WO1995004992A1 - Brennstabbündel eines siedewasserreaktors mit einem vereinfachten kopfteil - Google Patents

Brennstabbündel eines siedewasserreaktors mit einem vereinfachten kopfteil Download PDF

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WO1995004992A1
WO1995004992A1 PCT/DE1994/000891 DE9400891W WO9504992A1 WO 1995004992 A1 WO1995004992 A1 WO 1995004992A1 DE 9400891 W DE9400891 W DE 9400891W WO 9504992 A1 WO9504992 A1 WO 9504992A1
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fuel
handle
cover plate
box
water channel
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Application number
PCT/DE1994/000891
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French (fr)
Inventor
Werner Meier
Lothar Körner
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention relates to a fuel assembly with the features specified in the preamble of claim 1.
  • Fuel elements of boiling water reactors usually contain at least one water channel which also supplies the upper part of the fuel element with sufficient liquid water.
  • a hollow cross can be provided as the water channel, which divides the fuel assembly into 4 quadrants, so that the bundle of fuel rods of a fuel assembly breaks down into 4 sub-bundles.
  • This "water cross” can be firmly connected to a box surrounding the fuel assembly on the side in order to prevent the box from bulging due to the pressure of the coolant flowing through the fuel assembly. Together with a fuel element foot attached to the lower end of the water channel, this creates a quiver into which the fuel rods are inserted.
  • the head covering the box and the partial bundles of the fuel rods at the top has a cover plate for each partial bundle and a handle for lifting the entire fuel assembly.
  • the invention relates to the more frequent case that a division of the fuel rods into fuel bundles is avoided and one or more tubes open at the top and bottom are used as water channels, which are located inside the fuel element, that is to say are surrounded on all sides by fuel rods.
  • the water channel preferably occupies several fuel rod positions and has a square cross section, but it can also be of a round tube, two adjacent tubes with a D-shaped cross section, or of other tube-like structures be formed. In particular, the water channel sits approximately in the middle of the fuel assembly, ie the fuel rod positions it occupies are distributed in the center of the fuel assembly.
  • Such a fuel assembly thus has a bundle of fuel rods and a box which laterally surrounds the bundle.
  • a water channel In the interior of the bundle there is a water channel, at the lower end of which a base part below the fuel rods is fastened.
  • a head part Above the fuel rods there is a head part which contains a handle which is connected to the water channel via a load-bearing connection, a cover plate with through openings and possibly a frame.
  • Such fuel assemblies are e.g. B. in the international patent applications WO 91/13441 and WO 92/05565 and the German application 42 72 645 described.
  • the head with handle and cover plate, the water channel and a base plate arranged in the fuel element base form a skeleton which can be inserted into the fuel element box and the remaining foot part.
  • the fuel rods are not screwed to the head, so that they can be easily inserted or removed when the head is removed.
  • This "skeleton construction" enables problem-free assembly, inspection and maintenance of the fuel element.
  • the handle In order to be able to lift and carry the fuel element by the handle even if the water channel breaks, it can be provided in addition to the supporting water channel to form a second ("redundant") support structure by the fuel element head being connected to the fuel element via the fuel element box. Foot is releasably connected.
  • the prior art usually provides a cast part that forms the handle, frame and cover plate.
  • This one-piece production is intended to give the head mechanical stability, which is only possible with a multi-piece construction large-area welds, massive spoilage or similar connections that require a lot of space can be achieved.
  • this one-piece production requires an elaborate casting process and, due to the complicated geometry, expensive molds, and frequent casting defects, which can only be eliminated by extensive reworking, are inevitable.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a fuel element which can be produced efficiently and is easy to assemble and inspect.
  • the invention is based on the fact that the reason for the one-piece production was originally that some of the fuel rods (so-called “support rods”) were used for the load-bearing structure of conventional fuel elements, which are connected at their upper end to the cover plate in the fuel element. Head and at its lower end with the base plate in the fuel assembly base. Therefore, the cover plate must be able to bear the entire weight of the fuel assembly as soon as the fuel assembly is lifted by the handle. The mechanical stability of the cover plate must therefore be adapted to the entire weight of the fuel element and have a corresponding thickness.
  • the cover plate should contain the largest possible openings for the coolant in order to avoid unnecessary pressure loss and to stabilize the two-phase flow with liquid coolant in the lower part of the fuel element and a liquid / vapor mixture in the upper part , for reasons of space, spoilage, welding or other connections that should be designed for the same stability appear to be excluded.
  • the "skeleton construction" mentioned at the outset largely relieves the cover plate of load-bearing forces. Therefore, the cover plate can be connected via relatively weakly dimensioned connections with a handle supporting the frame in the head part.
  • cover plate itself does not have to be very solid, rather a relatively weak cast plate can be used or a sheet metal into which the necessary through-openings for the coolant are incorporated by drilling, punching or electrochemical removal.
  • a method for producing plates with passage openings is described in the unpublished German patent application 42 40 537.
  • the invention therefore provides a fuel assembly according to the "skeleton construction" mentioned at the outset, the cover plate being produced as a one-piece component which is independent of the frame.
  • This component is held on a system part which can be part of the handle or the water pipe or can also be partly formed by the handle and partly by the water pipe.
  • the plant part can also be a separate component that forms a load-bearing connection between the water pipe and the handle or the frame.
