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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Führen eines Steuerstabbündels eines Kernreaktors. Sie hat
eine wichtige Anwendung bei Druckwasserkernreaktoren, und
zwar bei Reaktoren mit thermischen Neutronen oder mit
veränderbarem Spektrum.
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Bei den gegenwärtigen Druckwasserreaktoren wird die
Reaktivität insbesondere mit Hilfe von Steuerstabbündeln
gesteuert, die eine Mehrzahl von Stäben umfassen, die an
einer Spinne mit radialen Armen aufgehängt sind, welche von
einer vertikalen Stange zur Steuerung des Bündels gehalten
wird, welche es ermöglicht, das Bündel zwischen einer
tiefen Position, in der es in etwa vollständig in den
Reaktorkern eingeführt ist, und einer hohen Position zu bewegen,
in der es sich in der oberen Innenausrüstung des Reaktors
befindet.
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Die Stäbe werden im Kern durch Führungsrohre geführt, die
in den Brennelementkassetten vorgesehen sind. Oberhalb des
Kerns müssen diese sehr langen und dünnen Stäbe durch eine
Vorrichtung in der oberen Innenausrüstung geführt werden.
Eine solche Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 ist aus FR-A-2 397 043 bekannt.
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Bisher wurde versucht, auf die Stäbe in Horizontalrichtung
wirkende Druckgradienten soweit wie möglich zu verringern,
wobei man von der Hypothese ausging, daß diese
Druckgradienten den Stab gegen die Lippen des Durchgangsspalts der
Spinne drücken und einen Verschleiß des Stabs durch Reibung
bewirken. Um diesen Ausgleich zu bewirken, wurden bei
Führungsvorrichtungen, bei denen die Rohre einzelne Stäbe
führen
und die Hülsen Paare von Stäben führen, insbesondere
Druckausgleichslöcher in der Wand der Führungshülsen
gebildet, die Hülsen durch Gehäuse ersetzt, die Spiel für den
Druckausgleich lassen (EP-A-0 128 091/FR-A-2 547 100) und
in den Lippen des Schlitzes Ausnehmungen gebildet, die
Ausgleichsöffnungen darstellen (EP-A-0 798 828,
entsprechend FR-A-2 516 691).
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Bei einer solchen Anordnung begrenzen die durchgehenden
Führungseinrichtungen einen einzelnen ansteigenden
Kühlmittelkanal. Die Untersuchung der Verteilung von Drücken
und Geschwindigkeiten zeigt, daß diese Verteilung dazu
neigt, die Stäbe im unteren Abschnitt des durchgehenden
Führungsbereichs zum Zentrum des Bündels und im oberen
Abschnitt des durchgehenden Führungsbereichs nach außen zu
drücken, weil der größte Teil des Durchsatzes durch
Kühlmittelaustrittsöffnungen abgeleitet wird, die stromaufwärts
vor dem nicht durchgehenden Führungsabschnitt in die Hülle
gebrochen sind. Dieser Unterschied in der Wirkung führt zu
einer starken Instabilität der Stäbe und ist Ursache von
Schwingungen.
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Es wurde festgestellt, daß zumindest bei bestimmten
Reaktortypen das Schwingen der Stäbe eine vorherrschende
Ursache des Verschleißes ist, insbesondere an denjenigen
Stellen, an denen die Stäbe mit den horizontalen Platten in
dem Abschnitt in Kontakt kommen, in dem die Führung nur
durch diese Platten und nicht durchgehend sichergestellt
ist.
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Außerdem wurde festgestellt, daß jene Stäbe, die in
Radialrichtung am weitesten außen in den Hülsen liegen, stark
gegen die Achse der Vorrichtung gedrückt werden, was den
Reibungsverschleiß erhöht.
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Durch die vorliegende Erfindung soll eine Vorrichtung zur
vertikalen Führung eines Steuerstabbündels geschaffen
werden, das den praktischen Anforderungen besser als die
bisher bekannten entspricht, insbesondere indem eine Umkehrung
der Richtung der auf die Stäbe wirkenden Kräfte beim
Übergang vom durchgehend geführten zum nicht durchgehend
geführten Abschnitt vermieden wird.
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Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung
vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Hülsen
zwischen sich Führungsdurchgänge für die Stäbe der inneren
Gruppe begrenzen und einen zentralen Kühlmittelkanal von
untereinander verbundenen peripheren Kanälen trennen, in
die die in der Hülle gebildeten
Kühlmittelaustrittsöffnungen münden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt jede Hülse
einen Führungsdurchgang für einen Stab der äußeren Gruppe
und weist radial nach außen gerichtete Löcher zur
Herstellung einer Verbindung mit den peripheren Kanälen auf. Die
Stäbe der äußeren oder peripheren Gruppe mit Ausnahme
jener, die von den Hülsen geführt werden, können durch
Rohre geführt werden, die zwischen den Hülsen angeordnet
sind und einen radialen Schlitz für den Durchgang eines
Arms der Spinne aufweisen.
