DE10210872C1 - Niederhaltevorrichtung für das Brennelement eines Druckwassereaktors - Google Patents
Niederhaltevorrichtung für das Brennelement eines DruckwassereaktorsInfo
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Abstract
Die Erfindung bzieht sich auf eine Niederhaltevorrichtung für ein Brennelement (13) eines Druckwasserreaktors, mit einer zwischen der Unterkante eines oberen Kerngitters (12) und der Oberseite des Brennelementkopfes (21) wirksamen, mehrere Federelemente (27, 28) umfassenden Federanordnung, wobei die Federanordnung wenigstens ein erstes Federelement (27) umfasst, dessen während des Rektorbetriebes mögliche Meximalausdehnung geringer ist als die während des Betriebs mögliche Maximalausdehnung zweiter Federelemente (28), wobei die Federanordnung während des Hochverfahrens des Reaktors bei Überschreitung eines Grenzabstandes zwischen Kerngitter (12) und Kopf (21) ihre Druckkraft sprunghaft verringert. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der die Maximalausdehnung des ersten Federelements (27) während einer Kaltphase des Reaktors selbsttätig verringert wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Niederhaltevorrichtung für das
Brennelement eines Druckwasserreaktors. Im Druckbehälter
eines Druckwasserreaktors sind die Brennelemente zwischen
einer oberen und unteren Kerngitterplatte (im folgenden kurz
Kerngitter genannt) angeordnet. Die Kerngitter sind an einem
Gerüst befestigt, das in der Regel aus Stahl besteht, während
die Strukturteile der Brennelemente in der Regel aus Gründen
der Neutronenabsorption aus einer Zirkoniumlegierung beste
hen. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und
Zirkoniumlegierungen weichen stark voneinander ab, so dehnt
sich Stahl etwa dreimal so stark aus wie eine Zirkoniumlegie
rung. Im Betriebszustand ist somit der Spalt zwischen oberem
Kerngitter und Brennelementkopf größer als im Kaltzustand.
Die Brennelemente sind daher nicht starr sondern über eine
federnd wirkende Niederhaltevorrichtung meist mit dem oberen
Kerngitter verbunden. Eine solche Vorrichtung umfasst eine
zwischen der Unterseite des oberen Kerngitters und der Ober
seite des Brennelementkopfes wirksame Federanordnung mit
mehreren Federelementen. Die Federelemente sind so ausgelegt,
dass sie in allen Betriebszuständen bzw. bei sämtlichen
während der Lebensdauer eines Brennelements möglichen Spalt
breiten zwischen Kopf und Kerngitterplatte eine Druckkraft
ausüben, die größer ist als die durch Auftrieb und Strömungs
geschwindigkeit des Kühlmittels hervorgerufene Gegenkraft, um
ein Anheben des Brennelements zu verhindern. Die Federanord
nung ist so ausgelegt, dass auch bei maximal erweitertem
Spalt zwischen Kerngitter und Kopf eine ausreichende Nieder
haltekraft gewährleistet ist.
Brennelemente neigen mit wachsender Standzeit zu c-förmigen
oder s-förmigen Verbiegungen, was dazu führt, dass die Steu
erstäbe nicht mehr ungehindert in den Steuerstabführungsroh
ren bewegt werden können. Die Verformung der Brennelemente
kann nun durch die auf sie einwirkenden Niederhaltekräfte
verstärkt werden. Besonders hoch sind die vorhandenen Nieder
haltekräfte gegenüber den erforderlichen Niederhaltekräften
im Betriebszustand des Reaktors, weil hier der Auftrieb der
Brennelemente gegenüber dem Kaltzustand verringert ist. Die
im Betriebszustand aufgrund des vergrößerten Spaltes und der
erhöhten Temperatur verminderte Druckkraft der Federanordnung
kann diesen Effekt nur zum Teil kompensieren.
Bei einer aus DE 198 54 870 A1 bekannten Niederhaltevorrichtung
werden die Niederhaltekräfte im Betriebszustand dadurch
verringert, dass die Federanordnung erste Federelemente
umfasst, deren während des Betriebs mögliche Maximalausdeh
nung geringer ist als die während des Betriebs mögliche
Maximalausdehnung zweiter Federelemente, wobei die Federan
ordnung bei Überschreiten eines Grenzabstandes zwischen
Kerngitter und Kopf während des Hochfahrens des Reaktors ihre
Druckkraft sprunghaft ändern. Die ersten Federn sind in Reihe
mit den zweiten Federn angeordnet, wobei ihre Maximalausdeh
nung mit Hilfe eines Anschlags auf einen Wert begrenzt ist,
der kleiner ist als jener der zweiten Feder. Beim Hochfahren
des Reaktors sind in unteren Temperaturbereichen beide Feder
elemente solange wirksam, bis ein Grenzabstand zwischen
Kerngitter und Kopf überschritten wird. Das erste Federele
ment hat dann seine Maximalausdehnung erreicht und leistet
bei der temperaturbedingten weiteren Vergrößerung des Spaltes
bzw. Abstandes zwischen oberem Kerngitter und Kopf keinen
Beitrag zur Druckkraft der Federanordnung mehr. Die Nieder
haltekräfte in höheren Temperaturbereichen und insbesondere
im Betriebszustand des Reaktors sind daher auf ein im Hin
blick auf eine unerwünschte Brennelementverformung erträgli
ches Maß reduziert.
