DE10334580B3 - Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor - Google Patents
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Abstract
Ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor enthält eine Vielzahl von Brennstäben, die in einer Mehrzahl von axial beabstandeten Abstandhaltern (4) geführt sind, die jeweils ein aus Gitterstegen (14¶1-17¶, 16¶1-17¶) aufgebautes quadratisches Gitter mit einer Vielzahl von Maschen (6) bilden, die in Reihen (10) und Spalten (8) angeordnet sind. Durch eine Anzahl dieser Maschen (6) ist jeweils ein Steuerstabführungsrohr (12) hindurchgeführt, wobei der Abstandhalter (4) konstruktiv derart ausgelegt ist, dass bei Überschreiten einer seitlich auf den Abstandhalter (4) wirkenden Grenzkraft eine Verformung ausschließlich in einem Bereich des Abstandhalters (4) beginnt, der sich außerhalb eines die Steuerstabführungsrohre (12) enthaltenden Innenbereiches (18) befindet.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor, wie es beispielsweise aus der
DE 196 35 927 C1 bekannt ist. - Ein solches Brennelement ist exemplarisch in
5 veranschaulicht. Bei einem solchen Brennelement sind eine Vielzahl von Brennstäben2 in Stabrichtung (axial) parallel zueinander durch mehrere, voneinander axial beabstandete Abstandhalter4 geführt, die jeweils ein zweidimensionales Gitter mit einer Mehrzahl von Maschen6 bilden, die in Spalten8 und Reihen10 angeordnet sind. Durch die Maschen6 dieses Gitters sind außer den Brennstäben auch an ausgewählten Positionen Stützrohre hindurch geführt, die keinen Brennstoff enthalten und zur Aufnahme und zum Führen von Steuerstäben (sog. Steuerstabführungsrohre12 ) vorgesehen sind. Außerdem können noch Stützrohre vorhanden sein, die ebenfalls keinen Brennstoff enthalten und lediglich zur Erhöhung der Stabilität dienen (Instrumentierungsrohre oder Strukturrohre, im beispielhaft dargestellten Brennelement2 sind weder Instrumentierungsrohre noch Strukturrohre vorgesehen). Diese Stützrohre sind anders als die Brennstäbe in den Maschen6 mit den Abstandhaltern4 verschweißt, so dass ihre stabilisierende Wirkung über die gesamte Einsatzdauer des Brennelements2 gewährleistet ist. - Während des Betriebs wirken auf die Brennelemente Kräfte, die zu einer Durchbiegung der Brennelemente führen können. Um eine solche Durchbiegung zu vermeiden oder zu begrenzen, ohne die Neutronenökonomie wesentlich zu verschlechtern, ist es aus der
US 4,325,786 bekannt, Abstandhalter zu verwenden, bei denen ein Teil der Gitterstreben aus Stahl besteht. - Bei hypothetischen äußeren Störfällen, beispielsweise bei einem Erdbeben oder bei einem Kühlmittelverlust mit großem Bruch (LOCA – Loss Of Coolant Accident) können die Abstandhalter durch die benachbarten Brennelemente eine erhebliche Stoßbelastung erfahren. Die dabei auftretenden dauerhaften Verformungen, die sich in der Regel als Ausknicken einzelner Reihen oder Spalten bemerkbar machen, dürfen zulässige Höchstwerte nicht überschreiten, um zu gewährleisten, dass die Steuerstäbe weiterhin in die Steuerstabführungsrohre eingeführt werden können, um so einen sicheren Weiterbetrieb oder ein sicheres Abschalten der Anlage zu ermöglichen. Während plastische Deformationen im begrenzten Umfang prinzipiell erlaubt sind, muss demzufolge ein größeres Ausbeulen, das zu einem signifikantem Versatz der im Brennelement angeordneten Steuerstabführungsrohre führt, vermieden werden. Hierzu ist es beispielsweise aus der
US 5,307,392 bekannt, die Randstege der Abstandhalter mit nach außen vorspringenden Ausformungen zu versehen, die Querkräfte abtragen, bevor sich diese auf die innenliegenden Gitterstege auswirken. - Die Abstandhalter werden demnach so ausgelegt, daß die zu erwartenden Stoßbelastungen nicht zu einem größerem Ausbeulen oder Ausknicken des Abstandhalters führen. In der Praxis wird als Entwicklungsziel eine Beulfestigkeit für frische, unbestrahlte Abstandhalter (BOL (= Begin Of Life)-Abstandhalter) von ca. 20 kN angestrebt. Damit ist für BOL-Abstandhalter, die im Rahmen eines Störfalles (Erdbeben, LOCA) auftretende Stoßbelastung (flächig wirkende Querkraft) abtragbar, so lange diese kleiner als 20 kN ist.