  • FIG. 1 shows a side view of a fuel assembly according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the head of a fuel assembly according to the invention
  • FIG. 3 shows a frame with a handle and fastening sleeve
  • FIG. 4 shows a locking of the fuel assembly box on the frame
  • FIG. 5 shows a cover plate according to the invention with the frame lying above it
  • FIGS. 6-9 show various other embodiments of the fastening of the cover plate to the frame
  • FIG. 10 shows a longitudinal section through the base of a fuel element
  • Figures 11 and 12 two mutually orthogonal longitudinal sections through a corner of a fuel assembly head according to the invention, and Figure 13 shows another screw secured against loss for fastening the fuel assembly box.
  • the fuel element according to FIG. 1 is laterally surrounded by a fuel element box 1, which is screwed at its lower end with screws 3 to a foot part 2, which has a vertical inlet 4 for coolant.
  • the fuel assembly box 1 has windows 5 through which pawls 6 protrude from the inside of the box and which are resiliently mounted on the lower part of a handle 7.
  • a frame 8 is screwed onto the handle 7, which partially encompasses the upper edge of the fuel element box 1 and carries a screwed-on support spring 9 with which the fuel element box is supported on structural elements of the reactor core.
  • FIG. 2 shows that the lower part of the handle 7 merges into a supporting sleeve 10 into which an intermediate piece 11 of a tubular water channel 12 engages. This water channel is surrounded on all sides by fuel rods 13.
  • the upper end of the water channel which advantageously has a square cross section, initially merges into a round pipe section with an internal thread 15 in a screwed and / or welded transition piece 14.
  • the intermediate piece 11 with a retaining ring 19 serves as a contact part for a cover plate 20 and carries at its lower end a pin 16 onto which a support ring 19, a compression spring 18 and a lock nut 17 is attached and which has an external thread wearing.
  • the system part 11 can first be screwed into the transition piece 14 until it reaches a predetermined angular position with respect to the water channel for the rotational orientation of the head.
  • the intermediate piece thus forms a rigid extension of the water channel 12, onto which a cover plate 20 can now be attached.
  • This cover plate 20 is initially held on the support ring 19 and on the contact part 14. It lies above the fuel rods 13 and covers the fuel bundle, it being possible in the case of FIG. 2 that pin-shaped end pieces of the fuel rods 13 are more loosely guided in openings in the cover plate 20. A screw connection between the fuel rods and the cover plate is avoided.
  • the upper end of the plant part 11 not only engages through the cover plate 20, but also through the support sleeve 10 with the handle 7.
  • the handle 7 can therefore be attached to the end of the water channel 12 which is extended by the plant part 11 be by a stop, e.g. B. a screwed end nut 21, is detachably connected to the upper end of the bearing part 11.
  • a stop e.g. B.
  • a screwed end nut 21 is detachably connected to the upper end of the bearing part 11.
  • a bayonet-type closure as described in the unpublished European patent application 92 100 065.9. This end nut 21 is attached to the water channel as long as the spring 18 is compressed by pressure on the handle 7.
  • the support sleeve 10 When the handle is relieved, the support sleeve 10 is pressed against a stop shoulder of the sleeve 21 until profile parts (not shown) of the support sleeve 10, end nut 21 and contact part 11 fit into one another. intervene. As a result, the end nut 21 is secured and, at the same time, a rotationally oriented, rigid connection of the handle on the water channel is ensured, which forms the backbone of the supporting "skeleton" in the fuel assembly.
  • the fuel assembly box 1 is only pushed over the cover plate 20 without a force-transmitting connection between the two parts. Rather, the fuel assembly box is displaceable along the fuel assembly axis until the pawl 6, which passes through the window 5 arranged in the box 1, strikes the edge of this window.
  • the pawl 6 itself as shown in FIGS. 3 and 4, is inserted from the side into an opening 30 in the handle and pressed outwards by a spring 31, the pawl parts penetrating the window 5 not being visible in FIG because they are outside the cutting plane.
  • the pawl body shown in FIG. 4 is tilted against the pressure force of the spring 31, so that the pawls are withdrawn from the window and the box is released.
  • Figure 3 also shows that the support sleeve 10 may have a collar 35 at its lower edge to form a stop shoulder 36.
  • Figure 4 shows that this collar 35 engages in a corresponding opening ring 37 of the cover plate 20, which therefore strikes the abutment shoulder 36.
  • the collar 35 which is part of the handle 7, forms the contact part on which the cover plate is held.
  • FIG. 4 shows the direction of view in which the cover plate with the handle above it is shown in FIG. 5. It can be seen that 20 grooves 38 are provided on the opening ring 37 of the cover plate, in which the tabs 39, which are formed by the collar 36, are bent. Instead of bending individual tabs 39 into corresponding grooves in the cover plate, the entire lower one can of course also be used Edge 39a (FIG. 6) of the collar 36 can be expanded in order to engage in a corresponding profile of the cover plate 20.
  • the contact part therefore has lateral projections on which the cover plate is held. These projections are advantageously formed by deforming the plant part as soon as the cover plate is inserted.
  • This design has the advantage that after loosening the end nut 21 the cover plate can be lifted off together with the handle in order to gain access to the fuel rods.
  • the cover plate mainly consists of webs 40 which connect stop sleeves 41, which are arranged above the fuel rods and serve as a stop for the fuel rods or also as a loose guide in which the ends of the fuel rods are displaceably mounted. Since the fuel rods of the bundle shown are arranged in 10 rows and 10 columns, the water channel, which is arranged in the place of 3 x 3 fuel rods, cannot lie exactly in the middle of the fuel rod bundle, but is arranged somewhat eccentrically. An intermediate space is formed between each four adjacent fuel rods, and a corresponding passage opening 42 in the cover plate is assigned as the flow channel for the coolant.
