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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf
Kernbrennelemente und mehr im einzelnen auf ein verbessertes
Brennstabhaltegitter hierfür.
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Bei den meisten Kernreaktoren besteht der Reaktorkern aus
einer großen Anzahl länglicher Brennelemente, die jeweils
eine Vielzahl von Brennstäben enthalten, die in einer
organisierten Anordnung mittels Haltegittern gehalten werden, die
mit axialen Abständen entlang des Brennelements angeordnet
und an Längsbauteilen wie beispielsweise
Steuerstabführungsrohren befestigt sind. Die Kopf- und Fußstücke des
Brennelements sind an den beiderseitigen Enden der Längsbauteile
befestigt die etwas über die Enden der Brennstäbe überstehen.
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Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, besteht die Hauptfunktion
der Haltegitter in der seitlichen Abstützung der Brennstäbe
gegen Vibration und in der Aufrechterhaltung des genauen
gegenseitigen Abstands. In gewissem Grad dienen sie auch zum
reibschlüssigen Halten der Brennstäbe gegen
Längsverschiebung.
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In der US-A-4 492 844 der Anmelderin ist ein typisches
Brennstabhaltegitter beschrieben, das aus metallenen inneren und
äußeren Streifen zusammengesetzt ist, die eierkistenartig
ineinandergreifen, um offenendige Zellen zur Aufnahme einzelner
Brennstäbe bzw. bei einigen davon zur Aufnahme von
Steuerstabführungsrohren bilden. Die brennstabaufnehmenden Zellen
haben darin angeordnete Vorsprünge, wie beispielsweise
verhältnismäßig elastische Federn und/oder verhältnismäßig
steife, als Noppen bezeichnete Vorsprünge, die aus dem Metall
der ineinandergreifenden Streifen herausgeformt sind und in
die entsprechenden Zellen hinein vorspringen, um so die
hindurchverlaufenden Brennstäbe reibschlüssig zu ergreifen und
sie dadurch seitlich abzustützen. Die äußeren oder peripheren
Streifen jedes Gitters sind mit den Enden der inneren
Streifen so verbunden, daß sie dem Gitter Festigkeit und
Steifigkeit verleihen. Bei diesem und bei anderen herkömmlichen
Gittern ähnlicher Bauart sind die Gitterfedern vertikal
orientiert, d.h. in Richtung parallel zu den Längsachsen der
betreffenden Gitterzellen und folglich zur Richtung der
Kühlmittelströmung durch die Zellen, so daß ihre Länge, die durch
die von den Federn verlangte Elastizität bestimmt wird, in
direktem Zusammenhang mit der Gitterhöhe steht. Natürlich
steht die Höhe jedes Haltegitters, das Teil eines gegebenen
Brennelements bildet, in direktem Zusammenhang mit der Menge
von neutronenschädlichem Konstruktionsmaterial in dem
Brennelement, und aber auch mit dem Druckgefälle der
Kühlmittelströmung durch das Brennelement.
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In der europäischen Patentanmeldung Nr. 88 106 732.6 der
Anmelderin ist ein Brennstabhaltegitter beschrieben und
beansprucht, das Federkonstruktionen verwendet, die so ausgelegt
sind, daß die zum Erreichen einer gegebenen wirksamen Länge
der Gitterfedern notwendige Gitterhöhe verringert wird.
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Weiterer einschlägiger Stand der Technik ist in der
FR-A-2 365 182 beschrieben.
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Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
eines Gitters mit ähnlichen Federkonstruktionen, die aber
noch weiter verbessert sind, um ein schweißfreies
Ineinandergreifen der Gitterstreifen ohne schädliche Auswirkung auf die
gewünschte Elastizität der Gitterfedern zu ermöglichen.
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Die Erfindung besteht demgemäß in einein
Kernbrennstabhaltegitter, das aus einer Vielzahl von Streifen zusammengesetzt
ist, die zur Bildung einer Matrix von brennstabaufnehmenden
Zellen ineinandergesteckt sind, wobei die Zellen jeweils
durch Streifenabschnitte definiert sind, die Wände der
betreffenden Zelle und von dazu benachbarten Zellen bilden
und die elastisch nachgebende, am Brennstab anliegende
Federkonstruktionen aufweisen, die damit einstückig ausgebildet
sind, und in die betreffenden brennstabaufnehmenden Zellen
hinein vorspringen, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser
Federkonstruktionen ein längliches Federelement mit zwei
äußeren Teilen aufweist, die jeweils mit ihrem äußeren Ende
einstückig mit dem zugehörigen Streifenabschnitt verbunden
sind, und einen Mittelteil aufweist, der zwischen den äußeren
Teilen verläuft und einstückig mit deren inneren Enden
verbunden ist, wobei die äußeren Teile etwa in Längsrichtung
miteinander fluchtend in bezüglich der Längsachse der
zugeordneten Zeile diagonaler Richtung verlaufen und der
Mittelteil mit Bezug auf die Längsachse etwa in Querrichtung
verläuft.