- Dennoch können insbesondere bei Abstandhaltern, die längere Zeit im Einsatz waren und am Ende ihrer Einsatzzeit (EOL = End Of Life) angelangt sind, in ungünstigen Situationen Kräfte auftreten, die größer sind als deren Beulfestigkeit, da diese im Vergleich zu neuen Abstandhaltern deutlich reduziert sein kann. Diese Verringerung der Beulfestigkeit ist dabei vorn jeweiligen Abstandhaltertyp abhängig und kann mehr als 50 bis 60 % betragen.
- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor anzugeben, bei dem auch nach der Einwirkung von Querkräften, die die Beulfestigkeit der Abstandhalter überschreiten, d. h. nach erfolgter irreversibler plastischer Verformung, die Einführbarkeit der Steuerstäbe gegenüber den bekannten Brennelementen verbessert ist.
- Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Brennelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen ist bei einem Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor, das eine Vielzahl von Brennstäben enthält, die in einer Mehrzahl von axial beabstandeten Abstandhaltern geführt sind, die jeweils ein quadratisches Gitter mit einer Vielzahl von in Reihen und Spalten angeordneten Maschen bilden und bei dem durch eine Anzahl dieser Maschen jeweils ein Stützrohr (Steuerstabführungsrohr oder Strukturrohr) hindurchgeführt ist, vorgesehen, dass der Abstandhalter konstruktiv derart ausgelegt ist, dass bei Überschreiten einer seitlich auf den Abstandhalter wirkenden Grenzkraft eine Verformung ausschließlich, d. h. systembedingt durch die mechanische Konstruktion (systematisch) immer in einem Bereich des Abstandhalters beginnt, dessen Maschen sich außerhalb eines die Steuerstabführungsrohre enthaltenden Innenbereiches befinden.
- Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass der Innenbereich auch bei Überschreiten der Beulgrenze keine bzw. eine allenfalls vernachlässigbare Verformung aufweist, so dass die ausschließlich in diesem Innenbereich befindlichen Steuerstabführungsrohre ihre Relativpositionen auch bei verformten Abstandhalter beibehalten und die Beweglichkeit der Steuerstäbe verbessert ist.
- Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass durch gezieltes Herbeiführen des Einsetzens der Verformung (Ausbeulen oder Ausknicken) am Rand des Abstandhalters eine Integrität des für die Beweglichkeit der Steuerstäbe sensiblen Innenbereiches auch bei fortschreitender Verformung gewährleistet ist, da die plastische Deformation zunächst nur in den Bereichen fortschreitet, in denen sie beginnt.
