DE2055339A1 - Kernbrennstoffanordnungskopf fuhrung - Google Patents

Description

Patentanwälte

ür.-Ing. Wilhelm Reiche!
Dipl-Ing. Wolfgang lleichel

6 Frankfurt a. M. 1

Parksiraße 13 6457

GENERAL ELECTRIC COMPAMZ, Sclunectady, N.Y., VStA

Kernbrennstoffanordnungskopfführung

Die Erfindung betrifft eine Kernbrannstoffanordnungskopfführung für einen Atomreaktor.

Bei dem Atomreaktor, der in dom Atomkraftwerk "Dresden" in der Nähe von Chikago verwendet wird, ist der Reaktorkern heterogen. D.h. der Reaktorkern enthält mehrere Brennstoffanord-. nungen, die vertikal in einer Reihe angeordnet sind, so daß sich die Kernspaltreaktion von selbst aufrechterhält. Der Reaktorkern ist in einem Druckkessel enthalten, in dem er in eine Arbeitsflüssigkeit taucht, wie leichtes V/asser, das nicht nur als Kühlmittel, sondern auch als Neutrononaoderator dient.

Jede Brennstoffanordnung urufaßt einen rohrförmigen Strömungskanal, der ein,· Anordnung aus langgestreckten Brennstoff elementen oder -stäben enthält, die oben und untun zwischen Vor-Bindungsplatten gohaltort sind. Die Brennstoffanordnungen sind in dem Druckkessel zwischu/i einem oberen Reaktorkorng.ittor bzw. einer Bronns torfanorcuiung^kopfführung und einer untüren Reaktorkern-Stützplatte angeordnet.

Die untere Reaktorkern-," eil Lzplatte stützt die· üronnü to ff anordnungen seitlich und bilciot wine Kühlmitteldruckbegrenzung

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zwischen der unteren Füllung und dem Reaktorkernboreich. Das obere Reaktorkerngitter bzw. die obere Führung oder Kopfführung dient einmal zur Aufrechterhaltung eines geeigneten Abstandes zwisehen Brennstoffanordnungen und zum anderen dazu, eine Seitwärtsbewegung der Brennstoffanordnungen, beispielsweise während seismischer Störungen (Erschütterungen), zu verhindern.

Da die Brennstoffanordnungen einen verhältnismäßig geringen Abstand voneinander aufweisen, haben die Stege, die die Kopfbzw, obere Führung bilden, nur eine begrenzte Dicke. So sind . die Stege etwa 9,53 mm (3/8 Zoll) dick, etwa 330 mm (13 Zoll) hoch und etwa 5,08 m (200 Zoll) lang. Die Kopfführungsanordnung ist aus zwei parallelen Reihen dieser Stege gebildet, die sich im rechten Winkel kreuzen und mit Schlitzen an ihren Kreuzungen wie die Stege in einem Eierkasten ineinandergreifen.

Da zur Verbindung der Stege Schlitze erforderlich sind, hat die Kopfführungsanordnung nicht die gewünschte Steifigkeit oder Festigkeit. Versuche, die Stege an den Kreuzungen zur Verbesserung der Steifigkeit oder Festigkeit der Anordnung zusammenzuschweißen, waren wegen der sich ergebenden Verwerfung oder Verbiegung der Anordnung bzw. Stege erfolglos. ) . '

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoff anordnungskopfführung mit größerer Steifigkeit oder Festigkeit als bislang zu schaffen und gleichzeitig den quadratischen Querschnitt der Brennstoffanordnungs-Durchtrittsöffnungen beizubehalten, ohne die Anordnung in irgendeiner Weiise zu verbiegen oder zu verformen.

Die erfindungsgemäßü Lösung dieser Aufgabe und V/eiterbildungen dieser Lösung sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Danach aiiui an den Kreuzungen der Stege Befestigungsschrauben vorgesehen, wobei das Außengewinde dieser Schrauben und das angepaßte Innengewinde der Stege an den Kreuzungsstellen dor-

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art spitzwinkling ausgebildet sind, daß die Stege in Längsrichtung unter Zugspannung stehen, d.h., daß die Stege beim Anziehen der Schrauben in Richtung auf diese gezogen bzw. gegen diese gedrückt werden, so daß die Kopfführungsanordnung in der Art einer Schlitz- bzw. Spaltmutter zusammengezogen oder zusammengehalten wird.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im folgenden an Hand von Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiel ausführlicher beschrieben.

Fig. 1 stellt eine Atomreal-itorkernanorcnung dar.

Fig. 2 ist eine Draufsieht auf ein Segment der Brennstoffanordnungskopf führung .

Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Einzelheiten, wie die Kopfführung in ihren Halterungsbord eingreift.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Einzelheiten einer Kreuzung der Stege der Kopfführung in auseinandergezogener Anordnung.

Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Kreuzungsbefestlgungsschraube dar.

Fig. 6 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Kreuzungsbefestigungsschraube dar und

Fig. 7 ist eine Teilquerschnittsansicht des spitzwinkligen Gewindes.

Der Atomreaktor-Brennstoffkern nach Fig. 1 enthält mehrere austauschbare Brennstoffanordnungen 10, die durch mehrere Regelstabführungsrohre 9, die durch eine Platte 12 hindurchragen, in einem Druckkessel 11 auseinanderliegend gehalten sind« Jede Brennstoffanordnung ist mit einem sich verjüngenden Hasensuück 13 versc-hen, das in einen Halterungssockcl in

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einem Brennstoffhalterungsgehäuse eingreift, das oben bzv/. am Kopf des Regelstabführungsrohres angeordnet ist. (Das Führungsrohr und das Ende des Nasenstückes sind mit Öffnungen zur Aufnahme eines Kühlmittels aus einer unter Druck, stehenden Kühlmittelzuführkammer 14 versehen).

An den oberen Enden sind die Brennstoffanordnungen 10 in gerader Linie ausgerichtet und seitlich von einer Kopfführung 16 gehalten. Die Kopfführung 16 ist aus mehreren kreuzweise verbundenen Stegen 17(1) und 17(2) gebildet, die mit ineinander-, passenden Verriegelungsschlitzen an ihren Kreuzungen versehen sind. Die Enden dieser Stege greifen in einen U-förmigen Haiterungsbord 18, den ein Absatz 19 trägt. Der Absatz 19 ist an einer ringförmigen Ummantelung, die den Kern umgibt, oder auf andere Weise in dem Druckkessel 11 befestigt.

Ein Segment der Kopfführung 16 ist in Fig. 2 in Draufsicht dargestellt. Die sich kreuzenden und ineinandergreifenden Stege .... 17(1) und 17(2) bilden mehrere Brennstoffanordnungsdurchführungen mit quadratischem Querschnitt. Wie bei 20 dargestellt ist, nimmt jede Durchführung 4 Brennstoffanordnungen 10 und einen Regelstab 18 mit kreuzförmigem Querschnitt auf.

Einzelheiten des Eingriffs der Enden der Stege 17(1) und 17(2) in den Halterungsbord 18 sind in Fig. 3 dargestellt.. Der Hai- ' terungsbord 18 weist einen Stützwinkel 21 und einen Sicherungsring 22 auf, der am Stützwinkel 21 mit mehreren Kopfschrauben 23 befestigt ist. An jedem Ende jedes Steges 17(1) und 17(2} ist ein Stegendstab 24 angeschweißt. Die Endstäbe 24 sind dikker als die verhältnismäßig dünnen Stege 17(1) und 17(2), um einen ausreichenden Materialquerschnitt zur Befestigung am Halterungsbord 18 durch einen unteren Sicherungsstift 26 und einen oberen Sicherungsstift 27 zu schaffen. Die Stifte 26 und 27 sind durch Heftschweißungen befestigt.

Einzelheiten einer typischen Kreuzung 15 von Stegen 17(1) und 17(2) sind in Fig. 4 perspektivisch in auseinandergezogener

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Anordnung dargestellt. An jeder dieser Kreuzungen sind die Stege 17(1) mit sich nach unten öffnenden Schlitzen 28(1) versehen. Die Stege 17(2) sind mit ähnlichen sich nach oben öffnenden Schlitzen 28(2) versehen. Die Schlitze 28(1) und 28(2) erstrecken sich über die Höhe h der Stoge, so daß sie in dem in Fig. 2 dargestellten zusammengesetzten Zustand wie die Stege in einem Eierkasten ineinandergreifen.

Die Stege 17(1) und -17(2) sind verhältnismäßig dünn. Ihre Dicke t liegt in der Größenordnung von 9,53 mm (3/B Zoll). Die Höhe h beträgt etwa 330 mm (13 Zoll), und der längste Steg kann über 5,08 m (200 Zoll) lang sein. Wegen dieser Abmessungen und wegen der Schlitze 28(1) und 28(2), hat die zusammengesetzte Kopfführung nicht die gewünschte Steifigkeit oder Festigkeit, wenn keine Bofestigungs- oder Verstärkungsmittel für die Kreuzungen 15 vorgesehen sind. Versuche· die Kreuzungen durch Schv/eißen zu befestigen, waren erfolglos, v/eil sich die Kopfführungsanordnung dabei wirft und verdreht bzw. verbiegt. Man hat erwogen, die Oberflächen der Durchführungen für die Brennstoffanordnungen nach dem Schv/eißen maschinell zu bearbeiten, dies jedoch als übermäßig kostspielig und zeitaufwendig verworfen. Die verschiedensten, bekannten Klemm- oder Einspannanordnungen haben sich "als zu kostspielig, unwirksam oder unbrauchbar erwiesen, weil ihr Raumbedarf zu hoch ist.

