DE10135677A1 - Brennelement für einen Siedewasserreaktor - Google Patents

Abstract

Zur Verdrehsicherung eines Tragelements (4) gegenüber einer unteren Tragplatte (20) eines Brennelements für einen Siedewasserreaktor ist zwischen dem Tragelement (4) und der Tragplatte (20) ein gegen ein Gegeneinanderverdrehen der Tragplatte (20) und dem Tragelement (4) wirksamer Formschluss vorgesehen. Der Formschluss ist dabei in bevorzugten Alternativen gebildet durch ein Verquetschen einer Buchse (6) der Tragplatte (20) mit einem Endstopfen (2) des Tragelements (4), durch die Ausbildung einer Schwalbenschwanzverbindung oder durch die Anordnung von Sicherungsbolzen (30). Das Tragelement (4) umfasst insbesondere einen Wasserführungskanal (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor mit einem Tragelement und einer unteren Tragplatte, auf der das Tragelement montiert ist.

Ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor ist üblicherweise gebildet aus einem Brennelementkasten und einem darin angeordneten Brennstabbündel. Das Brennstabbündel umfasst eine Anzahl von Brennstäben, die durch Abstandhalter voneinander beabstandet gehalten werden. Die Abstandhalter sind über die Länge des Brennstabbündels verteilt angeordnet. Das Brennstabbündel umfasst weiterhin eine untere Tragplatte, auf der sich die einzelnen Brennstäbe abstützen, sowie eine obere Tragplatte, an der üblicherweise ein Handhabungsgriff angeord­ net ist. Dieser dient dazu, das Brennstabbündel bei Bedarf aus dem Brennele­ mentkasten herauszuziehen. Üblicherweise ist zwischen der oberen und der unte­ ren Tragplatte ein Tragelement angeordnet, das zur Übertragung der mechani­ schen Kräfte auf die untere Tragplatte dient. Das Tragelement ist beispielsweise als zentraler Wasserkanal ausgebildet, durch den beim Betrieb des Siedewasser­ reaktors Kühlwasser durch das Innere des Brennstabbündels strömt. Der Was­ serkanal ist bei einem Brennstabbündel mit quadratischem Querschnitt üblicher­ weise quadratisch, rechteckig oder auch zylindrisch bzw. aus Teilzylindern zusam­ mengesetzt.

Um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten, muss sichergestellt sein, dass das als Wasserkanal ausgebildete Tragelement verdrehsicher auf der unte­ ren Tragplatte angeordnet ist. Da das Tragelement in die untere Tragplatte bei­ spielsweise lediglich eingeschraubt wird, sind hierzu zusätzliche Maßnahmen er­ forderlich. Bei herkömmlichen Brennstabbündeln wird die Verdrehsicherung bei­ spielsweise dadurch erreicht, dass die einzelnen Brennstäbe in ihnen zugeordnete Öffnungen der unteren Tragplatte eingreifen und somit ein Verdrehen verhindern.

Weiterhin wird bei einem Brennstabbündel angestrebt, die einzelnen Teile lösbar miteinander zu verbinden, um defekte Einzelteile austauschen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und robust ausgestaltete verdrehsichere Anordnung des Tragelements auf der unteren Tragplatte anzuge­ ben.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor mit einem Tragelement und einer unteren Tragplatte, auf der das Tragelement montiert ist, wobei ein zwischen dem Tragelement und der Tragplatte wirksamer Formschluss als Verdrehsicherung gegen ein Gegeneinan­ derverdrehen der Tragplatte und dem Tragelement vorgesehen ist.

Der Formschluss wirkt dabei in einer Ebene senkrecht zu der Längsausdehnung des Tragelements, welche zugleich die Längsausdehnung des Brennelements ist. Durch den mechanischen Formschluss zwischen dem Tragelement und der unte­ ren Tragplatte ist eine zuverlässige mechanische Verdrehsicherung erzielt. Auf­ grund der Formschlüssigkeit von zueinander korrespondierenden mechanischen Bauteilen ist diese Verdrehsicherung sehr robust. Die Brennstäbe selbst brauchen an der Verdrehsicherung nicht beteiligt zu sein. Damit ist eine Dreh- oder Scher­ belastung auf die Brennstäbe vermieden. Der Formschluss ist weiterhin vorzugs­ weise derart ausgebildet, dass er jederzeit wieder leicht lösbar ist und lediglich in Drehrichtung, aber beispielsweise nicht in einer axialen Verschieberichtung ent­ lang der Längsausdehnung wirksam ist. Damit ist eine einfache Demontierbarkeit gewährleistet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind das Tragelement und die Tragplatte zumindest bereichsweise miteinander verquetscht oder gegeneinander verpresst. Dies lässt sich herstellungstechnisch sehr einfach verwirklichen, indem bei der Montage des Tragelements auf der Tragplatte diese mit einem entsprechenden Quetschwerkzeug gegeneinander verpresst werden, so dass ein Teil der Trag­ platte in die Außenwandung des Tragelements eingreift und so die Verdrehsiche­ rung ausgebildet ist.