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Bei dieser Anordnung strömt das in den zentralen Kanal
eintretende Kühlmittel praktisch vollständig aufwärts bis zu
den Lecks, die zwischen den horizontalen Führungsplatten im
nicht durchgehend geführten Abschnitt und der Hülle
bestehen. Der größte Teil des Durchsatzes, der aus einer
Kassette austritt, dringt in die peripheren Kanäle ein und
entweicht zum Äußeren der Hülle direkt durch die Öffnungen
im unteren Bereich der Hülle.
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Dadurch steht der zentrale Kanal bezogen auf das Äußere der
Hülle unter Überdruck. Aus diesem Grund sind die Stäbe der
radial inneren Reihe dem Überdruck ausgesetzt und werden
dadurch nach außen gedrückt, was die Erregung von
Schwingungen und Verschleiß an die horizontalen Platten des
oberen Bereichs mit nicht durchgehender Führung verhindert.
Diese Erregung ist auch deswegen besonders klein, weil zum
oberen Ende des oberen Bereichs hin, wo die Stäbe zwischen
den Platten nicht geschützt sind, praktisch keine radiale
Strömung an den Stäben mehr existiert.
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In den Hülsen sind die Stäbe der äußeren Reihe ebenfalls
einem vom Zentrum nach außen wirkenden Überdruck
ausgesetzt, wenn Löcher oder Schlitze in diesen Hülsen
vorgesehen sind. Die in den fakultativen geschlitzten Rohren
geführten Stäbe sind einer radial nach innen gerichteten
Druckdifferenz ausgesetzt. Die im oberen Bereich der Hülle
radial nach außen wirkende Kraft kann sehr klein sein und
daher nicht durch ihre den im unteren Bereich wirkenden
Kräften entgegengesetzte Wirkung zu schädlichen
Schwingungen führen.
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Der Konstrukteur hat eine große Freiheit beim Entwurf der
Hülle und der Eintrittsöffnungen des Kühlmittels in die
Hülle, so daß die Verteilung der Durchsätze zwischen dem
sternförmigen zentralen Kanal und den peripheren Kanälen
und insbesondere die radial nach außen wirkende Kraft, die
die Stäbe gegen die Wand ihres Durchgangs drückt, angepaßt
werden können.
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Die Erfindung ist besser zu verstehen anhand der
nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften, nicht
einschränkenden Ausgestaltung und ihres Vergleichs mit einer
vorbekannten Führungsvorrichtung. Die Beschreibung nimmt Bezug
auf die beigefügten Zeichnungen, welche zeigen:
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Fig. 1 eine erfindungsgemäße Steuerstabführungsvorrichtung
in Vorderansicht und die dieser direkt zugeordneten
Elemente der oberen Innenausrüstung im Schnitt
entlang einer vertikalen Ebene;
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Fig. 2 und 3 horizontale Querschnitte in Höhe der Linien
II-II und III-III aus Fig. 1.
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Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Teil eines Reaktors
hat einen derzeit wohlbekannten Aufbau. Er wird daher nur
kurz beschrieben.
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Der Kern, der aus nebeneinander angeordneten
Brennelementkassetten gebildet ist, ist in einem Druckbehälter 10
enthalten, der durch einen Deckel 12 verschlossen ist. Ein vom
Behälter getragener Ring 14 begrenzt einen ringförmigen
Zwischenraum, in dem das durch nicht dargestellte
Rohrleitungen eingespeiste Kühlmittel bis in einen Zwischenraum
hinunterströmt, der unter einer unteren Trägerplatte des
Kerns gebildet ist. Anschließend strömt das Kühlmittel
durch den Kern aufwärts und tritt durch Öffnungen aus, die
in einer zur oberen Innenausrüstung des Reaktors gehörenden
Kernplatte 16 gebildet sind. Die Innenausrüstung umfaßt
ferner eine Trägerplatte 18, die vom Behälter getragen wird
und mit der Kernplatte über nicht dargestellte
Befestigungssäulen und Führungsvorrichtungen 20 verbunden ist, die
jeweils vorgesehen sind, um ein Steuerstabbündel
aufzunehmen. Die Bündel bestehen aus einer Zahl langgestreckter
Stäbe, z.B. 24 Stück, die ein neutronenabsorbierendes
Material enthalten und an einer Spinne aufgehängt sind, deren
Mittelpunkt an einer Steuerstange befestigt ist.
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Jede Vorrichtung 20 umfaßt zwischen den Platten 16 und 18
eine rohrförmige Hülle 24 mit etwa quadratischem
Querschnitt und oberhalb der Trägerplatte 18 eine Verlängerung
25, die mit einer (nicht gezeigten) Verschlußplatte
versehen ist, durch die ein Durchgangsloch für die
Steuerstange verläuft.
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Horizontale Führungsplatten 26 sind gleichmäßig entlang der
Hülle 24 verteilt. Sie sind an der Hülle befestigt durch
Eingreifen von äußeren Vorsprüngen dieser Platten in Kerben
der Hülle 24 sowie allgemein durch Schweißen.
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Die im oberen Bereich der Hülle 24 angeordneten Platten 26,
fünf Stück bei der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung,
weisen einen solchen inneren Ausschnitt auf, daß die Platten
die Stäbe führen und die Arme der Spinne passieren lassen.
