DE602004008802T2

DE602004008802T2 - Verfahren zur begrenzung von haltekräften an einem kernreaktor-brennstabbündel und brennstabbündel

Info

Publication number: DE602004008802T2
Application number: DE602004008802T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Chambrin; Angelo Beati; Guy Gentet
Original assignee: Areva NP SAS
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2024-12-08
Also published as: KR101216980B1; US20070189433A1; JP2007518072A; ATE372579T1; CN1906703A; DE602004008802D1; EP1697947A2; ES2289583T3; KR20060129231A; FR2864326A1; WO2005071693A3; JP5341313B2; FR2864326B1; US7577229B2; ZA200605110B; CN100568402C; WO2005071693A2; EP1697947B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begrenzung der Haltekräfte, die auf ein Brennstabbündel bzw. ein Brennelement eines Kernreaktors einwirken müssen, um die hydraulische Schubkraft des Kühlwassers zu kompensieren, welches das in dem Kernreaktor im Einsatz befindliche Brennstabbündel durchquert.
Man kennt Brennstabbündel bzw. Brennelemente für wassergekühlte Kernreaktoren und insbesondere Brennstabbündel für druckwassergekühlte Kernreaktoren die ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe in einem Gestell umfassen, das von quergerichteten Endteilen abgeschlossen wird, bezogen auf die axiale Längsrichtung des Brennstabbündels.
Im Falle von druckwassergekühlten Kernreaktoren haben die Brennstabbündel bzw. Brennelemente generell die Form eines Parallelepipeds mit quadratischem Querschnitt und großer Länge in axialer Richtung von zum Beispiel 4 m oder mehr und einem Querschnitt mit einer Seitenlänge von ungefähr 0,20 m. Die Endteile des Brennstabbündels sind quadratisch, wobei das erste Endteil, das sich beim Einsatz des Brennstabbündels im Kernreaktor am unteren Ende des Brennstabbündels befindet, das untere Endteil bildet und an jedem seiner Ecken einen Fuß umfasst, der dazu bestimmt ist, sich auf der Tragplatte oder unteren Spaltraumplatte abzustützen. Zwei der Füße, angeordnet entsprechend einer Diagonale des unteren Endteils, sind von Öffnungen durchquert, von denen jede dazu bestimmt ist, ein Element zur Zentrierung des Brennstabbündels aufzunehmen, das in vertikaler Richtung nach oben aus der Grundplatte des Spaltraums hervorsteht. Wenn man das Brennstabbündel auf der unteren Spaltraumplatte abstellt, führt man zwei Zentrierelemente der unteren Spaltraumplatte in die beiden Öffnungen des unteren Endteils ein, um die Positionierung des Brennstabbündels direkt über Kühlwasserdurchgangslöchern der unteren Spaltraumplatte sicherzustellen. Das zweite, obere Endteil des Brennstabbündels, das sich beim Einsatz des Brennstabbündels im Spaltraum des Kernreaktor oben befindet, umfasst insbesondere Abstützungsblattfedern auf einer Oberseite und zwei Zentrieröffnungen an zwei Ecken des quadratischen Querschnitts des oberen Endteils. Die Zentrieröffnungen des oberen Endteils des Brennstabbündels sind vorgesehen zur Aufnahme von Zentrierelementen, die nach unten herausragen aus einer oberen Spaltraumplatte, die dazu bestimmt ist, auf den oberen Endteilen der Brennstabbündel zu ruhen, welche die Abstützungsblattfedern umfassen. Die obere Spaltraumplatte bildet den unteren Teil der oberen Innenausrüstungen des obere Spaltraumplatte bildet den unteren Teil der oberen Innenausrüstungen des Kernreaktors, die nach dem Beladen des Spaltraum mit Brennstabbündeln über dem Spaltraum angebracht werden, um den Halt der Brennstabbündel im Spaltraum zu gewährleisten. Wenn die obere Spaltraumplatte auf den im Spaltraum des Reaktors angeordneten Brennstabbündeln angebracht wird, setzen sich die entsprechend der einzelnen Brennstabbündel angeordneten Zentrierelemente der oberen Spaltraumplatte in die Zentrieröffnungen des oberen Endteils jedes Brennstabbündels.
Die Zentrierelemente der unteren Spaltraumplatte und der oberen Spaltraumplatte haben einen kegelstumpfförmigen Einführungsteil und einen zylindrischen Hauptteil, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Zentrieröffnung. Die Zentrierelemente gewährleisten folglich einen Halt der Brennstabbündel in den zu der axialen Längsrichtung senkrechten Querrichtungen sowie in der Längsrichtung, lassen jedoch Längsverschiebungen zu, um in dem in Betrieb befindlichen Reaktor unterschiedliche Wärmedehnungen zu kompensieren, wobei die Brennstabbündel in der Axialrichtung durch die biegungsverformbaren Blattfedern gehalten werden. Wenn der Reaktor in Betrieb ist, durchquert das Druckkühlwasser des Kernreaktors die Brennstabbündel in ihrer axialen Längsrichtung und setzt sie folglich einer hydraulischen Schubkraft in vertikaler Richtung von unten nach oben aus, deren Kräfte auf die Strukturen der Brennstabbündels wirken, sie in axialer Richtung etwas verschieben und laterale Schwingungen auslösen. Um die hydraulische Schubkraft zu kompensieren und um eine zu große Verschiebung des Brennstabbündels unter der Wirkung der hydraulischen Schubkraft zu vermeiden, ist es notwendig, Blattfedern mit starken bzw. hohen Kennwerten vorzusehen. Solche Blattfedern üben große Druckkräfte auf die Struktur des Brennstabbündels aus, so dass es notwendig ist, extrem widerstandsfähige Brennstabbündelgestelle vorzusehen, da diese Gestelle in dem in Betrieb befindlichen Reaktor sehr großen Kräften ausgesetzt sind.
