DE4203662A1 - Brennelement fuer einen leichtwasserreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Leichtwas­ serreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß, beispielsweise anläßlich von Reparaturen und Wartungen von Kernreaktoren, Fremdkörper in den Kernreaktor eindringen können, die dann vom Wasser, wel­ ches im Reaktorkern zirkuliert, mitgenommen werden. Die Fremdkörper können u. a. aus Metallspänen (Bohrspänen), die bei den Reparaturarbeiten, beispielsweise an einem Dampfab­ scheider, ins Wasser gelangen, Teilen von Metalldrähten oder andere Fremdkörper bestehen, die in das System von außen eingedrungen sind. Die Fremdkörper können zu Abriebschäden führen, die ernsthafte Folgen haben können, wenn sie an leicht verletzlichen Teilen, wie beispielsweise den Brenn­ stäben, stattfinden.

Um Schäden der vorgenannten Art bei Druckwasserreaktoren zu vermeiden, ist es bekannt, die bereits unter den Brennstab­ bündeln vorhandenen Fußplatten mit einer großen Anzahl von geraden vertikalen Löchern zu versehen, damit jede Fuß­ platte, neben ihrer normalen Funktion, als ein Fremdkörper- Einfänger nach Art eines Siebes wirkt und verhindert, daß Fremdkörper zu dem Brennstabbündel und den Steuerstabrohren und Abstandshaltern gelangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement für einen Leichtwasserreaktor der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchem ein Eindringen von Fremdkörpern der genannten Art in das Brennelement weitgehend verhindert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennelement für einen Leichtwasserreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnen­ den Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

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

Gemäß der Erfindung werden Wasserkanäle in der Fußplatte ei­ nes Brennelementes für einen Druckwasserreaktor oder einen Siedewasserreaktor in einer besonderen Weise ausgebildet, die ein wirksames Einfangen von Fremdkörpern bewirkt, insbe­ sondere wenn die Fremdkörper aus dünnen langgestreckten Ge­ genständen bestehen, wie beispielsweise Drahtstücken oder Bohrspänen.

Die in den horizontalen Kanälen angeordneten Schraubenfedern sind vorteilhafterweise so ausgebildet, daß sie sich zumin­ destens im wesentlichen längs der gesamten Länge des hori­ zontalen Kanals erstrecken, in dem sie angeordnet sind. An den Seitenwänden der Fußplatte stehen die horizontalen Kanäle vorzugsweise in offener Verbindung mit den Räumen zwischen den Brennstäben; jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, daß die horizontalen Kanäle an ihren Enden ver­ schlossen sind.

Horizontale Kanäle mit Schraubenfedern können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf verschiedenen Niveaus (übereinander liegenden Ebenen) in der Fußplatte an­ geordnet sein. Vorzugsweise verlaufen die horizontalen Kanäle mit den darin angeordneten Schraubenfedern in einer Ebene in der Fußplatte in derselben Richtung und in einer anderen Ebene der Fußplatte in einer anderen zu der erstge­ nannten Richtung senkrecht verlaufenden Richtung. Die Fuß­ platte kann auch mit Kanälen versehen sein, die keine Schraubenfedern enthalten, wobei diese Kanäle dann vorzugs­ weise auf einem anderen Niveau angeordnet sind als jene Kanäle, die Schraubenfedern enthalten.

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

Fig. 1 im Vertikalschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Brennelements für einen Siedewasserreaktor, welches aus vier Brennelementen gemäß der Erfindung mit ei­ ner Fußplatte in jedem Brennelement besteht,

Fig. 2 das gleiche zusammengesetzte Brennelement wie Fig. 1 in einer Ansicht senkrecht zu einer horizontalen Ebene längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Brennelements für einen Druckwasserreaktor gemäß der Erfindung zusammen mit zwei benachbart positionier­ ten Brennelementen der gleichen Art,

Fig. 5 einen Horizontalschnitt längs der Linie I-I durch das Brennelement in Fig. 4,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Fußplatte wie sie im Brenn­ element gemäß Fig. 1 verwendet wird in abgewandel­ ter Form für ein Brennelement gemäß Fig. 4 in ver­ größertem Maßstab,

Fig. 7 eine Seitenansicht der Fußplatte in Fig. 6,

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Fußplatte für ein anderes Brennelement gemäß der Erfindung,

Fig. 9 eine Seitenansicht der Fußplatte in Fig. 8,

Fig. 10 eine Einzelheit in einem Ausführungsbeispiel einer Fußplatte für ein Brennelement gemäß der Erfindung.