Versuche die Kreuzungen durch Schrauben mit normalem Gewinde zu versteifen waren ebenfalls erfolglos, weil sich herausgestellt hat, daß sich die Enden der Schlitze 28 und 29 wie Schlitzmuttern verhalten. Eine Schraube mit normalem V-förmigen Gewinde übt eirio nach außen gerichtete Kraft auf das in dieses eingreifende Gewinde an den Schlitzenden aus, so daß die Schlitze gespreizt und nicht zusammengezogen wurden.

Dieses Problem wird nach dor Erfindung durch Verwendung von Befestigungsschrauben 31 mit spitzwinkligen GuwLndügängun gelöst, die beim Festziehen eine Kraft in Richtung auf die Schraube ausüben. Wie aus Fig. 4a zu ersehen ist, wird sowohl

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oben als auch unten an den Kreuzungen 15 eine Befestigungsschraube 31 verwendet. Zu diesem Zweck ist das Endteil 32(1) > des Schlitzes 28(1) mit einer Gewindebohrung und der Steg 17(1) auf der dem Schlitz 20(1) gegenüberliegenden Seite mit einem kurzen Gewindeschlitz 33(1) versehen. Der Durchmesser der Schrauben 31 ist größer (z.B. 5/8 Zoll gleich 15,88 mm) alc .die Dicke t der. Stege, Daher ergibt sich am Ende des Gewinde-.. · teils 32(1) ein Absatz 34(1). Die Stege 17(2) sind in ähnlicher V/eise mit Gewindebohrungen versehen.

Wie Fig. 5 zeigt, sind die Schrauben 31 mit einem Absatz· 3-6 versehen, der sich beim Anziehen der Schraube (z.B. in dem Gewindeschlitz 33(1) und dem Gewindeteil 32(2) des Schlitzes 28(2)) an den Kanten- bzw. Randoberflächen der Stege 17(1) und 17(2) anlegt. Eine andere Ausführungsform einer Befestigungsschraube ist in Fig. 6 als kopflose Schraube 31 * 'dargestellt., die dann verwendet werden kann., wenn Vorsprünge auf oder über den Oberflächen der Stege 17(1) und 17(2) unerwünscht sind. In diesem Falle drückt das Ende 37 der Schraube 31' beim Anziehen der Schraube gegen (beispielsweise) den Absatz 34(2) und gegen den Boden des Gewindeschlitzes 33(1).

Die Querschnittsansicht nach Fig. 7 zeigt Einzelheiten des spitzwinkligen Gewindes. Das Gewinde hat eine sägezahnartlge Querschnittsform, wobei die Gewindedruckflankenflache 38 mit der Längsachse 39 der Schraube einen spitzen Winkel A bildet. Wenn die Schraube daher mit einer Kraft f, angezogen wird, tritt eine resultierende Querkraft f^ auf, die den Steg in , Richtung auf die Schraube zieht oder drückt. Die Größe der Querkraft f.. ist eine Funktion des Winkels A. Bei vorgegebener Anzugskraft f. läßt sich die Querkraft f, für jeden Winkel A

berechnen. Bei einem Winkel A von 90 ist die Kraft f„, = 0, und mit abnehmendem Winkel A in Richtung auf 0 nimmt die Kraft f. zu. Eine Verringerung des Winkels A führt judoch auch zu einer Schwächung der Festigkeit der Gewindegänge., . und ein Gewinde mit einem Winkel, der kleiner als 45° ist, läßt sich schv/ieriger herstellen. Man muß daher einen Kompromiß

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zwischen den verschiedenen Parametern, wie Festigkeit der Gewindegänge, dem Winkel A und der Teilung des Gewindes, schließen.

(Die in Fig. 7 dargestellte Gewinde!orm ähnelt etwas dem "V/iderhakengewinde" nach der US-Patentschrift 197 466. Dieses Gewinde ist jedoch so ausgebildet, daß es beim Anziehen so gestaucht wird, daß es in seiner ringförmigen Mutter oder seinem Gewindering verklemmt wird.)

Eine Schraube, die sich für die nach der Erfindung ausgebildete Brennstoffanordnungskopfführung als geeignet erwiesen hat, hat einen Durchmesser von 15,88 mm (5/8 Zoll), eine mit Gewinde versehene Länge von 38,1" mm (1,5 Zoll), eine Gewindeteilung von 12 Gewindegängen pro 25,4 mm (pro Zoll) und einen Winkel A von 75,5°. Bei diesem Gewindewinkel beträgt die Querkraft f* etwa 25% der Anzugskraft f..