Außerdem, bei Übergangszuständen (régimes transitoires), während denen die Kühlwasserdurchsatzmenge zeitlich sehr schnell variieren kann, kann es zu Schwingungen des Brennstabbündels kommen, und sein unteres Endteil kann, wenn das Brennstabbündel unter der Wirkung der Blattfedern nach unten gedrückt wird, auf der unteren Spaltraumplatte aufschlagen, was auf die Dauer zu einem Verschleiß und einer Verschlechterung des Brennstabbündels führt.
Folglich ist es notwendig, die auf die Brennstabbündel ausgeübten Haltekräfte, die der Kompensation der hydraulischen Schubkraft des das Brennstabbündel durchquerenden Kühlwassers dienen, maximal bzw. optimal zu begrenzen.
In FR-A-2.479.535 wird eine Vorrichtung zur Begrenzung der auf die Brennstabbündel eines Kernkraftwerks wirkenden axialen hydraulischen Schubkraft vorgeschlagen, bei der man auf die Metallfedern zur Abstützung des Oberteils der Brennstabbündel verzichtet und bei der die schnellen Verschiebungen die daraus resultierenden mechanischen Stöße der Brennstabbündel während der Übergangzustände (régimes transitoires) begrenzt werden. Dazu befestigt man auf den Endteilen der Brennstabbündel rohrförmige Sitze, die in Bezug aus dem Endteil in axialer Richtung hervorstehen, an einem auf dem Endteil befestigten axialen Ende verschlossen sind und an ihrem anderen Ende offen sind für die Aufnahme eines Zentrierelements, das auf dichte Weise oder praktisch dichte Weise in das Innere des Sitzes eingeführt wird. Der Sitz umfasst zudem in der Nähe des Endteils eine kalibrierte Öffnung, so dass bei axialen Verschiebungen eines Brennstabbündels in dem in Betrieb befindlichen Kernreaktor diese Verschiebungen abgebremst und gedämpft werden durch einen Wasserdurchfluss in der kalibrierten Öffnung. Zudem kann man im Innern des Sitzes eine geschlitzte Hülse mit flexiblen Zweigen anbringen, deren Innendurchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser des Zentrierfingers bzw. Zentrierzapfens oder -bolzens.
Eine derartige Vorrichtung ist komplex und erfordert eine substanzielle Modifizierung der Endteile der Brennstoffbündel. Insbesondere ist es sehr schwierig, vorhandene Brennstabbündel zu modifizieren, um die Druckeffekte zu kompensieren, die auf die Struktur des Brennstabbündels wirken, um die auf das Brennstabbündel einwirkende hydraulische Schubkraft zu kompensieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, ein Verfahren zur Begrenzung der Haltekräfte vorzuschlagen, die auf ein Kernreaktor-Brennstabbündel zur Kompensierung der hydraulischen Schubkraft des Kühlwassers wirken, welches das in dem Kernreaktor in Betrieb befindliche Brennstabbündel durchquert, wobei das Brennstabbündel ein Gestell umfasst, das ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe enthält und an seinen Enden durch transversale Endteile abgeschlossen ist, die senkrecht sind zu der Längsrichtung des Brennstabbündels, entsprechend der das Kühlwasser fließt, wobei jedes der Endteile wenigstens zwei Zentrierdurchgangsöffnungen umfasst, von denen jede dazu dient, ein Zentrierelement bzw. den Zapfen eines Zentrierelements einer unteren Spaltraumplatte oder einer oberen Spaltraumplatte aufzunehmen. Dabei kann dieses Verfahren bei neuen Brennstabbündeln bzw. Brennelementen und gebrauchten Brennstabbündels bzw. Brennelementen angewendet werden, wobei man Federn mit niedrigeren Kennwerten verwenden kann, die einen reduzierten Druck auf das Brennstabbündel ausüben, und dabei die Verschiebungen oder Stöße des Brennstabbündels in einem Reaktor im Betriebszustand vermeiden kann.
Zu diesem Zweck realisiert man für mindestens eine der Zentrieröffnungen von wenigstens einem der Endteile des Brennstabbündels eine elastische Hülse zur Aufnahme eines Zentrierelementzapfens mit Reibungssitz, wobei die elastische Hülse einen ringförmigen Körper mit einem Befestigungsteil umfasst, dessen Außendurchmesser entsprechend eines Teils ihrer axialen Länge maximal und mindestens gleich dem Durchmesser der Zentrieröffnung des Endteils ist, mindestens zwei flexible Zweige umfasst, voneinander getrennt durch wenigstens zwei Schlitze mit axialer Richtung über die gesamte Länge der elastischen Hülse zwischen seinem Befestigungsteil und einem freien Ende der Hülse, wobei der Teil der Hülse, der die flexiblen Zweige umfasst, einen Außendurchmesser kleiner als der Durchmesser der Zentrieröffnung, und eine ringförmige Sitzfläche aufweist, die im Innern der Hülse in dem Bereich des freien Endes der flexiblen Zweige radial hervorsteht und deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Zentrierelementzapfen,

– realisiert die Öffnungen von wenigstens einem Endteil des Brennstabbündels mit einem Durchmesser, der im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Befestigungsteils der elastischen Hülse ist, und
– befestigt eine elastische Hülse in der Öffnung eines Endteils des Brennstabbündels.