In den Fig. 1-3 bezeichnet 1 einen Brennelementkasten mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt. Der Brennelement­ kasten umgibt ohne nennenswertes Spiel einen oberen quadra­ tischen Abschnitt des Bodenteils 2, welches eine kreisför­ mige nach unten gerichtete Einlaßöffnung 3 für Kühlwasser und Moderatorwasser hat. Außer dem Brennelementkasten 1 trägt das Bodenteil 2 eine Tragplatte 4. An seinem untersten Ende ist der Brennelementkasten 1 mit einem relativ dickwan­ digen Abschnitt versehen, der mit dem Bodenteil 2 und der Tragplatte 4 mittels einer Vielzahl horizontaler Bolzen ver­ bunden ist, die durch strichpunktierte Linien 5 angedeutet sind. Durch ein hohles Stützglied 7 mit kreuzförmigen Quer­ schnitt wird der Brennelementkasten 1 in vier vertikale rohrförmige Teile 6 mit zumindest im wesentlichen quadrati­ schem Querschnitt zerlegt. Das Stützglied 7 ist an den vier Wänden 1a, 1b, 1c und 1d des Brennelementkastens ange­ schweißt und hat vier hohle Flügel 8. Der von dem Stützglied gebildete zentrale Kanal ist mit 32 bezeichnet und an den Boden mit einem Einlaßrohr 9 für Moderatorwasser angeschlos­ sen. Jedes rohrförmige Teil 6 enthält ein Bündel 25 aus fün­ fundzwanzig Brennstäben 10. Die Stäbe sind in einem symme­ trischen Gitter in fünf Reihen mit je fünf Stäben angeord­ net. Jeder Stab gehört zu zwei senkrecht zueinander verlau­ fenden Reihen. Zu jedem Bündel gehört eine Fußplatte 11, eine Kopfplatte 12 und eine Vielzahl von Abstandshaltern. Ein Brennstabbündel 25 mit Fußplatte 11, Kopfplatte 12, Ab­ standshaltern 13 und rohrförmigen Teil 6 bildet eine Ein­ heit, die in dieser Patentschrift als ein Brennelement be­ zeichnet wird, während die in den Fig. 1-3 gezeigte An­ ordnung, die vier solche Brennelemente enthält, als "zusam­ mengesetztes Brennelement" bezeichnet wird. Die vier Fuß­ platten 11 werden in dem zusammengesetzten Brennelement von der Tragplatte 4 getragen, und jede ist teilweise in ein entsprechendes quadratisches Loch 14 in der Tragplatte ein­ gelassen. In jedem Brennelement ist zumindest ein Brennstab (Verbindungsbrennstab) mit einem relativ langen mit Gewinde versehenden Endzapfen 33 und 34 aus massivem Umhüllungsmate­ rial ausgebildet, wobei der untere Endzapfen 33 durch die Fußplatte 11 verläuft und mit einer Mutter 15 versehen ist, während der obere Endzapfen 34 durch die Kopfplatte 12 ver­ läuft und mit einer Mutter 16 versehen ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zentrale Stab 26 in dieser Weise ausgebildet. Dieser Stab dient auch als Abstandshalter-Hal­ testab. Ein oberer Endabschnitt des Brennelementkastens 1 umgibt eine kreuzförmige Hebeplatte 17 mit vier horizontalen Armen 18, 19, 20 und 21, die von einem gemeinsamen zentralen Teil ausgehen. An ihrem äußeren Ende hat jeder Arm einen pfeilartigen Kopf 22, von denen jeder in einer entsprechen­ den Ecke des Brennelementkastens mit der Innenwand des Bren­ nelementkastens in Kontakt steht. Ein Hebegriff 23 ist an den Armen 20 und 21 angebracht. Die Hebeplatte 17 und der Griff 23 bilden zusammen ein Hebeglied aus Stahl, das in ei­ nem Stück gegossen ist. Die Hebeplatte 17 ist an dem Stütz­ glied 7 befestigt durch Einsetzen von je einer von vier ver­ tikalen Schienen 28 in einen zugehörigen Flügel 8 des Stütz­ gliedes 7, an welchen die Schiene angeschweißt ist. Jede Schiene 28 hat an ihrem oberen Ende einen vertikal gerichte­ ten Abschnitt 29, der mit Spiel durch ein entsprechendes Loch im zentralen Teil der Hebeplatte 17 verläuft und mit einer Mutter 30 versehen ist. Wie aus den Figuren hervor­ geht, ist der Brennelementkasten 1 mit Vertiefungen 31 ver­ sehen, die in Abständen in Längsrichtung angeordnet sind und an denen das Stützglied 7 angeschweißt ist.

