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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Führungseinrichtung für
ein Steuerstabbündel eines Kernreaktors. Eine besonders wichtige
Anwendung der Erfindung liegt im Bereich von
Druckwasserreaktoren und, unter diesen, im Bereich von thermischen Reaktoren
oder Reaktoren mit variabler Moderierung.
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In den derzeitigen Druckwasserreaktoren wird die Reaktivität
insbesondere mit Hilfe von Steuerstabbündeln gesteuert, die
jeweils mehrere in einer Spinne aufgehangene Stäbe aufweisen,
wobei die Spinne von einer vertikalen Steuerstange zur Steuerung
des Bündels getragen wird, die es ermöglicht, das Bündel
zwischen einer unteren Stellung, wo es ungefähr vollständig in den
Reaktorkern eingetaucht ist, una einer oberen Stellung zu
bewegen, in der sich das Bündel in den oberen inneren Einrichtungen
des Reaktors befindet.
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Die Stäbe werden im Kern von in den Brennelementkassetten
vorgesehenen Führungsrohren geführt. Oberhalb des Kerns müssen
diese sehr langen und dünnen Stäbe in den oberen inneren
Einrichtungen von einer Einrichtung geführt werden, die
üblicherweise umfaßt: eine rohrförmige Hülle, die an ihrem
oberen Teil mit einer Verschlußplatte versehen ist, die eine
Durchgangsöffnung für die Steuerstange aufweist; horizontale
Führungsplatten, die entlang der Hülle verteilt sind und so
ausgeschnitten sind, daß sie der Spinne einen Durchgang
ermöglichen und die Stäbe führen; Mittel zur ständigen Führung der
Stäbe in dem unteren Teil der Hülle, die aus Führungsrohren für
die einzelnen Stäbe bestehen, und gegebenenfalls Führungshülsen
für Faare von Stäben, die jeweils einen hinreichend breiten
Schlitz aufweisen, um einem Arm der Spinne Durchgang zu
verschaffen, in den Abständen zwischen den niedrigsten Platten und
die dazu bestimmt sind, die Stäbe der Wirkung des turbulenten
Flusses des Kühlmittels zu entziehen, welches aus dem Kern
austritt und zu den Ausgangsöffnungen des Kühlmittels geführt
wird, mit denen die Hülle versehen ist und die in den Abständen
angeordnet sind, und weiter dazu bestimmt sind, das Knicken der
Stäbe zu vermeiden, wenn das Bündel befreit wird und durch den
Dämpfungszylinder-Effekt der Führungsrohre gebremst fällt.
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Bisher wurde versucht, die Druckgradienten, die in den
vorstehend erwähnten Abständen in horizontaler Richtung auf die
Stäbe wirken, so stark wie möglich zu vermindern, und zwar
ausgehend von der Annahme, daß diese Druckgradienten den Stab
gegen die Ränder des Durchgangsschlitzes für die Spinne drücken
und einen Verschleiß des Stabes verursachen. Um diesen Ausgleich
zu verwirklichen, hat man insbesondere Druckausgleichslöcher in
der Wandung der Führungshülsen angebracht, die Hülsen durch
Gehäuse ersetzt, die ein Druckausgleichsspiel lassen (FR-A-2 54
100) und in den Rändern des Schlitzes bogenförmige Ausschnitte
angebracht, die Ausgleichsöffnungen bilden (FR-A-2 516 691).
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Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß
wenigstens in einigen Reaktortypen die vorherrschende
Verschleißursache der Stäbe und der Platten eine Schwingung der Stäbe ist,
die durch Druckschwankungen innerhalb des Flusses hervorgerufen
werden.
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Um diese Anregung zu verringern, schlägt die Erfindung
insbesondere eine Führungseinrichtung des vorstehend erläuterten Typs
entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 vor.
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Die Öffnungen sind vorteilhafterweise rechteckförmig. Sie enden
nach oben auf der Höhe der querverlaufenden Platten, wodurch
örtliche Umkehrungen der Stromfäden vermieden und
Druckschwankungen vermindert werden.