Nach besonderen Ausführungsarten:

– wird die elastische Hülse in der Öffnung des Endteils des Brennstabbündels durch wenigstens eines der folgenden Verfahren befestigt: Quetschen bzw. Pressen, Aufweiten, Schweißen, Schrauben;
– befestigt man elastische Hülsen in den Durchgangsöffnungen von nur einem der Endteile des Brennstabbündels und vorzugsweise in den Durchgangsöffnungen des unteren Endteils;
– befestigt man elastische Hülsen in den Durchgangsöffnungen des oberen und des unteren Endteils des Brennstabbündels;
– realisiert man elastische Hülsen, deren Innendurchmesser größer ist als der Durchmesser eines zylindrischen Eingriffteils der Zentrierelemente, um den Toleranzen in Bezug auf den Durchmesser des zylindrischen Eingriffteils der Zentrierelemente und in Bezug auf den Abstand zwischen den Zentrierelementen Rechnung zu tragen, die dazu bestimmt sind, in das Endteil des Brennstabbündels einzugreifen;
– sieht man auf der ringförmigen Sitzfläche im Innern der Hülse für den Kontakt mit dem Zentrierelementzapfen Stützflächen von elliptischer Form und Stützflächen von kreisrunder Form vor, um den Kontakt und die Reibung eines Zentrierelements mit dem ringförmigen Sitz der elastischen Hülse bei vertikalen Verschiebungen des Brennstabbündels unter der Wirkung der hydraulischen Schubkraft zu optimieren.

Die Erfindung betrifft auch ein Brennstabbündel eines Kernreaktors mit einem Gestell, das ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe enthält und an seinen Enden durch transversale Endteile abgeschlossen ist, die senkrecht sind zu der Längsrichtung des Brennstabbündels, entsprechend der das Kühlwasser fließt, wobei jedes der Endteile wenigstens zwei Zentrierdurchgangsöffnungen umfasst, von denen jede dazu dient, einen Zentrierelementzapfen einer unteren Spaltraumplatte oder einer oberen Spaltraumplatte aufzunehmen, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass im Innern von mindestens einer Durchgangsöffnung von wenigstens einem der Endteile des Brennstabbündels eine elastische Hülse zur Aufnahme eines Zentrierelementzapfens mit Reibungssitz befestigt ist, die einen ringförmigen Körper mit einem Befestigungsteil umfasst, dessen Außendurchmesser entsprechend eines Teils seiner axialen Länge maximal und mindestens gleich dem Durchmesser der Durchgangsöffnung ist, und mindestens zwei flexible Zweige umfasst, voneinander getrennt durch wenigstens zwei Schlitze von axialer Richtung über die gesamte Länge der elastischen Hülse zwischen seinem Befestigungsteil und einem freien Ende der Hülse, der einen Außendurchmesser hat, der kleiner ist als der Durchmesser des Befestigungsteils, und eine ringförmige Sitzfläche aufweist, die im Innern der Hülse in einem freien Endbereich der flexiblen Zweige radial hervorsteht und deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Zentrierelementzapfen, die dazu bestimmt sind, in die Öffnungen des Endteils eingeführt zu werden.
Vorzugsweise:

– haben die Durchgangsöffnungen des Brennstabbündels, in denen man eine elastische Hülse befestigt, einen Durchmesser, der wesentlich größer ist als der Durchmesser der Zentrierelementzapfen, wobei der Durchmesser der Durchgangsöffnungen durch folgende Gleichung festgelegt wird: DD = DB + DI – DC, in der DD der Bohrungsdurchmesser der Durchgangsöffnung des Endteils ist, DI der Innendurchmesser des Durchgangsteils der elastischen Hülse ist, DB der Außendurchmesser der flexiblen Zweige der Hülse ist und DC der Durchmesser des Innenabstützungsteils der elastischen Zweige der Hülse ist.
– ist der Innendurchmesser des Durchgangsteils der elastischen Hülse größer als der Durchmesser eines Zentrierelementzapfens, um den Toleranzen bezüglich des Durchmessers der Zentrierelementzapfen und bezüglich des Abstands der Zentrierelementzapfen Rechnung zu tragen, die dazu bestimmt sind, in das Endteil des Brennstabbündels einzugreifen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun beispielartig eine Realisierungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer elastischen Hülse zur Nutzanwendung des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Die 1 ist eine perspektivische Ansicht eines im Einsatz befindlichen Brennstabbündels bzw. Brennelements eines druckwassergekühlten Kernreaktors, angeordnet zwischen einer oberen und einer unteren Spaltraumplatte.
Die 2 ist eine Axialschnittansicht einer in ein Endteil eines Brennstabbündels bzw. Brennelements montierten elastischen Hülse zur Nutzanwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 3 ist eine Querschnittansicht gemäß 3-3 der 2.
Die 4A und 4B sind Draufsichten von Zentrierelementzapfen der unteren Spaltraumplatte eines Reaktors, die in zwei elastischen Hülsen eines unteren Endteils eines Brennstabbündels bzw. Brennelements stecken.
Die 4A betrifft eine erste Realisierungsvariante und die 4B eine zweite Realisierungsvariante.
Die 5 ist ein Aufriss und ein Teilschnitt eines Zentrierelements der unteren Spaltraumplatte oder Tragplatte eines Kernreaktors.
Die 1 zeigt ein allgemein mit der Referenz 1 bezeichnetes Brennstabbündel bzw. Brennelement eines druckwassergekühlten Reaktors in Arbeitsstellung zwischen einer unteren Spaltraumplatte 2 und einer oberen Spaltraumplatte 3.