In Fig. 4, welche drei nebeneinander angeordnete Brennele­ mente für einen Druckwasserreaktor zeigt, sind die vertika­ len Brennstäbe mit 42 bezeichnet, die rechteckigen Kopfplat­ ten mit 43, die rechteckigen Fußplatten mit 44 und die Ab­ standshalter, durch welche die Brennstäbe in Position gehal­ ten werden, mit 45. Führungsrohre 46 für Steuerstäbe sind an ihrem oberen Ende mit der Kopfplatte 43 und an ihrem unteren Ende mit der Fußplatte 44 verbunden. Außerdem sind sie mit den Abstandshaltern 45 verbunden.

Die Fußplatte gemäß den Fig. 6 und 7 hat durchgehende Kanäle 50 für den Durchlaß von Wasser durch die Fußplatte, eine Anzahl horizontaler Kanäle 51 auf einem ersten Niveau, eine Anzahl horizontaler Kanäle 52 auf einem zweiten Niveau und eine Anzahl horizontaler Kanäle 53 auf einem dritten Ni­ veau. Die horizontalen Kanäle 51, 52 und 53 kreuzen die ver­ tikalen Kanäle 50 und sind auf jedem Niveau in zwei zueinan­ der senkrechten Richtungen angeordnet, die auch senkrecht zu den Seitenwänden 54 der Fußplatte verlaufen. Jeder der Kanäle 51, 52 und 53 erstreckt sich zwischen zwei gegenüber­ liegenden Seitenwänden der Fußplatte. Die horizontalen Kanäle stehen über ihren Mündungen 55 in offener Verbindung mit den Räumen zwischen den Brennstäben in demselben Brenn­ element bei einem Siedewasserreaktor oder in demselben und benachbarten Brennelementen bei einem Druckwasserreaktor. Die offene Verbindung wird durch Vertiefungen 56 in den Sei­ tenwänden 54 der Fußplatte erreicht. Wenn die Fußplatte ge­ mäß den Fig. 6 und 7 in einem Brennelement für einen Sie­ dewasserreaktor verwendet wird, wie zum Beispiel bei dem in Fig. 1 gezeigten Brennelement, steht die Fläche 57 in Kon­ takt mit der Tragplatte 4, und die Seitenwände 54 stehen in Kontakt mit dem Brennelementkasten 1, was zur Folge hat, daß das Wasser, welches durch die Öffnungen 55 strömt, nach oben in den Raum zwischen den Brennstäben 10 strömt. Das Wasser, welches die Kanäle 50 passiert, fließt ebenfalls nach oben in den Raum zwischen den Brennstäben. Die Löcher für die Endzapfen 33 der Brennstäbe in der Fußplatte sind mit 59 be­ zeichnet. Wenn die Fußplatte gemäß den Fig. 6 und 7 in dem Brennelement eines Druckwasserreaktors verwendet wird, zum Beispiel in dem in Fig. 4 gezeigten Brennelement, dann hat die Fußplatte keine Löcher 59 für Brennstäbe, und die Randseite 54 steht in Kontakt mit einer Randseite eines an­ deren Brennelements der gleichen Art. Auch die Vertiefungen 56 erstrecken sich dann nicht über die ganze Länge bis zur unteren Kante der Seitenwand 54 herunter; vielmehr stehen zwei benachbarte Fußplatten in Kontakt miteinander längs ih­ rer gesamten horizontalen Erstreckung längs einer Kante am Boden jeder Seitenwand. Das Wasser, welches durch die Mün­ dungen 55 eingetreten ist, fließt dabei über die Vertiefun­ gen 56 nach oben in die Räume zwischen den Brennstäben 42 über der Fußplatte und in die Räume zwischen benachbarte Brennelemente, da dort keine Trennwände zwischen den Brenn­ elementen vorhanden sind.

