DE2542757B2 - Einrichtung zur aufnahme der beim betrieb eines kernreaktors an den brennelementen auftretenden axialkraefte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufnahme der durch Kühlmittelstrom und Wärmedehnung hervorgerufenen Axialkräfte, die an stabförmige Brennstäbe enthallenden Brennelementen während des Leistungsbetriebes eines Kernreaktors auftreten, wobei die Brennelemente auf einer unteren Gitterplatte stehen und gegenüber einer oberen Gitterplatte durch Federn abgestützt sind.

Diese Brennelemente sind normalerweise dicht an dicht gepackt und werden vom Strom des Kühlmittels, das flüssig oder gasförmig sein kann, in Längsrichtung von unten nach oben durchströmt. Die Strömung kann nun die Brennelemente bzw. die Brennstäbe innerhalb derselben so beanspruchen, daß es zu Aufschaukeln von Schwingungen kommen kann. Wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten der am Kernaufbau beteiligten Werkstoffe ist ein festes Einspannen der Brennelemente zwischen den zum Kerngerüst gehören- t>o den oberen und unteren Gitterplatten nicht möglich. Es wurde daher schon vorgeschlagen (OS 21 40170), zwischen jedem Brennelement und einer der beiden Gitterplatten ein federndes Spannelement anzuordnen, das die Brennelemente gegen die gegenüberliegende h% Gitterplatte drückt Diese Anordnung hat den Nachteil, daß das Spannelement mit seinen Druckfedern im Strömungsbreich des Kühlmittels liegt und zu einem unerwünschten Druckabfall führt, der bei größeren Leistungesreaktoren erhebliche Ausmaße annimmt. Der Eingangsdruck des Kühlmittels muß somit erhöht werden, was gleichbedeutend ist mit einer Wirkungsgradsenkung der Reaktoranlage.

In der OS 20 23 587, die sich auf die mechanische Befestigung der Steuerstabführungsrohre bezieht, wird gemäß Fig. 1 ein Brennelement beschrieben, an dessen Brennelementkopf Blattfedern 19 befestigt sind. Wie aus Seite 3, Zeile 30—31 dieser Schrift hervorgeht, sollen die Federn eine Aufwärtsbewegung des Brennelementkopfes verhindern. In der Fig. 1 ist nur ein Blattfederbündel offenbart, so daß angenommen werden muß, daß diese Federn das Zentrum eines Brennelementes überspannen, um ein Verkanten desselben zu verhindern. Somit weist auch diese Anordnung den Nachteil auf, daß die Federn im Strömungsbereich des Kühlmittels liegen und einen unerwünschten Druckabfall herbeiführen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß Blattfedern nur für kleine Federwege geeignet sind und somit nicht in der Lage sind, eine große axiale Last in Verbindung mit einem großen Federweg aufzunehmen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, die Brennelemente einfach, sicher und vibrationsfrei zu halten, ohne daß der Strömungswiderstand für das Kühlmittel erhöht wird.

Eine ähnliche Aufgabe wurde in der GB-PS 9 00 078 bereits gestellt. Diese Schrift bezieht sich auf eine aus mehreren übereinander gestapelten Brennelementen bestehende Brennelementsäule eines gasgekühlten Reaktors, die in einem Kanal angeordnet ist. Dabei werden mit den einzelnen Brennelementen verbundene Bimetallelemente 6 je nach der Höhe der Temperatur des Kühlmittels mehr oder weniger an die Kanalwände gedrückt, um einmal eine Zentrierung der Brennelemente in dem Kanal zu erreichen und zum anderen Vibrationen der Brennelemente zu vermeiden. Derartige Elemente sind jedoch für Brennelemente, die auf einer unteren Gitterplatte stehen und gegenüber einer oberen Gitterplatte federnd abgestützt werden sollen, nicht einsetzbar, da hierbei nicht radial gegen Kanalwände abgestützt werden kann, sondern vertikal gegen die obere Gitterplatte abgestützt werden muß, um auch größere axiale Kräfte aufnehmen zu können.

Dagegen besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß kombinierte Biege- und Torsionsfedern mit einem Biegearm im oberen Brennelementendstück gelagert sind, mit einem weiteren Biegearm gegen Vorsprünge der Gitterplatte drücken und die Federkraft der Biegearme durch den mittels Druckstücken niedergehaltenen Torsionsteil unterstützt wird.

