DE2428980B2 - Brennelementbündel für Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennelementbündel der im Oberbegriff des Anspruches 1 erläuterten Art.

Solche Bündel sind durch die DT-OS 21 00 501 bekannt. Es ist wichtig, daß die einzelnen Brennelemente leicht entfernt bzw. ausgewechselt werden können. Dies wird bei den bekannten Konstruktionen dadurch ermöglicht daß entweder eine oder beide Endplatten leicht entfernt werden können oder daß sie öffnungen besitzen, durch die die Brennelemente herausgezogen werden können. Bei den bekannter Konstruktionen werden die oberen und unteren Endplatten durch ein Gehäuse oder durch einen Rahmen in senkrechter Richtung miteinander verbunden und versteift. Die bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß die Zugänglichkeit und Auswechselbarkeit der Brennelemente noch immer auf gewisse Schwierigkeiten trifft, daß die Strömung des Kühlmittels durch die Rahmen oder besonders durch Gehäuse behindert wird, und daß die Verbindunger zwischen den Endplatten und den sie verbindender Teilen unter dem Einfluß der stets wechselnder Temperaturen Belastungen ausgesetzt sind, die zui Lockerung führen können.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Konstruktion solcher Brennelementbündel zi verbessern, besser eine zusätzliche Beeinflussung dei Strömung des Kühlmittels zu vermeiden und dei Einfluß der wechselnden Temperaturen auf die Festig keit der Verbindung zwischen den einzelnen Teilen de: Brennelementbündels zu vermindern oder ganz zi verhindern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch dii Maßnahmen gelöst, die im kennzeichnenden Teil de Anspruches 1 definiert sind.

Da Führungsrohre für die Steuerstäbe meist au anderen Gründen vorhanden sind, wurden bei de Erfindung keine neuen Konstruktionselemente benötig Es tritt keine Behinderung der Kühlwasserströmung eii Rahmen oder Gehäuse werden vollständig vermiedet Wählt man die Werkstoffe für die feste Verbindun zwischen Führungsrohr und Endplatten entsprechen aus, so läßt sich die Wärmedehnung bei bestimmte

ι.

Größen ausgleichen

"In den Ansprüchen 6 und 7 definieren zwei bevorzugte Ausführungsformen für die Anbringung der oberen und/oder unteren Endplatten bei einem Brennelementbündel nach der Erfindung.

Es kann vorteilhaft sein, die Brenne'ementbündel so herzustellen, daß Zircaloy im aktiven Bereich des Kernes verwendet wird und rostfreier Stahl oder die Nickel-Chrom-Eisenlegierung »Inconel« für die verbleibenden Teile. Zircaloy ist eine Zirkoniumlegierung mit etwa 1,5% Zinn und kleineren Teilen der Elemente der Eisengruppe- Auf diese Weise ist es möglich, die Vorteile des Zircaloy, nämlich den niedrigen Neutronenabsorptionsquer jchnitt und den hohen Korrosionswiderstand gegen Wasser bei den Betriebstemperatu- ren von Druckwasserreaktoren auszunutzen; andererseits wird Zircaloy da vermieden, wo hohe Kosten, besonders durch die Bearbeitung dieses Merkstoffes und die Notwendigkeit ihn in inerter Atmosphäre zu schweißen, vermieden. Dies gilt auch für den hohen Verschleiß dieses Werkstoffes, wenn er der Reibung ausgesetzt wird.

Auf diese Weise können also die Führungsrohre, die Abstandsgitter für die Brennstoffsläbe und der Belag der Brennstoffstäbe aus Zircaloy hergestellt werden; die Bauteile außerhalb des aktiven Bereiches, wie etwa die obere und untere Endplatte und ihr Zubehör können dann aus rostfreiem Stahl oder Inconel hergestellt werden.