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Vorzugsweise sind die beiden äußeren Teile des länglichen
Federelements unter einem Winkel von etwa 45º mit Bezug auf
die Längsachse der zugeordneten Gitterzelle geneigt. Dieser
Winkel erscheint zur Verringerung der Gitterhöhe und für ein
nur minimales, in die Kühlmittelströmung hineinragendes
Gitterprofil optimal.
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Es hat sich gezeigt, daß zusätzlich zur Verringerung der
notwendigen Höhe eines Brennstabhaltegitters die Verwendung von
diagonalen anstatt vertikalen Gitterfedern außerdem die
Gesamtfestigkeit des Gitters verbessert, und daß dies das
Ineinanderstecken der Gitterstreifen ohne Notwendigkeit der
Verschweißung an ihren Keuzungsstellen ermöglicht. Der
Verzicht auf das Schweißen und folglich auch auf das Bilden von
Schweißhohlräumen in den Gitterstreifen führt zu einer
beträchtlichen Einsparung an Herstellungskosten. Es wurde
jedoch auch entdeckt, daß der Verzicht auf Schweißhohlräume und
die entsprechende Entfernung von weniger Material von den
Gitterstreifen in der Nachbarschaft der diagonalen
Federkonstruktionen zu einer unerwunschten Versteifung der diagonalen
Gitterfederkonstruktion führen kann, ein Nachteil, der gemäß
der vorliegenden Erfindung durch Schaffen des sonst im
wesentlichen diagonalen Federelements mit einem Mittelteil
überwunden wird, der etwa in Querrichtung oder senkrecht mit
Bezug auf die Längsachse der zugehörigen Gitterzelle und
folglich zum hindurchverlaufenden Brennstab verläuft.
Zusätzlich zur Verringerung der Federsteifigkeit hat sich
dieser querverlaufende Mittelteil des Federelements auch als
zur Minimierung der Gefahr eines Verkratzens des Brennstabs
beitragend erwiesen, wenn dieser beim Einführen in eine
Gitterzelle an deren Federkonstruktionen vorbeigleitet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun
lediglich beispielshalber mit Bezug auf die anliegenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
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Fig. 1 eine teilgeschnittene Ansicht eines Brennelements in
vertikal verkürzter Form und in der Klarheit halber teilweise
aufgebrochener Form,
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Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht eines der
Brennstabhaltegitter des in Fig. 1 dargestellten Brennelements gemäß der
Linie 2-2 in Fig. 1,
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Fig. 3 eine vergrößerte Teildraufsicht des unteren rechten
Eckbereichs des in Fig. 2 gezeigten Gitters,
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die Fig. 4 und 5 Ansichten von Endabschnitten äußerer
Gitterstreifen, die zur Bildung einer Gitterecke zusammentreffen,
entsprechend den Linien 4-4 und 5-5 in Fig. 3,
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Fig. 6 eine vergrößerte Teildraufsicht eines einer ersten
Gruppe von inneren Streifen des Gitter nach der Erfindung,
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Fig. 7 eine Seitenansicht gemäß Linie 7-7 in Fig. 6,
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Fig. 8 eine andere Seitenansicht gemäß der Linie 8-8 in Fig.
6,
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Fig. 9 eine vergrößerte Teildraufsicht eines von einer
zweiten Gruppe innerer Streifen, die mit den inneren Streifen der
ersten Gruppe zur Bildung des Gitters ineinandergreifen,
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Fig. 10 eine Seitenansicht entsprechend der Linie 10-10 in
Fig. 9,
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Fig. 11 eine andere Seitenansicht entsprechend der Linie 11-
11 in Fig. 9,
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Fig. 12 einen Ausschnitt der Seitenansicht nach Fig. 11,
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Fig. 12A eine Darstellung ähnlich Fig. 12, jedoch mit einer
nicht modifizierten Diagonalfederkonstruktion, wie sie in der
europäischen Patentanmeldung Nr. 88 106 732.6 der Anmelderin
beschrieben und beansprucht ist,
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Fig. 13 eine Stirnansicht entlang der Linie 13-13 in Fig. 12,
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Fig. 14 einen Querschnitt längs der Linie 14-14 in Fig. 12,
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Fig. 15 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie
15-15 in Fig. 12, welche die Krümmung der modifizierten
Diagonalfederkonstruktion an dem inneren Streifen zeigt,
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Fig. 16 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie
16-16 in Fig. 12, welche die Krümmung eines der Noppen auf
dem inneren Streifen zeigt,
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Fig. 17 einen vergrößerten Querschnitt entlang der Linie
17-17 in Fig. 12, welche die Krümmung der modifizierten
Diagonalfederkonstruktion auf dem inneren Streifen zeigt,
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Fig. 18 einen vergrößerten Ausschnitt der Frontansicht des
inneren Streifens in Fig. 12, und
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Fig. 19 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 19-19 in
Fig. 18, welche die Krümmung der modifizierten
Diagonalfederkonstruktion an dem inneren Streifen zeigt.