  • the fuel assembly carries some lateral ribs 43, with which the cover flap rests on the Brennelemetn box, without there being a load-bearing connection between the cover plate and the box.
  • the cover plate can be detachably connected to the contact part, in this embodiment the collar 35 of the support sleeve 10, by one or more screws 44 ', in particular screws, the heads of which are countersunk in the cover plate 20.
  • Figure 8 shows that pins 44 can also be used in place of the screws, the z. B. can be secured by a welding spot, since it is generally not necessary to detach the cover plate from the handle or frame.
  • connection of the cover plate to the contact part can be carried out in a simple manufacturing manner by one or two welds 45, as shown in FIG. 9.
  • FIG. 10 shows the lower end of the fuel assembly with the foot part, the circular coolant inlet opening 4 of which engages in corresponding openings in the lower supporting structure of the reactor core.
  • a transition piece 49 adapts the circular inlet opening 4 to the square cross-section of the fuel element in a diffuser-like manner and webs 50 which are curved in a star shape and which are curved over the inlet opening 4 facilitate the insertion of the fuel element into the supporting structure of the reactor core.
  • a base plate 52 arranged below the fuel rods 13 and having passage openings 53 for the coolant rests on this transition piece via adjusting feet 51.
  • the lower end of the coolant channel 12 is screwed into this base plate or fastened in a supporting manner in some other way.
  • the handle 7, the cover plate 20, the coolant channel 12, on which spacers 55 are arranged between stops 54 in several axial positions, and the base plate 52 thus form a load-bearing skeleton.
  • FIGS. 11 and 12 the frame is held on the handle by a screw 60 which, after being screwed into the lower part of the handle 7, is secured against loss by means of locking pins 61.
  • This frame part carries also a chamber 62, into which a bolt or bolt 63 with a compression spring 64 is inserted and after insertion is secured by a further securing pin 65 against loss.
  • the bolt engages through the window 5 of the fuel assembly box.
  • the frame 8 acts simultaneously as a stop for the spring 64 and the bolt which is automatically pushed out of the window 5 as soon as the screw 60 is loosened and the frame is removed.
  • FIG. 13 shows another fastening of the frame 8 to the lower part of the handle, in which loose small parts are also secured against loss.
  • a threaded bore 70 in the frame there is a thread 71 at the lower end of a pin 72, the head of which engages in a sleeve 73 like a bayonet lock.
  • a plate spring 76 preloaded between a pressure ring 74 and the sleeve 73 secures the bayonet catch against unintentional opening.
  • the bolt 63 sits in a chamber 62, in which it is held by a locking ring 77 and is pressed against the compression spring 64 into the window 5.
  • handle and cover plate can be produced in a rational manner in individual castings, without the need for bulky connecting elements which could unintentionally become detached or impair the function of the fuel assembly head.
  • the individual design features of the cover plate, the handle and the connecting parts can largely be varied within the scope of the invention.
  • the fuel element box 1 is connected to the transition piece 49 via the screws 3. Via the pawls 6, the fuel assembly box and the screw 3 which engage in window 5 of the fuel assembly box, a redundant supporting structure is thereby created, which, however, is not loaded when the skeleton is intact.
  • the skeleton structure of the fuel assembly according to the invention thus enables simple assembly and disassembly without its stability being endangered even in the event of mechanical damage.
  • the head part of the fuel assembly which has so far been elaborately manufactured is considerably simplified by the rational production of a one-piece component which is independent of the handle and frame of the head part.

Abstract

Siedewasser-Brennelemente enthalten einen Kopf mit einer Deckplatte (20) komplizierter Geometrie und einem Griff (7) sowie ein Fußteil (2) am unteren Ende des Brennelementes und eine praktisch auf das ganze Gewicht des Brennelementes ausgelegte Verbindung zwischen Griff und Fußteil. Für diese Verbindung wird ein Wasserkanal (12) verwendet, der z.B. über eine Traghülse (10) am Griff (7) befestigt ist. Dadurch ist die Deckplatte (20) mechanisch entlastet. Erfindungsgemäß ist sie als ein einstückiges Bauteil gefertigt, das nur am Griff (7) oder dem Wasserkanal (12) gehalten ist. Tragende Verbindungen der Deckplatte mit den Brennstäben oder einem das Brennelement seitlich umgebenden Brennelement-Kasten (1) sind vermieden.

Description

Beschreibung
Brennstabbündel eines Siedewasserreaktors mit einem vereinfachten Kopfteil gefertigten Kopfteil.