Brennelemente erleiden im Verlauf ihres Lebens ein strahlen
induziertes Längenwachstum, während ein solches Wachstum bei
dem Kerngerüst nicht beobachtet wird. Das Längenwachstum der
Brennelemente bewirkt, dass der Spalt zwischen Kerngitter und
Kopf stetig verringert und dementsprechend die Druckkraft der
Federanordnung vergrößert wird.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Nie
derhaltevorrichtung für das Brennelement eines Druckwasserre
aktors vorzuschlagen, bei der dieser hinsichtlich der
Brennelementverformung negative Effekt gemildert ist.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine
Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Maximalausdehnung des
ersten Federelements während einer Kaltphase des Reaktors
selbsttätig verringert wird. Auf diese Weise wird nach jedem
Betriebszyklus der Grenzabstand, bei dem das erste Federele
ment seine Wirkung verliert und dementsprechend die Druck
kraft der gesamten Federanordnung sprunghaft reduziert wird,
verringert und damit an den durch Längenwachstum des Brenn
elements verengten Spalt angepasst.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Maximal
ausdehnung des ersten Federelements von einem in Expansions
richtung wirksamen Richtgesperre mit mehreren axialen Sperr
positionen begrenzt ist. Ein derartiges Richtgesperre weist
ein etwa in Längsrichtung des Brennelements bewegliches Teil
auf, dessen Bewegung durch ein ortsfestes Sperrteil in Expan
sionsrichtung blockierbar ist. Das bewegliche Teil ist mit
dem Federelement bewegungsgekoppelt. Aufgrund der nur in
Expansionsrichtung des Federelements wirksamen Sperrfunktion
kann das Federelement nur komprimiert bzw. seine Ausdehnung
verringert werden, was beim Herunterfahren des Reaktors von
dem sich auf den Brennelementkopf absenkenden Kerngitter
bewerkstelligt wird. Die Maximalausdehnung der ersten Feder
elemente wird somit nach jedem Betriebszyklus auf einen
niedrigeren Wert eingestellt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Richtgesperre
einen in Expansionsrichtung des Federelemente wirksamen
Leerhub auf. Das bedeutet, dass sich das Federelement noch um
ein gewisses Maß ausdehnen kann, bevor die Blockierung des
beweglichen Teils durch das Sperrteil beim Hochfahren des
Reaktors wirksam wird. Somit steht auch im unteren Tempera
turbereich die ursprüngliche Druckkraft der Federanordnung
zur Niederhaltung des Brennelements zur Verfügung. Erst nach
Vollendung des Leerhubs, was beispielsweise bei 150 bis 200°C
der Fall ist, wird die sprunghafte Druckkraftreduzierung
wirksam.
Vorzugsweise wird ein Rast-Richtgesperre verwendet, dessen
ortsfestes Teil von einem sägezahnförmige Umfangsrillen
aufweisenden Bolzen und dessen bewegliches Teil von einer
diesen verschiebbar umfassenden ersten Hülse gebildet ist,
welche mit radial nach innen federbeaufschlagten Rastelemen
ten mit den Umfangsrillen zusammenwirkt. Vorzugsweise wird
als Federelement eine Schraubenfeder verwendet, die das Rast-
Richtgesperre konzentrisch umfasst und sich einerseits an
einer Anschlagfläche des Bolzens und andererseits an einer
Anschlagfläche der ersten Hülse mittel- oder unmittelbar
abstützt. Eine solche Ausgestaltung lässt sich mit relativ
geringem technischen Aufwand verwirklichen. Außerdem benötigt
sie nicht mehr Platz, als herkömmliche für den in Rede ste
henden Zweck eingesetzte Schraubenfedern, so dass am Brenn
elementkopf keine besonderen Anpassungen, bzw. Umkonstruktio
nen vorzunehmen sind. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung
sind die Rastelemente am Freiende von Federzungen angeordnet,
welche durch Axialschlitze von einander getrennte Wandab
schnitte der ersten Hülse gebildet sind. Diese Ausgestaltung
ist ebenfalls auf fertigungstechnisch einfache Weise
realisierbar.
Ein Leerhub des Richtgesperres wird bei einer bevorzugten
Ausführungsform mit einer die erste Hülse umfassenden und
zwischen einer ausgefahrenen und einer eingefahrenen Position
axial verschiebbaren zweiten Hülse erreicht, welche einen als
Anschlag für die Schraubenfeder dienenden, an ihrer dem
Bolzen abgewandten Stirnseite angeformten Radialflansch und
eine aus ihrer Innenseite vorstehende, in der ausgefahrenen
Position an der Anschlagfläche der Rasthülse anliegende
Radialschulter aufweist. Durch diese Ausgestaltung ist ein
sowohl in Expansions- als auch in Kompressionsrichtung des
ersten Federelements wirkender Leerhub erzeugt.
Zur Sicherung der zwischen der ersten Hülse und dem Bolzen
vorhandenen Rastverbindung weist die zweite Hülse an dem
ihrem Radialflansch gegenüberliegenden Ende einen aus ihrer
Innenseite vorstehende Ringvorsprung auf. Die Hülse ist so
bemessen bzw. der Ringvorsprung ist so positioniert, dass er
in der ausgefahrenen Position der zweiten Hülse die Rastele
mente spielfrei oder allenfalls mit geringem Spiel umfasst.