In den horizontalen Kanälen 51, die am oberen Ende der Fuß­ platte liegen und die in derselben Richtung verlaufen, sind gemäß der Erfindung Schraubenfedern 61 mit in horizontaler Richtung verlaufenden Längsachsen angeordnet. Sie erstrecken sich über die gesamte Länge eines horizontalen Kanals. In analoger Weise sind Schraubenfedern 62 in den horizontalen Kanälen 52 auf dem nächst tieferen Niveau angeordnet, jedoch in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in welcher die Schraubenfedern 61 angeordnet sind. Es ist grundsätzlich möglich, die Schraubenfedern 61 und 62 in derselben Richtung anzuordnen, jedoch ist der Effekt, Fremdkörper einzufangen, größer, wenn die Schraubenfedern in senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen auf den beiden Niveaus verlaufen. Die Kanäle 53 auf der untersten Ebene enthalten keine Schraubenfedern, um eine ausreichende Funktion der Fußplatte durch einen redundanten Fluß selbst dann sicherzustellen, wenn eine starke Ansammlung von Fremdkörpern in den oberen Kanälen stattgefunden hat.

Die in den Fig. 8 und 9 gezeigte Fußplatte ist für ein Brennelement mit sechszehn Brennstäben gedacht. In einem solchen Brennelement ist ihre Funktion die gleiche wie die Funktion der in den Fig. 6 und 7 gezeigte Fußplatte in einem Brennelement mit fünfundzwanzig Brennstäben. In den Fig. 8 und 9 werden für die entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 6 und 7 verwendet. Die Fußplatte in den Fig. 8 und 9 enthält horizontale Kanäle 51 und 53 auf zwei Ebenen. In den Kanälen 51 auf der oberen Ebene sind in den Kanälen Schraubenfedern 61 angeord­ net, die in gleichen Richtung zwischen zwei gegenüberliegen­ den Seitenwänden verlaufen. In den sich dazu senkrecht er­ streckenden Kanälen sind keine Schraubenfedern vorhanden. Die Kanäle auf der unteren Ebene enthalten keine Schrauben­ federn aus den im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 6 und 7 genannten Gründen. Die Fußplatte gemäß den Fig. 8 und 9 ist mit durchgehenden Schlitzen 63 zur Auf­ nahme von Endzapfen tragenden Brennstäben versehen.

Es ist möglich, einen wirksamen Fremdkörpereinfang auch dann zu erreichen, wenn horizontale Kanäle mit Schraubenfedern nur in einer Ebene angeordnet sind, ohne gleichzeitig hori­ zontale Kanäle ohne Schraubenfedern in einer unteren Ebene anzuordnen, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 der Fall ist. Fremdkörper, die das Wasser durch die horizontalen Kanäle 51, 52 und 53 begleiten, blei­ ben zu einem beträchtlichen Teil an den durch die Vertiefun­ gen 56 gebildeten Spalten an den Seitenwänden der Fußplatte haften.