Die Erfindung betrifft ein Brennelement mit den im Oberbe¬ griff des Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Brennelemente von Siedewasserreaktoren, deren Kühlmittel (Wasser) gleichzeitig als Moderator dient und im oberen Teil des Brennelementes weitgehend als Wasserdampf vorliegt, ent¬ halten meist mindestens einen Wasserkanal, der auch dem obe¬ ren Teil des Brennelementes genügend flüssiges Wasser zu¬ führt. Als Wasserkanal kann ein Hohlkreuz vorgesehen sein, das das Brennelement in 4 Quadranten teilt, εodaß das Bündel der Brennstäbe eines Brennelementes in 4 Teilbündel zerfällt. Dieses "Wasserkreuz" kann mit einem das Brennelement seitlich umgebenden Kasten fest verbunden sein, um ein Ausbeulen des Kastens durch den Druck des das Brennelement durchströmenden Kühlmittels zu vermeiden. Zusammen mit einem am unteren Ende des Wasserkanals befestigen Brennelement-Fuß entsteht dadurch ein Köcher, in den die Brennstäbe eingesetzt werden. Der den Kasten und die Teilbündel der Brennstäbe oben abdeckende Kopf weist für jedes Teilbündel eine Deckplatte sowie einen Griff zum Anheben des ganzen Brennelementes auf. Die Fertigung der verschiedenen Einzelteile und deren Montage zum fertigen Brennelement ist verhältnismäßig aufwendig.
Die Erfindung betrifft den häufigeren Fall, daß eine Unter- teilung der Brennstäbe in Brennstab-Bündel vermieden wird und als Wasserkanal ein oder mehrere oben und unten offene Rohre verwendet werden, die im Inneren des Brennelementes liegen, also allseitig von Brennstäben umgeben sind. Bevorzugt nimmt dabei der Wasserkanal mehrere Brennstabspositionen ein und besitzt ein quadratischen Querschnitt, er kann aber auch von einem runden Rohr, zwei aneinander anliegenden Rohren mit D- förmigen Querschnitt oder von anderen rohrartigen Strukturen gebildet werden. Insbesondere sitzt der Wasserkanal etwa in der Mitte des Brennelementes, d. h. die von ihm eingenommenen Brennstabspositionen sind in der Mitte des Brennelementes verteilt.
Ein derartiges Brennelement weist also ein Bündel von Brenn¬ stäben und einen das Bündel seitlich umgebenden Kasten auf. Im Inneren des Bündels liegt ein Wasserkanal, an dessen un¬ terem Ende ein unterhalb der Brennstäbe liegendes Fußteil be- festigt ist. Überhalb der Brennstäbe ist ein Kopfteil ange¬ ordnet, das einen Griff , der über eine tragende Verbindung mit dem Wasserkanal verbunden ist, eine Deckplatte mit Durchtrittsöffnungen und eventuell einen Rahmen enthält.
Derartige Brennelemente sind z. B. in den internationalen Pa¬ tentanmeldungen WO 91/13441 und WO 92/05565 und der deutschen Anmeldung 42 72 645 beschrieben. Dabei bilden der Kopf mit Griff und Deckplatte, der Wasserkanal und eine im Brennele¬ mentfuß angeordnete Bodenplatte ein Skelett, das in den Brennelementkasten und das restliche Fußteil eingesetzt wer¬ den kann. Die Brennstäbe sind nicht mit dem Kopf verschraubt, sodaß sie bei abgenommenem Kopf leicht eingesetzt oder ent¬ nommen werden können. Diese "Skelettbauweise" ermöglicht eine problemlose Montage, Inspektion und Wartung des Brennelemen- tes.
Um auch bei einem Bruch des Wasserkanals das Brennelement am Griff anheben und tragen zu können, kann dabei vorgesehen sein, zusätzlich zu dem tragenden Wasserkanal eine zweite ("redundante") Tragstruktur zu bilden, indem der Brennele¬ mentkopf über den Brennelementkasten mit dem Brennelement- Fuß lösbar verbunden wird.
Für den Kopf sieht der Stand der Technik üblicherweise ein Gußteil vor, das Griff, Rahmen und Deckplatte bildet. Diese einstückige Fertigung soll dem Kopf eine mechanische Stabi¬ lität geben, die bei einer mehrstückigen Bauweise nur durch großflächige Verschweißungen, massive Versehraubungen oder ähnliche Verbindungen, die viel Platz erfordern, erreichbar ist.
Andererseits erfordert diese einstückige Herstellung ein auf¬ wendiges Gießverfahren und wegen der komplizierten Geometrie teure Gußformen, wobei auch häufige Gußfehler, die nur durch eine aufwendige Nacharbeitung beseitigt werden können, unvermeidlich sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennele¬ ment anzugeben, das rationell zu fertigen und leicht zu mon¬ tieren und inspizieren ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung geht dabei davon aus, daß der Grund für die einstückige Fertigung ursprünglich darin lag, daß zur tragen- den Struktur herkömmlicher Brennelemente bisher einige der Brennstäbe (sogenannte "Tragεtäbe") verwendet wurden, die an ihrem oberen Ende mit der Deckplatte im Brennelement-Kopf und an ihrem unterem Ende mit der Bodenplatte im Brennelement-Fuß verschraubt wurden. Daher muß die Deckplatte das ganze Gewicht des Brennelementes tragen können, sobald das Brennelement am Griff angehoben wird. Die mechanische Stabi¬ lität der Deckplatte muß also dem ganzen Gewicht des Brenn¬ elementes angepaßt sein und eine entsprechende Dicke auf¬ weisen. Da andererseits die Deckplatte möglichst große Durch- trittsöffnungen für das Kühlmittel enthalten soll, um einen unnötigen Druckverlust zu vermeiden und die Zweiphasen-Strö¬ mung mit flüssigem Kühlmittel im unteren Teil des Brennele¬ ments und einem Flüssigkeits/Dampf-Gemisch im oberen Tiel zu stabilisieren, scheinen aus Platzgründen Versehraubungen, Verschweißungen oder andere Verbindungen, die auf die gleiche Stabilität auszulegen wären, auszuscheiden. Die eingangs erwähnte "Skelettbauweise" entlastet jedoch die Deckplatte weitgehend von tragenden Kräften. Daher kann die Deckplatte über verhältnismäßig schwach dimensionierte Ver¬ bindungen mit einem den Rahmen tragenden Griff im Kopfteil verbunden werden. Außerdem braucht die Deckplatte selbst nicht sehr massiv ausgebildet zu sein, vielmehr kann eine verhältnismäßig schwache Gußplatte verwendet werden oder auch ein Blech, in das die notwendigen Durchtrittsöffnungen für das Kühlmittel durch Bohren, Stanzen oder elektrochemisches Abtragen eingearbeitet sind. Ein Verfahren zum Herstellen von Platten mit Durchtrittsöffnungen ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 42 40 537 be¬ schrieben.