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Der innere Rand der Hülsen, die zwei von demselben Arm getragene
Stäbe führen, weist vorteilhafterweise ein Profil auf, das die
Durchflußgeschwindigkeit zwischen den Hülsen und somit die
Intensität der Druckschwankungen vermindert. Diese Hülsen weisen
in ihrem oberen Bereich vorteilhafterweise keine
Durchgangsschlitzlöcher für das Kühlmittel auf, um Druckdifferenzen zu
erzeugen, die die am nächsten der Hüllenachse gelegenen Stäbe
beaufschlagen, und um deren Mitnahme durch den Kühlmittelfluß zu
verhindern.
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Die bekannten Führungseinrichtungen umfassen im allgemeinen ein
konisches oder trichterförmiges Führungsorgan, das sich nach
unten öffnet, oberhalb der Verschlußplatte der Hülle angeordnet
ist und dazu vorgesehen ist, die Steuerstange des Bündels beiin
Schließen des Deckels des Reaktordruckgefäßes zu zentrieren. Die
Druckdifferenzen, die während des Betriebs zwischen den beiden
Seiten der Verschlußplatte der Hülle auftreten, rufen einen
turbulenten Fluß in dem ringförmigen Spiel hervor, das zwischen
der Wandung des Lochs der Platte und der Steuerstange besteht.
Dieser je nach Fall aufsteigende oder absteigende turbulente
Fluß ruft Anregungen in der Steuerstange hervor, insbesondere im
Falle eines aufsteigenden Durchflusses, der einem durch das
konische Führungsorgan hervorgerufenen doppelten
Richtungswechsel unterliegt. Diese Anregungen werden auf die Stäbe der
Spinne übertragen. Die sich daraus ergebenden Schwingungen
verursachen einen zusätzlichen Verschleiß des oberen Bereichs
der Stäbe, die gegen die horizontalen Führungsplatten schlagen.
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Die vorliegende Erfindung zielt in zweiter Linie darauf ab, auch
die Schwingungen mit diesem Ursprung, die diese
Verschleißursache bilden, zu verringern. Dazu werden in dem konischen
Führungsorgan erfindungsgemäß mit gleichem Winkelabstand verteilte
schlitzförmige Einlaßöffnungen vorgeschlagen, die
vorteilhafterweise in Längsrichtung orientiert sind und den aufsteigenden
Kühlmittelfluß erleichtern, insbesondere indem sie eine doppelte
Richtungsänderung und eine Beschleunigung vermeiden.
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Die Erfindung wird durch Lesen der Beschreibung, die eine
besondere Ausführungsform betrifft und beispielhaften, nicht
einschränkenden Charakter hat, und des darin vorgenommenen
Vergleichs mit einer Führungseinrichtung nach dem Stand der
Technik besser verstanden. Die Beschreibung bezieht sich auf die
beigefügten Zeichnungen, wobei
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Figur 1 eine bekannte Führungseinrichtung für Steuerstabbündel
in der Seitenansicht sowie die ihr direkt zugeordneten oberen
inneren Einrichtungen in Schnittansicht gemäß einer vertikalen
Schnittebene zeigt,
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Figur 2 ähnlich der Figur 1 eine Seitenansicht einer besonderen
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Führungseinrichtung ist,
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Figur 3 eine Schnlttansicht gemäß einer horizontalen Ebene auf
der Höhe der Linien III-III der Figuren 1 und 2 ist, die im
unteren Bereich einen bekannten Aufbau von Führungsplatten und
-hülsen und im oberen Bereich einen Aufbau einer besonderen
Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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Figuren 4 und 5 Seitenansichten von Hülsen sind, die in einer
erfindungsgemäßen Einrichtung verwendbar sind, wobei die Ansicht
in einer Richtung senkrecht zu der durch die zwei Stäbe, die
mittel der Hülse geführt werden, festgelegten Ebene erfolgt,
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Figur 6 das konische Führungsorgan einer besonderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform im Schnitt gemäß einer vertikalen Ebene
zeigt.
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Der in Figur 1 schematisch dargestellte Teil des Reaktors weist
einen Aufbau auf, der zur Zeit gut bekannt ist. Er wird aus
diesem Grund nur kurz beschrieben.