Eine Schraubenfeder, die gemäß der Erfindung quer zum Was­ serstrom durch die Fußplatte angeordnet ist, verursacht eine mäßige Vergrößerung des Druckabfalles im Verhältnis zu der projektierten Fläche, da die Drosselung in den vertikalen Kanälen in axialer Richtung verteilt stattfindet. Die Schraubenfeder ist in den horizontalen Kanälen mechanisch gut geführt, so daß eine Befestigung in den Kanälen norma­ lerweise nicht notwendig ist. Eingefangene Fremdkörper kön­ nen bei der Inspektion festgestellt werden, zum Beispiel durch Durchleuchtung der horizontalen Kanäle.

Wie Fig. 10 zeigt, können die Schraubenfedern zur Arretie­ rung von Befestigungsbrennstäben und Abstandshalterstäben in Brennelementen für Siedewasserreaktor verwendet werden. Der Endzapfen 65 des Stabes ist mit horizontal gerichteten Schlitzen oder Einschnürungen 64 versehen, die diesem Zweck angepaßt sind. In einem solchen Falle kann es vorteilhaft sein, die Schraubenfeder durch Laserschneiden eines Rohres herzustellen, welches an der Arretierstelle unversehrt (un­ ausgeschnitten) gelassen oder derart mit einem Schlitz ver­ sehen wird, daß es wie ein nachgiebiger Rohrzapfen wirkt. In Brennelementen für Druckwasserreaktor können die Schrauben­ federn in entsprechender Weise zur Arretierung der Führungs­ rohre für Kontrollstäbe dienen.

Claims (7)

1. Brennelement für einen Leichtwasserkernreaktor mit einer Vielzahl von vertikalen Brennstäben (10, 42), die mit gegen­ seitigem Abstand in seitlicher Richtung zwischen einer Fußplatte (11, 44) und einer Kopfplatte (12, 43) angeordnet sind, wobei die Fußplatte mit durchgehenden vertikalen Kanä­ len (50) zur Führung von Wasser durch die Fußplatte in den Raum zwischen den Brennstäben versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußplatte auch horizon­ tale Kanäle (51, 52) hat, welche die vertikalen Kanäle kreu­ zen, wobei zumindest in einigen dieser horizontalen Kanäle Schraubenfedern (61, 62) mit horizontal verlaufenden Längsachsen zumindest in den Bereichen angeordnet sind, in welchen diese horizontalen Kanäle die vertikalen Kanäle kreuzen.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fußplatte (11, 44) mit ho­ rizontalen Kanälen (51, 52) versehen ist, in welchen Schrau­ benfedern (61, 62) angeordnet sind, die sich zumindest im wesentlichen über die gesamte Länge der horizontalen Kanäle erstrecken.

3. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fußplatte (11, 44) mit horizontalen Kanälen (51, 52) versehen ist, in denen Schraubenfedern (61, 62) in mindestens zwei verschie­ denen übereinanderliegenden Ebenen in der Fußplatte angeord­ net sind.

4. Brennelement nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die horizontalen Kanäle (51, 52) mit den darin angeordneten Schraubenfedern (61, 62) in der einen Ebene in der Fußplatte (11, 44) in einer ersten Richtung verlaufen und in einer anderen Ebene der Fußplatte in einer anderen, zu der ersten Richtung senkrechten Rich­ tung verlaufen.

5. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuß­ platte (11, 44) mit horizontalen Kanälen (53) versehen ist, in denen sich keine Schraubenfedern befinden und welche die vertikalen Kanäle (50) kreuzen.

6. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuß­ platte (11, 44) mit horizontalen Kanälen (51, 52, 53) verse­ hen ist, die an den Seitenwänden (54) der Fußplatte in offe­ ner Verbindung mit den Räumen zwischen den Brennstäben ste­ hen.

7. Brennelement für einen Siedewasserreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Brennelement mit horizontalen Kanä­ len (51, 52) versehen ist, in denen Schraubenfedern (61, 62) angeordnet sind, die so beschaffen sind, daß sie Verbin­ dungsbrennstäbe und/oder Abstandshalterstäbe dadurch zu ar­ retieren vermögen, daß sie sich durch horizontale Schlitze (64) in den Endzapfen (65) der Stäbe erstrecken.