Zweckdienlicherweise ist weiterhin das Tragelement in die Tragplatte einge­ schraubt, so dass eine sichere axiale Kraftübertragung zwischen dem Tragele­ ment und der Tragplatte gewährleistet ist.

Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung sind das Tragelement und die Tragplatte nach dem Nut-Feder-Prinzip formschlüssig miteinander verbunden. Die Tragplatte und das Tragelement sind also insbesondere über eine Art Hinter­ griff miteinander verdrehsicher verbunden. Als Nut-Feder-Prinzip wird ganz allge­ mein ein wechselseitiger Hintergriff durch eine entsprechende Formgebung der beiden Bauelemente verstanden. Das Tragelement und die Tragplatte sind bei­ spielsweise nach Art einer Schwalbenschwanzverbindung oder auch nach Art ei­ nes verdrehsicher ausgebildeten Bajonettverschlusses aneinander insbesondere lösbar befestigt.

Um eine möglichst einfache Montage zu ermöglichen ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass das Tragelement endseitig einen Endstopfen aufweist, mit dem es in eine Buchse der Tragplatte eingesteckt ist, und dass der Formschluss zwi­ schen der Buchse und dem Endstopfen ausgebildet ist. Die Verdrehsicherung zwischen der Tragplatte und dem Tragelement erfolgt also mittelbar über die Buchse der Tragplatte. Die Anordnung der Buchse hat den Vorteil, dass diese für die Ausbildung des Formschlusses in einfacher Weise speziell vorbereitet werden kann. Die in der Regel sehr massiv gehaltene Tragplatte kann daher einfach aus­ gestaltet sein.

Zweckdienlicherweise weist der Endstopfen an seinem Umfang zumindest eine Einkerbung auf, in die die Buchse nach einem Umformvorgang bereichsweise eingepresst ist. Damit lässt sich in einfacher Weise der Formschluss durch eine Arretierung durch Verquetschen erzielen.

Um eine einfache Zugänglichkeit zum Einquetschen der Buchse in den Endstop­ fen zu ermöglichen, steht die Buchse vorzugsweise mit einem Kragen über die Tragplatte über, wobei der Kragen in die Einkerbung des Endstopfens zumindest bereichsweise eingepresst ist. Für eine wirksame Verdrehsicherung ist die Einker­ bung insbesondere als sich in Längsrichtung des Tragelements erstreckende Nut ausgebildet.

Um eine einfache Verformung zu ermöglichen, ist zweckdienlicherweise vorgese­ hen, dass die Buchse in einem für die Verformung in die Einkerbung vorgesehe­ nen Verformbereich dünnwandig ausgebildet ist. Dieser Verformbereich der Buchse ist beispielsweise gebildet durch eine nutartige Aussparung in der Buch­ senwand, so dass in diesem Bereich eine geringere Wandstärke als im restlichen Umfangsbereich der Buchse vorliegt.

Im Hinblick auf die Ausgestaltung des Formschlusses nach dem Nut-Feder-Prin­ zip wird die Verdrehsicherung vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass das Trag­ element bei der Montage durch seitliches Verschieben quer zu seiner Axialrich­ tung einen Hintergriff mit der Buchse ausbildet. Bei der Montage wird also das Tragelement seitlich in die Buchse hineingeschoben. Insbesondere wird dabei eine Verbindung nach Art eines Schwalbenschwanzes ausgebildet. Eine derartige Verbindung wirkt gleichzeitig als Verdrehsicherung und als Axialsicherung. Sie ist also geeignet, auch die axialen Kräfte aufzunehmen, die bei einer Handhabung des Brennstabbündels auftreten. Eine zusätzliche Verschraubung des Tragele­ ments in der Tragplatte ist bei dieser Ausgestaltung nicht erforderlich.