Das Brennstabbündel 1 umfasst ein Gestell, hauptsächlich gebildet durch Abstandshaltergitter wie 4a und 4b, die die Brennstäbe 5 in Form eines Bündels zusammenhalten, in dem alle Brennstäbe zueinander parallel sind und im Innern von Zellen der Abstandshaltergitter in transversalen Richtungen festgehalten werden, die einem gleichmäßigen Gitter mit quadratischen Zellen entsprechen. Das Gestell des Brennstabbündels umfasst auch Führungsrohre 6, die länger sind als die Brennstäbe 5, und ein unteres Endteil 7 und ein oberes Endteil 8, befestigt an den Enden der Führungsrohre 6, die über die Enden der Brennstäbe 5 des Bündels hinausragen.
Das untere Endteil 7 des Brennstabbündels umfasst eine transversale Platte von quadratischer Form und an jedem der Ecken der Platte Füße 9, die aus einem Stück mit der Platte 7 sind. Das Brennstabbündel 1, wie dargestellt in der 1, ruht mit den Füßen 9 auf der unteren Spaltraumplatte 2. Zwei der Füße 9, dargestellt entsprechend einer Diagonale des quadratischen Endteils 7, werden von Öffnungen 10 durchquert, die jeweils einen Zentrierelementzapfen 11 aufnehmen, der aus der Oberseite der unteren Spaltraumplatte 2 hervorsteht, auf der das Brennstabbündel abgestellt worden ist, wobei diese Zapfen 11 die Positionierung und Zentrierung des Brennstabbündels auf der unteren Spaltraumplatte 2 gewährfeisten. Die untere Spaltraumplatte 2 wird von Kühlwasserdurchgangsöffnungen durchquert. Generell befinden sich vier Kühlwasserdurchgangsöffnungen direkt unter jedem Brennstabbündel 1 des Spaltraums und münden unter der transversalen Platte des unteren Endteils, die von kalibrierten Kühlwasserdurchgangsöffnungen durchquert wird, die die Verteilung des Reaktorkühlwassers zwischen den Brennstäben 5 des Brennstabbündels gewährleisten.
Beim Beladen des Spaltraums des Reaktors werden die Brennstabbündel 1 so angeordnet, dass die parallelflachen vertikalen Seiten ihrer Abstandshaltergitter sich im Wesentlichen berühren.
Das Gestell des Brennstabbündels 1 umfasst auch ein oberes Endteil 8, befestigt auf den oberen Enden der Führungsrohre 6. Das obere Endteil 8 des in der 1 dargestellten Brennstabbündels umfasst einen Rahmen 8a von quadratischem Querschnitt und eine transversale Platte, aus einem Stück mit dem Rahmen 8a und durchquert von Kühlwasserdurchgangsöffnungen des Brennstabbündels.
In zwei einer ersten Diagonale des Endteils entsprechenden Ecken des Rahmens 8a befinden sich zwei Öffnungen 12, die jeweils zur Aufnahme eines aus der Unterseite der oberen Spaltraumplatte 3 des Kernreaktors hervorstehen Zentrierelementzapfens 13 dienen, wenn die obere Platte 3 auf den in den Spaltraum geladenen Brennstabbündeln angebracht wird.
Auf jeder der Seiten des Rahmens 8a ist eine der Blattfedern 14 eines Systems vorgesehen, der dazu dient, das Brennstabbündel 1 unter der oberen Platte 3 zu stabilisieren. Die Blattfedern 14 des Systems sind auf dem Rahmen 8a des Endteils paarweise an zwei Ecken des Rahmens 8a befestigt, die sich entsprechend einer zweiten Diagonale des Rahmens 8a gegenüberstehen, die senkrecht ist zu der den Öffnungen 12 der Zapfen 13 der oberen Platte 3 entsprechenden ersten Diagonale.
Nach dem Beladen des Spaltraums, wenn jedes der Brennstabbündel in einer bestimmten Position auf der unteren Platte des Spaltraums steht, bringt man über dem Spaltraum wieder die oberen Innenausrüstungen des Kernreaktors an, die in ihrem unteren Teil die obere Spaltraumplatte umfassen, deren Zentrierführungszapfen sich in die Öffnungen der oberen Endteile der Brennstabbündel setzen. Die Blattfedern 14 werden durch das Gewicht der oberen Innenausrüstungen und durch die Klemmkraft zusammengedrückt, die durch das Schließen des Spaltraumdeckels erzeugt wird, wobei die Druckkräfte auf die Struktur jedes ein Gestell und ein Brennstabbündel umfassende Brennelement übertragen werden.
Die Verwendung von Blattfedern zur Abstützung der oberen Spaltraumplatte auf den Brennstabbündeln bzw. Brennelementen ist notwendig aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen den Strukturen des Kernreaktors und der Brennstabbündel, wenn die Temperatur in dem Kernreaktor bis auf die Betriebstemperatur ansteigt. Die unterschiedlichen Wärmedehnungen werden durch die Druckfedern 14 der Brennstabbündel absorbiert.
Während des Betriebs des Kernreaktors zirkuliert das Kühlwasser in den Brennstabbündeln mit einer sehr großen Geschwindigkeit, so dass die Brennstabbündel einer hydraulischen Schubkraft in vertikaler Richtung und von unten nach oben ausgesetzt sind, das heißt entsprechend der Fließrichtung des Kühlwassers. Um die Verschiebungen der Brennstabbündel unter der Wirkung der hydraulischen Schubkraft so gut wie möglich zu verhindern oder zu begrenzen, insbesondere in den Übergangsbetriebsphasen des Reaktors, verwendet man Blattfedern 14 mit hohen Kennwerten, das heißt Blattfedern, mittels denen man große Druckkräfte auf die Strukturen der Brennelemente überträgt. Die Verwendung von Federn mit hohen Kennwerten ermöglicht, die vertikalen Verschiebungen der Brennstabbündel zu vermeiden, so dass insbesondere die heftigen Aufprallstöße von Brennstabbündel auf der unteren Spaltraumplatte vermieden werden, die stattfinden, wenn ein durch die hydraulische Schubkraft angehobenes Brennstabbündel wieder zurückfällt auf die untere Spaltraumplatte.