Die Stäbe werden so nicht durchgehend und in den Abstand
der Platten 26 entsprechenden Intervallen geführt.
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Die bisher beschriebene Anordnung ist bekannt.
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Die Platten 26 bewirken eine nicht durchgehende Führung der
Stäbe im oberen Bereich der Vorrichtung. In diesem oberen
Bereich hat die Hülle keine Öffnungen, so daß das
Kühlmittel, das dort hingelangt, nur seitlich durch die Spielräume
zwischen den äußeren Vorsprüngen der Platten und den Kerben
sowie axial entweicht.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung umfaßt die
Vorrichtung nur eine einzige horizontale Führungsplatte 26a im
durchgehend geführten Abschnitt. Diese Platte ist mit dem
Fuß 28 der Hülle 24 über durchgehende Führungseinrichtungen
und mit der Hülle durch Ineinanderstecken und/oder
Schweißen verbunden.
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Die Führungseinrichtungen umfassen Hülsen 30 und
geschlitzte Rohre 32, die Führungsdurchgänge für acht Stäbe, die zu
einer inneren Reihe gehören, und 16 Stäbe, die zu einer
äußeren Reihe in radialer Richtung gehören, begrenzen,
wobei diese Zahlen nicht einschränkend sind. Jede der Hülsen
30 bildet in ihrem von der Achse in radialer Richtung am
weitesten entfernten Bereich einen Führungsdurchgang 34 für
einen der Stäbe der äußeren Reihe, verlängert durch einen
radialen Schlitz 36, der einen Durchgang für einen der Arme
der Spinne bildet. Die der Achse am nächsten liegenden
Bereiche der Hülsen 30 bilden zwischen sich
Führungsdurchgänge 38 und 40 für die Stäbe der inneren Reihe. Im in den
Fig. 2 und 3 gezeigten Fall, in dem die Stäbe der inneren
Reihe an den Seiten eines Quadrats angeordnet sind, hat
jede Hülse 30 zwei Zweige von unterschiedlicher Länge, so
daß der Zwischenraum zwischen den inneren Bereichen der
Hülsen einen sternförmigen zentralen Kanal 42 bildet, der
mit Ausnahme der Führungsdurchgänge 38 und 40 keine direkte
Verbindung mit dem Äußeren in radialer Richtung hat. Zwei
aufeinander folgende Hülsen begrenzen zwischen sich einen
peripheren Kanal 44 von dreieckiger Form. Alle diese
peripheren Kanäle sind untereinander verbunden (Fig. 3). Der
dort herrschende Druck ist praktisch derselbe wie der Druck
außerhalb der Hülle, denn sie sind mit dem Äußeren durch
große Öffnungen 46 der Hülle verbunden. Diese Öffnungen
sind ungefähr rechteckförmig. Die oberste ist direkt
unterhalb der Platte 26a angeordnet.
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Jedes Führungsrohr 32 für einen Stab der äußeren Reihe ist
zwischen zwei benachbarten Hülsen am Ende eines der
peripheren
Kanäle 44 angeordnet. Es hat keinen radialen Schlitz
zum Verbinden des Inneren des Rohrs mit dem peripheren
Kanal. Vielmehr sind Löcher 47 regelmäßig entlang der äußeren
Umhüllenden eines jeden Durchgangs 34 verteilt, um die
Außenseite der Stäbe unter Unterdruck zu setzen, wenn das
Bündel die Führungsvorrichtung belegt. Man erkennt:
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- Da der zentrale Kanal in Bezug auf die peripheren Kanäle
und das Äußere der Hülle unter Überdruck steht, wirkt auf
die der Achse am nächsten liegenden acht Stäbe eine
radial nach außen gerichtete Kraft, die sie nach außen
drückt und verhindert, daß sie ins Schwingen geraten und
an den Platten 26 schnell verschleißen;
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- die in den Durchgängen 34 der Hülsen 30 angeordneten
Stäbe sind ebenfalls einer radial nach außen gerichteten
Druckkraft ausgesetzt;
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- die Stäbe in den geschlitzten Rohren 32 sind an ihrer
Innenseite einem geringeren Druck als an ihrer Außenseite
ausgesetzt, da das Kühlmittel in den peripheren Kanälen
eine hohe Geschwindigkeit hat, wohingegen die Außenseite
an einem Zwischenraum liegt, der mit dem Eingang des
Abschnitts mit durchgehender Führung verbunden ist. Diese
Stäbe werden daher im Bereich mit nicht durchgehender
Führung trotz der Radialkraft durch die Strömung, deren
Radialkomponente sehr gering ist, nach innen gedrückt.
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Indem die Gefahr beseitigt wird, daß die Stäbe in
Schwingung geraten, kann die Länge des Abschnitts mit
durchgehender Führung im Vergleich zu jener bei einer herkömmlichen
Vorrichtung mit gleicher Gesamthöhe verringert werden. In
der Praxis kann man die Höhe dieses Abschnitts um den Weg
des Stoßdämpfers der Brennelementkassette verringern, d.h.
bei einem typischen Reaktor um ca. 600 mm.