Diese werden daher in ihrer Sperrposition gehalten.
Vielfach werden zur Niederhaltung von Brennelementen mehrere
aus der Oberseite des Kopfes vorstehende geschichtete Blatt
federn eingesetzt, an deren Freiende eine etwa vertikal
verlaufende, mit ihrem Freiende in einer Öffnung in der
Kopfoberseite geführte Strebe fixiert ist. Erfindungsgemäß
ist vorgesehen, dass diese Strebe als Bestandteil eines
Richtgesperres genutzt wird. Bei einer bevorzugten Ausfüh
rungsform ist an einer Strebe eine Sägeverzahnung vorhanden,
wobei innerhalb des Kopfes ein in Sperrrichtung federbeauf
schlagter Rastvorsprung vorhanden ist, der in die Sägeverzah
nung eingreift. Ein Leerhub wird dadurch bewerkstelligt, dass
der Rastvorsprung etwa in Axialrichtung beweglich im Kopf
gelagert und in Expansionsrichtung des Federelements von
einer Feder beaufschlagt ist.
Die Erfindung wird nun anhand von in den beigefügten Zeich
nungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Schema eines Druckbehälters und seiner Einbauten,
Fig. 2 ein Brennelement für diesen Druckbehälter,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Federelement
einer Niederhaltevorrichtung in geschnittener per
spektivischer Ansicht,
Fig. 4 das Federelement nach Fig. 3 in Explosionsdarstellung,
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3,
Fig. 6 das Federelement von Fig. 3 bis Fig. 5 in einer ersten
Betriebssituation in teilweise geschnittener Seiten
ansicht,
Fig. 7 den Ausschnitt VII von Fig. 6,
Fig. 8 den Ausschnitt VIII von Fig. 6,
Fig. 9 das Brennelement von Fig. 3 bis 5 in einer zweiten
Betriebssituation in teilweise geschnittener Seiten
ansicht,
Fig. 10 den Ausschnitt X aus Fig. 9,
Fig. 11 den Ausschnitt XI aus Fig. 9,
Fig. 12A eine schematische Darstellung, die die Arbeitsweise
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verdeutlicht,
Fig. 12B ein Diagramm, das die Spaltweiten zwischen oberem
Kerngitter und Kopf am Beginn und am Ende der Stand
zeit eines Brennelements wiedergibt,
Fig. 12C ein Diagramm, das die auf ein Brennelement einwirken
den Kräfte wiedergibt,
Fig. 13 die Seitenansicht eines Brennelementkopfes mit einer
geschichtete Blattfedern als Federelemente aufweisen
den Niederhaltevorrichtung,
Fig. 14 eine Ansicht des Kopfes von Fig. 13 in Richtung des
Pfeils XIV,
Fig. 15 den Ausschnitt XV von Fig. 14 in vergrößerter Dar
stellung.
Im Druckwasserreaktor (Fig. 1) sitzen über dem Deckel 1 des
Reaktordruckbehälters 2 die Steuerantriebe 3, die durch den
mit Schrauben 4 befestigten Deckel hindurch die Steuerstab-
Anordnungen 5 bewegen. Eine Deckplatte 6 mit einem oberen
Rost 7 ist über einen Flansch 8 am Kerngerüst verschraubt.
Unterhalb der Deckplatte 6 sind in Reaktordruckbehälter 2 ein
Eintritt 9 und ein Austritt 10 für Kühlmittel vorhanden. Das
obere Kerngerüst 11 drückt auf das obere Kerngitter 12, unter
dem die Brennelemente 13 sitzen. Ein innerer Kernbehälter 14
innerhalb des Druckbehälter-Topfes 15 trägt die Kernumfassung
16 und das untere Kerngitter 17, unter dem sich in der Regel
noch eine Stauplatte 18 und eine Absturzsicherung 19 befin
det.
Auf dem unteren Kerngitter 17 sitzen die Brennelemente (Fig.
2) mit einem Fuß 20 auf. Die Länge zwischen dem Fuß 20 und
dem Kopf 21 des Brennelements 13 wird im wesentlichen von
Steuerstab-Führungsrohren 22 bestimmt, die am Fuß und am Kopf
verschraubt sind und die auch mehrere Abstandhalter 23 tra
gen, in deren Maschen die Brennstäbe 24 eingesetzt sind.
Der Kopf 21 ist in der Regel als ein quaderförmiger Rahmen
ausgebildet. Zwischen dem oberen Kerngitter 12 und dem Kopf
21 ist eine Niederhaltevorrichtung angeordnet, die eine
Federanordnung mit mehreren die Kopfoberseite 25 mit einem
überstand überragen, wobei sich der Überstand auf die Breite
des Spaltes D zwischen Kerngitter 12 und Kopfoberseite 25
einstellt, der sich beim Aufsetzen des oberen Kerngitters 12
und dessen Verschrauben am Kernbehälter 14 ergibt. Bei dem
gezeigten Typ des Brennelementes sind acht längs des Umfangs
des Kopfes 21 verteilte Federelemente mit je einer Schrauben
feder 26 verwendet. Die Federanordnung drückt gegen das obere
Kerngitter 12 (Fig. 1) und sorgt dafür, dass das Brennelement
auf dem unteren Kerngitter 17 aufsitzt und nicht von dem mit
hoher Geschwindigkeit durch den Reaktordruckbehälter fließen
den Kühlmittel angehoben wird.