Um die auf die Brennstabbündel ausgeübten Druckkräfte zu begrenzen, hat man schon an Lösungen gedacht, bei denen Kräfte erzeugt werden, die den vertikalen Verschiebungen der Brennstabbündel unter der Wirkung der hydraulischen Schubkraft entgegenwirken, zusätzlich zu Haltefedern.
Nach der Erfindung realisiert man die Begrenzung der dem hydraulischen Schub entgegenwirkenden Druckkräfte, indem man eine mechanische Reibung zwischen den Zentrierzapfen von wenigstens einer der Spaltraumplatten, der unteren oder der oberen, und wenigstens einem der Endteile der Brennstabbündel erzeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Realisierung oder Modifizierung neuer oder auch gebrauchter Brennstabbündel, um eine substantielle Reduzierung oder eine Unterdrückung der vertikalen Verschiebungen und der lateralen Schwingungen von Brennstabbündeln unter der Wirkung der hydraulischen Schubkraft im Spaltraum des Kernreaktors zu erreichen.
Die 2 und 3 betreffen die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Bremsung des Brennstabbündels in seinem unteren Endteil.
In der 2 ist ein Teil eines Fußes 9 eines unteren Endteils des Brennstabbündels dargestellt, der dazu bestimmt ist, auf dem unteren Spaltraumplatte des Kernreaktors zu ruhen.
Das erfindungsgemäße Begrenzungsverfahren besteht darin, im Innern einer den Fuß 9 des unteren Endteils durchquerenden Öffnung eine elastische Hülse 15 zu befestigen, die der Aufnahme eines Zentrierzapfens der unteren Spaltraumplatte des Kernreaktors dient.
Die elastische Hülse 15 ist in Form einer geschlitzten Hülse realisiert, die vier flexible Zweige 16 umfasst, die durch vier vertikale Schlitze 17 getrennt sind, die sich über einen Teil der Länge der flexiblen Hülse 15 erstrecken.
Die flexible Hülse 15 umfasst einen Teil 15a zur Befestigung in einer Bohrung 18, die den Fuß 9 des unteren Endteils des Brennstabbündels durchquert. Der Befestigungsteil 15a der elastischen Hülse befindet sich an einem der axialen Enden der Hülse 15 und erstreckt sich über eine axiale Länge, die zum Beispiel 10 bis 20 % der gesamten Axiallänge der elastischen Hülse betragen kann. Die elastischen Zweige 16 und die Schlitze 17 der Hülse erstrecken sich über den restlichen Teil der Hülse, zwischen dem Befestigungsteil 15a und einem freien Ende der flexiblen Zweige 16.
Der Außendurchmesser der rohrförmigen Hülse ist in ihrem Befestigungsteil 15a im Wesentlichen gleich dem Durchmesser DA der Öffnung 18 in dem oberen Teil des Fußes 9 des Endteils.
Wie dargestellt in den 2 und 3, wird die Hülse in der Öffnung 18 des Endteils befestigt. Die Hülse 15 kann in der Öffnung des Fußes 9 entweder mittels Presssitz oder Quetschung (sertissage) oder durch Schweißung befestigt werden, wenn die Werkstoffe, aus denen der Fuß 9 des Endteils und die elastische Hülse 5 sind, metallisch kompatibel sind.
Im Falle der Herstellung eines Endteils 9 kann der Durchmesser DA der Öffnung 18 und folglich der Außendurchmesser des Befestigungsteils 15a der Hülse 15 so gewählt werden, dass man eine Hülse 15 einsetzen kann, die eine festgelegte Wanddicke hat, wobei man dem Durchmesser der Führungs- bzw. Zentrierzapfen der unteren Spaltraumplatte Rechnung trägt. Jedoch ist auf alle Fälle der Durchmesser der Öffnung 18 größer als der Durchmesser der Führungszapfen, die in die elastische Hülse 15 eingeführt werden müssen, die in der den Fuß 9 des unteren Endteils durchquerenden Öffnung 18 befestigt werden müssen.
Im Falle eines existierenden Brennstabbündels, zum Beispiel eines neuen Brennstabbündels des klassischen Typs oder eines gebrauchten Brennstabbündels, werden die Füße 9 des unteren Endteils des Brennstabbündels von Öffnungen durchquert, die einen Durchmesser haben, der nur etwas größer ist als der Durchmesser der Führungszapfen der unteren Spaltraumplatte. In diesem Fall bohrt man, um die Hülse einzuführen, die vorhandene Bohrung des Endteilfußes auf, um eine Bohrung 18 herzustellen, in der man die Hülse 15 mit ihrem Befestigungsteil 15a fixieren kann.
Die Hülse 15 umfasst an einem freien Ende jedes ihrer elastischen Zweige 16, entgegengesetzt zu dem Verbindungsteil der elastischen Zweige 16 mit dem Befestigungsteil 15a der Hülse, einen radial ins Hülseninnere ragenden Bund 19 aus vier Sektoren, wobei die vier Sektoren des Bunds 19 einen diskontinuierlichen im Wesentlichen ringförmigen Sitz 19 bilden.