Vorzugsweise ist hierbei ein Sicherungsstift vorgesehen, mit dem verhindert ist, dass das Tragelement nach erfolgter Montage in Querrichtung verrutscht. Durch den Sicherungsstift ist also die dauerhafte Verbindung gewährleistet. Der Siche­ rungsstift erstreckt sich dabei vorzugsweise in radialer Richtung durch die Buchse und greift in das Tragelement ein.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung wird der Formschluss zwischen dem Tragelement und der Tragplatte mittelbar durch zumindest einen Siche­ rungsbolzen gebildet, der zwischen dem Tragelement und der Buchse einschieb­ bar ist. Das Tragelement und die Buchse weisen also eine geeignete Aussparung zur Aufnahme des Sicherungsbolzens auf. Erst bei eingesetztem Sicherungsbol­ zen ist der Formschluss zwischen der Tragplatte und dem Tragelement als Ver­ drehsicherung gebildet.

Vorzugsweise ist dabei der Endstopfen im Wesentlichen kreiszylinderförmig mit einer abgeflachten Seite ausgebildet, und der Bolzen wirkt mit dieser abgeflachten Seite in der Montageendstellung zusammen. Alternativ hierzu weist der Siche­ rungsbolzen mehrere Flachseiten auf, die eine mehreckige, insbesondere quadra­ tische Querschnittsfläche umschließen, und der Sicherungsbolzen wirkt mit zu­ mindest einer der Flachseiten zusammen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen Darstellungen Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen in einer Buchse angeordneten End­ stopfen,

Fig. 2 einen Schnitt durch den in die Buchse eingesteckten Endstopfen entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3A eine Seitenansicht eines in einer unteren Tragplatte eingesteckten weiteren Endstopfens,

Fig. 3B eine Aufsicht auf die Buchse mit dem darin angeordneten Endstop­ fen nach Fig. 3A,

Fig. 3C eine vergrößerte Darstellung des mit einem Kreis gekennzeichneten Bereichs der Fig. 3B,

Fig. 4 und 5 alternative Ausbildungen einer Verdrehsicherung zwischen einem Endstopfen und einer Buchse, die nach Art einer Schwalben­ schwanzverbindung ausgebildet ist,

Fig. 6A eine Seitenansicht eines in einer Tragplatte angeordneten Endstop­ fens, wobei die Verdrehsicherung über einen Sicherungsbolzen ge­ bildet ist,

Fig. 6B eine schematische Querschnittansicht auf die Buchse mit dem darin angeordneten Endstopfen nach Fig. 6A,

Fig. 6C eine vergrößerte Darstellung des mit einem Kreis markierten Be­ reichs der Fig. 6B,

Fig. 7A eine Seitenansicht eines in eine untere Tragplatte gesteckten End­ stopfens mit quadratischer Querschnittsfläche, bei dem die Verdreh­ sicherung mittels zweier Sicherungsbolzen erzielt ist, und

Fig. 7B eine schematische Querschnittansicht im Bereich der Sicherungs­ bolzen gemäß Fig. 7A.

In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen verse­ hen.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist ein Endstopfen 2 eines nur ausschnittsweise dargestellten Tragelements 4 in eine Buchse 6 eingesteckt und insbesondere eingeschraubt. Das Tragelement 4 umfasst einen Wasserkanal 5 mit quadratischem Querschnitt, der sich an den Endstopfen 2 anschließt. Der Wasserkanal 5 ist in einem Brennelement für einen Siedewasserreaktor beispielsweise zentral angeordnet. Beim Betrieb wird der Wasserkanal in seinem Inneren von einem Kühlmittel durchströmt. Zum Einströmen in den Wasserkanal weist der Endstopfen 2 eine zentrale Wasserführung 8 auf, die sich zum Wasserkanal 5 hin konisch aufweitet. Der Endstopfen 2 weist eine kreisrunde Querschnittsfläche auf und hat an seinem Umfang verteilt insgesamt vier als Nu­ ten ausgebildete Einkerbungen 10, die sich in Axialrichtung 12 erstrecken. Die dargestellte symmetrische Anordnung ist nicht zwingend erforderlich und die An­ zahl der Einkerbungen 10 ist weitgehend frei wählbar.

Der Endstopfen 2 weist an seinem Außenumfang zum Wasserkanal 5 hin eine absatzartige Verbreiterung 14 auf, mit der er auf dem oberen Rand der Buchse 6 im Montageendzustand zum Aufliegen kommt. Es kann jedoch auch ein Spalt vorgesehen sein, um den Abstand zwischen einer oberen und einer unteren Tragplatte 20 (vgl. z. B. Fig. 3A) des Brennelements exakt einstellen zu können bzw. um das Tragelement 4 und die untere Tragplatte 20 zueinander drehorien­ tiert einzustellen. Unterhalb dieser Verbreiterung hat der Endstopfen 2 einen geringeren Durchmesser und es sind die vier Einkerbungen 10 angeordnet. Im oberen Bereich der Buchse 6 weist diese einen Kragen 16 mit einer gegenüber der restlichen Buchse 6 verringerten Wanddicke auf.