Die Federanordnung umfasst zwei erste, sich diametral gegenü
berliegende Federelemente 27 und sechs zweite Federelemente
28. Während die zweiten Federelemente herkömmliche Federbeine
sind, umfassen die ersten Federelemente 27 eine Einrichtung,
mit der ihre im Betrieb mögliche Maximalausdehnung während
einer Kaltphase des Reaktors selbsttätig verringert wird. Der
Aufbau eines ersten Federelements 27 und die Funktionsweise
einer Niederhaltevorrichtung mit einem solchen Federelement
werden nun anhand Fig. 3 bis 12 beschrieben:
Das in Fig. 3 bis 11 dargestellte Federelement 27 setzt sich aus einem Bolzen 29, der bereits erwähnten Schraubenfeder 26, einer ersten Hülse 30 und einer zweiten Hülse 33 zusammen. Am unteren Ende des Bolzens 29 ist ein Flansch 34 angeordnet, der eine Anschlagfläche 35 zur Verfügung stellt, an der sich die Schraubenfeder 26 abstützt. Aus der Unterseite des Flan sches 34 steht ein Gewindestutzen 36 hervor, mit dem der Bolzen 29 im Kopf 21 fixiert ist. An den Flansch 34 schließt sich ein erster, zur Führung und Zentrierung der Schraubenfe der 26 dienender Längsabschnitt 37 mit kreisrundem Quer schnitt an. Mit einer Schrägschulter 38 geht der Längsab schnitt 37 in einen weiteren Längsabschnitt 39 mit kreisrun dem Querschnitt über. Aus der Umfangsfläche des Längsab schnittes 39 stehen umlaufende sägezahnförmige Rastvorsprün ge 40 hervor. Diese weisen eine nach unten gerichtete, sich quer zur Mittellängsachse 43 des Bolzens 29 bzw. des gesamten Federelements 27 erstreckende Anschlagfläche 44 auf. An den Längsabschnitt 39 schließlich ist ein weiterer Längsab schnitt 45 angeformt, der sich aus einem ersten Hexagonab schnitt 46, einem zweiten Hexagonabschnitt 47 und einem dazwischen angeordneten Einstich 48 mit kreisrundem Quer schnitt zusammensetzt. Der erste Hexagonabschnitt 46 ist gegenüber dem zweiten Hexagonabschnitt 47 um z. B. 30° ver dreht.
Das in Fig. 3 bis 11 dargestellte Federelement 27 setzt sich aus einem Bolzen 29, der bereits erwähnten Schraubenfeder 26, einer ersten Hülse 30 und einer zweiten Hülse 33 zusammen. Am unteren Ende des Bolzens 29 ist ein Flansch 34 angeordnet, der eine Anschlagfläche 35 zur Verfügung stellt, an der sich die Schraubenfeder 26 abstützt. Aus der Unterseite des Flan sches 34 steht ein Gewindestutzen 36 hervor, mit dem der Bolzen 29 im Kopf 21 fixiert ist. An den Flansch 34 schließt sich ein erster, zur Führung und Zentrierung der Schraubenfe der 26 dienender Längsabschnitt 37 mit kreisrundem Quer schnitt an. Mit einer Schrägschulter 38 geht der Längsab schnitt 37 in einen weiteren Längsabschnitt 39 mit kreisrun dem Querschnitt über. Aus der Umfangsfläche des Längsab schnittes 39 stehen umlaufende sägezahnförmige Rastvorsprün ge 40 hervor. Diese weisen eine nach unten gerichtete, sich quer zur Mittellängsachse 43 des Bolzens 29 bzw. des gesamten Federelements 27 erstreckende Anschlagfläche 44 auf. An den Längsabschnitt 39 schließlich ist ein weiterer Längsab schnitt 45 angeformt, der sich aus einem ersten Hexagonab schnitt 46, einem zweiten Hexagonabschnitt 47 und einem dazwischen angeordneten Einstich 48 mit kreisrundem Quer schnitt zusammensetzt. Der erste Hexagonabschnitt 46 ist gegenüber dem zweiten Hexagonabschnitt 47 um z. B. 30° ver dreht.
Im Montagezustand ist die erste Hülse 30 innerhalb der zwei
ten Hülse 33 angeordnet. Diese besitzt an ihrem oberen Ende
einen radial nach außen abstehenden Flansch 49, dessen Unter
seite eine Anschlagfläche 50 bildet, an der sich die Schrau
benfeder 26 mit ihrer oberen Stirnseite abstützt. Die erste
Hülse 30 weist ebenfalls an ihrem oberen Ende einen radial
nach außen vorstehenden Flansch 53 auf, dessen Unterseite
ebenfalls eine Anschlagfläche 54 bildet. Mit diesem
Flansch 53 ist die erste Hülse 30 in einem sich an den
Flansch 49 anschließenden Bereich 55 geführt, wobei der
Bereich 55 einen Innendurchmesser aufweist, der geringfügig
größer ist, als der Außendurchmesser des Flansches 53. Der
Bereich 55 geht mit einer Radialschulter 56 in einen vereng
ten Längsabschnitt 57 über, dessen Innendurchmesser geringfü
gig größer ist, als der Außendurchmesser der ersten Hülse 30.