Der technische Fortschritt gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik ist darin zu sehen, daß die hohen, durch Kühlmittelströmung und Wärmedehnung hervorgerufenen Axialkräfte beim Betrieb eines Kernreaktors aufgenommen werden, ohne daß der Durchfluß des Kühlmittels durch die Brennelement-Abfederung gebremst wird. Weiterhin sind die kombinierten Biege- und Torsionsfedern ein voller Ersatz für Druckfedern, da sie ebenfalls in der Lage sind, eine große axiale Kraft in Verbindung mit einem großen Federweg aufzunehmen. Ein Vibrieren der Abstützfedern, das ein großes Problem bei Druckfedern darstellt, tritt bei der kombinierten Biege- und Torsionsfeder nicht auf. Die Verschraubungen der Brennelementstücke mit den Führungsrohren der Kernreaktorregelstäbe sind bei Brennelement-Reparaturen jetzt ebenfalls besser zugänglich. Weiterhin können bereits bei der Vormontage

die Federn in die Brennelementendstücke eingebaut werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der !Erfindung sind aus den kennzeichnenden Teilen dtr Ansprüche 2 — 6 zu ersehen.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Reaktordruckbehälters im Längsschnitt,

F i g. 2 - 5 Ausbildung der erfindungsgemäßen Feder,

F i g. 6 eine eriindungsgemäße Anordnung der Feder nach Fig. 2 in einem in Draufsicht dargestellten Brennelementendstück,

F i g. 7 eine Ansicht in Pfeilrichtung »A« der F i g. 6,

F i g. 8 einen Schnitt entlang der Linie A-A der F i g. 6,

Fig.9 eine Teilansicht in Pfeil.ichtung »ß« der Fig. 1.

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie B-B der F i g. 9.

F i g. 11 eine besondere Ausbildung des Brennelementendstückes in einem Schnitt entlang der Linie C-C der Fig.6.

In Fig. 1 ist ein Reaktordruckbehälter 1 im Längsschnitt schematisch dargestellt. Mit 2 ist das Kerngerüst bezeichnet innerhalb dessen die aus stabförmigen Brennstäben bestehenden Brennelemente 3 angeordnet sind. Die den Reaktorkern bildenden Brennelemente 3 stehen auf der unteren Gitterplatte 4 und sind von einer Kernumfassung 5 umgeben, Gegenüber den Vorsprüngen 6 der an einem Tragzylinder 8 befestigten oberen Gitterplatte 7 sind die Brennelemente zur Kompensierung der beim Betrieb eines Kernreaktors auftretenden mechanischen Schwingungen und Wärmedehnungen federnd abgestützt. Kombinierte Biege- und Torsions'edern, deren Ausbildung und Anordnung in den Fig. 2—11 näher beschrieben werden, überbrücken dabei den Abstand »a« zwischen den Vorsprüngen 6 und dem Brennelementendstück 15. Die Pfeile 9 symbolisieren den Kühlmittelstrom, der den Reaktorkern von unten nach oben durchströmt.

Die in F i g. 2 in einer Draufsicht gezeigte kombinierte Biege- und Torsionsfeder 10 besteht aus einem Biegearm 11, einem Torsionsteil 12 und einem weiteren Biegearm 13, der an seinem Ende um 90° abgebogen ist und mit einer Anstauchung 14 od. dgl. abschließt.

Aus der F i g. 3, die eine Ansicht in Pfeilrichtung »Λ« der Fig. 2 darstellt, ist zu sehen, daß der Biegearm 13 schräg nach oben läuft. Der Biegearm U kann je nach Gegebenheiten des Ei.nsatzortes der Feder verschiedenartig, wie beispielsweise in der strichpunktiert dargestellten Form 11a, abgeboger, werden. Um die Flexibilität des Biegearmes 11 zu erhöhen, kann dieser kegelig (F i g. 4) oder abgestuft (F i g. 5) ausgebildet sein. Die Feder 10 besteht aus Rundmaterial, kann aber auch als Flach-, Vierkantmaterial oder einer Kombination dieser Querschnitte bestehen.

