DE19906356C1 - Brennelement für einen wassergekühlten Kernreaktor - Google Patents

Abstract

Brennelemente für Leichtwasserreaktoren sind üblicherweise aus einem Brennelementskelett und aus Brennstäben aufgebaut und stehen während des Betriebs des Reaktors in einem strömenden Kühlmittel. Das Kühlmittel regt einige der Bauteile der Brennelemente mitunter zu Schwingungen an. Diese Schwingungen werden erfindungsgemäß dadurch gedämpft, daß mindestens ein Teil von Führungsrohren (1) mit einem Bündel aus eng aneinanderliegenden, feinen Profilen (2) gefüllt ist, wobei die Profile (2) bei lateralen Schwingungen der Führungsrohre (1) aneinanderreiben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen wasserge­ kühlten Kernreaktor mit einer Vielzahl von Brennstäben in ei­ nem tragenden Gerüst mit axialen Stütz- und/oder Führungs­ rohren und mit radialen Abstandhaltern.

Brennelemente von Leichtwasserreaktoren sind üblicherweise aus einem Brennelementskelett und Brennstäben aufgebaut. Das Brennelementskelett besteht im allgemeinen aus einem Kopf­ teil, einem Fußteil, aus Abstandshaltern und aus Führungs­ rohren. Im Falle von Siedewasserreaktoren steckt dieses Ske­ lett lose in einem Brennelementkasten. Die Führungsrohre oder auch der Brennelementkasten dienen dazu, die übrigen Struk­ turteile in ihrer axialen Position zu fixieren.

In den Stütz- und/oder Führungsrohren befinden sich beim Druckwasserreaktor entweder Neutronenquellen oder Meßsysteme, beispielsweise zur Messung der Neutronenflüßdichte, der Gammastrahlung oder der Temperatur. In einigen Reaktoren sind auch Absorberstäbe in diese Führungsstäbe eingesetzt. Beim Druckwasserreaktor werden zur Abschaltung und Steuerung des Reaktors in die Führungsrohre an Steuerelementpositionen Steuerstabfinger eingeführt. In Führungsrohre, die für keines der obengenannten Systeme benutzt werden, sind von oben rela­ tiv kurze Drosselfinger eingesetzt. Diese Drosselfinger haben die Aufgabe, die Bypass-Strömung durch diese Führungsrohre auf ein notwendiges Mindestmaß zu reduzieren. Trotz der Vielzahl von Nebenaufgaben, die die Führungsrohre haben, ist die Mehr­ zahl der Führungsrohre der Druckwasserreaktoren lediglich mit derartigen Drosselkörpern bestückt.

Im Siedewasserreaktor sind bei manchen Brennelementauslegun­ gen die Brennelemente mit Wasserstäben versehen. Diese von Rohren dargestellten Wasserstäbe ersetzen einzelne Brennstäbe und dienen zur Erhöhung der Moderation.

Die Brennelemente als Ganzes oder die einzelnen Brennstäbe im Brennelement können in lateraler Richtung durch Wechselwir­ kung mit der Strömung des Kühlmittels zu Schwingungen ange­ regt werden. Die Brennstäbe eines Brennelements werden in Maschen eines gitterförmigen Abstandhalters mittels Federn, Noppen oder ähnlichen Distanzelementen gehalten, die die Vi­ brationen der einzelnen Brennstäbe dämpfen und z. B. in US 4,844,861 oder DE 196 36 263 A1 beschrieben sind. Hierbei ist diese Verbindung zwischen den Abstandshaltern und den Brennstäben mechanischen Stoß- und Reibvorgängen ausgesetzt. Diese Vorgänge können zu einer Beschädigung der Brennstäbe und/oder der Abstandshalter führen. Solche Reib- und Stoßpro­ zesse können auch zwischen nebeneinander stehenden Brennele­ menten auftreten und zu einer Beschädigung der Abstandhalter oder der Brennelementkästen führen.

Die mechanischen Eigenschaften des Systems mehrerer oder ein­ zelner Brennelemente sind beim Einsatz im Reaktor darüber hinaus zeitabhängig. Bedingt durch die Neutronenfluenz ändern sich die Werkstoffeigenschaften. Je nach Betrieb und Reaktor­ art kann sich dadurch auch der Dampfblasengehalt und die Was­ sertemperatur sowohl zeitlich als auch räumlich ändern.

