckhülse 16a an der Verriegelungsplatte 9 ausgebildet. Diese aus der Schulter 19a gebildete Anschlagstelle begrenzt die Verschiebbarkeit der Abdeckhülse 16a in ihrer Längsrichtung auf die Halteplatte 5 zu.

In ähnlicher Weise ist der Außenflansch 11b außen am Halte­ stab 8b in der Buchse 12b der Verriegelungsplatte 9 radial geführt. Innerhalb der Buchse 12b und der koaxialen Durch­ führung 13b in der Verriegelungsplatte 9 ist ähnlich wie die Abdeckhülse 16a in Durchführung 13a eine weitere, an beiden Enden offene Abdeckhülse 16b angeordnet, die koaxial zum Haltestab 8b ist. Die Abdeckhülse 16b weist außen auch einen dem Außenflansch 18a der Abdeckhülse 16a entsprechenden Außenflansch 18b auf, nur befindet sich die der Anschlag­ schulter 19a entsprechende Anschlagschulter 19b für diesen Außenflansch 18b in der Buchse 12b.

Während die Abdeckhülse 16b mit einem Ende auf dem die Halte­ platte 5 durchgreifenden Ende des Haltestabes 8b aufsteht, weist sie am anderen Ende außen eine koaxiale, in Achsrich­ tung verschiebbare Überwurfhülse 20 auf, die die Stützscheibe 15 lose durchgreift und die die der Verriegelungsplatte 9 zugewandte Unterseite dieser Stützscheibe 15 mit einem Außen­ flansch 21 hintergreift. An diesem Außenflansch 21 stützt sich ferner das eine Ende einer die Abdeckhülse 16b umschließende, aus einer Schraubenfeder bestehenden Druckfeder 17b ab, deren anderes Ende sich am Außenflansch 18b der Abdeckhülse 16b abstützt.

Schließlich ist noch eine weitere, aus einer Schraubenfeder bestehende Druckfeder 23 vorgesehen, die sich mit einem Ende in einer Aussparung an der Unterseite der Stützscheibe 15 und mit dem anderen Ende in einer Aussparung an der Oberseite der Verriegelungsplatte 9 abstützt. Diese Druckfeder 23 kann auch eine Abdeckhülse samt zugehöriger Druckfeder um­ schließen.

Die Druckfedern 17a, 17b und 23 bestehen vorteilhafterweise aus einer Nickelbasislegierung mit der Handelsbezeichnung "Inconel 718". Dieses "Inconel 718" hat folgende Legierungs­ zusammensetzung: 50 bis 55 Gew.-% Ni, 17 bis 21 Gew.-% Cr, 2.8 bis 3.3 Gew.-% Mo, 4.75 bis 5.5 Gew.-% Nb+Ta, 0.65 bis 1.15 Ti, 0.2 bis 0.8 Gew.-% Al, maximal 0.08 Gew.-% C, maximal 0.1 Gew.-% Co, maximal 0.006 Gew. -% B, maximal 0.35 Gew.-% Mn, maximal 0.35 Gew.-% Si, maximal 0.3 Gew.-% Cu, maximal 0.015 Gew. -% P, maximal 0.015 Gew. -% S und der Rest Fe. Eine Schraubenfeder aus dieser Legierung kann besonders kurz und mit besonders kleinem Durchmesser ausgeführt sein.

Die Stützscheibe 15 ist gegen die Federkräfte der Druck­ federn 17a, 17b und 23 auf die Halteplatte 5 zu verschieb­ bar, so daß an dieser Stützscheibe ohne weiteres die Halte­ struktur im Reaktorkern eines Druckwasserkernreaktors an­ greifen kann, in der das Kernreaktorbrennelement an dem Brennelementfuß 2 und an dem Brennelementkopf 3 gehaltert ist.

