Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich in ihrer bevorzugten Form
grundsätzlich auf ein Kernbrennelementgitter mit
ineinandergreifenden Gitterstreifen und einem äußeren Gitterstreifen, der
den Gitterumfang bildet. Mehr im einzelnen bezieht sich die
Erfindung auf die äußeren Gitterstreifensegmente, die
verbesserte Mittel zu ihrer Verbindung aufweisen.
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Kernbrennelementgitter dienen zum genauen Einhalten des
Abstands zwischen Brennstäben in einem Kernreaktorkern, zum
Verhindern von Stabschwingungen, und zur Herstellung einer
seitlichen Abstützung der Brennstäbe. Die Gitter sind aus
Materialien mit niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitten
hergestellt, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl,
Inkonel, und Legierungen aus Zirkonium, um eine
Gitterverformung und einen Verlust an mechanischer Integrität während
der Bestrahlung möglichst klein zu halten. Herkömmliche
Gitterkonstruktionen für Kernreaktorbrennelemente weisen eine
Vielzahl ineinandergreifender innerer Gitterstreifen mit
eierkistenartiger Konfiguration zur Bildung von Brennstäbe
aufnehmenden Zellen auf. Vertikal eingeschnittene Schlitze in
den inneren Streifen an den Kreuzungsstellen zwischen ersten
inneren Streifen, bei denen die Schlitze von der
Streifenoberkante zur Streifenmitte hin eingeschnitten sind, und
zweiten inneren Streifen, die senkrecht zu dem ersten inneren
Streifen verlaufen und bei denen die Schlitze von der
Streifenunterkante zur Streifenmitte hin eingeschnitten sind,
lassen die Schlitze der ersten und zweiten inneren Streifen
ineinandergreifen, wie auf dem Fachgebiet allgemein bekannt
ist. Die beiderseitigen Enden jedes der inneren
Gitterstreifen sind außerdem mit den äußeren Gitterstreifen
ineinandergreifend verbunden, wodurch die äußeren Zellen des Gitters
gebildet sind. Jede Zelle dient der Abstützung eines
Brennstabs an einer gegebenen axialen Stelle unter Einsatz von
verhältnismäßig nachgiebigen Federn verschiedener Formen. Die
äußeren Gitterstreifensegmente sind aneinander befestigt und
umschließen die inneren Gitterstreifen am Gitterumfang, um
dem Gitter Festigkeit und Steifigkeit zu geben. Um eine
seitliche Auslenkung der Brennstäbe möglichst klein zu halten und
die Brennstoffeigenschaften eines Brennelements zu
verbessern, ist eine Anzahl von Gittern mit gegenseitigen
Abständen entlang der Länge des Brennelements angeordnet.
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Bei Druckwasserreaktoren (PWR) wird typischerweise jedes
Gitter längs des Brennelements durch Befestigung an
Steuerstabführungsrohren an Ort und Stelle gehalten. Bei einem
Siedewasserreaktor (BWR) umschließt typischerweise ein
Behälter die Brennstäbe und die Gitter. Im Siedewasserreaktor
wird jedes Gitter längs der Brennelementenlänge mittels einer
besonderen Arretierstange an Ort und Stelle gehalten. Bei
einer herkömmlichen Siedewasserreaktorausbildung sind an
einer gegebenen vertikalen Gitterstelle im Brennelement vier
horizontal fluchtende Gitter in quadratischer Anordnung
vorgesehen, die durch ein Wasserkreuz voneinander getrennt und
von dem Behälter umgeben sind.
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Typischerweise sind bei einem äußeren Gitterstreifen vier
gleichwertige äußere Gitterstreifensegmente vorgesehen, die
jeweils eine ebene Gitterseite bilden. Jedes äußere
Gitterstreifensegment ist an seinen Enden mit jeweils einem
weiteren äußeren Gitterstreifensegment unter Bildung etwa eines
rechten Winkeis verbunden. Die äußeren Gitterstreifensegmente
sind etwa deckungsgleich miteinander und haben jeweils sich
deckende abgewinkelte oder auf andere Weise gekrümmte Enden.