Zur Ausbildung der Verdrehsicherung wird dieser Kragen 16 in einem Umformbe­ reich 18, der den jeweiligen Einkerbungen 10 gegenüberliegt, durch Verformen in die jeweilige Einkerbung 10 eingepresst, wie dies der Fig. 2 zu entnehmen ist. Dadurch ist eine Verdrehsicherung erzielt.

In den Fig. 3A bis 3C, die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigen, ist nunmehr auch eine Tragplatte 20 dargestellt, mit der die Buchse 6 fest verbunden ist. Die Buchse 6 steht mit ihrem Kragen 16 über die untere Grundseite der Tragplatte 20 hinaus und hat eine im Wesentlichen quadratische Querschnittsfläche. In die Buchse 6 ist wiederum das Tragelement 4 mit seinem Endstopfen 2 einge­ schraubt. Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind nunmehr am unteren Ende des Endstopfens 2 Einkerbungen 10 in Form von axialen Nuten vorgesehen. Komplementär hierzu sind im unteren Endbereich der Buchse 6 ebenfalls Nuten 22 eingearbeitet, so dass in diesem dadurch gebildeten Verform­ bereich 18 eine geringere Wanddicke der Buchse 6 vorliegt. In diesem Verform­ bereich 18 wird das Wandmaterial der Buchse 6 in die entsprechende nutartige Einkerbung 10 des Endstopfens 2 zur Ausbildung der Verdrehsicherung einge­ presst. Nach Fig. 3B sind die beiden Nuten 22 gegenüberliegend angeordnet.

Bei den weiteren Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 4 und 5 ist die Verdreh­ sicherung gebildet durch eine schwalbenschwanzartige Verbindung zwischen der Buchse 6 und dem Endstopfen 2. Während gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 die klassische schwalbenschwanzartige Ausformung der beiden zu­ einander korrespondierenden Teile 2,6 mit einem am Endstopfen 2 ausgeformten Schwalbenschwanzfuß 24 zu erkennen ist, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ein stufenartiges Ineinandergreifen der Buchse 6 und des Endstop­ fens 2 vorgesehen, bei dem der Endstopfen 2 einen stufenartig ausgebildeten Fuß 26 hat. Beide Ausführungen beruhen im weitesten Sinne auf einem Nut-Fe­ der-Prinzip. Bei der Montage wird der Endstopfen 2 quer zur Axialrichtung 12 in die Buchse mit dem Schwalbenschwanzfuß 24 bzw. mit dem stufenartigen Fuß 26 eingeschoben. Aufgrund der quer zur Axialrichtung 12 sich erstreckenden Aus­ dehnung dieser Füße 24,26 ist ein Verdrehen nicht möglich. Um ein Herausschie­ ben nach erfolgter Montage zu verhindern, ist weiterhin ein Sicherungsstift 28 vor­ gesehen, der seitlich durch die Buchse 6 geführt ist und in eine entsprechende Ausnehmung im Endstopfen 2 eingreift. Dieser Sicherungsstift 28 ist beispiels­ weise eine Sicherungsschraube.

Bei dieser Ausgestaltung ist neben der Verdrehsicherung zugleich eine in Axial­ richtung wirksame Verbindung erreicht. Diese in Axialrichtung 12 wirkende me­ chanische Verbindung ist ausreichend mechanisch belastbar, so dass keine zu­ sätzliche Befestigung des Tragelements 4 an der Tragplatte 20 erfolgen muss.

Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6A bis 6C erfolgt der Formschluss zwischen der Tragplatte 20 und dem Endstopfen 2 des Tragele­ ments 4 mittelbar über einen Sicherungsbolzen 30. Dieser wird quer zur Axial­ richtung 12 zwischen die Buchse 6 und dem Endstopfen 2 eingeschoben. Wie insbesondere der Fig. 6B zu entnehmen ist, weist der Endstopfen 2 eine nahezu kreisrunde Querschnittsfläche mit einer abgeflachten Seite 32 auf. Der Siche­ rungsbolzen 30 wird entlang dieser abgeflachten Seite 32 eingeschoben. Der Si­ cherungsbolzen 30 weist an seiner einen Endseite ein Endstück 34 mit reduzier­ tem Durchmesser auf. Der Durchmesser des Endstücks 34 nimmt im montierten Endzustand nach außen hin zu, im Querschnitt gesehen erweitert sich also das Endstück 34 konisch. Aufgrund einer konischen Ausgestaltung der Buchse 6 wird nämlich das Endstück 34 beim Einsetzen des Sicherungsbolzens 30 mechanisch umgeformt. Dadurch ist der Sicherungsbolzen 30 gegen ein Herausrutschen zu beiden Seiten gesichert.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7A und 7B weist nunmehr der Endstopfen 2 eine quadratische Querschnittsfläche auf. Der Endstopfen 2 weist also insgesamt vier Flachseiten 36 auf. Quer zur Axialrichtung 12 sind an zwei gegenüberliegen­ den Flachseiten 36 jeweils ein Sicherungsbolzen 30 eingeschoben, die dem Si­ cherungsbolzen gemäß Fig. 6B entsprechen. Die Buchse 6 steht bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 7A mit ihrem Kragen 16 über die obere Flachseite der Tragplatte 20 hinaus.

Bezugszeichenliste

2

Endstopfen

4

Tragelement

5

Wasserkanal

6

Buchse

8

Wasserführung

10

Einkerbung

12

Axialrichtung

14

Verbreiterung

16

Kragen

18

Verformbereich

20

Tragplatte

22

Nuten

24

Schwalbenschwanzfuß

26

Fuß

28

Sicherungsstift

30

Sicherungsbolzen

32

abgeflachte Seite

34

Endstück

36

Flachseite

Claims (15)

1. Brennelement für einen Siedewasserreaktor mit einem Tragelement (4) und einer unteren Tragplatte (20), auf der das Tragelement montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem Tragelement (4) und der Tragplatte (20) wirksamer Formschluss als Verdrehsicherung gegen ein Gegeneinanderverdrehen der Tragplatte (20) und dem Tragelement (4) vorgesehen ist.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (4) und die Tragplatte (20) zumindest bereichsweise miteinander verquetscht sind.

3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (4) in die Tragplatte (20) eingeschraubt ist.

4. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (4) und die Tragplatte (20) nach dem Nut-Feder-Prinzip formschlüssig miteinander verbunden sind.

5. Brennelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (4) endseitig einen Endstopfen (2) aufweist, mit dem es in eine Buchse (6) der Tragplatte (20) eingesteckt ist, und dass der Formschluss zwischen der Buchse (6) und dem Endstopfen (2) ausgebildet ist.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Endstopfen (2) an seinem Umfang zumindest eine Einker­ bung (10) aufweist, und dass die Buchse (6) nach einem Umformvorgang bereichsweise in die Einkerbung (10) eingepresst ist.

7. Brennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (6) mit einem Kragen (16) über die Tragplatte (20) über­ steht, der zumindest bereichsweise in die Einkerbung (10) eingepresst ist.

8. Brennelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkerbung (10) als sich in Axialrichtung (12) erstreckende Nut ausgebildet ist.

9. Brennelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (6) in einem für die Verformung in die Einkerbung (10) vorgesehenen Verformbereich (18) dünnwandig ausgebildet ist.

10. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (4) bei der Montage durch seitliches Verschieben quer zu seiner Axialrichtung (12) einen Hintergriff mit der Buchse (6) aus­ bildet.

11. Brennelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hintergriff nach Art eines Schwalbenschwanzes ausgebildet ist.

12. Brennelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherungsstift (28) zur Verhinderung einer Querverschiebung zwischen dem Tragelement (4) und Buchse (6) nach erfolgter Montage vor­ gesehen ist.

13. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss zwischen dem Tragelement (4) und der Trag­ platte (20) mittelbar durch zumindest einen Sicherungsbolzen (30) gebildet ist, der zwischen dem Tragelement (4) und der Buchse (6) einschiebbar ist.

14. Brennelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Endstopfen (2) im Wesentlichen kreiszylinderförmig mit einer ab­ geflachten Seite (32) ausgebildet ist, mit der der Sicherungsbolzen (22) in der Montageendstellung zusammenwirkt.

15. Brennelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Endstopfen (2) mehrere eine mehreckige Querschnittsfläche um­ schließende Flachseiten (36) aufweist, und dass der zumindest eine Siche­ rungsbolzen (30) in der Montageendstellung mit einer der Flachseiten (36) zusammenwirkt.