Die Kopfführungsanordnung wird vorzugsweise wie folgt zusammengesetzt: Die Stege 17(1) und 17(2) werden, nachdem sie geschlitzt und mit Endstäben 24 versehen sind, auf dem Stützwinkel 21 in Einbaulage angeordnet. Dann wird der Sicherungsring 22 am Stützwinkel 21 befestigt. Die Stege 17(1) und 17(2) werden durch optische oder andere Mittel ausgerichtet und in der Einbaulage in bezug auf den Halterungsbord 18 festgeklemmt. Dann v/erden Löcher für die Sicherungsstifte 26 und gebohrt und die Stifte eingesetzt und durch Heftschweißung befestigt. Die Stegkreuzungen werden mit Gewindebohrungen für die Schrauben 31 versehen. Die Schrauben 31 werden eingeschraubt, festgezogen und durch Heftschweißung (die Schweißnähte AO sind in Fig. 2 dargestellt) befestigt. Die auf diese Weise zusammengebaute Kopfführung kann dann auf dem Absatz in dem Druckkessel eingesetzt werden.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   (1.j Brennstoffanordnungskopfführung für einen Atomreaktor, gekennzeichnet durch mehrere verhältnismäßig dünne, mit Schlitzen (28) versehene St.ege (17), die mit den Schlitzen derart kreuzweise ineinandergreifen, daß eine maschengitterartige Anordnung entsteht, die mehrere Durchtritt söffnungen (20) für die Brennstoffanordnungen (10) aufweist, und jeweils eine an den geschlitzten Kreuzungen (15) der Stege (17) in die Stege (17) eingreifende Schraube (31)» die mit Gewindegän^en versehen ist, die einen spitzen Winkel (A) zwischen der Gewindedruckflankenfläche (38) und der Schraubenachse (39) aufv/eisen, wobei die Stege (17) mit einem dem Außengewinde der Schrauben angepaßten Innengewinde versehen sind, so daß beim Anziehen der Schrauben (31) die Stege gegen die Schrauben gedrückt v/erden.
2. 2. Kopfführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeweils eine Schraube (31) oben und unten an den Kreuzungen (15) in die Stege (17) eingreift.
3. 3. Kopfführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der spitze Winkel zwischen 45,0° und 89,99° liegt.
4. 4. Kopfführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne.t , daß der Durchmesser der Schrauben (31) größer als die Dicke (t) der Stege (17) ist.
5. 5. Kopfführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stege (17) mit ihren Enden an einem ringförmigen Stützbauteil (18) befestigt sind.
6. 6. Kopfführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Ende aller Stege (17) mit einem Endstab (24), der dicker als die Stege ist, zur Befestigung an dem Stützbauteil (18) versehen ist.

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7. 7. Verbindung zweier verhältnismäßig dünner, einander kreuzender Stege, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (17) an der Kreuzung (15) mit Schlitzen (28) versehen sind und ineinandergreifen und in die Stege (17) an der Kreuzung (15) eine Schraube (31) eingreift, deren Gewindegänge zwischen der Gewindeandruckflankenflache (38) und der Schraubenachse (39) einen spitzen Winkel (A) aufweisen, und daß die Stege (17) mit einem dem Außengewinde der Schraube angepaßten Innengewinde versehen sind, so daß die Stege (17) beim Anziehen der Schraube (31) gegen die Schraube gedrückt werden.
8. 8. Verbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß an der der ersten Schraube gegenüberliegenden Seite der Stege eine zweite Schraube eingreift.
9. 9. Verbindung mehrerer Bauteile, die in Richtung auf eine gemeinsame Kreuzungslinie ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (32;33) jedes Bauteils (17) an dieser Kreuzungslinie mit einem Gewinde versehen ist und eine längs der Kreuzungslinie ausgerichtete Schraube (31) in die Gewindeteile (32,33) der Bauteile (17) eingreift und mit Gewindegängen versehen ist, die einen spitzen Winkel (A) zwischen der Gewindedruckflankenflache (38) und der Schraubenachse (19) aufweisen, und daß jene Teile (32,33) der.;· Bauteile mit einem dem Schraubengewinde angepaßten Innengewinde versehen sind, so daß die Bauteile beim Anziehen der Schraube in Flichtung auf die Schraube gedrückt werden,
10. 10. Verbindung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η ζ e i c h η ti fc , daß auf der der ersten Schraube gegenüberliegenden Seite der Bauteile eine zwei.te Schi'aube in die Bauteile eingreift.

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