Die betreffenden Enden der äußeren Gitterstreifensegmente
überlappen einander und werden während der Fertigung des
Gitters mittels verschiedener Halterungen an Ort und Stelle
gehalten, um so die Toleranzen des Gitters zu beherrschen.
Die überlappenden Enden werden fest miteinander verbunden,
entweder durch Punktschweißung oder durch eine saubere
Schmelzschweißnaht an der äußeren Kante der überlappenden
Enden, wenn die äußeren Gitterstreifen aus Zirkaloy,
rostfreiem Stahl oder anderem Material bestehen, das schweißbar
ist, oder durch Hartlöten der inneren und äußeren Kanten der
überlappenden Enden, wenn die äußeren Gitterstreifen aus
Inconel oder nickelbeschichtetem Inconel oder anderem
nichtschweißbarem Metall bestehen. Repräsentative
Schweißvorrichtungen, Verfahren und Halterungen zum Halten von Gittern
während des Schweißvorgangs sind in den US-Patenten
US-A-4 556 776, entsprechend der EP-A-0 134 920,
US-A-4 541 055 und US-A-4 539 738 beschrieben, die alle der
Erwerberin der vorliegenden Erfindung übertragen sind.
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Die Konstrukteure versuchen ständig die Fertigungsmittel der
Gitter zu verbessern. Zu den dabei interessierenden Bereichen
gehören die Verringerung der Anzahl der zur Herstellung des
Gitters erforderlichen Schweißungen und das Einhalten der
strengen Konstruktionsvorgaben oder Toleranzen bei
Abmessungsparametern des Gitters. Weitere Gesichtspunkte umfassen
das Beibehalten der mechanischen Steifigkeit des Gitters und
die Verringerung der Materialmenge im Gitter zur Minimierung
der Neutronenabsorption und der
Kühlmittelströmungsbehinderung durch das Gitter. Deshalb besteht ein Bedarf für einen
äußeren Gitterstreifen mit verbesserten Mitteln zur
Verbindung der Segmente des Streifens unter Berücksichtigung der
vorstehenden Betrachtungen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Im Hinblick auf die oben erörterten Probleme besteht die
vorliegende Erfindung in einem Kernbrennelementgitter, wie es in
Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
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Bevorzugte besondere Ausführungsformen und Weiterbildungen
des Brennelementgitters nach der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele besser verständlich, die in den
anliegenden Zeichnungen lediglich beispielshalber dargestellt
sind, wobei zeigt:
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Fig. 1 eine Frontansicht eines typischen Druckwasserreaktor-
Kernbrennelements,
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Fig. 2 eine teilgeschnittene Darstellung eines typischen
Siedewasserreaktor-Kernbrennelements mit Einzelheiten
innerhalb des Behälters,
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Fig. 3 eine isometrische Darstellung eines
Siedewasserreaktorgitters mit äußeren Gitterstreifensegmenten gemäß einer
Ausführungsform,
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Fig. 4 eine auseinandergezogene Darstellung der in Fig. 3
abgebildeten Ausführungsform, wobei die typische Kreuzung
innerer Gitterstreifen und die Verbindung der inneren
Gitterstreifen mit den äußeren Gitterstreifensegmenten dargestellt
ist,
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Fig. 5 eine teilweise auseinandergezogene Darstellung einer
alternativen Ausführungsform, und
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Fig. 6 eine Frontansicht der alternativen Ausführungsform
nach Fig. 5.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Es wird nun im einzelnen auf mehrere gegenwärtig bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen
einige Beispiele in den anliegenden Zeichnungen dargestellt
sind. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen
gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen Ansichten. Die
Verbesserung nach dieser Erfindung ist Teil von
Kernbrennelementen 10, 20, wie sie auf dem Fachgebiet an sich bekannt
sind und in den Fig. 1 und 2 der Zeichnungen dargestellt
sind. Fig. 1 zeigt ein typisches
Druckwasserreaktor-Kernbrennelement 10. Wie dargestellt, ist das Druckwasserreaktor-
Kernbrennelement 10 eine in sich geschlossene Einheit, die
ein Kopfstück 12 und ein Fußstück 14 aufweist, zwischen denen
eine Mehrzahl von Kernbrennelementgittern 16 angeordnet ist,
welche eine Matrix von Kernbrennstäben 18, die in Reihen und
Spalten angeordnet sind, in der richtigen Konfiguration hält.