Die Erfindung sieht also ein Brennelement nach der eingangs erwähnten "Skelettbauweise" vor, wobei die Deckplatte als ein einstückiges, vom Rahmen unabhängiges Bauteil gefertigt ist. Dieses Bauteil ist an einem Anlageteil gehalten, das Teil des Griffs oder des Wasserrohrs sein oder auch teils vom Griff, teils vom Wasserrohr gebildet werden kann. Das Anlageteil kann aber auch ein eigenes Bauteil sein, das eine tragende Verbindung zwischen dem Wasserrohr und dem Griff oder dem Rahmen bildet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter¬ ansprüchen angegeben.
Anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und 13 Figuren wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines Brennelementes nach der Er¬ findung, Figur 2 einen Längsschnitt durch den Kopf eines Brennelemen- tes nach der Erfindung,
Figur 3 einen Rahmen mit Griff und Befestigungshülse,
Figur 4 eine Verriegelung des Brennelementkastens am Rahmen, Figur 5 eine Deckplatte nach der Erfindung mit dem darüber liegenden Rahmen,
Figuren 6 - 9 verschiedene andere Ausführungsformen der Befe¬ stigung der Deckplatte am Rahmen, Figur 10 einen Längsschnitt durch den Fuß eines Brennelemen¬ tes,
Figuren 11 und 12 zwei zueinander orthogonale Längsschnitte durch eine Ecke eines Brennelement-Kopfes nach der Erfindung, und Figur 13 eine andere gegen Verlieren gesicherte Schraube zur Befestigung des Brennelement-Kastens.
Das Brennelement nach Figur 1 ist seitlich von einem Brenn¬ element-Kasten 1 umgeben, der an seinem unteren Ende mit Schrauben 3 an einem Fußteil 2, das einen vertikalen Einlaß 4 für Kühlmittel aufweist, verschraubt ist. Der Brennelement- Kasten 1 weist an seinem oberen Ende Fenster 5 auf, durch die von der Innenseite des Kastens Klinken 6 ragen, die federnd am Unterteil eines Griffes 7 gelagert sind. Am Griff 7 ist ein Rahmen 8 angeschraubt, der den oberen Rand des Brenn¬ element-Kastens 1 teilweise umgreift und eine angeschraubte Stützfeder 9 trägt, mit der der Brennelement-Kasten an Struk¬ turelementen des Reaktorkerns abgestützt ist.
Figur 2 zeigt, daß der untere Teil des Griffs 7 in eine tra¬ gende Hülse 10 übergeht, in die ein Zwischenstück 11 eines rohrförmigen Wasserkanals 12 eingreift. Dieser Wasserkanal ist allseitig von Brennstäben 13 umgeben.
Das obere Ende des Wasserkanals, der vorteilhaft einen qua¬ dratischen Querschnitt aufweist, geht zunächst in einem ange¬ schraubten und/oder angeschweisten Übergangsstück 14 in ein rundes Rohrstück mit einem Innengewinde 15 über. Das Zwi¬ schenstück 11 mit einem Haltering 19 dient als Anlageteil für eine Deckplatte 20 und trägt an seinem unteren Ende einen Zapfen 16, auf den ein Auflagering 19, eine Druckfeder 18 und eine Kontermutter 17 aufgesteckt ist und der ein Außengewinde trägt. Dadurch kann das Anlageteil 11 zunächst in das Über¬ gangsstück 14 eingeschraubt werden, bis es eine für die Drehorientierung des Kopfes vorgegebene Winkellage bezüglich des Wasserkanals erreicht. Diese Drehorientierung wird sodann fixiert, indem die Kontermutter 17 bis zu einem festen An¬ schlag auf dem Übergangsstück 14 festgeschraubt wird und Übergangsstück 14, Kontermutter 17 und Zapfen 16 durch Schweißnähte miteinander verbunden werden. Statt durch eine Kontermutter kann das Anlageteil auch durch einen Stift gegen Verdrehen gesichert werden.
Das Zwischenstück bildet somit eine starre Verlängerung des Wasserkanals 12, auf die nunmehr eine Deckplatte 20 aufge¬ steckt werden kann. Diese Deckplatte 20 ist zunächst am Auf- lagering 19 und am Anlageteil 14 gehalten. Sie liegt oberhalb der Brennstäbe 13 und deckt das Brennstabbündel ab, wobei im Fall der Figur 2 vorgesehen sein kann, daß zapfenförmige Endstücke der Brennstäbe 13 lokker in Öffnungen der Deckplatte 20 geführt sind. Eine Verschraubung zwischen Brennstäben und Deckplatte ist dabei vermieden.