-
6 und7 zeigen nun jeweils in einer schematischen Darstellung einen üblichen Abstandhalter4a , im Beispiel ein Abstandhalter mit 17 × 17 Maschen6 , auf dessen gegenüberliegende Seitenkanten eine Presskraft F senkrecht zu den Reihen10 (parallel zu den Spalten8 ) ausgeübt worden ist, die oberhalb der Knick- oder Beulgrenze Fkrit liegt. Für die entsprechenden Laborversuche wurden in den Abstandshalter4 an den Positionen Pa, an denen sich im Brennelement Steuerstabführungsrohre12 befinden, Stützrohrabschnitte eingeschweißt, die beidseitig etwa 10mm über den Abstandhalter4 überstehen. Um die EOL-Beulfestigkeit beurteilen zu können, wurde der Abstandhalter4 entweder thermisch relaxiert und jede stützrohrfreie Masche6 mit Abschnitten von Brennstabhüllrohren besetzt, die zu dem jeweiligen Abstandhaltertyp gehören, oder es wurden anstelle der für diesen Abstandhaltertyp normalerweise vorgesehenen Hüllrohrabschnitte Rohrabschnitte mit geringfügig kleinerem Auflendurchmesser eingesetzt, um auf diese Weise das Relaxieren des Abstandhalters4 zu simulieren. Auch die eingesetzten Hüllrohrabschnitte stehen über den Abstandhalter4 vor und simulieren die bei komplett konfigurierten Brennelement in den nicht von Steuerstabführungsrohren durchsetzten Maschen federnd gelagerten Brennstäbe. - In
6 ist nun beispielhaft zu erkennen, dass bei Erreichen der Beulgrenze Fkrit ein schubartiges Ausbeulen oder Ausknicken von zwei mittleren Reihen1010 ,1011 erfolgt. Eine Erhöhung der Querkraft F kann zu einem Ausknicken weiterer Reihen101 ,102 ,107 ,108 ,1016 und1017 führen, wie dies in7 veranschaulicht ist. - Zudem zeigen
6 und7 , dass das Ausbeulen zunächst in den Reihen10 auftritt, die keinen fest mit dem Abstandhalter4 verschweißten Stützrohrabschnitt enthalten (stützrohrfreie Reihe). - Eine ähnliche Situation zeigt sich gemäß
8 bei einem üblichen 16 × 16-Abstandhalter4b , bei dem ebenfalls das Ausbeulen in den stütz- oder steuerstabführungsrohrfreien mittleren Reihen108 ,109 einsetzt. - Die Erfindung beruht nun auf der Beobachtung, dass ein mittiges Ausbeulen weitaus problematischer ist als ein Ausbeulen am Rand, da ersteres zu einem gegenseitigen Versatz der Steuerstabführungsrohre führt, wie es anhand der
6 –8 unschwer zu erkennen ist. - Aufbauend auf dieser Beobachtung geht nun die Erfindung von der Überlegung aus, dass durch gezielte konstruktive Maßnahmen, insbesondere durch eine gezielt schwächere Auslegung der außerhalb des Innenbereiches liegenden Randzonen des Abstandhalters, erreicht werden kann, den Beginn der Verformung systematisch auf diese zu verschieben. Auf diese Weise bleibt die Integrität des Innenbereiches auch bei einsetzender Verformung erhalten.
- Die Maschen des Abstandhalters sind vorzugsweise durch am Rand angeordnete Gitterrandstege und innenliegende Gitterinnenstege gebildet, wobei im Folgenden der Begriff Gittersteg sowohl Gitterrandstege als auch Gitterinnenstege bezeichnen kann. Die Randzone, in der eine solche mechanische Schwächung vorgenom men wird, ist dann aus den außerhalb des Innenbereiches liegenden Gitterinnenstegen, den über den Innenbereich hinausragenden Enden der den Innenbereich durchsetzenden Gitterinnestege und den Gitterrandstegen gebildet.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest ein den Innenbereich durchsetzender Gitterinnensteg eine höhere Festigkeit auf als zumindest ein außerhalb dieses Innenbereiches angeordneter Gitterinnensteg.
- Vorzugsweise sind Gitterstege durch Schweißverbindungen miteinander verbunden, wobei zumindest ein Teil der Schweißverbindungen der Gitterinnenstege außerhalb des Innenbereiches mit einer geringeren Festigkeit als die Schweißverbindungen der Gitterinnenstege innerhalb des Innenbereiches ausgeführt ist.