Kopf- und Fußstück 12, 14 und die Gitter 16 bilden ein
Rahmenskelett zur Halterung der Brennstäbe 18. Die
Kernbrennelemente 10 werden an vorgegebenen Stellen innerhalb eines
Kernreaktors eingesetzt, und deshalb wird die Orientierung
der Brennstäbe 18 mit Bezug zueinander innerhalb des gesamten
Reaktorkerns streng kontrolliert.
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In ähnlicher Weise zeigt Fig. 2 ein typisches
Siedewasserreaktor-Kernbrennelement 20, das ein Kopfstück 22 und ein
unteres Einlaßstück 24 aufweist. Die Kernbrennstäbe 18 sind
in Reihen und Spalten in einer Mehrzahl von Teilelementen 26
angeordnet, die jeweils eine obere Tragplatte 28 und eine
untere Tragplatte 30 aufweisen. Die Kernbrennstäbe 18 sind in
jedem Teilelement 26 durch eine Mehrzahl von
Kernbrennelementgittern 16 gehalten, die zusammen mit der oberen
Tragplatte 28 und der unteren Tragplatte 30 einen skelettartigen
Rahmen zur Halterung der Brennstäbe 18 bilden. Die
Teilelemente 26 sind durch ein Wasserkreuz 32 voneinander getrennt
und von einem Behälter 34 umschlossen. Ebenso wie beim
Druckwasserreaktor sind die Siedewasserreaktor-Brennelemente 20 an
vorgegebenen Stellen in einem Kernreaktor eingesetzt und
deshalb wird die Orientierung der Brennstäbe 18 mit Bezug
zueinander innerhalb des gesamten Reaktorkerns streng
kontrolliert.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich bei einer
beispielsweisen Ausführungsform auf die Herstellung von
Siedewasserreaktor-Kernbrennelementgittern 16, wie in Fig. 3 dargestellt
ist. Das Gitter 16 hat etwa quadratische Konfiguration, und
sein Umfang ist von einem äußeren Gitterstreifen 39 gebildet,
der aus vier äußeren Gitterstreifensegmenten 40a, 40b, 40c,
40d zusammengesetzt ist. Zwei Gruppen von beabstandeten
parallelen inneren Gitterstreifen 42 sind vorgesehen, wobei
die Streifen der beiden Gruppen senkrecht zueinander
verlaufen, wodurch eine Vielzahl quadratischer Zellen gebildet ist,
um die Kernbrennstäbe 18 aufzunehmen. In dem inneren
Gitterstreifen
42 sind an deren Kreuzungsstellen 46 zwischen ersten
inneren Streifen 42a und zweiten inneren Streifen 42b
vertikale Schlitze 44 eingeschnitten. Wie aus Fig. 4 deutlicher
ersichtlich ist, können die Schlitze 44 bei dem ersten
Gitterstreifen 42a von oben zur Mitte des Streifens 42a, und
bei den zweiten inneren Streifen 42b von unten zur Mitte des
Streifens 42b eingeschnitten sein. Die ersten inneren
Streifen 42a verlaufen senkrecht zu dem zweiten inneren
Streifen 42b, so daß die Schlitze 44 der ersten und zweiten
inneren Streifen 42a, 42b ineinandergreifen, wie auf dem
Fachgebiet allgemein bekannt ist. Zurückkommend auf Fig. 3
ist eine Kreuzungsschweißung 48 an jedem der
Kreuzungspunkte 46 gebildet, wodurch eine starre Gitterkonstruktion
gebildet ist. Des weiteren weist jeder der inneren
Gitterstreifen 42 an jedem Ende 49 einen oder mehrere
Gabelzinken 50 mit einer Größe und Konfiguration auf, daß sie straff
in Schlitzen 52, 52' des äußeren Gitterstreifens 39
eingreifen können. Die Gabelzinken 50 und die Schlitze 52, 52' haben
etwa rechteckige Form, können aber auch quadratisch, rund
oder von irgendeiner ähnlichen Gestalt sein. Eine bei 54