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In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen Ansichten
der Zeichnungen, und Ausdrücke wie "vorwärts", "rückwärts",
"links", "rechts", "aufwärts", "abwärts" und dgl. werden nur
zweckmäßigkeitshalber und nicht in einschränkendem Sinne
verwendet.
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1,
gehört das dort dargestellte und allgemein mit 10 bezeichnete
Brennelement der gewöhnlich in Druckwasserreaktoren (PWR)
verwendeten Bauart an. Grundsätzlich weist dies ein unteres
Endstück bzw. Fußstück 12 zum Abstützen des Brennelements auf
der unteren Kerntragplatte (nicht dargestellt) im Kernbereich
eines Reaktors (nicht dargestellt), eine Anzahl von
Führungsrohren 14, die vom Fußstück 12 längs nach oben verlaufen,
eine Anzahl von Quergittern 16, die mit axialen Abständen
längs den Führungsrohren 14 angeordnet und von diesen
gehaltert sind, eine Vielzahl von länglichen Brennstäben 18, die
mit Querabständen und in einer organisierten Anordnung durch
die Gitter 16 abgestützt sind, ein im Zentrum des
Brennelements angeordnetes Instrumentierungsrohr 20, und ein oberes
Endstück bzw. Kopfstück 22 auf, das an den oberen Enden der
Führungsrohre 14 befestigt ist. Mit dieser Anordnung der
Bauteile bildet das Brennelement 10 eine integrale Einheit, die
zweckmäßig handhabbar ist, ohne daß die Bauteile beschädigt
werden können.
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Jeder der Brennstäbe 18 enthält Kernbrennstofftabletten 24
und ist an seinen beiden Enden gasdicht mittels Endkappen 26,
28 abgeschlossen, wobei eine Feder 30 zwischen der oberen
Endkappe 26 und den Tabletten 24 eingesetzt ist, um die
Tabletten innerhalb des Stabs 18 fest gepackt zu halten.
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Das Kopfstück 22 trägt einen Stabbündel-Steuermechanismus 34
mit einem mit Innengewinde versehenen zylinderischen Teil 36
mit radial abstehenden Speichen oder Armen 38, die jeweils
mit einem Steuerstab 32 in einem der Führungsrohre verbunden
sind. Der Steuermechanismus 34 ist axial verschiebbar, um die
Steuerstäbe 32 zur Steuerung des Spaltvorgangs in dem
Brennelement 10 axial zu verschieben, wie auf dem Fachgebiet
bekannt ist.
Gitter mit modifizierten Diagonalfederkonstruktionen
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Um nun auf die Fig. 2 bis 11 Bezug zu nehmen, das dort
dargestellte
Brennstabhaltegitter 16 besteht aus inneren und
äußeren Streifen 40, 42 mit Schlitzen 44, die das
Zusammenstecken der Streifen miteinander zu einer eierkistenartigen
Anordnung ermöglichen, um eine Matrix von offenendigen
Zellen 46 und Öffnungen 48 zu bilden. Aufgrund der in dem
Gitter 16 verwirklichten erfindungsgemäßen Merkmale ist es
nicht mehr notwendig, die Streifen an ihren Kreuzungspunkten
zu verschweißen. Die Zellen 46 des Gitters 16 sind so
ausgebildet, daß sie jeweils einen der Brennstäbe 18 aufnehmen,
während die Öffnungen 48 mit eingesetzten Buchsen 50 versehen
sind, die an den inneren Streifen 40 befestigt sind und zur
Befestigung des Gitters 16 an den Führungsrohren 14 dienen.