Die geometrischen Charakteristiken der Hülse, die die Klemmung und folglich deren Reibungskraft auf den in die Hülse eingeführten Zentrierzapfen definieren, umfassen insbesondere den Außendurchmesser DB der elastischen Zweige der Hülse, den Innendurchmesser DC der elastischen Zweige der Hülse auf Höhe des ringförmigen Sitzes 19 für einen in die elastische Hülse 15 eingeführten Zentrierzapfen, und den Durchmesser DD des dem freien Endteil der elastischen Zweige 16 der Hülse 15 gegenüberstehenden Bohrungsteils 18.
Generell ist der Durchmesser DD gleich dem Durchmesser DA, wobei das den Fuß des Endteils durchquerende Loch 18 einen konstanten Durchmesser hat. Jedoch ist es möglich, in der Befestigungszone der Hülse und in dem die elastischen Zweige 16 aufnehmenden Teil einen von dem Durchmesser des Lochs 18 abweichenden Durchmesser vorzusehen.
Der Innendurchmesser DC des Sitzes muss gleich dem Außendurchmesser eines Zentrierzapfens der unteren Spaltraumplatte abzüglich eines Klemmungswerts sein, der in Abhängigkeit von der zwischen dem Zentrierzapfen und der Hülse erwünschten Reibungskraft berechnet werden kann. Die Klemmkraftberechnung muss der Länge und der Steifigkeit der flexiblen Zweige und den Beanspruchungen durch laterale Schwingungen Rechnung tragen, denen das Brennstabbündel ausgesetzt ist.
Der Innendurchmesser DI der elastischen Hülse 15 außerhalb des Sitzes 29 muss größer sein als der Durchmesser der Zentrierzapfen der unteren Spaltraumplatte, um den Unsicherheiten bezüglich der Position der Zentrierzapfen Rechnung zu tragen.
Um die Bewegung zwischen der Hülse und dem Zentrierzapfen der unteren Spaltraumplatte in einer unfallartigen (accidentelle) Situation zu begrenzen, kann man den Durchmesser DD des Teils der Bohrung 18, der den elastischen Zweigen gegenübersteht, in Abhängigkeit von dem Außen- und Innendurchmessern der flexiblen Zweige durch folgende Formel berechnen: DD = DB + DI – DC.
Auf diese Weise ist das diametrale Spiel um die flexiblen Zweige 16 der Hülse 15 herum gleich der maximalen Bewegung bzw. dem maximalen Ausschlag der durch Biegung verformten Zweige, wenn ein Zentrierzapfen in die Hülse 15 eingeführt wird. Außerdem ermöglicht die Abstützung bzw. Klemmung der Hülse auf dem Zentrierzapfen auf Höhe des Sitzes 19 in der Nähe der freien Enden der Zweige 16 und der Abstützfläche des Fußes 9 auf der unteren Spaltraumplatte, Biegebeanspruchungen des Zentrierzapfens zu vermeiden. Im Falle von transversalen Kräften unter unfallartigen (accidentelles) Bedingungen, stützen sich aufgrund des durch die oben erwähnte Berechnung erhaltenen Wert DD des Durchmesser die Zweige 16 auf dem Innendurchmesser der Öffnung 18 ab, und der Zentrierzapfen wird nicht auf Biegung beansprucht, da er mittels eines Teils der seiner Fläche in der Nähe der unteren Spaltraumplatte gehalten wird.
Die Berechnung und die Bestimmung des Durchmesser DD ermöglicht, die Bohrung 18 durch mechanische Bearbeitung oder Neubearbeitung der Füße des unteren Endteils des Brennstabbündels zu realisieren.
Um eine wesentliche Begrenzung der auf das Brennstabbündel auszuübenden Druckkraft zu erhalten, die nötig ist, um seinen Halt zu gewährleisten, kann es notwendig sein, elastische Hülsen sowohl in den Durchgangsöffnungen des unteren Endteils als auch in den Durchgangsöffnungen des oberen Endteils anzubringen. In diesem Fall erfolgt die Bremsung sowohl durch die Zentrierzapfen der unteren Spaltraumplatte als durch die Zentrierzapfen der oberen Spaltraumplatte.
Die Herstellung und die Montage der elastischen Hülsen für die Öffnungen 12 des Rahmens 8a des oberen Endteils, wie oben beschrieben, entsprechen der Herstellung und der Montage der elastischen Hülsen für die Öffnungen des Rahmens des unteren Endteils, und werden daher nicht nochmals beschrieben.
Die elastischen Hülsen 15 können aus einem Werkstoff mit einer hohen Elastizitäts- bzw. Streckgrenze gefertigt werden, der wenig kriechanfällig ist. Insbesondere kann man Nickellegierungen wie etwa die Legierung 750 oder die Legierung 718, einen martensitischen rostfreien Stahl wie Z12CN13 oder auch Titan oder eine seiner Legierungen verwenden. Die Endteile der Brennstabbündel sind generell aus einem austenitischen rostfreien Stahl, wo die Fixierung der elastischen Hülsen in den Durchgangsöffnungen der Endteile durch Schrumpfen (frettage) gewisse Probleme verursachen kann, da die für die Hülsen vorgesehenen elastischen Werkstoffe Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen, die niedriger sind als die austenitischen Stähle. In bestimmten Fällen ist es möglich und vorzuziehen, die Verbindung zwischen der elastischen Hülse und dem Enteil durch Schweißen zu realisieren. In den anderen Fällen kann es notwendig sein, auf eine Schraubverbindung zwischen Hülse und Endteil zurückzugreifen, wobei man eine Blockierung der Schraubverbindung vorsieht, um das Ganze unlösbar zu machen.
Die Verwendung von elastischen Hülsen wie die oben beschriebenen ermöglicht, Reibungskräfte von einigen Hundert daN pro Endteil zu erreichen, zum Beispiel 300 bis 400 daN.