- In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist zumindest ein Teil der Gitterinnenstege in einem außerhalb des Innenbereich liegenden Stegbereich gegenüber den innerhalb des Innenbereiches angeordneten Stegbereichen eine Materialschwächung auf, wobei diese Materialschwächung insbesondere durch eine kleinere Wanddicke (Stegbreite) dieser Gitterinnenstege oder durch gezielt zur Schwächung in die Stege eingebrachte Ausnehmungen herbeigeführt ist.
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
-
1 ,2 jeweils einen Abstandhalter gemäß der Erfindung in einer schematischen Draufsicht nach der Durchführung eines Verformungsversuches, -
3 einen Ausschnitt aus einem Abstandhalter in einem Randbereich in einer perspektivischen Darstellung, bei dem unterschiedliche erfindungsgemäße Maßnahmen zur gezielten Schwächung in diesem Randbereich schematisch veranschaulicht sind, -
4 eine weitere Ausführungsform eines Abstandhalters gemäß der Erfindung in einer schematischen Draufsicht ebenfalls nach Durchführung eines Verformungsversuches, -
5 ein Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor, wie es im Stand der Technik bekannt ist, -
6 –8 jeweils einen bekannten Abstandhalter in einer schematischen Draufsicht nach der Durchführung eines Verformungsversuches. -
1 zeigt einen 16 × 16 Abstandhalter4 , mit einer Anordnung der Stützrohre in Positionen Pa, wie sie auch bei dem bekannten und in8 dargestellten Abstandhalter vorliegen. Im Ausführungsbeispiel sind alle Stützrohre Steuerstabführungsrohre12 . Weitere Strukturrohre sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht vorhanden. - Der Abstandhalter
4 ist aus Gitterstegen141 , –141 , und161 –1617 aufgebaut, die an den Kreuzungsstellen miteinander verschweißt sind. Die Gitterstege141 ,1417 ,161 und1617 bilden den Rand des Gitters und werden im folgenden als Gitterrandstege bezeichnet. Die Gitterstege142 –1416 und162 –1616 verlaufen im Inneren des Gitters und werden im folgenden als Gitterinnenstege bezeichnet. - Die Steuerstabführungsrohre
12 legen einen durch Schraffur hervorgehobenen Innenbereich18 fest, der im Ausführungsbeispiel durch die von den Gitterinnenstegen143 1415 ,163 und1615 begrenzte quadratische Zone gebildet wird, die diese Gitterinnenstege143 ,1415 ,163 und1615 umfasst . In der Figur ist nun mit Hilfe der durch einen schwarzen Punkt gekennzeichneten Stellen veranschaulicht, dass die außerhalb dieses Innenberei ches18 befindlichen Schweißverbindungen20 der Gitterinnenstege142 ,1416 ,162 ,1616 mit den sie kreuzenden Gitterinnenstegen162 -1616 bzw.142 -1616 gegenüber den anderen Schweißstellen geschwächt ist. Dies kann durch eine Verringerung der Schweißlänge, des Durchmessers der Schweißknoten oder der Anzahl der Schweißstellen erfolgen. - Diese gezielte Schwächung des Abstandhalters 4 im Randbereich führt nun bei Ausübung einer eine Grenzkraft (Beul- oder Knickgrenze Fkrit) überschreitende Querkraft dazu, dass ein Ausknicken nicht mehr wie in
8 in den Reihen108 und109 sondern in den außerhalb des Innenbereiches18 liegenden Reihen101 ,102 ,1015 und1016 erfolgt. Ein unmittelbarer Vergleich der in1 und8 jeweils dargestellten Situationen lässt erkennen, dass die Konfiguration der Steuerstabführungsrohre12 (im Beispiel sind alle Stützrohre Steuerstabführungsrohre) auch nach dem Ausknicken im Ausführungsbeispiel gem.1 nahezu unverändert bleibt, so dass die Beweglichkeit der Steuerstäbe nicht oder in einem weitaus geringeren Ausmaß als in der in8 dargestellten Situation behindert ist. - Grundsätzlich können auch zusätzlich oder alternativ die Schweißverbindungen der Gitterrandstege untereinander und mit den Gitterinnenstegen eine gezielte Schwächung erfahren. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die im Ausführungsbeispiel nur an den Gitterinnenstegen vorgenommenen Schwächungen besonders vorteilhaft sind.