Die Anschlagfläche 54 der ersten Hülse 30 wirkt mit der
Radialschulter 56 als Gegenanschlag zusammen, wie noch be
schrieben wird.
An ihrem unteren Ende weist die erste Hülse 30 insgesamt vier
in ihre untere Stirnseite ausmündende Axialschlitze 58 auf,
wodurch vier Federklinken 59 gebildet sind. Am Freiende der
Federklinken 59 sind radial nach innen vorspringende Rastna
sen 60 angeformt, die mit den Rastvorsprüngen 40 bzw. den an
ihnen vorhandenen Anschlagflächen 44 im Sinne eines in Expan
sionsrichtung 63 des ersten Federelements 27 wirksamen Zahn-
Richtgesperres zusammenarbeiten. Das bedeutet, dass eine
axiale Verschiebung der ersten Hülse 30 nur in der Kompressi
onsrichtung 64 des Federelements 27 möglich ist. An den
Längsabschnitt 57 der zweiten Hülse 33 schließt sich ein
Bereich 65 mit vergrößertem Innendurchmesser bzw. mit verrin
gerter Wandstärke an. Am Freiende des Bereiches 65 ist
schließlich noch ein sich radial nach innen erstreckender
Ringvorsprung 66 angeformt. In der eingefahrenen Stellung der
zweiten Hülse 33 gemäß Fig. 5 bis 8 ist der Ringvorsprung 66
unterhalb des Freiendes der Federklinken 59 und den daran
angeformten Rastnasen 60 angeordnet. Dadurch, dass der Be
reich 65 der zweiten Hülse 33 einen größeren Innendurchmesser
aufweist, wird ein Spaltraum 67 geschaffen, in dem die Feder
klinken 59 angeordnet sind. Die Breite des Spaltraumes 67 ist
so bemessen, dass die Federklinken 59 derart in Richtung des
Pfeils 68 abgelenkt werden können, dass die Rastnasen 60 im
Falle einer Beaufschlagung der ersten Hülse 30 in Kompressi
onsrichtung 64 an den Rastvorsprüngen 40 des Bolzens 29
vorbeigleiten können. Wenn sich dagegen die zweite Hülse 33
in ihrer ausgefahrenen Stellung gemäß Fig. 9 bis 11 befindet,
umfasst der Ringvorsprung 66 die Federklinken 59 im Bereich
ihrer Rastnasen 60. Auf diese Weise ist verhindert, dass die
Rastnasen 60 außer Eingriff mit den Rastvorsprüngen 40 gelan
gen können.
An der Innenseite der ersten Hülse 30 ist ein nach innen
vorspringender Bund 69 mit hexagonaler Innenfläche vorhanden.
Im Montagezustand umfasst der Bund 69 der ersten Hexagonab
schnitt 46 des Bolzens 29 mit einem in Umfangrichtung wirksa
men Formschluss. Der um 30° versetzte zweite Hexagonab
schnitt 47 wirkt als Anschlag für den Bund 69. Die erste
Hülse 30 ist somit auch bei nicht wirksamer Verrastung ver
liersicher am Bolzen 29 fixiert.
Die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Niederhaltevorrich
tung wird nun im Folgenden näher erläutert. In Fig. 12A ist
der Spalt D zwischen dem Kopf 21 und dem oberen Kerngitter 12
zu verschiedenen Zeiten gezeigt. Am Beginn der Einsatzzeit
des Brennelements ("begin of life", BOL) im kalten zustand
des Reaktors (Temperatur T0) ist eine Spaltbreite D(T0) bei
spielsweise von etwa 22 mm vorhanden. Wird der Reaktor auf
seine maximale Betriebstemperatur Tmax hochgefahren, so dehnen
sich die das Brennelementskelett bildenden Steuerstabfüh
rungsrohre 5 (Fig. 2) aus, jedoch in weit geringerem Maße als
das Kerngerüst. Folglich erweitert sich der Spalt D auf eine
Breite D(Tmax) von beispielsweise 40 mm.
Vor dem letzten Betriebszyklus ("end of life", EOL) sind die
bestrahlten Steuerstabführungsrohre 22 erheblich gewachsen
und der Kopf 21 näher an das obere Kerngitter 12 gerückt. Der
entsprechende Spalt D'(T0) ist nur noch sehr schmal (z. B. 10 mm),
erweitert sich aber wieder bis zu einer Breite D'(Tmax)
von beispielsweise 20 mm, wenn das Brennelement erneut auf
Maximaltemperatur Tmax aufgeheizt wird. Daher muss die Länge
des frischen Brennelements so bemessen werden, dass der
Spalt D auch nach dem Strahlungswachstum im kalten Zustand
des Reaktors zumindest die Breite D'(To) besitzt. Die Verän
derung des Spaltes D zu Beginn und am Ende der Standzeit geht
aus Fig. 12B hervor. Aufgrund von Fertigungstoleranzen, insbe
sondere Toleranzen der Brennelementabmessungen kann der
Spalt D als Toleranzband 70, 73 beschrieben werden. Fig. 12A
ist deutlich zu entnehmen, dass das Toleranzband 73 gegen
Ende der Standzeit wesentlich niedriger liegt als das Tole
ranzband 70 im Falle eines frischen Brennelements.