Die vorbeschriebenen Einflüsse verändern vor allem auch die Eigenfrequenz der Brennelemente insgesamt sowie von deren einzelnen Bauteilen, wobei in Einzelfällen Beschädigungen be­ obachtet worden sind.

Zur Stabilisierung von Brennelementen ist es aus der DE 44 22 032 A1 schon bekannt, einige Brennstäbe im Brennele­ ment durch Stützstäbe zu ersetzen, die durch Versteifung des Brennelementskeletts Schwingungen desselben unterdrücken. Zwar wird dieses Ziel weitgehend erreicht, aber auch durch diese Maßnahmen sind Schwingungen nicht ganz auszuschließen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Schwingungen eines Brennelements durch Vernichtung von Bewegungsenergie zu dämpfen und dadurch die Stoß- und Reibbelastung der Bauteile des Brennelements in einem breiten Band von Reaktorzuständen und von mechanischen Randbedingungen zu verkleinern.

Diese Aufgabe wird für ein Brennelement der eingangs genann­ ten Art dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil der Stütz- und/oder Führungsrohre mit einem Bündel aus eng aneinander­ liegenden, langgestreckten, feinen Profilen gefüllt ist, wo­ bei die Profile bei lateralen Schwingungen der Stütz- und/oder Führungsrohre aneinander reiben.

Gemäß zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind je Stütz- und/oder Führungsrohr mehrere aneinanderliegende Bün­ del aus jeweils bis zu einigen 100 langgestreckten Profilen vorgesehen, oder die Bündel haben polygonale Querschnitte und liegen flächig aneinander. Andere Weiterbildungen der Erfin­ dung bestehen darin, daß jedes Bündel für sich allein durch Bandagen zusammengehalten ist, daß jedes Bündel für sich al­ lein in ein Hüllrohr bzw. einen Schrumpfschlauch eingezogen ist, oder daß miteinander verflochtene Teilbündel ein Bündel bilden.

Nach vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung, haben die Profile selbst einen runden, ovalen, rechteckigen oder poly­ gonalen Querschnitt und sind entweder massiv oder hohl. Dabei sind in einigen Fällen unterschiedliche Profile in einem Bün­ del zusammengefaßt.

Unter anderem auch zur Einstellung bestimmter Eigenfrequen­ zen sind erfindungsgemäße Bündel an mindestens einer Knoten­ stelle in lateraler Richtung starr gekoppelt. Dabei sind diese Knotenstellen vorzugsweise durch eine Schweiß- oder Hartlotverbindung oder durch Querbolzen im Bündel gebildet.

Die erfindungsgemäßen Profile sind vorteilhaft aus Werkstoff mit geringer Neutronenabsorption, vorzugsweise aus Zircaloy, hergestellt.

Erfindungsgemäß aufgebaute Brennelemente für wassergekühlte Kernreaktoren sind sehr vorteilhaft, weil sie zum einen auf­ grund dieses Aufbaus keine ausgeprägten Eigenfrequenzen haben und weil sie darüber hinaus von außen aufgeprägte Schwingun­ gen so stark dämpfen, daß diese keine Schäden verursachen kön­ nen.

Zwei Ausführungsbeispiele für Füllungen von erfindungsgemäßen Stütz- und/oder Führungsrohren sind anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Füllung aus im Querschnitt runden Profilen, und

Fig. 2 eine Füllung mit einem Bündel aus blechartigen Pro­ filen in jeweils starker Vergrößerung.