Zum Lösen der Halteplatte 5 von den Halterohren 8a und 8b wird mit einem Werkzeug zwischen die Halteplatte 5 und die Ver­ riegelungsplatte 9 gegriffen und der Abstand zwischen Halte­ platte 5 und Verriegelungsplatte 9 so weit vergrößert, bis die Enden der Halterohre 8a und 8b mit den außen befindlichen Außenflanschen 11a und 11b aus den Buchsen 12a und 12b in Richtung der Längsachse 7 des Kernreaktorbrennelements herausgezogen sind. Dabei liegen die Außenflansche 18a und 18b außen an den Abdeckhülsen 16a und 16b an der Abstufung 19a bzw. 19b der Verriegelungsplatte 9 an, und die Abdeckhülsen 16a und 16b können aus den Buchsen 12a bzw. 12b und den Durchführungen 13a bzw. 13b nicht heraus bewegt werden. Andererseits kann aber der gesamte Brennelementkopf 3 mit der Halteplatte 5, der Verriegelungsplatte 9 und der Stützscheibe 15, die ja durch den Zuganker 14 miteinander verbunden sind, quer zu den Halterohren 8a und 8b bewegt werden, bis die Halterohre 8a und 8b in den Langlöchern 10 vom einen Ende des längsten Durchmessers zum anderen Ende bewegt sind. An diesem anderen Ende ist der Querschnitt jedes Langlochs 10 so groß, daß die Enden der Halterohre 8a und 8b mit den außen befind­ lichen Außenflanschen 11a und 11b durch das betreffende Langloch 10 hindurch bewegt und der Brennelementkopf 3 mit der Halteplatte 5 von diesen Rohrenden abgehoben werden kann.

Durch die Abdeckhülse 16a kann in einem Druckwasserkern­ reaktor von der Stützscheibe 15 her ein Steuerstab in das Halterohr 8a eingefahren werden, der zu einem Steuerelement gehört. Durch die Abdeckhülse 16b hingegen wird ein Meßin­ strument in das Halterohr 8b eingefahren. Die Überwurf­ hülse 20 kann das fallende Steuerelement bei Schnellab­ schaltung des Druckwasserkernreaktors federnd auffangen.

Claims (5)

1. Kernreaktorbrennelement mit zwei Halteplatten und einem an beiden Halteplatten gehalterten Haltestab, dessen Längsachse beide Halteplatten rechtwinklig durchdringt und der an einem Stabende, mit dem er durch eine Durchführung in einer Halte­ platte von einer Innenseite der Halteplatte her greift, außen eine radiale Haltenase aufweist, an der eine an einer Außen­ seite der Halteplatte befindliche Verriegelungsplatte an­ greift, dadurch gekennzeichnet,
daß die Durchführung in der Halteplatte (5) ein Langloch (10) ist mit an einem Ende des längsten Durchmessers dieses Langlochs (10) befindlichen Haltestab (8a, 8b),
daß die Haltenase 11a, 11b) des Haltestabs (8a, 8b) an diesem Ende des längsten Durchmessers des Langlochs (10) an der Außenseite der Halteplatte (5) anliegt,
daß die Haltenase (11a, 11b) an der Verriegelungsplatte (9) radial geführt ist,
daß ein Ende einer in der Verriegelungsplatte (9) in ihrer Längsrichtung verschiebbar geführten, zum Haltestab (8a, 8b) koaxialen Abdeckhülse (16a, 16b) auf dem Stabende mit der Haltenase (11a, 11b) aufsteht,
daß die Abdeckhülse (16a, 16b) lose eine über der Ver­ riegelungsplatte (9) angeordnete Stützscheibe (15) durchgreift und eine erste Druckfeder (17a, 17b) aufweist, die sich mit einem Federende an der Abdeckhülse (16a, 16b) und mit dem anderen Federende an der Stützscheibe (15) abstützt,
daß sich eine zweite Druckfeder (23) mit einem Federende an der Stützscheibe (15) und mit dem anderen Federende an der Verriegelungsplatte (9) abstützt,
daß beide Druckfedern (17a, 17b) und (23) durch einen Zuganker (14) vorgespannt sind, der an der Halteplatte (5) befestigt ist und der an der Stützscheibe (15) angreift und diese lose durchgreift und
daß der Abdeckhülse (16a, 17a) eine ihre Verschiebbarkeit in Längsrichtung auf die Halteplatte (5) zu begrenzende An­ schlagstelle (19a, 19b) an der Verriegelungsplatte (9) oder an der Stützscheibe (15) zugeordnet ist.

2. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckhülse (16b) außen eine koaxiale, in Achsrichtung verschiebbare Überwurfhülse (20) aufweist, die die Stütz­ scheibe (15) lose durchgreift, die die der Verriegelungsplatte (9) zugewandte Unterseite dieser Stützscheibe (15) hinter­ greift und an der sich die erste Druckfeder (17b) mit einem Federende abstützt.

3. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützscheibe (15) die Mantelfläche der Verriegelungsplatte (9) mit einem geschlossenen Kragen (15a) lose übergreift.

4. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Druckfedern (17a, 17b; 23) aus einer Nickelbasislegierung besteht.

5. Kernreaktorbrennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelbasislegierung Inconel 718 ist.