Die auf ein Brennelement, nach oben gerichtete Kraft F* nimmt
mit zunehmender Kühlmitteltemperatur ab, was auf den verrin
gerten Auftrieb zurückzuführen ist (Fig. 12C). Auch bei der
Kraft F* ergibt sich ein Toleranzband 71 aufgrund von Quer
strömungen und anderen physikalischen Erscheinungen. In
Fig. 12C ist die von Federelementen herkömmlicher Niederhalte
vorrichtungen erzeugte Druckkraft zu Beginn und am Ende der
Standzeit aufgetragen. Die in jedem Betriebszustand resultie
rende Niederhaltekraft ergibt sich jeweils aus der Differenz
zwischen der Kraft F* und der Druckkraft Dr der Federanord
nung. Es ist nun deutlich erkennbar, dass mit zunehmender
Kühlmitteltemperatur die Niederhaltekraft FN in einem für die
Niederhaltung der Brennelemente 13 nicht erforderlichen
Ausmaß zunimmt, was eine Ursache für die Eingangs erwähnten
Brennelement-Verbiegungen ist.
Bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Niederhaltevorrichtung
ist dieser negative Effekt gemildert. Zu Beginn der Standzeit
stellt sich im kalten Zustand ein Spalt D(T0) beispielsweise
von 22 mm ein. Sowohl die ersten als auch die zweiten Feder
elemente 27, 28 sind komprimiert und wirken mit ihrer Druck
kraft auf die Brennelemente ein. Wird nun der Reaktor hochge
fahren, erwärmt sich das Kühlmittel und der Spalt D wächst
an. Das Richtgesperre der ersten Federelemente wird nun
jedoch nicht sofort wirksam, sondern erst bei erhöhter Tempe
ratur, wenn der Spalt D sich um einen Betrag vergrößert hat,
der größer als der Leerhub LH des Richtgesperres ist. Ohne
einen solchen Leerhub LH würde das Richtgesperre der ersten
Federelemente 27 in der in Fig. 12A links außen dargestellten
Situation (BOL, T0) sofort wirksam. Eine entsprechende Situa
tion würde sich zu Beginn eines jeden weiteren Betriebszyklus
ergeben, wenn beim Herunterfahren des Reaktors sich das
Kerngitter 12 auf die Brennelementköpfe 21 absenkt und dabei
die Federelemente 27 komprimiert. Ein Richtgesperre mit
Leerhub LH gewährleistet jedoch, dass auch die ersten Feder
elemente beim Hochfahren des Reaktors noch für eine gewisse
Zeit, nämlich bis eine Temperatur von etwa 150-200°C erreicht
ist, eine Druckkraft auf die Brennelemente ausüben können.
Unterhalb des genannten Temperaturbereiches, steht somit die
Druckkraft der gesamten Federanordnung zur Verfügung, so dass
die Federanordnung der die Brennelemente beaufschlagenden
Kraft F* eine ausreichende Druckkraft FDr entgegensetzen
kann. Analoges gilt natürlich auch für den in Fig. 12A rechts
dargestellten letzten Betriebszyklus (EOL).
Die oben beschriebene Niederhaltevorrichtung lässt sich mit
verschiedenen Typen von Federelementen realisieren. Anstelle
einer Schraubenfeder 26 können beispielsweise geschichtete
Tellerfedern verwendet werden. Bei dem in Fig. 13 bis 15
dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei erste und zwei
zweite Federelemente 27a, 28a vorhanden, die sich jeweils
paarweise gegenüberliegen und die aus drei geschichteten
Blattfedern 74, 75, 76 gebildet sind. Die Blattfedern sind an
ihrem einen Ende am Brennelementkopf 21 verschraubt und
erstrecken sich in der Draufsicht nach Fig. 14 gesehen längs
der Seitenkanten des Kopfes 21. In der Kopfoberseite 25 ist
eine Ausnehmung 77 vorhanden, in die die Blattfedern 74,
75, 76 vom Kerngitter 12 hinein bewegt werden können. Jeweils
am Freiende der oberen Blattfeder 74 ist eine sich etwa axial
nach unten erstreckende Strebe 78 angeformt, die eine Durch
gangsöffnung (nicht dargestellt) im Freiende der Blattfedern
75, 76 durchgreift und sich über eine Öffnung 79 in den Boden
80 der Ausnehmung 77 hinein erstreckt. Die Innenkante der
Streben 78a ist jeweils in Form einer Sägeverzahnung 81
ausgebildet, während bei den Streben 78 der zweiten Federele
mente 28a eine solche nicht vorhanden ist. Die Sägeverzahnung
81 wirkt mit einer innerhalb des Kopfes 21 angeordneten
Rastnase 82 im Sinne eines Zahn-Richtgesperres zusammen.