Das obere Ende des Anlageteils 11 greift bei dieser Konstruk¬ tion nicht nur durch die Deckplatte 20, sondern auch durch die Traghülse 10 mit dem Griff 7. Der Griff 7 kann daher an dem durch das Anlageteil 11 verlängerten Ende des Wasserka¬ nals 12 tragend befestigt werden, indem ein Anschlag, z. B. eine angeschraubte Endmutter 21, mit dem oberen Ende des An¬ lageteils 11 lösbar verbunden wird. Vorteilhaft kann statt einer Verschraubung der Endmutter 21 mit dem Wasserkanal auch ein bajonettartiger Verschluß gewählt werden, wie er in der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung 92 100 065.9 beschrieben ist. Die Befestigung dieser Endmutter 21 am Wasserkanal erfolgt, solange durch Druck auf den Griff 7 die Feder 18 zusammengedrückt ist. Bei einer Entlastung des Griffes wird die Traghülse 10 gegen eine -Anschlagschulter der Hülse 21 gedrückt, bis (nicht dargestellte) Profilteile von Traghülse 10, Endmutter 21 und Anlageteil 11 inein- andergreifen. Dadurch ist die Endmutter 21 gesichert und gleichzeitig eine drehorientierte starre Verbindung des Griffes am Wasserkanal sichergestellt, der das Rückgrat des tragenden "Skelett" im Brennelement bildet.
Der Brennelement-Kasten 1 ist nur über die Deckplatte 20 ge¬ schoben, ohne daß es zu einer kraftübertragenden Verbindung beider Teile kommt. Vielmehr ist der Brennelement-Kasten längs der Brennelementachse verschiebbar, bis die Klinke 6, die das im Kasten 1 angeordnete Fenster 5 durchgreift, am Rand dieses Fensters anschlägt. Die Klinke 6 selbst ist, wie die Figuren 3 und 4 zeigen, von der Seite her in einen Durch¬ bruch 30 des Griffes eingesetzt und durch eine Feder 31 nach außen gedrückt, wobei in Figur 4 die das Fenster 5 durchset- zenden Klinkenteile nicht erkennbar sind, da sie außerhalb der Schnittebene liegen. Durch Druck auf die Klinken wird der in Figur 4 dargestellte Klinkenkörper entgegen der Druckkraft der Feder 31 gekippt sodaß die Klinken aus dem Fenster zurückgezogen werden und den Kasten freigeben.
Figur 3 zeigt außerdem, daß die Traghülse 10 an ihrem unteren Rand einen Kragen 35 aufweisen kann, um eine Anschlagschulter 36 zu bilden.
Figur 4 zeigt, daß dieser Kragen 35 in einen entsprechenden Öffnungsring 37 der Deckplatte 20 eingreift, die daher an der Anlageschulter 36 anschlägt. Bei dieser Ausführungsform bildet also der Kragen 35, der ein Teil des Griffes 7 ist, das Anlageteil, an dem die Deckplatte gehalten ist.
Mit V-V ist in Figur 4 die Blickrichtung gezeigt, in der die Deckplatte mit dem darüber liegenden Griff in Figur 5 dar¬ gestellt ist. Dabei wird erkennbar, daß am Öffnungsring 37 der Deckplatte 20 Nuten 38 angebracht sind, in die Laschen 39, die vom Kragen 36 gebildet werden, hineingebogen sind. Statt einzelne Laschen 39 in entsprechende Nuten der Deck¬ platte einzubiegen, kann natürlich auch der gesamte untere Rand 39a (Figur 6) des Kragens 36 aufgeweitet werden, um in ein entsprechendes Profil der Deckplatte 20 einzugreifen.
Bei diesen Ausführungsbeispielen weist also das Anlageteil seitliche Vorsprünge auf, an denen die Deckplatte gehalten ist. Diese Vorsprünge sind dabei vorteilhaft durch Verformung des Anlageteils gebildet, sobald die Deckplatte eingesetzt ist.
Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß nach Lösen der Endmut¬ ter 21 die Deckplatte zusammen mit dem Griff abgehoben werden kann, um Zugang zu den Brennstäben zu gewinnen.
Die Deckplatte besteht gemäß Figur 5 hauptsächlich aus Stegen 40, die Anschlaghülsen 41 verbinden, die über den Brennstäben angeordnet sind und als Anschlag für die Brennstäbe oder auch als lockere Führung dienen, in der die Enden der Brennstäbe verschiebbar gelagert sind. Da die Brennstäbe des gezeigten Bündels in 10 Reihen und 10 Spalten angeordnet sind, kann der Wasserkanal, der an der Stelle von 3 x 3 Brennstäben angeordnet ist, nicht exakt in der Mitte des Brennstabbündels liegen, sondern ist etwas exzentrisch angeordnet. Zwischen jeweils vier benachbarten Brennstäben entsteht ein Zwischenraum, dem als Strömungskanal für das Kühlmittel eine entsprechende Druchtrittsöffnung 42 in der Deckplatte zuge¬ ordnet ist. Figur 5 zeigt darüber hinaus, daß bei acht Brennstabspositionen, die jeweils in der zweit- äußersten Spalte oder Reihe des Bündels liegen, vergrößerte Durch¬ trittsöffnungen durch Weglassen einer Anschlaghülse entste- hen. In diesen Positionen sind nämlich im Fuß des Brennele¬ mentes Brennstäbe verankert, die nur über einen Teil der Brennstablänge reichen ("teillange Brennstäbe").