dargestellte Verbindung, beispielsweise eine Zungen/Schlitz-
Schweißung bzw. -Hartlötung, wird längs jedes Schlitzes 52,
52' im äußeren Gitterstreifen 39 hergestellt. Vorzugsweise
erfolgt die Eingriffsverbindung 56 dort, wo die vorzugsweise
vier äußeren Gitterstreifensegmente 40a, 40b, 40c, 40d
jeweils mit dem angrenzenden äußeren Gitterstreifensegment
verbunden ist, d.h. 40a ist mit 40b und 40d verbunden, 40b
ist mit 40c und 40a verbunden, 40c ist mit 40d und 40b
verbunden, und 40d ist mit 40a und 40c verbunden. Es ist auch
möglich, diese Erfindung mit nur einem äußeren
Gitterstreifensegment 40 einzusetzen, wobei der gesamte äußere
Gitterstreifen 39 mit einer einzigen Verbindung 56 durch Verbinden
der beiderseitigen Enden des einzigen Segments 40
herzustellen. Es ist weiterhin möglich, diese Erfindung bei einem
bimetallischen Gitter (nicht dargestellt) einzusetzen, wo
beispielsweise in einem Zircaloygitter einige der inneren
Gitterstreifen mit Stahl- oder Inconelfedern ersetzt sind.
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Jedes äußere Gitterstreifensegment 40a, 40b, 40c, 40d kann
etwa L-förmig sein, wobei nun auf Fig. 4 Bezug genommen wird,
und ein erstes Ende 60 und ein zweites Ende 62 aufweisen. Das
erste Ende 60 jedes äußeren Gitterstreifensegments 40a, 40b,
40c, 40d weist erste Zungen 64 und erste Schlitze 66 auf, die
im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die durch das erste
Ende 60 definierte Ebene gelegen sind. Das zweite Ende 62
jedes äußeren Gitterstreifensegments 40a, 40b, 40c, 40d weist
zweite Zungen 68 und zweite Schlitze 70 auf, die etwa in der
gleichen Ebene wie die vom zweiten Ende 62 definierte Ebene
angeordnet sind. Die ersten Zungen 64 des ersten Endes 60
jedes äußeren Gitterstreifensegments 40a, 40b, 40c, 40d sind
in den zweiten Schlitzen 70 des zweiten Endes 62 eines
angrenzenden äußeren Gitterstreifensegments 40b, 40c, 40d bzw.
40a eingesetzt, und die zweiten Zungen 68 des zweiten
Endes 62 jedes äußeren Gitterstreifensegments 40a, 40b, 40c,
40d sind in gleicher Weise in die ersten Schlitze 66 eines
angrenzenden äußeren Gitterstreifensegments 40b, 40a, 40b
bzw. 40c eingesetzt. Die Muffe 52' wird durch Zwischenräume
zwischen den ersten Zungen 64 und den zweiten Schlitzen 70
und den zweiten Zungen 68 und den ersten Schlitzen 66
gebildet, wobei die Gabelzinken 50 der inneren Gitterstreifen 42
im wesentlichen senkrecht zur Ebene, die vom ersten Ende 60
des äußeren Gitterstreifensegments 40a, 40b, 40c, 40d und den
zweiten Ende 62 des angrenzenden äußeren
Gitterstreifensegments 40b, 40c, 40d bzw. 40a gebildet ist, eingesetzt werden.
Die Verbindung 54, die eine Zungen/Schlitz-Schweißung bzw.
-Hartlötung sein kann, wird längs der Mehrzahl von Muffen 52,
52' in den äußeren Gitterstreifensegmenten 40 hergestellt,
wodurch jedes äußere Gutterstreifensegment 40a, 40b, 40c, 40d
mit dem angrenzenden äußeren Gitterstreifensegment 40b, 40c,
40d, 40a und dem dazwischengreifenden inneren
Gitterstreifen 42 verbunden wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung weist erste
und zweite Zungen 64, 68 und erste und zweite Schlitze 66, 70
mit grundsätzlich schwalbenschwanzartiger Form auf. Die Fig.