Diese axialen Reibungskräfte zwischen dem Brennstabbündel und den Zentrierzapfen des Brennstabbündels ermöglichen, die auf das Brennstabbündel auszuübenden Druckkräfte beträchtlich zu reduzieren. Die Reduzierung der aufzuwendenden Druckkraft kann 50 % oder mehr betragen, was zur Schonung der Struktur des Brennstabbündels beiträgt.
In der 5 ist ein Zentrierzapfen 11 dargestellt, der auf die untere Spaltraumplatte 2 montiert ist, wobei eine Schraubenmutter 11' auf einen gewindeten Teil des in einer Durchgangsöffnung der unteren Spaltraumplatte 2 steckenden Zentrierzapfens 11 geschraubt ist.
Wie dargestellt in der 4A, sind zwei Zentrierzapfen 11 auf der unteren Spaltraumplatte 2 in Positionen angeordnet, die ihre (simultane) Einführung in zwei Öffnungen des unteren Entteils des Brennstabbündels ermöglichen.
Die Zentrierzapfen 11 befinden sich auf der unteren Spaltraumplatte beiderseits von zwei Durchgangslöchern 20 für das Kühlwasser für das Brennstabbündel.
In der 4A sind zwei elastische Hülsen nach der Erfindung dargestellt, die in dem unteren Endteil des Brennstabbündels stecken, das in der in der 4A dargestellten Position auf der unteren Spaltraumplatte steht, wobei die in den Durchgangsöffnungen fixierten elastischen Hülsen 15, wie oben beschrieben, auf die Zentrierzapfen 11 geschoben worden sind. Um bei der Einführung der Zentrierzapfen 11 in die Hülsen 15 keine übermäßigen Biegekräfte in den Zentrierzapfen 11 zu erzeugen, muss man bei der Herstellung der elastischen Hülsen und der Fixierung in dem Endteil des Brennstabbündels die zulässigen Toleranzen für den Durchmesser DS (s. 5) des zylindrischen Teils des Zentrierzapfens 11 und die Distanzen L1 und L2 zwischen den beiden Mantellinien der zylindrischen Fläche der Zentrierzapfen mit der kleinsten bzw. der größten Entfernung voneinander berücksichtigen.
Man hat eine Aufstellung über die Gesamtheit der Zentrierzapfen der unteren Spaltraumplatte eines Kernreaktors gemacht und die maximalen Variationsspannen der Parameter DS, L1 und L2 ermittelt.
Davon hat man den für die elastischen Hülsen optimalen Innendurchmesser DI abgeleitet.
Wie oben beschrieben, leitet man davon den Durchmesser DD der Durchgangsbohrung des Endteils ab, der für die Montage der Hülse 15 vorgesehen oder durch Nachbearbeitung hergestellt werden muss.
Außerdem müssen die elastischen Hülsen 15 jedes Brennstabbündels mit einer Orientierung montiert werden, die gleichzeitig eine leichte Zentrierung der Hülse auf den Zapfen 11 der unteren Spaltraumplatte 2 und eine gute Klemmung der Hülsen ermöglichen, die eine solche Reibungskraft der Hülsen gewährleistet, dass man die auf die Brennstabbündel auszuübende Druckkraft deutliche reduzieren kann.
Diese beiden kontradiktorischen Ziele können miteinander versöhnt werden, wie dargestellt in der 4B, indem man Hülsen verwendet, die elliptische Auflageflächen haben und indem man die Hülsen so anordnet, dass ihre Klemmwirkung in der Richtung am größten ist, die senkrecht ist zu der Diagonale, entsprechend der die elastischen Hülsen 15 angeordnet sind.
Die Erfindung ermöglicht also, auf einfache und effiziente Weise die notwendige Haltekraft und folglich die auf die Struktur eines Brennstabbündels auszuübende Druckkraft zu reduzieren, was ermöglicht, leichtere Brennstabbündelstrukturen zu verwenden.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Realisierungsarten beschränkt.
So können die elastischen Hülsen eine andere als die oben beschriebene Form aufweisen und sie können irgendwelche anderen Mittel zum Abbremsen der Vertikalverschiebungen des Brennstabbündels umfassen.
Die Erfindung betrifft alle wassergekühlten Kernreaktortypen.