Ferner trägt das Brennelement einige seitliche Rippen 43, mit denen die Deckpatte am Brennelemetn-Kasten anliegt, ohne daß es dabei zu einer tragenden Verbindung zwischen Deckplatte und Kasten kommt. Nach Figur 7 kann die Deckplatte mit dem Anlageteil, bei die¬ ser Ausführungsform dem Kragen 35 der Traghülse 10, durch ei¬ ne oder mehrere Schrauben 44', insbesondere Schrauben, deren Köpfe in der Deckplatte 20 versenkt sind, lösbar verbunden sein.
Figur 8 zeigt, daß an Stelle der Schrauben auch Stifte 44 verwendet sein können, die z. B. durch einen Schweißpunkt ge¬ sichert sein können, da ein Lösen der Deckplatte von Griff oder Rahmen im allgemeinen nicht erforderlich ist.
Daher kann die Verbindung der Deckplatte mit dem Anlageteil auf eine einfache fertigungstechnische Weise durch eine oder zwei Schweißnähte 45 vorgenommen werden, wie Figur 9 zeigt.
In Figur 10 ist das untere Ende des Brennelementes mit dem Fußteil gezeigt, dessen kreisrunde Kühlmittel-Einlaßöffnung 4 in entsprechenden Öffnungen der unteren Tragstruktur des Reaktorkerns eingreift. Ein Übergangsstück 49 paßt diffusor- artig die kreisrunde Einlaßöffnung 4 an den quadratischen Querschnitt des Brennelementes an und über die Einlaßöffnung 4 gewölbte, sternförmig angeordnete Stege 50 erleichtern das Einsetzen des Brennelementes in die Tragstruktur des Reaktor¬ kerns. Auf diesem Übergangsstück ruht über Stellfüße 51 eine unter den Brennstäben 13 angeordnete Bodenplatte 52 mit Durchtrittsöffnungen 53 für das Kühlmittel. In diese Bo¬ denplatte ist das untere Ende des Kühlmittelkanals 12 einge¬ schraubt oder auf andere Weise tragend befestigt. Der Griff 7, die Deckplatte 20, der Kühlmittelkanal 12, an dem zwischen Anschlägen 54 in mehreren axialen Positionen Abstandhalter 55 angeordnet sind, und die Bodenplatte 52 bilden somit ein tra¬ gendes Skelett.
In Figur 11 und 12 ist dargestellt, daß der Rahmen über eine Schraube 60, die nach dem Einschrauben in den unteren Teil des Griffes 7 über Sicherungsstifte 61 gegen Verlieren gesi¬ chert ist, am Griff gehalten ist. Dieses Rahmenteil trägt auch eine Kammer 62, in die ein Riegel oder Bolzen 63 mit ei¬ ner Druckfeder 64 eingesetzt und nach dem Einsetzen durch ei¬ nen weiteren Sicherungsstift 65 gegen Verlieren gesichert ist.
Der Bolzen greift statt der Klinke 6 in Figur 1, 2 und 4 durch das Fenster 5 des Brennelement-Kastens. Der Rahmen 8 wirkt dabei gleichzeitig als Anschlag für die Feder 64 und den Bolzen, der selbsttätig aus dem Fenster 5 herausgedrückt wird, sobald die Schraube 60 gelöst und der Rahmen abgenommen ist.
Figur 13 zeigt eine andere Befestigung des Rahmens 8 am unte¬ ren Teil des Griffes, bei dem ebenfalls lose Kleinteile gegen ein Verlieren gesichert sind. In einer Gewinde-Bohrung 70 im Rahmen sitzt ein Gewinde 71 am unteren Ende eines Stiftes 72, dessen Kopf bajonettverschluß-artig in eine Hülse 73 ein¬ greift. Eine zwischen einem Druckring 74 und der Hülse 73 vorgespannte Tellerfeder 76 sichert den Bajonettverschluß gegen ein unbeabsichtigtes Öffnen. Der Bolzen 63 sitzt in ei¬ ner Kammer 62, in der er durch einen Verschlußring 77 gehal¬ ten und gegen die Druckfeder 64 in das Fenster 5 gedrückt wird.
Diese Ausführungsbeispiele zeigen, daß Griff und Deckplatte auf rationelle Weise in einzelnen Gußteilen gefertigt werden können, ohne daß dabei voluminöse Verbindungselemente, die sich unbeabsichtigt lösen könnten oder die Funktion des Brennelementkopfes beeinträchtigen, benötigt werden. Die ein- zelnen Konstruktionsmerkmale der Deckplatte, des Griffes und der Verbindungsteile können dabei im Rahmen der Erfindung weitgehend variiert werden.
Im Zusammenhang mit Figur 2 wurde bereits darauf hingewiesen, daß die einzelnen Teile des Skelettes drehorientiert zuein¬ ander angeordnet und in dieser Orientierung gesichert sind. Die Ränder dieser Teile fluchten miteinander, sodaß ein Ein- satz entsteht, der in den Brennelement-Kasten und das Über¬ gangsstück 49 eingesetzt werden kann. Die Brennstäbe brau¬ chen, soweit sie sich praktisch über die ganze Länge zwischen Bodenplatte 52 und Deckplatte 20 erstrecken, nicht mit dem Skelett fest verbunden zu sein, sondern können in Längsrich¬ tung mit einem gewissen Spiel in den Maschen des Abstand¬ halters 55 verschiebbar sein. Lediglich für die erwähnten teillangen Brennstäbe ist eine Verankerung an der Bodenplatte 52 erforderlich, wozu z. B. ein in die Bodenplatte 52 ein- geschraubter Adapter 56 dienen kann, in den ein (nicht darge¬ stellter) Bajonettverschluß am unteren Ende des teillangen Brennstabs 57 eingreifen kann.