5 und 6 zeigen eine alternative Ausführungsform dieser
Erfindung.
Die Gabelzinken 50 am Ende 49 der ineinandergreifenden
inneren Gitterstreifen 42 richten aus und arretieren jedes
äußere Gitterstreifensegment 40 an einem angrenzenden
Segment 40 (hier als Verbindung der Segmente 40d und 40a
gezeigt), in dem sie, im wesentlichen senkrecht zu der vom
ersten Ende 60 des äußeren Gitterstreifensegments 40d und dem
zweiten Ende 62 des angrenzenden äußeren
Gitterstreifensegments 40a gebildeten Ebene, in die an der
Verbindungsstelle 56 gebildete Muffe 52' eingreifen. Die Kombination der
ineinandergreifenden Schwalbenschwanzzungen 64, 68 und
Schlitze 66, 70 und der dazwischen greifenden Gabelzinken 50
beschränke die Bewegung der äußeren
Gitterstreifensegmente 40a, 40b, 40c, 40d ausschließlich parallel zur Ebene
des inneren Gitterstreifens 42 über die Tiefe der Zinken 50.
Die äußeren Gitterstreifen 40a, 40b, 40c, 40d können sich
weder senkrecht von den Gabelzinken 50 weg noch parallel zu
den Gabelzinken 50 zum inneren Gitterstreifen 42 hin noch
drehend um die Gabelzinken 50 bewegen. Es ist für den
Fachmann also offensichtlich, daß, wenn alle vier äußeren
Gitterstreifensegmente 40a, 40b, 40c, 40d an Ort und Stelle sind,
sie das Brennelementengitter 16 ausrichten und arretieren.
Jedes äußere Gitterstreifensegment 40a, 40b, 40c, 40d hat
genügend Flexibilität, so daß das letzte Segment bei der
Herstellung an dem Brennelementengitter 16 angesetzt werden
kann. Schließlich wird eine Verbindung 54, beispielsweise
eine Zungen/Schlitz-Schweißung oder -Hartlötung, zur festen
Verbindung der äußeren Gitterstreifensegmente 40a, 40b, 40c,
40d und der inneren Gitterstreifen 42 miteinander
hergestellt.
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Die hier beschriebene Erfindung vermindert das im äußeren
Gitterstreifen 39 vorhandene Material, während die
mechanische Festigkeit des Gitters 16 beibehalten wird. Zusätzlich
kann der äußere Gitterstreifen 39 des
Siedewasserreaktorgitters 16 sich genauer der Krümmung des Behälters 34 und des
Wasserkreuzes 32 anpassen, wodurch eine Behinderung der
Kühlmittelströmung innerhalb des Brennelements 20 minimiert wird.
Des weiteren vermindert diese Erfindung die Gesamtanzahl von
Schweißungen bzw. Hartlötungen, die zum Aufbau des Gitters 16
notwendig sind, da die normalerweise vorgeformten
Verbindungen 54 der inneren Gitterstreifen 42 mit dem äußeren
Gitterstreifen 39 hier die zusätzliche Funktion der Verbindung der
äußeren Gitterstreifensegmente 40a, 40b, 40c, 40d miteinander
erfüllen, wodurch die Notwendigkeit besonderer Schweißungen
oder Hartlötungen an den Ecken entfällt, die normalerweise
beim Aufbau des äußeren Gitterstreifens 39 notwendig sind.
Schließlich hält diese Erfindung das zusammengebaute
Gitter 16 zusammen und innerhalb geforderter enger
Herstellungstoleranzen, wobei die Komplexität der zum Halten des
Gitters 16 während des Schweißvorgangs notwendigen Halterung
verringert und die Wahrscheinlichkeit des Herstellens eines
aus dem Toleranzrahmen fallenden Gitters 16 reduziert wird.
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Es ist klar, daß zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen
im Licht der obigen Lehre möglich sind. Daher ist
festzuhalten, daß die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der
anliegenden Patentansprüche auch anders als in der besonders
beschriebenen Weise realisiert werden kann.