- In
2 ist der Abstandhalter4 gem.1 nach der Durchführung eines Verformungsversuches dargestellt, bei dem im Unterschied zu der in1 dargestellten Situation ein Gleiten an einer der Seitenflächen, zwischen denen die Kraft F > Fkrit ausgeübt wird, verhindert worden ist. Der Fig. ist zu entneh men, dass in diesem Fall eine Verformung eintritt, die anders als die punktsymmetrische Verformung gemäß1 spiegelsymmetrisch ist. Auch in diesem Fall bleibt die Integrität des Innenbereiches18 erhalten. - In
3 ist ein außerhalb des Innenbereiches angeordneter Gitterinnensteg, beispielsweise der Gitterinnensteg142 mit sich mit ihm kreuzenden Gitterinnenstegen16i ,16i+1 ,16i+3 in einem perspektivischen Ausschnitt dargestellt. Anhand der Figur sind beispielhaft und nicht abschließend verschiedene Möglichkeiten erläutert, wie in der Praxis eine gezielte Schwächung des Abstandhalters im Randbereich realisiert werden kann. Im Beispiel ist ein Abstandhalter dargestellt, bei dem die Gitterinnenstege142 ,16i ,16i+1 ,16i+3 mit Schweißknoten22a ,22b miteinander verbunden sind. - Eine Möglichkeit, eine gezielte Schwächung herbei zu führen, besteht nun darin, Schweißknoten
22a zu verwenden, deren Durchmesser gegenüber dem Durchmesser der im Innenbereich verwendeten Schweißknoten22b , die in der Figur gestrichelt dargestellt sind, verringert ist, ohne deren Anzahl pro Kreuzungstelle zu verringern (Kreuzungsstelle A). - Eine alternative Ausführungsform besteht darin, die Anzahl der Schweißknoten
22b je Kreuzungsstelle zu verringern, diese aber identisch zu den Schweißknoten im Innenbereich auszuführen (Kreuzungsstelle B). - Eine gezielte Schwächung kann auch durch das Einbringen von Ausnehmungen
24 in die Gitterinnenstege142 ,16i ,16i+1 ,16i+3 in ihren außerhalb des Innenbereiches18 liegenden Stegbereichen erfolgen (Kreuzungsstelle C). - Grundsätzlich ist es auch alternativ oder ergänzend hierzu möglich, die außerhalb des Innenbereiches
18 angeordneten Gitterinnenstege142 ,1416 ,162 ,1616 mit einer gegenüber den übrigen Gitterstegen (Gitterinnenstege und Gitteraußenstege) reduzierten Wanddicke auszuführen. - Die genannten Maßnahmen – Verringerung des Durchmessers der Schweißknoten, Verringerung der Anzahl der Schweißknoten, Schwächung der Stegbleche – können auch miteinander kombiniert werden. Darüberhinaus können auch die Gitterrandstege in die genannten Maßnahmen mit einbezogen werden.