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Der aus nebeneinanderliegenden Brennelementkassetten aufgebaute
Reaktorkern ist in einem Druckgefäß 10 enthalten, das durch
einen Deckel 12 geschlossen ist. Ein von dem Druckgefäß
getragener Mantel 14 begrenzt bis zu einem unter einer unteren
Platte, die den Reaktorkern trägt, angeordneten Raum einen
ringförmigen Raum für den Abstieg des Kühlmittels, das durch
nicht dargestellte Stutzen zugeleitet wird. Das Kühlmittel
steigt anschließend wieder durch den Reaktorkern und verläßt
diesen durch Öffnungen, die in einer Reaktorkernplatte 16
angeordnet sind, die Teil der inneren oberen Einrichtungen des
Reaktors ist.
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Die inneren Einrichtungen umfassen ebenfalls eine von dem
Druckgefäß getragene Trägerplatte 18, die mittels nicht
dargestellten Befestigungsstützen und Führungseinrichtungen 20, die
jeweils zur Aufnahme eines Steuerstabbündels vorgesehen sind,
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mit der Reaktorkernplatte verbunden ist. Die Bündel bestehen aus
mehreren langgestreckten Stäben, die neutronenabsorbierendes
Material enthalten, bezeichnet z. B. mit dem Bezugszeichen 24,
und die in einer Spinne aufgehangen sind, deren Knauf an einer
Steuerstange 22 befestigt ist.
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Jede Einrichtung 20 umfaßt zwischen den Platten 16 und 18 eine
rohrförmige Hülle 24 mit etwa quadratischem Querschnitt und
oberhalb der Trägerplatte 18 eine Verlängerung, die mit einer
Verschluß- oder Aufnahmeplatte 25 versehen ist, die ein
Durchgangsloch für die Steuerstange 22 aufweist. Horizontale
Führungsplatten 26 sind in gleichmäßigen Abstand entlang der
Hülle 24 verteilt. Sie sind mittels äußeren Vorsprüngen dieser
Platten, die in Ausbuchtungen der Hülle 24 eingesteckt und im
allgemeinen dort verschweißt sind, an der Hülle befestigt.
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Die an dem oberen Abschnitt der Hülle 24 befindlichen Platten
26, deren Anzahl in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform
sechs beträgt, weisen einen derartigen inneren Ausschnitt auf,
daß die Platten die Stäbe führen und einen Durchlaß für die Arme
der Spinne lassen. Die Stäbe werden somit nicht durchgehend und
in Abständen, die der Entfernung zwischen den Platten 26
entsprechen, geführt.
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Die inneren Platten, deren Anzahl in der in Figur 1 gezeigten
Ausführungsform vier beträgt, sind untereinander und mit dem Fuß
28 der Hülle 24 mittels durchgehenden Führungsmitteln verbunden
und sind mit der Hülle verschweißt. Wie die Figur 3 zeigt,
umfassen diese Führungsmittel geschlitzte Rohre 30, die jeweils
zur Aufnahme eines Stabes wie dem bei 32 schematisch
dargestellten vorgesehen sind, sowie Hülsen 34 und 36, die jeweils zum
Führen eines Paares von Stäben vorgesehen sind, die von
demselben Arm der Spinne getragen werden.
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In der Hülle 24 sind in den Bereichen ständiger Führung in
vertikaler Richtung orientierte Öffnungen 38 vorgesehen. Diese
Öffnungen 38 gestatten dem vom Kern kommenden Kühlmittel, in das
durch die Platten 16 und 18 und den Mantel 14 begrenzte
Sammelgefäß durchzulaufen und von dort durch die Stutzen 40 aus
dem Reaktor auszutreten.
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Schließlich umfaßt die Führungseinrichtung ein konisches
Führungsorgan 42, das zum Zentrieren der Steuerstange 22 dient,
wenn man den Deckel 12 auf das Druckgefäß setzt. Im allgemeinen
werden die Drücke auf beiden Seiten der Verschlußplatte 25 nicht
ausgeglichen, was einen turbulenten Fluß in dem ringförmigen
Spiel zwischen der Wandung des Lochs der Platte und der Stange
22 hervorruft. Dieser Durchlauf kann aufsteigend oder absteigend
sein. Wenn er autsteigend ist, stellt er einen Strahl dar, der,
bevor er sich zerstreut, einer doppelten Umkehr unterliegt wie
sle durch die gestrichelten Pfeile f in Figur 6 angedeutet ist.