Um bei einem Brechen des Wasserkanals 12 oder dessen Verbin- düng mit der Bodenplatte oder Deckplatte das Brennelement am Griff 7 anheben und aus dem Reaktorkern entfernen zu können, ist der Brennelement-Kasten 1 über die Schrauben 3 mit dem Übergangsstück 49 verbunden. Über die erwähnten, in Fenster 5 des Brennelement-Kastens eingreifende Klinken 6, den Brennelement-Kasten und die Schraube 3 entsteht dadurch eine redundante Tragstruktur, die aber bei intaktem Skelett nicht belastet ist.
Die Skelett-Struktur des erfindungsgemäßen Brennelementes er- möglicht somit eine einfache Montage und Demontage, ohne daß seine Stabilität auch bei mechanischen Beschädigungen gefähr¬ det ist. Das bisher aufwendig gefertigte Kopfteil des Brenn¬ elementes ist durch die rationelle Herstellung eines ein- εtückigen, vom Griff und Rahmen des Kopfteils unabhängigen Bauteils wesentlich vereinfacht.

Claims

Patentansprüche
1. Brennelement mit a) einem Bündel von Brennstäben (13) und einem das Bündel seitlich umgebenden Kasten (1) , b) einem Wasserkanal (12) im Inneren des Bündels, c) einem am unteren Ende des Wasserkanals befestigten Fußteil (2) am unteren Ende der Brennstäbe, d) einem Kopfteil überhalb der Brennstäbe, mit einem Griff (7) , der über ein Anlageteil (11) tragend mit dem Wasser¬ kanal (12) verbunden ist, und e) einer Deckplatte (20) mit Durchtrittsöffnungen für das Kühlmittel d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Deck- platte (20) als einstückigeε, vom Griff unabhängiges Bauteil am Anlageteil (11) gehalten ist.
2. Brennelement nach Anεpruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Waε- εerkanal an seinem oberen Ende in ein Zwischenstück (11) übergeht, das in eine Traghülse (10) am Griff (7) eingreift und über eine Endmutter (21) oder einen anderen, mit dem Ende des Zwischenεtückε (11) löεbar verbundenen Anschlag in der Traghülse (10) gehalten iεt, daß Traghülse (10), Zwischen- εtück (11) oder ein am Zwischenstück oder an der Traghülse befeεtigteε Teil (19) das Anlageteil für die Halterung der Deckplatte (20) bilden, und daß der Brennelement-Kasten lös¬ bar an einem am Griff befestigten Rahmen (8) gehalten ist.
3. Brennelement von 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Anla¬ geteil in eine Öffnung der Deckplatte (20) eingreift.
4. Brennelement nach einem der Anεprüche 1 biε 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß daε Anla¬ geteil seitliche Vorsprünge (39, 40, 43, 44) aufweiεt, an de¬ nen die Deckplatte (20) gehalten iεt.
5. Brennelement nach Anspruch 4 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Vor¬ sprünge durch Verformung deε Anlageteils gebildet εind.
6. Brennelement nach einem der Anεpüche 1 biε 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Deck¬ platte über eine oder mehrer Schweißnähte (45) mit dem Anla¬ geteil verbunden ist.
7. Brennelement nach einem der Anεprüche 1 biε 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Brennelement-Kasten (1) lösbar am Griff (7) oder einem am Griff befestigten Rahmen (8) gehalten ist.
8. Brennelement mit a) einem das Brennelement seitlich umgebenden, oben und unten offenen Kasten (!■) , b) einem trichterförmigen Übergangsεtück (14) , daε mit einem oberen Rand innen in das untere offene Ende des Kastens an- nähernd formschlüεεig eingreift und dort am Kaεten befe- εtigt iεt und daε εich nach unten zu einer Einlaßöffnung (4) verjüngt, c) einem in den Kasten von oben einεetzbaren Einsatz, enthal¬ tend: i) eine auf den oberen Rand des Übergangsstückε aufεetzbare Bodenplatte (52) mit Druchtrittεöffnungen für Waεser, ii) einen im Inneren des Brennelementes angeordneten Was- εerkanal (12), deεεen untereε Ende mit der Bodenplatte (52) tragend verbunden iεt, iii) einen am oberen Ende des Wasserkanals tragend befe- εtigten, vom Waεεerkanal löεbaren Griff (7), iv) eine mit dem Griff und dem oberen Ende deε Waεεerkanalε verbundene, vom Griff unabhängig gefertigte Deckplatte (20) mit Auεlaßöffnungen für Waεεer und Waεεerdampf und v) einem zwischen der Bodenplatte (52) und der Deckplatte (20) gehaltenen, den Wasserkanal (12) allseitig umgeben¬ den Bündel von Brennstäben (13), und d) einer lösbaren Halterung (10, 11, 18, 21), die den oberen Rand des Kastenε mit dem Griff verbindet.
9) Brennelement nach Anεpruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der untere Rand deε Kaεtens lösbar am Übergangsεtück befestigt und der obere Rand des Kastenε löεbar am Griff gehalten ist.
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