Claims

Verfahren zur Begrenzung der Haltekräfte, die auf ein Kernreaktor-Brennstabbündel (1) zur Kompensierung der hydraulischen Schubkraft des Kühlwassers wirken, welches das in dem Kernreaktor in Betrieb befindliche Brennstabbündel (1) durchquert, wobei das Brennstabbündel ein Gestell umfasst, das ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe (5) enthält und an seinen Enden durch transversale Endteile (7, 8) abgeschlossen ist, die senkrecht sind zu der Längsrichtung des Brennstabbündels (1), entsprechend der das Kühlwasser fließt, wobei jedes der Endteile (7, 8) wenigstens zwei Zentrierdurchgangsöffnungen (10, 12) umfasst, von denen jede dazu dient, ein Zentrierelement (11, 13) einer unteren Spaltraumplatte (2) oder einer oberen Spaltraumplatte (3) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass man für mindestens eine der Zentrieröffnungen von wenigstens einem der Endteile (7, 8) des Brennstabbündels (1) eine elastische Hülse (15) zur Aufnahme eines Zentrierelements (11, 13) mit Reibungssitz realisiert, wobei die elastische Hülse einen ringförmigen Körper mit einem Befestigungsteil (15a) umfasst, dessen Außendurchmesser entsprechend eines Teils seiner axialen Länge maximal und mindestens gleich dem Durchmesser der Zentrieröffnung (10, 12, 18) des Endteils (7, 8) ist, mindestens zwei flexible Zweige (16) umfasst, voneinander getrennt durch wenigstens zwei Schlitze (17) mit axialer Richtung über die gesamte Länge der elastischen Hülse (15) zwischen seinem Befestigungsteil (15a) und einem freien Ende der Hülse (15), wobei der Teil der Hülse, der die flexiblen Zweige (16) umfasst, einen Außendurchmesser kleiner als der Durchmesser der Zentrieröffnung, und eine ringförmige Sitzfläche (19) aufweist, die im Innern der Hülse (15) in dem Bereich des freien Endes der flexiblen Zweige (16) radial hervorsteht und deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Zentrierelemente (11, 13), dass man die genannte Öffnung (10, 12, 18) von wenigstens einem Endteil (7, 8) des Brennstabbündels (1) mit einem Durchmesser realisiert, der im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Befestigungsteils (15a) der elastischen Hülse ist, und dass man die elastische Hülse (15) in der genannten Öffnung wenigstens eines Endteils (7, 8) befestigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Hülse (15) in der Öffnung (10, 12) des Endteils (7, 8) des Brennstabbündels durch wenigstens eines der folgenden Verfahren befestigt wird: Quetschen bzw. Pressen, Aufweiten, Schweißen, Schrauben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man elastische Hülsen (15) in den Durchgangsöffnungen (10, 12) von nur einem der Endteile (7, 8) des Brennstabbündels anbringt und vorzugsweise in den Durchgangsöffnungen (10, 18) des unteren Endteils (7).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass man elastische Hülsen (15) in den Durchgangsöffnungen des oberen (8) und des unteren (9) Endteils des Brennstabbündels befestigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man elastische Hülsen realisiert, deren Innendurchmesser (DI) größer ist als der Durchmesser eines zylindrischen Eingriffteils der Zentrierelemente (11, 13), um den Toleranzen in Bezug auf den Durchmesser des zylindrischen Eingriffteils der Zentrierelemente und in Bezug auf den Abstand zwischen den Zentrierelementen Rechnung zu tragen, die dazu bestimmt sind, in das Endteil des Brennstabbündels einzugreifen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man auf der ringförmigen Sitzfläche (19) im Innern der Hülse (15) für den Kontakt mit dem Zentrierelement (11, 13) Stützflächen von elliptischer Form und Stützflächen von kreisrunder Form vorsieht, um den Kontakt und die Reibung eines Zentrierelements (11, 13) mit dem ringförmigen Sitz (19) der elastischen Hülse (15) bei vertikalen Verschiebungen des Brennstabbündels unter der Wirkung der hydraulischen Schubkraft zu optimieren.
Brennstabbündel eines Kernreaktors mit einem Gestell, das ein Bündel zueinander paralleler Brennstäbe (5) enthält und an seinen Enden durch transversale Endteile (7, 8) abgeschlossen ist, die senkrecht sind zu der Längsrichtung des Brennstabbündels (1), entsprechend der das Kühlwasser fließt, wobei jedes der Endteile (7, 8) wenigstens zwei Zentrierdurchgangsöffnungen (10, 12, 18) umfasst, von denen jede dazu dient, ein Zentrierelement (11, 13) einer unteren Spaltraumplatte (2) oder einer oberen Spaltraumplatte (3) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern von mindestens einer Durchgangsöffnung (10, 12) von wenigstens einem der Endteile (7, 8) des Brennstabbündels (1) eine elastische Hülse (15) zur Aufnahme eines Zentrierelements (11, 13) mit Reibungssitz befestigt ist, die einen ringförmigen Körper mit einem Befestigungsteil (15a) umfasst, dessen Außendurchmesser entsprechend eines Teils seiner axialen Länge maximal und mindestens gleich dem Durchmesser der Durchgangsöffnung (10, 12) ist, und mindestens zwei flexible Zweige (16) umfasst, voneinander getrennt durch wenigstens zwei Schlitze (17) von axialer Richtung über die gesamte Länge der elastischen Hülse (15) zwischen seinem Befestigungsteil (15a) und einem freien Ende der Hülse, der einen Außendurchmesser hat, der kleiner ist als der Durchmesser des Befestigungsteils (15a), und eine ringförmige Sitzfläche (19) aufweist, die im Innern der Hülse (15) in einem freien Endbereich der flexiblen Zweige (16) radial hervorsteht und deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Zentrierelemente (11, 13), die dazu bestimmt sind, in die Öffnungen des Endteils eingeführt zu werden.
Brennstabbündel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (10, 12, 18) des Brennstabbündels, in denen man eine elastische Hülse (15) befestigt, einen Durchmesser haben, der wesentlich größer ist als der Durchmesser der Zentrierelemente (11, 13), wobei der Durchmesser der Durchgangsöffnungen durch folgende Gleichung festgelegt wird: DD = DB + DI – DC, in der DD der Bohrungsdurchmesser der Durchgangsöffnung (18) des Endteils (7) ist, DI der Innendurchmesser des Durchgangsteils der elastischen Hülse (15) ist, DB der Außendurchmesser der flexiblen Zweige (16) der Hülse (15) ist und DC der Durchmesser des Innenabstützungsteils der elastischen Zweige (16) der Hülse (15) ist.
Brennstabbündel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser DI des Durchgangsteils der elastischen Hülse (15) größer ist als der Durchmesser eines Zentrierelements (11, 13), um den Toleranzen bezüglich des Durchmessers der Zentrierelemente und bezüglich des Abstands der Zentrierelemente (11, 13) Rechnung zu tragen, die dazu bestimmt sind, in das Endteil (8, 9) einzugreifen.