Die Rastnase 82 ist an der Innenseite einer Hülse 83 ange
formt. Die Hülse 83 liegt in einer Ausnehmung 84 der Seiten
wand 85 des Kopfes 21 vertikal verschiebbar ein. Vom oberen
Ende der Hülse 83 steht radial ein Flansch 86 hervor, an dem
sich unterseits eine Schraubenfeder 87 mit ihrem einen Ende
abstützt. Das andere Ende der Schraubenfeder 87 stützt sich
auf einer Radialschulter 88 der Ausnehmung 84 ab. Der sich an
die Radialschulter 88 nach oben anschließende Bereich 89 der
Ausnehmung 84 weist einen Durchmesser auf, der geringfügig
größer ist als der Durchmesser des Flansches 86. Der Flansch
86 wirkt mit seiner Umfangsfläche mit der Innenfläche des
Bereiches 89 im Sinne einer Gleitführung zusammen. Der untere
Abschnitt der Hülse 83 ist in einem sich an die Radialschul
ter 88 nach unten anschließenden Bereich 90 der Ausnehmung 84
geführt. Der Bereich 90 ist nach unten durch einen Radialvor
sprung 91 begrenzt.
Bei der in Fig. 15 gezeigten Situation befindet sich das aus
der Strebe 78a mit ihrer Verzahnung 81 und der Hülse 83 mit
ihrer Rastnase 82 gebildete Richtgesperre in seiner Sperr
funktion. Dabei liegt der Flansch 86 mit seiner Oberseite an
einer den Bereich 89 nach oben begrenzenden, nach innen
vorstehenden Radialschulter 92 an. Die Radialschulter 92 wird
von der Unterseite einer Ringscheibe 94 gebildet, die in
einer sich in den Boden 80 öffnenden Ausnehmung 93 einliegt.
Wenn sich wie weiter oben schon im Detail geschildert wurde,
das obere Kerngitter 12 beim Herunterfahren des Reaktors auf
den Kopf 21 beziehungsweise auf die ersten Federelemente 27a
absenkt, wird die Strebe 78a vertikal nach unten bewegt.
Dabei nimmt sie die Hülse 83 in gleicher Richtung solange
mit, bis diese mit ihrer unteren Stirnseite am Radialvor
sprung 91 anliegt. Erst dann kann die Verzahnung 81 eine
andere Raststellung gegenüber der Rastnase 82 einnehmen. Beim
Hochfahren des Reaktors können sich die ersten Federelemente
27a zunächst ungehindert solange ausdehnen, bis der Flansch
86 an der Radialschulter 92 anschlägt. Die Federelemente 27a
weisen daher ebenfalls einen Leerhub auf.
Um die Herstellung der Rastnase 82 zu erleichtern, weist die
Hülse 83 an ihrer der Rastnase gegenüberliegenden Seite einen
Axialschlitz 95 auf. Die Hülse 83 ist so bemessen, dass sich
die Strebe 78a mit ihrer der Sägeverzahnung 81 gegenüberlie
genden Kante 96 in den Axialschlitz 95 hinein erstreckt.
Dieser dient somit auch zur Führung der Strebe 78a bei ihrer
Vertikalbewegung relativ zur Hülse 83.
1
Deckel
2
Reaktordruckbehälter
3
Steuerantrieb
4
Schraube
5
Steuerstabanordnung
6
Deckplatte
7
Rost
8
Flansch
9
Eintritt
10
Austritt
11
Kerngerüst
12
oberes Kerngitter
13
Brennelement
14
Kernbehälter schnitt
15
Druckbehälter-Topf
16
Kernumfassung schnitt
17
unteres Kerngitter
18
Stauplatte
19
Absturzsicherung
20
Fuß
21
Kopf
22
Steuerstabführungsrohr
23
Abstandshalter
24
Brennstab
25
Kopfoberseite
26
Schraubenfeder
27
erstes Federelement
28
zweites Federelement
29
Bolzen
30
erste Hülse
33
zweite Hülse
34
Flansch
35
Anschlagfläche
36
Gewindestutzen
37
Längsabschnitt
38
Schrägschulter
39
Längsabschnitt
40
Rastvorsprung
43
Mittellängsachse
44
Anschlagfläche
45
Längsabschnitt
46
erster Hexagonab
schnitt
47
zweiter Hexagonab
schnitt
48
Einstich
49
Flansch
50
Anschlagfläche
53
Flansch
54
Anschlagfläche
55
Bereich
56
Radialschulter
57
Längsabschnitt
58
Axialschlitz
59
Federklinke
60
Rastnase
63
Expansionsrichtung
64
Kompressionsrichtung
Claims (12)
1. Niederhaltevorrichtung für das Brennelement (13) eines
Druckwasserreaktors, mit einer zwischen der Unterseite
eines oberen Kerngitters (12) und der Oberseite des
Brennelementkopfes (21) wirksamen, mehrere Federelemen
te (27, 28) umfassenden Federanordnung, wobei die Fe
deranordnung wenigstens ein erstes Federelement (27)
umfasst, dessen während des Reaktorbetriebes mögliche
Maximalausdehnung geringer ist als die während des Be
triebs mögliche Maximalausdehnung zweiter Federelemente
(28), wobei die Federanordnung während des Hochfahrens
des Reaktors bei Überschreitung eines Grenzabstandes
zwischen Kerngitter (12) und Kopf (21) ihre Druckkraft
sprunghaft verringert,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung, mit der die Maximalausdehnung des
ersten Federelements (27) während einer Kaltphase des
Reaktors selbsttätig verringert wird.
2. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Maximalausdehnung des ersten Federelements
(27) von einem in Expansionsrichtung (63) wirksamen
Richtgesperre mit mehreren axialen Sperrpositionen be
grenzt ist, wobei das Richtgesperre ein mit dem Feder
element (27) bewegungsgekoppeltes axial bewegliches
Teil und ein dieses in Expansionsrichtung (63) blockie
rendes Teil umfasst.
3. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Richtgesperre einen in Expansionsrichtung (63)
des Federelements (27) wirksamen Leerhub (LH) aufweist.
4. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
gekennzeichnet durch
ein Zahn-Richtgesperre.
5. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zahn-Richtgesperre von einem sägezahnförmige
Rastvorsprünge (40) auf seiner Umfangsfläche aufweisen
den Bolzen (29) und einer diesen verschiebbar umfassen
den ersten Hülse (30) gebildet ist, welche mit radial
nach innen federbeaufschlagten Rastnasen (60) mit den
Rastvorsprüngen (40) zusammenwirkt.
6. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Federelement (27) eine Schraubenfeder
ist, die das Zahn-Richtgesperre umfasst und sich einer
seits an einer Anschlagfläche (35) des Bolzens (29) und
andererseits an einer Anschlagfläche (54) der ersten
Hülse mittel- oder unmittelbar abstützt.
7. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rastelemente am Freiende von Federklinken (59)
angeordnet sind, welche durch Axialschlitze (58) von
einander getrennte Wandabschnitte der ersten Hülse (30)
sind.
8. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
gekennzeichnet durch
eine die erste Hülse (30) umfassende und zwischen einer
ausgefahrenen und einer eingefahrenen Position axial
verschiebbaren zweiten Hülse (33) mit einem als An
schlag für die Schraubenfeder (26) dienenden, an ihrer
dem Bolzen (29) abgewandten Stirnseite angeformten, ra
dial nach außen abstehenden Flansch (49) und mit einer
aus ihrer Innenseite vorstehenden, in der ausgefahrenen
Position an der Anschlagfläche (54) der ersten Hül
se (30) anliegenden Radialschulter (56).
9. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Hülse (33) an dem ihrem Flansch (49)
gegenüberliegenden Ende einen aus ihrer Innenseite vor
stehenden Ringvorsprung (66) aufweist, der in der aus
gefahrenen Position der zweiten Hülse (33) die Rastna
sen (60) umfasst und in einer Lage fixieren, in der sie
mit den Rastvorsprüngen (40) des Bolzens (29) in Ein
griff stehen.
10. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Federelement (27a) eine aus der Obersei
te des Kopfes (21) vorstehende Anordnung von mehreren
geschichteten Blattfedern 74, 75, 76) ist, an deren
Freiende eine sich etwa vertikal erstreckende Strebe
(78a) fixiert ist, welche Bestandteil des Richtgesper
res ist.
11. Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strebe (78a) eine Sägeverzahnung (81) auf
weist, die mit einer innerhalb des Kopfes (21) angeord
neten, in Expansionsrichtung (63) federbeaufschlagten
und zwischen einer ausgefahrenen und einer eingefahre
nen Position etwa vertikal verschiebbaren Rastnase (82)
zusammenwirkt.
12. , Niederhaltevorrichtung nach Anspruch 11
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rastnase (82) von der Innenseite einer Hülse
(83) vorsteht, welche in einer Ausnehmung (84) einer
Seitenwand (85) des Kopfes (21) etwa vertikal beweglich
gelagert ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10210872A DE10210872C1 (de) | 2002-03-12 | 2002-03-12 | Niederhaltevorrichtung für das Brennelement eines Druckwassereaktors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10210872A DE10210872C1 (de) | 2002-03-12 | 2002-03-12 | Niederhaltevorrichtung für das Brennelement eines Druckwassereaktors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10210872C1 true DE10210872C1 (de) | 2003-07-31 |
Family
ID=7714081
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10210872A Expired - Fee Related DE10210872C1 (de) | 2002-03-12 | 2002-03-12 | Niederhaltevorrichtung für das Brennelement eines Druckwassereaktors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10210872C1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009002131B3 (de) * | 2009-04-02 | 2010-09-02 | Areva Np Gmbh | Federbein für ein Brennelement eines Kernreaktors |
CN114215833A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-22 | 中国核动力研究设计院 | 一种消除扭矩且均匀承载的导向管连接结构及燃料组件 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19854870A1 (de) * | 1997-11-28 | 1999-06-10 | Framatome Sa | Vorrichtung zum Halten einer Brennelementkassette in dem Kern eines Kernreaktors |
-
2002
- 2002-03-12 DE DE10210872A patent/DE10210872C1/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114215833A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-22 | 中国核动力研究设计院 | 一种消除扭矩且均匀承载的导向管连接结构及燃料组件 |
CN114215833B (zh) * | 2021-11-18 | 2023-01-03 | 中国核动力研究设计院 | 一种消除扭矩且均匀承载的导向管连接结构及燃料组件 |
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