Die Turbulenz eines derartigen Flusses ruft erhebliche
Anregungen der Steuerstange hervor, die sich über die Spinne
audie Stäbe übertragen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung, deren Aufbau In Figur 2
gezeigt ist, gestattet es, die auf den Schwingungen der Stäbe
beruhenden Verschleißerscheinungen beträchtlich zu vermindern.
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Die Einrichtung der Figur 2, in der die den Elementen der Figur
1 entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen gefolgt von
dem Zusatz a tragen, kann in vielen Fällen diejenige der Figur 1
in existierenden Reaktoren ersetzen. Sie umfaßt noch eine Hülle
20a, an der horizontale Führungsplatten 26a befestigt sind. Die
vier inneren Platten 26a und der Fuß 28a der Einrichtung sind
noch mittels durchgehender Führungsmittel, die aus Rohren 30a
und Hülsen 34a und 36a (im oberen Abschnitt der Figur 3)
bestehen, die die Platten durchqueren, miteinander verbunden und
mit der Hülle 24a verschweißt.
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Wie Figur 2 zeigt, sind die Öffnungen 38a etwa rechteckförmig
und befinden sich gerade unterhalb der Platten 26a des
durchgehenden Führungsbereichs. In dem in Figur 2 gezeigten
besonderen Fall reicht jede Öffnung 38a bis an die darüber
befindliche Platte 26a.
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Um den Durchfluß, der zwischen den übereinanderliegenden
Öffnungen 38a austritt, besser verteilen zu können, werden die drei
am höchsten liegenden Platten des durchgehenden Führungsbereichs
so ausgebildet, daß sie einen Querschnitt zum Durchgang des
Kühlmittels aufweisen, der geringer ist, als der
Durchgangsquerschnitt der untersten Platte. Dazu kann der innere Umfang der
drei oberen Platten den im oberen Abschnitt der Figur 3
gezeigten Querschnitt aufweisen, während die unterste Platte den im
unteren Abschnitt der Figur 3 gezeigten gewohnten Querschnitt
behält. Man erkennt, daß der Durchgangsquerschnitt durch die
Verlängerung der Platte entlang der vier Hülsen 34a, die unter
einem Winkel von 90º zueinander angeordnet sind, zum Innern hin
verringert ist.
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Um die Durchflußgeschwindigkeit zwischen den Hülsen und die
Druckschwankungen zu vermindern, ist der innere Rand der Hülsen
vorteilhafterweise in radialer Richtung abgerundet, wie es in
Figur 3 gezeigt ist.
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Um einen Differenzdruck zu erzeugen, der die Stäbe gegen die
Wandung drückt stellt jedes der geschlitzten Rohre eine Wandung
dar, die keine Öffnung außer dem Schlitz aufweist. Die Hülsen
34a weisen außer drei orientierten Schlitzlöchern 44 (Figur 5)
kein Schlitzloch in ihrem oberen Bereich oberhalb der zweiten
Platte auf. Die Hülsen 36a umfassen auch nur in ihrem unteren
Bereich Schlitzlöcher 46. Diese Schlitzlöcher können in dem
niedrigen Bereich der Hülsen und in der Nähe ihrer Schlitze
durch zwei Sätze mit je drei ausgerichteten Löchern 48
vervollständigt werden.
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Alle diese Einrichtungen verringern die Gefahr von Schwingungen,
hervorgerufen durch den Fluß entlang der Stäbe selbst,
beträchtlich.
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Um die durch den Fluß entlang der Steuerstange 22 bewirkten
Schwingungen zu verringern, sind schlitzförmige Öffnungen 50 in
dem konischen Führungsorgan 42 angebracht, um den aufsteigenden
Fluß des Kühlmittels zu erleichtern. Diese Öffnungen 50 können
schlitzförmig, in gleichem Winkelabstand verteilt, in
Längsrichtung orientiert und im oberen Bereich des Führungsorgans
angebracht sein. Der aufsteigende Fluß vollzieht sich somit wie
durch die Pfeile fa in Figur 6 angedeutet. Man kann insbesondere
16 Öffnungen 50 verwenden, von denen in der Figur 6 nur drei
schematisch dargestellt sind.