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Die Zeichnung stellt dar

Fig. 1 eine teilweise Seitenansicht eines Brennelementbündels nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des oberen Anschlußstückes des Brennelementbündels nach

Fig.3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des unteren Verbindungsstückes des Brennelementbündels nach Fig.l,

Fig.4 zeigt die Ansicht von oben auf ein Brennelementbünde!der Fig. I,

F i g. 5 zeigt die Ansicht eines Schnittes entlang der Linie 5-5 der F i g. 2,

Fig.6 zeigt die vergrößerte Seitenansicht des unteren Anschlußstückes des Brennelementbündels nach Fig. 1.

Die F i g. 1 und 4 zeigen ein Brennelementbündel 10 für einen Kernreaktor. Dieses Bündel besteht aus vier in senkrechter Richtung parallelen Führungsrohren 12, die gleich lang sind und aus einer Zirkoniumlegierung (Zircaloy) bestehen. Die Befestigung der Rohre 12 an den oberen und unteren Anschlußstücken 14 und 16 ist Gegenstand der Erfindung. Ein fünftes Führungsrohr 18, das aus der gleichen Zirkoniumlegierung besteht, ist zentral in dem Brennelementbündel angeordnet und ist nicht fest mit den oberen und unteren Anschlußstücken 14 und 16 verbunden, sondern wird nur von ihnen getragen. Die Führungsrohre 12 und die Anschlußstücke 14 und 16 bilden den konstruktiven Rahmen für das Brennelementbündel 10. Mehrere auch aus der Zirkoniumlegierung bestehende rechteckige Abstandgitter 20 sind in verschiedenen Höhen entlang dem Führungsrohr 12 und 18 angeordnet und in geeigneter Weise mit ihnen verschweißt. Eine Anzahl von länglichen mit einer dünnen Wand versehenen Brennstoffstäben 22 werden in aufrecht stehender paralleler Lage in einem Brennelementbündel 10 mit Hilfe von mehreren Abstandsgittern 20 gehalten. Die Abstandsgitter 20 besitzen wie üblich öffnungen, die die Brennstoffstäbe 22 aufnehmen. Die Gitter 20 besitzen federnde Teile 24, die sich in die Öffnungen hineinerstrecken, um die Brennstoffstäbe gegen seitliche Verschiebung und durch ihre Reibungswirkung auch gegen eine Verschiebung in Längsrichtung festzuhalten.

In Fig.2 ist die Befestigung des oberen Anschlußstückes 14 an die vier äußeren Führungsrohre 12 im einzelnen gezeigt. Das obere Anschlußstück 14 besitzt eine obere Endplatte 26 und vier aufrechtstehende Führungsbolzen 28, die in entsprechende öffnungen der Montageplatte für den Reaktorkern eingeführt werden können, wenn das Bündel in einem Reaktor montiert wird. Dabei wird das Bündel durch eine seitliche Stütze in senkrechter Richtung gehalten. Die obere Endplatte 26 besitzt in der bevorzugten Ausführtingsform Öffnungen 30 von verschiedener Größe und Gestalt um dem Kühlmittel im Reaktor einen möglichst freien Strömungsweg zu bieten. Die Anordnung dieser öffnungen ergibt sich z. B. aus F i g. 4.

Zusätzliche runde Öffnungen 32 (F i g. 2 und 4) sind in der Endplatte 26 für die vier Führungsrohre 12 vorgesehen Jede der Öffnungen erstreckt sich durch einen Ansatz 34 der Endplatte 26 hindurch und besitzt eine kleine Bohrung 32 (Fig. 2) und einen äußeren größeren Durchmesser (36). Eine Schulter 38 ist an dem Übergang zwischen den beiden Bohrungen gebildet.

Die Führungsbolzen 38 besitzen eine Spindel 40 von geringerem Durchmesser, die sich nach unten erstreckt. Die Spindel paßt in die erste Bohrung 32 in der Endplatte 26 und ist am unteren Ende mit einem Gewinde 42 versehen. Der Übergang zwischen dem oberen Ende der Führungsbolzen 28 und der Spindel 40 bildet eine zweite nach unten gerichtete Schulter 44, die auf der Oberfläche des Ansatzes 34 aufliegt, um den Durchgang der Spindel zu begrenzen.