- Im Ausführungsbeispiel gemäß
4 ist anstelle der in1 bis3 dargestellten, gezielten oder aktiven Schwächungen der Randzonen81 ,82 ,815 ,816 ,101 ,102 ,1015 ,1016 eine relative Schwächung dieser Randzonen dadurch herbeigeführt, dass die in der Mitte angeordneten Gitterinnenstege149 und169 eine größere Wandstärke aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel wird also keine aktive, direkte Schwächung der Randzone vorgenommen, sondern es wird diese indirekt relativ zum Innenbereich18 geschwächt, in dem zumindest einer der diesen Innenbereich18 durchsetzenden Gitterinnenstege, im Beispiel aus Symmetriegründen die mittleren Gitterinnenstege149 ,169 , stärker ausgelegt ist, als die Gitterinnenstege141 ,1416 ,161 ,1616 außerhalb des Innenbereiches18 . -
- 2
- Brennelement
- 4;4a,b
- Abstandhalter
- 6
- Masche
- 8i
- Spalte
- 10i
- Reihe
- 12
- Steuerstabführungsrohr
- 14i, 16i
- Gittersteg
- 18
- Innenbereich
- 20
- Schweißverbindung
- 22a,b
- Schweißknoten
- 24
- Ausnehmung
- F
- Presskraft
- Pa
- Position SSFR
- A,B,C
- Kreuzungsstellen
Claims (8)
- Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor, mit einer Vielzahl von Brennstäben, die in einer Mehrzahl von axial beabstandeten Abstandhaltern (
4 ) geführt sind, die jeweils ein aus Gitterstegen (141 -1417 ,161 -1617 ) aufgebautes quadratisches Gitter mit einer Vielzahl von Maschen (6 ) bilden, die in Reihen (10 ) und Spalten (8 ) angeordnet sind, und bei dem durch eine Anzahl dieser Maschen (6 ) jeweils ein Steuerstabführungsrohr (12 ) hindurchgeführt ist, wobei der Abstandhalter (4 ) konstruktiv derart ausgelegt ist, dass bei Überschreiten einer seitlich auf den Abstandhalter (4 ) wirkenden Grenzkraft eine Verformung ausschließlich in einem Bereich des Abstandhalters (4 ) beginnt, dessen Maschen (6 ) sich außerhalb eines die Steuerstabführungsrohre (12 ) enthaltenden Innenbereiches (18 ) befinden. - Brennelement nach Anspruch 1, bei dem der Abstandhalter (
4 ) außerhalb des Innenbereiches (18 ) mechanisch schwächer ausgelegt ist als innerhalb des Innenbereiches (18 ). - Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Maschen (
6 ) des Abstandhalters (4 ) durch am Rand angeordnete Gitterrandstege (14 1 ,1417 ,161 -1617 ) und innenliegende Gitterinnenstege (14 2 ,1416 ,162 -1616 ) gebildet sind. - Brennelement nach Anspruch 3, bei dem zumindest ein den Innenbereich (
18 ) durchsetzender Gitterinnensteg (149 ,169 ) eine höhere Festigkeit aufweist als zumindest ein Gitterinnensteg (142 ,1416 ,162 ,1616 ) außerhalb dieses Innenbereiches (18 ). - Brennelement nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Gitterstege (
14 1 ,1417 ,161 -1617 ) durch Schweißverbindungen (20 ) miteinander verbunden sind, wobei zumindest ein Teil der Schweißverbindungen (20 ) der Gitterinnenstege (14 2 ,1416 ,162 -1616 ) außerhalb des Innenbereiches (18 ) gegenüber den innerhalb des Innenbereiches (18 ) befindlichen Schweißverbindungen (20 ) eine geringere Festigkeit aufweist. - Brennelement nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, bei dem zumindest ein Teil der Gitterinnenstege (
14 2 ,1416 ,162 -1616 ) in einem außerhalb des Innenbereiches (18 ) liegenden Stegbereich eine Materialschwächung aufweisen. - Brennelement nach Anspruch 6, bei dem die außerhalb des Innenbereiches (
18 ) angeordneten Gitterinnenstege (142 ,1416 ,162 ,1616 ) eine kleinere Wanddicke aufweisen als die den Innenbereich (18 ) durchsetzenden Gitterinnenstege (14 3 ,1415 ,163 -1615 ). - Brennelement nach Anspruch 6 oder 7, bei dem zumindest ein Gitterinnensteg (
142 ,16i+2 ) außerhalb des Innenbereiches (18 ) zur Materialschwächung mit einer Ausnehmung (24 ) versehen ist.
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