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Jede brennstabaufnehmende Zelle 46 ist durch zwei Paar
gegenüberliegende Wände gebildet, die etwa parallel zur mittigen
Längsachse A der Zelle verlaufen und durch Streifenabschnitte
gebildet sind, an denen brennstababstützende Vorsprünge
gebildet sind. Mehr im einzelnen und wie in den Fig. 3 bis 5
gezeigt ist, definieren die äußeren Streifen 42
Zellenwandabschnitte 54, die jeweils zwei horizontal verlaufende
und mit Vertikalabstand angeordnete brennstababstützende
Noppen 56 aufweisen, die damit einstückig ausgebildet und der
angrenzenden Zelle 46 zugeordnet sind. In ähnlicher Weise,
und wie am besten aus den Fig. 6 bis 11 ersichtlich ist,
bilden die inneren Streifen 40 Zellenwandabschnitte 52, die
jeweils zwei horizontal verlaufende und mit Vertikalabstand
angeordnete brennstabergreifende Noppen 58 aufweisen, die
damit einstückig ausgebildet und einer Zelle 46 zugeordnet
sind. Einer der Noppen 58 jedes Wandabschnitts 52 der inneren
Streifen 40 befindet sich oberhalb einer modifizierten
Diagonalfederkonstruktion 60 nach der Erfindung, während der
andere Noppen 58 darunter angeordnet ist. Jede entlang der
Peripherie des Gitters 16 durch die inneren und äußeren
Streifen 40, 42 gebildete Zellen 46 weist vier Noppen 56, 58
und zwei Federkonstruktionen 60 auf, und jede nur von inneren
Streifen 40 in dem Gitter 16 gebildete Zelle 46 weist viel
Noppen 58 und zwei Federkonstruktionen 60 auf. Der Brennstab
in jeder Zelle 46 wird also an sechs
umfangsmäßigen und axial versetzten Stellen berührt.
Gewünschtenfalls kann das Gitter 16 Strömungsmischflügel 78
aufweisen, die an den inneren und äußeren Streifen 40, 42
entlang der oberen (bzw. der mit Bezug auf die
Kühlmittelströmungsrichtung stromabwärtigen) Kanten derselben gebildet
sind.
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Um nun insbesondere auf die Fig. 6 bis 19 Bezug zu nehmen,
die modifizierten Federkonstruktionen 16 nach der Erfindung
sind aus elastisch nachgiebigem flexiblem Material der
inneren Streifen 40, beispielsweise rostfreiem Stahl,
geformt, wobei die Komponenten jeder Federkonstruktion 60
einstückig ausgebildet sind, beispielsweise durch eine
herkömmliche Stanzung aus dem betreffenden Wandabschnitt 52 des
inneren Streifens 40. Folglich hat jeder innere
Gitterstreifenwandabschnitt 52 eine fensterartige Öffnung 62, die darin
durch Wegnehmen von Wandabschnitteilen und Belassen der
Federkonstruktion 60 gebildet ist, die diagonal über die
Öffnung 62 verläuft und mit ihren entgegengesetzten Enden
einstückig mit vertikalen Wandabschnittskanten 64 entlang der
Öffnung 62 an diagonal gegenüberliegenden oberen und unteren
Stellen an oberen und unteren Teilen 66, 68 der
Wandabschnitte 52 verbunden sind.
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Grundsätzlich ist jede modifizierte
Diagonalfederkonstruktion 60 einteilig aus mit Abstand auseinanderliegenden oberen
und unteren, gegenüberliegenden äußeren Teilen 70, 72 und
einem dazwischen befindlichen Mittelteil 74 zusammengesetzt.
Die äußeren Teile 70, 72 jeder Federkonstruktion 60 haben
ihre jeweiligen äußeren Enden 70A, 72A einstückig mit den
betreffenden Wandabschnittkanten 64 an den oberen und unteren
Wandabschnitteilen 66, 68 verbunden, und sie verlaufen im
wesentlichen in Längsrichtung fluchtend miteinander und unter
einem schrägen Winkel, vorzugsweise unter 45º, mit Bezug auf
die mittige Längsachse A der betreffenden Gitterzelle 46. Der
innere Mittelteil 74 jeder Federkonstruktion 60 ist mit
seinen gegenüberliegenden äußeren Enden 74A einstückig mit
den inneren Enden 70B, 72B der oberen und unteren äußeren
Teile 70, 72 verbunden, und verläuft etwa in Querrichtung und
vorzugsweise senkrecht bzw. unter 90º mit Bezug auf die
mittige Längsachse A der betreffenden Zelle 46.
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Die oberen und unteren äußeren Teile 70, 72 jeder
Federkonstruktion 60 haben jeweils Paare von beabstandeten
Seitenkanten 70C, 72C, die diagonal mit Bezug auf die Zellenachse A
verlaufen. Jedoch sind die Seitenkanten 70C des einen Paars
mit Bezug auf die entsprechenden Seitenkanten 72C des anderen
Paars in Richtung der Zellenachse A veretzt. Der Mittelteil
jeder Federkonstruktion 62 weist zwei beabstandete
Seitenkanten 74B auf, die etwa quer bzw. im wesentlichen senkrecht zur
Zellenachse A verlaufen und die versetzten Kantenpaare 70C,
72C der oberen und unteren äußeren Teile 70, 72 schneiden.