Einander entsprechende Bauteile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Stütz- und/oder Führungsrohr 1 mit ca. 10 mm Außendurch­ messer, beispielsweise aus Stahl oder Zirkaloy, umhüllt ein Bündel aus feinen Profilen 2. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 besteht dieses Bündel aus sieben untereinander gleichen Profilen 2 mit einem kreisrunden oder kreisringförmigen Quer­ schnitt. Damit die Profile 2 bei lateralen Schwingungen des Stütz- und/oder Führungsrohres 1 eine große Wirkung haben, liegen sie eng aneinander und sind aus einem Schwermetall hergestellt. Das Stütz- oder Führungsrohr 1 verbiegt sich beim Auftreten von Schwingungen geringfügig, so daß die Pro­ file 2 gegeneinander kleine Axialbewegungen ausführen. Dabei reiben sie aneinander und verbrauchen dadurch aus den Schwin­ gungen abgeleitete Bewegungsenergie, so daß die Schwingungen gedämpft sind. Da die Profile 2 aus einem Schwermetall beste­ hen, bewirken sie gleichzeitig eine Dämmwirkung von Schwin­ gungen des von ihnen gefüllten Stütz- und Führungsrohres 1.

Zur Feinabstimmung der dämpfenden und dämmenden Wirkung der Profile 2 sind häufig auch hohle Profile 2 oder Profile 2 mit kleineren Querschnitten erforderlich. Zur Variation des Ver­ hältnisses der dämpfenden zur dämmenden Wirkung sind mitunter auch Profile mit ovalen, rechteckigen oder polygonalen Quer­ schnitten erforderlich, wobei u. U. auch das Stütz- und/oder Führungsrohr 1 selbst einen nicht dargestellten polygonalen Querschnitt aufweist. Eine gute Dämpfung wird auch erreicht durch zu einem oder mehreren Bündeln verflochtene Profile 2 je Stütz- und/oder Führungsrohr 1.

Zur Erzielung einer größeren Steifigkeit eines Bündels aus Profilen 2 sind diese an einem oder mehreren Knoten in late­ raler Richtung starr miteinander verbunden. Hierbei bewähren sich vor allem Schweiß- und Hartlotverbindungen.

Ein Sonderfall eines erfindungsgemäß gestalteten Brennele­ ments ist in Fig. 2 dargestellt, wobei nur ein Bündel aus im Querschnitt rechteckigen Profilen 2 eingesetzt ist. Die an­ einanderliegenden Profile 2 unterschiedlicher Breite bilden gemeinsam ein der Querschnittsform des Stütz- und/oder Füh­ rungsrohres 2 angepaßtes Polygon und sind an einem oder meh­ reren Knoten durch einen oder mehrere Niete 3 fest miteinan­ der verbunden. Diese Ausführung ist vor allem deshalb ein Sonderfall, weil die Biegesteifigkeit des Bündels um eine Querachse wesentlich größer ist als um die um 90° hiergegen verschwenkte Querachse.

Claims (13)

1. Brennelement für einen wassergekühlten Kernreaktor mit einer Vielzahl von Brennstäben in einem tragenden Gerüst mit axialen Stütz- und/oder Führungsrohren (1) und mit radialen Abstandhaltern, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Teil der Stütz- und/oder Führungsrohre (1) mit einem Bündel aus eng aneinanderliegenden, langgestreck­ ten, feinen Profilen (2) gefüllt ist und daß die Profile (2) bei lateralen Schwingungen der Stütz- und/oder Füh­ rungsrohre (1) aneinander reiben.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Stütz- und Führungsrohr (1) mehrere aneinanderliegende Bündel aus jeweils bis zu einigen 100 langgestreckten Profilen (2) vorgesehen sind.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündel polygonale Querschnitte haben und flächig anein­ anderliegen.

4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bündel für sich alleine durch Bandagen zusammengehalten ist.

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bündel für sich allein in ein Hüllrohr bzw. einen Schrumpfschlauch eingezogen ist.

6. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit­ einander verflochtene Teilbündel ein Bündel bilden.

7. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile (2) selbst einen runden, ovalen, rechteckigen oder polygonalen Querschnitt haben.

8. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile (2) hohl sind.

9. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unter­ schiedliche Profile (2) in einem Bündel zusammengefaßt sind.

10. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile (2) von mindestens einem Bündel an mindestens ei­ ner Knotenstelle in lateraler Richtung starr miteinander gekoppelt sind.

11. Brennelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Knotenstelle durch eine Schweiß- oder Hartlotverbindung gebildet ist.

12. Brennelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Knotenstelle durch Querbolzen (3) gebildet ist.

13. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile (2) aus Werkstoff mit geringer Neutronenabsorp­ tion, vorzugsweise aus Zirkaloy, bestehen.