Das in Fig.6 und 7 dargestellte Brennelementendstück 15 besteht aus einem Grundkörper 16 und vier mittels Schraubverbindungen 17 daran befestigten Druckstücken 19. In der Rohrplatte 20 des Grundkörpers 16 sind Bohrungen 21 für die Führungsrohre der Kernreaktorregelstäbe vorgesehen. Eine Feder gemäß der Fig. 2 ist mit ihrem Biegearm 11 in einer

i'i Aussparung 29 der Grundkörperwand 22 und der Torsionsteil 12 ist in einer Aussparung 23 der Wand 24 gelagert. Der zweite Biegearm 13 liegt frei und ist lediglich mit seinem abgebogenen Ende 25 in dem in der Wand 26 angebrachten Schlitz 27 geführt. Der

|5 Biegearm 13 drückt gegen den strichpunktiert dargestellten Vorsprung 6 der Gitterplatte 7. Mindestens ein Druckstück 19 dient als Niederhalter für den Torsionsteil 12. Der Biegearm 11 wird durch die Fläche 35 der Aussparung 29 niedergehalten. Zwischen den Druckstücken 19 wird der Torsionsteil 12 der Feder 10 von einem Schutzblech 34 (Fig. 8) abgedeckt. Dieses Schutzblech soll verhindern, daß bei einem Federbruch Bruchstücke in den Hauptkühlmittelkreislauf gelangen. Dem gleichen Zweck dient die Anstauchung 14 in Verbindung mit dem Schlitz 27. Um eine übersichtliche Darstellung zu gewährleisten, wurde nur eine kombinierte Biege- und Torsionsfeder dargestellt. In der Regel sind in jedem Brennelementendstück vier Federn 10 angeordnet. Wie in der Wand 22 dargestellt, befindet

κι sich also auch in der Wand 24, 26 und 28 ein Biegearm 11, wie in der Wand 24 dargestellt, befindet sich also auch in der Wand 26, 28 und 22 ein Torsionsteil 12 mit einem Schutzblech 34 und wie in der Wand 26 dargestellt, befindet sich also auch in der Wand 28, 22 und 24 ein Schlitz 27 zur Führung des Biegearms 13. Die Federn 10 sind dabei so gebogen, daß eine gegenseitige Behinderung ausgeschlossen ist.

In Fig.9 und 10 ist der Vorteil der Erfindung noch einmal klar zu erkennen. Im Kühlmittel-Durchströmbe-

JH reich 30 treten die Federn zur Kompensierung der Wärmedehnungen, von den unbedeutenden Anstauchungen 14 abgesehen, nicht als Hindernis auf. Aus Gründen der Veinfachung sind in den F i g. 9 und 10 nur die Biegearme 13 gezeigt, die sich gegen die

■'·"> strichpunktiert dargestellten Vorsprünge 6 der Gitterplatte 7 abstützen. Ein Vorsprung 6 wird dabei jeweils von zwei Biegearmen 13 beaufschlagt, die zu nebeneinanderliegenden Brennelementen gehören. Eine besondere Ausbildung der Druckstücke 19, die als Niederhalter für den Torsionsteil 12 der kombinierten Biege- und Torsionfedern dienen, ist in F i g. 11 gemäß einem Schnitt entlang der Linie C-Cder F i g. 6 dargestellt. Der Grundkörper 16 ist hierzu zweiteilig ausgeführt. Das Oberteil 31 und die vier Druckstücke 19 bilden ein Stück.

Mit Schrauben 32 oci. dgl. ist das Oberteil 31 mit dem Unterteil 33 verbunden.

Hierzu 3 E'.att Zeichnuncen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Aufnahme der durch Kühlmittelstrom und Wärmedehnung hervorgerufenen > Axialkräfte, die an stabförmige Brennstäbe enthaltenden Brennelementen während des Leistungsbetriebes eines Kernreaktors auftreten, wobei die Brennelemente auf einer unteren Gitterplatte stehen und gegenüber einer oberen Gitterplatte durch iu Federn abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß kombinierte Biege- und Torsionsfedern (10) mit einem Biegearm (Ii) im oberen Brennelementendstück (15) gelagert sind, mit einem weiteren Biegearm (13) gegen Vorsprünge (6) der Gitterplatte (7) drücken und die Federkraft der Biegearme (11, 13) durch den mittels Druckstücken (19) niedergehaltenen Torsionsteil (12) unterstützt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegearm (U) kegel- oder stufenförmig ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegearm (13) in einen im Brennelementendstück angebrachten Schlitz (27) geführt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsteil im Bereich zwischen den Druckstücken (19) mit einem Schutzblech (34) abgedeckt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstücke (19) mittels Schraubverbindung (17) an dem Brennelementendstück (15) befestigt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Druckstücke (19) und Oberteil (31) einstückig ausgeführt sind und das Oberteil (31) mittels Schraubverbindungen (32) an dem Unterteil (33) befestigt ist.