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Mehr im einzelnen, und wie leicht aus den Fig. 17 und 19
ersichtlich ist, verlaufen die oberen und unteren äußeren Teile
70, 72 jeder Federkonstruktion 60 in geneigter Weise von
ihren äußeren Ende 70A, 72A und vom zugeordneten
Wandabschnitt 52 weg und zueinander hin in die betreffende
Gitterzelle 46 hinein. Andererseits befinden sich bei jeder
Federkonstruktion 60 deren innerer Mittelteil 74 und die inneren
Enden 70B und 72B ihrer äußeren Teile 70, 72 in einer
gemeinsamen Ebene, die mit Abstand von dem betreffenden
Wandabschnitt 52 und etwa parallel dazu innerhalb der Zelle 46
gelegen ist. Der Mittelteil 74 ist so positioniert, daß er
den Brennstab 18 in der Zelle 46 etwa quer bzw. im
wesentlichen senkrecht dazu kontaktiert, also mit anderen Worten
so, daß seine seitwärts verlaufenden oberen und unteren
Kanten 74B etwa quer bzw. im wesentlichen senkrecht zum Brenn-
stab 18 verlaufen. Die Federkonstruktion 60 mit dieser
Konfiguration kann also in einer Richtung etwa orthogonal zur
Längsachse A der zugehörigen Zelle 46 hin bzw. davon weg und
zum zugeordneten Wandabschnitt 52 hin elastisch auslenken
oder nachgeben, wenn er von einem Brennstab 18 berührt wird,
der in die Zelle 46 eingeführt wird. Zwischen der einwärts
vorspringenden Federkonstruktion 60 und dem zugehörigen
Wandabschnitt 52 ist ein offener Raum gebildet, der einen
ungehinderten
Kühlmittelströmungsdurchtritt entlang des durch die
Zelle 46 verlaufenden Brennstabs 18 ermöglicht.
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Die Orientierung der modifizierten
Diagonalfederkonstruktion 60 unter einem Winkel von etwa 45º mit Bezug auf die
Längsachse A der Gitterzelle 46 und des Brennelements 10, in
welchem das Gitter 16 eingebaut ist, erscheint zur
Verringerung der Gitterhöhe und zur Minimierung des der Kühlmittel-
strömung dargebotenen Federprofils optimal.
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Zusammenfassend und bezugnehmend insbesondere auf Fig. 12A,
die eine Diagonalfederkonstruktion 60A zeigt, wie sie in der
oben erwähnten europäischen Patentanmeldung der Anmelderin
beschrieben ist, beruht die vorliegende Erfindung, wie
einleitend erwähnt wurde, auf der Entdeckung, daß die Verwendung
von diagonalen statt vertikalen Federkonstruktionen die
Gesamtfestigkeit eines faltegitters ausreichend steigert,
damit Verschweißungen an den Kreuzungsstellen zwischen den
Gitterstreifen 40A und folglich Schweißöffnungen oder
Aussparungen 76 in den Gitterstreifenabschnitten 52A
angrenzend an die Federkonstruktionen 60A entfallen können,
wobei jedoch das Weglassen der Schweißhohlräume 76 zu einer
unerwünschten Steigerung der Steifigkeit der
Diagonalfederkonstruktionen 60A führt. Wie ebenfalls herausgefunden
wurde, kann dieses Problem gemäß der Erfindung durch
Modifizieren der Federkonstruktion 60A in einer solchen Weise
bewältigt werden, daß ein Diagonalfederelement geschaffen
wird, dessen querverlaufender bzw. etwa horizontaler
Mittelteil 74 Längsränder 74B (siehe Fig. 18) hat, die etwa
quer bzw. senkrecht mit Bezug auf die Längsachse der
zugehörigen Gitterzelle verlaufen. Die sich ergebende
modifizierte Diagonalfederkonstruktion 60 verringert die
Gitterhöhe, setzt der Kühlmittelströmung ein sehr kleines
Profil entgegen, und hat eine niedrige Federkonstante.
Während der Herstellung werden die modifizierten
Diagonalfederkonstruktionen 60 bzw. eher die sie bildenden Fenster 62
parallel zur Längsachse der Gitterzellen, d.h. zur Richtung
der Kühlmittelströmung durch die Zellen, ausgestanzt.