Das obere Ende 48 eines jeden Führungsrohrs 12 ist bis auf einen Durchmesser vergrößert, der dicht in die zweite Bohrung 36 der öffnungen in der oberen Endplatte 20 paßt und ist mit einem Innengewinde 50 versehen. Dieses Gewinde paßt mit dem Gewinde auf der Spindel 40 zusammen, so daß beim Zusammenbau das vergrößerte obere Ende 48 der Führungsrohre 12 auf der ersten Schulter 38 zum Aufliegen kommt und die zweite Schulter 44 des oberen Führungsbolzens auf dem Ansatz 34 aufliegt, so daß eine feste mechanische Verbindung zwischen diesen drei Teilen entsteht. Um die Sicherheit noch weiter zu erhöhen, und eine Drehung der verschiedenen Teile im Betrieb zu verhindern, werden die Spindeln 40 mit mehreren axialen Ansätzen 52 versehen, die so deformiert werden können, daß sie mit Einkerbungen 54 in Eingriff kommen, die in den Führungsrohren vorgesehen sind. Diese Anordnung ist am besten in den F i g. 2 und 5 dargestellt. Die Ansätze 52 werden mit den Einkerbungen durch ein geeignetes Werkzeug in Eingriff gebracht, das in die mittleren öffnungen der Führungsbolzen 28 nach abwärts eingeführt wird. Bei der Demontage der oberen Endplatte wird ein geeignetes von Ferne zu betätigendes Werkzeug mit dem Führungsbolzen 28 in Eingriff gebracht und ein ausreichendes Drehmoment auf dieses Werkzeug ausgeübt, um die Schraubverbindung zu lösen und mit Gewalt die deformierbaren Ansätze 34 aus den Einkerbungen 54 herauszudrücken.

In der oben beschriebenen Verbindung werden die Führungsrohre 12, die obere Endplatte 26 und die

Fiihrungsbolzen 28 aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt und haben deshalb unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden z. B. die Führungsrohre 12 aus einer Zirkoniumlegierung (Zircaloy), die obere Endplatte 26 aus rostfreiem Stahl und die Führungsbolzen 28 aus einer Legierung von Nickel, Chrom und Eisen, mit dem Handelsnamen lnconel.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung bleibt die physische Erscheinung der Verbindung einschließlich der Anordnung der einzelnen Teile und ihrer relativen Abmessung so erhalten, daß die Verbindung konstruktiv unversehrt bleibt, wenn sie zyklisch wechselnden thermischen Beanspruchungen ausgesetzt wird.

Diese Beziehung wird nunmehr an Hand der F i g. 2 erläutert, deren Symbole wie folgt definiert werden:
L> der Abstand vom Ende des mit Gewinde

versehenen Teiles bis zu einem Punkte, an dem im wesentlichen alle Kraft übertragenden Windungen erfaßt sind.
Lb der Höhenanteil der oberen Endplatte, der die

erste Bohrung enthält.

Lc der Abstand von der zweiten Schulter des

Führungsbolzens bis zu dem Punkt, der mit Gewinde versehenen Spindel der dem Punkt gemäß Definition L* entspricht.

atziRC thermischer Ausdehnungskoeffizient der Zirkoniumlegierung (Zircaloy) = 3,4 χ 10-*.
».inc der thermische Ausdehnungskoeffizient von lnconel = 7,8 χ 10-*.

ass thermischer Expansionskoeffizient von rostfreiem Stahl = 9,7 χ 10-*

Eine bevorzugte Beziehung zwischen diesen Werten wird wie folgt ausgedrückt:

La (XZm + Lb (XSS = Lc (XINL

Wenn nach dieser Beziehung konstruiert wird, kann die zusammengebaute Verbindung zyklischen, thermischen Beanspruchungen unterworfen werden, ohne daß übermäßige Spannungen oder Deformationen eintreten, die die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigen und ihren häufigen Ersatz nötig machen würde. Es sei bemerkt, daß die Längen L* und Lc so definiert sind, daß sie den Teil der Schraubverbindung einschließen, der nach der Montage den überwiegenden Teil der Belastung aufnimmt- Dies ergibt sich aus der bekannten Tatsache, daß bei einer Schraubverbindung die Hauptbelastung durch die ersten Windungen der Schraubverbindung aufgenommen wird und auch aus dem Wunsch, gerade in diesen Windungen die Spannungen klein zu halten, und zwar besonders bei wechselnden Temperaturen.

Wenn man die Formel (1), die oben angegeben wurde, verallgemeinert, so ergibt sich:

La(Xl + Lb(Xi =

wobei αϊ, «2 und <xi die Wärmeausdehnungs-Koeffizienten von beliebigen drei unterschiedlichen Metallen sind, die jedenfalls die Beziehung erfüllen (Xi < οα < κι.

In den F i g. 3 und 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das die Verbindung des unteren Anschlußstückes 16 mit den Führungsrohren darstellt Das untere Anschlußstück 16 besteht aus einer unteren Endplatte 56 und vier Führungsbolzen 58, die in Eingriff mit entsprechenden öffnungen in der nicht dargestellten unteren Endplatte des Reaktorkerns in Eingriff kommen können, wenn das Bündel in den Reaktor eingebaut wird. Wie die obere Endplatte 26, besitzt auch die untere Endplatte 56 mehrere Öffnungen von unterschiedlicher Größe und Gestalt, um eine freie Strömung des Kühlmittels zu gestatten. Auch sind zusätzliche kreisförmige öffnungen 60 in der Platte

ίο vorgesehen, die in axialer Richtung mit den vier Führungsrohren 12 fluchten.

Gemäß F i g. 3 besitzt jede der runden öffnungen 60 eine Bohrung 62 von größerem und eine Bohrung 64 von kleinerem Durchmesser. Eine nach unten gerichtete ringförmige Schulter 66 ergibt sich deshalb am Übergang dieser beiden Bohrungen.

Die Führungsbolzen 58 besitzen ein Außengewinde von kleinerem Durchmesser 68, das sich nach oben erstreckt. Dieses Gewinde paßt in die Bohrung 64 der unteren Endplatte 66. Der Hauptteil des Führungsbolzens 58 paßt in die größte Bohrung 62, so daß eine nach oben gerichtete Schulter 70 entsteht, die auf der Schulter 66 der Endplatte zum Aufliegen kommt und dadurch die Eindringtiefe des Teiles 58 begrenzt.

Die vier Führungsrohre 12 sind an ihrem unteren Ende mit einem sich nach innen erstreckenden ringförmigen Flansch 72 versehen, der eine öffnung 73 freigibt. Der Durchmesser dieser Öffnung ist so groß, daß das mit einem Gewinde versehene Ende 68 des Führungsbolzens 58 hindurchgeführt werden kann. Im unteren Ende des Führungsrohres 12 ist eine zylindrische Mutter 74 mit Innengewinde vorgesehen, die mit dem Gewinde der Führungsbolzen in Eingriff kommt. Diese Mutter liegt auf der oberen Fläche des sich nach innen erstreckenden Flansches am Ende der Führungsrohre auf und wird von einer Drehbewegung sowie bis zu einem gewissen Grade auch an einer senkrechten Bewegung 76 gehindert, der sich durch einen U-förmigen Schlitz 78 (F i g. 6) in der Mutter erstreckt und in

gegenüber liegenden öffnungen der Führungsrohre 12 gehalten wird. Die Dicke der Wandung der Führungsrohre wird an ihrem unteren Ende vergrößert, um eine starre Verbindung sicherzustellen.
. Führungsrohr und Mutter werden montiert in dem die Mutter 74 in das Führungsrohr 12 durch das obere Ende hindurchgeführt wird und auf dem Flansch 72 zum Aufliegen kommt Der Stift 76 wird dann durch die Wand des Führungsrohres hindurchgeführt sowie an jedem Ende mit dem Führungsrohr verschweißt; auch von außen wird eine Verschweißung 80 angebracht Dann wird zunächst die öffnung 73 am unteren Ende der Führungsrohre mit der entsprechenden öffnung in der unteren Endplatte zur Deckung gebracht Der Gewindeteil 68 des Führungsbolzens 58 wird dann

durch die öffnung hindurchgeführt mit der Mutter 74 und auf das gewünschte Drehmoment angezogen. Ein deformierbarer Sicherungsring 81 wird über den Bolzen 58 geschoben. Wie beim oberen Anschlußstück kann diese Verbindung durch ein geeignetes Werkzeug

aufgehoben werden, das am Führungsbolzen mit einem ausreichenden Drehmoment angesetzt wird, um das Drehmoment der Schraubverbindung zu überwinden und den Sicherungsring zu lösen.

Wie beim oberen Anschlußstück werden unterschiedliehe Metalle mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten auch bei dem unteren Anschlußstück benutzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Führungsrohre 12 aus einer Zirkoniumlegierung (Zirca-

loy). Die untere Endplatte 56 besteht aus rostfreiem Stahl und der Führungsbolzen 58 wird aus der Legierung »Inconel« einer Nickel-Chrom-Eisenlegierung hergestellt. Die Mutter 74 wird auch aus der gleichen »lnconel«-Legierung gemacht, während der Stift 76, der mit den Führungsrohren 12 verschweißt werden muß, aus »Zircaloy«, einer Zirkoniumlegierung besteht.

Wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist die Verbindung so beschaffen, daß ihre äußere Form, mit anderen Worten, ihr struktureller Aufbau auch bei wechselnden thermischen Bedingungen erhalten bleibt. Die Beziehung zwischen den Abmessungen und den Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Baustoffe dieser Verbindung werden nun an Hand der F i g. 6 beschrieben. Dabei werden folgende Bezeichnungen in der Figur verwendet:

Ld Dicke des sich nach innen erstreckenden Flansches; L·· Dicke der Endplatte, die zwischen dem sich nach innen erstreckenden Flansch und der Schulter des Führungsbolzens liegt;

Lr Abstand von der unteren Fläche des sich nach innen erstreckenden Flansches bis zur Schulter des Führungsbolzens.

Die Koeffizienten der thermischen Ausdehnung der Baustoffe sind die gleichen, wie in dem oben

beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Beziehung zwischen diesen Werten wird wie folgt ausgedrückt:

Ld <X\ + Le(Ki = Li 1X2

Wenn die zusammengebaute Verbindung entsprechend der vorstehenden Beziehung aufgebaut wird, so entstehen auch unter dem Einfluß zyklisch wechselnder thermischer Bedingungen keine übermäßigen Spannungen und Deformationen, die die Stärke der Verbindung

ίο beeinträchtigen und sie für Reparaturen anfällig machen würde. Auch wird dafür gesorgt, daß die Verbindung dicht ist.

Die beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispiele einer Schraubverbindung gestatten einen leichten Zugang zu den Brennstoffstäben, obwohl unterschiedliche Baustoffe verwendet werden. Die Verbindung kann also solche Baustoffe verwenden, daß wirtschaftlich sowohl bezüglich der Neutronen als auch der Reaktivität (dollar economy) erzielt wird.

Obwohl vorstehend zwei verschiedene Ausführungsbeispiele für die Verbindungen am oberen und unteren Ende beschrieben wurden, kann man natürlich auch die gleiche Verbindung an beiden Enden verwenden oder eine Verbindung gemäß der Erfindung kann an einem Ende verwendet werden und irgendeine beliebige andere Verbindung am anderen Ende benutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Brennelementbündel zum Einschub in den Kern von Kernreaktoren, dessen Elemente durch miteinander verbundene obere und untere Endplatten in senkrechter Richtung gehalten werden, wobei die Halterung durch eine Schraubverbindung zwischen mindestens einem Führungsrohr für Steuerstäbe und den beiden Endplatten gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubverbindung das Führungsrohr (12) mit Führungsbolzen (28, 58) der beiden Endplatten (26,56) verbindet, und daß das Führungsrohr (12) aus einem Werkstoff mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten äi, dje Führungsbolzen (28,58) aus einem Werkstoff mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten on bestehen, wobei «t < «2 < «3 ist.

2. Brennelementbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten (26,56) und die Führungsbolzen (28,58) aus rostfreiem Stahl und das Führungsrohr (12) aus einer Zirkoniumlegierung bestehen.

3. Brennelementbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff mit dem Ausdehnungskoeffizienten «ι eine Zirkoniumlegierung, mit dem Ausdehnungskoeffizienten «2 eine Legierung von Nickel, Chrom und Eisen und als Werkstoff mit Ausdehnungskoeffizienten Λ3 rostfreier Stahl verwendet werden.

4. Brennelementbündel nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß Sperrglieder (52) vorgesehen sind, um eine gegenseitige Drehbewegung von Führungsrohr (12) und Führungsbolzen (28, 58) zu verhindern.

5. Brennelementbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sperring (52) verwendet wird, durch dessen Deformation die Sperrung erfolgt.

6. Brennelementbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (27) zwei Bohrungen (32,36) aufweist deren größere (36) das mit Innengewinde (42) versehene Führungsrohr (12) bis zu einem durch die engere Bohrung (32) gebildeten Anschlag aufnimmt und daß der Führungsbolzen (28) am unteren Ende ein zum Innengewinde (42) des Führungsrohres (12) passendes Außengewinde (40) besitzt und daß schließlich am Führungsrohr und am Führungsbolzen (28) Anschlagflächen vorgesehen sind, zwischen denen die Endplatte (26) nach Anziehen der Schraubverbindung in einer festen und definierten Endstellung gehalten wird.

7. Brennelementbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr (12) an Stelle des Innengewindes einen nach innen gezogenen Anschlagring (72) vom Durchmesser des Gewindeansatzes (68) des Führungsbolzens (58) aufweist, auf dem innerhalb des Führungsrohres eine Mutter (74) aufliegt mit der das Gewinde (68) verschraubt ist.

8. Brennelementbündel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Mutter (74) mit dem Führungsrohr (12), vorzugsweise durch einen Stift (76), fest verbunden ist

9. Brennelenientbündcl nach einem der Ansprüche 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffe und ihre Länge so gewählt sind, daß der Dehnungsweg der durch Verschraubung eingesDannten Teile gleich dem Dehnungsweg des spannenden Teiles der Verschraubung ist, d. h. L L

Lt αϊ + Lboa

Ad αϊ + Leoa = Uoa

wobei

L· dem Abstand vom Ende des mit Gewinde versehenen Teiles bis zu einem Punkte, an dem im wesentlichen alle Kraft übertragenden Windungen erfaßt sind.

Lb dem Höhenanteil der oberen Endplatte, der die erste Bohrung enthält

Lc dem Abstand von der zweiten Schulter des Führungsbolzens bis zu dem Punkt, der mit Gewinde versehenen Spindel der dem Punkt gemäß Definition Lt entspricht (F i g. 2),

bzw.

Ld der Dicke des sich nach innen erstreckenden Flansches.

Le der Dicke der Endplatte, die zwischen dem sich nach innen erstreckenden Flansch und der Schulter des Führungsbolzens liegt

Lf dem Abstand von der unteren Fläche des sich nach innen erstreckenden Flansches bis zur Schulter des Führungsbolzens (Fig. 6).