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DE10334580B3 - Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor - Google Patents

Brennelement für einen Druckwasserkernreaktor Download PDF

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DE10334580B3 DE10334580A DE10334580A DE10334580B3 DE 10334580 B3 DE10334580 B3 DE 10334580B3 DE 10334580 A DE10334580 A DE 10334580A DE 10334580 A DE10334580 A DE 10334580A DE 10334580 B3 DE10334580 B3 DE 10334580B3
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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 Brennstäben 2 in Stabrichtung (axial) parallel zueinander durch mehrere, voneinander axial beabstandete Abstandhalter 4 geführt, die jeweils ein zweidimensionales Gitter mit einer Mehrzahl von Maschen 6 bilden, die in Spalten 8 und Reihen 10 angeordnet sind. Durch die Maschen 6 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. Steuerstabführungsrohre 12) 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 Brennelement 2 sind weder Instrumentierungsrohre noch Strukturrohre vorgesehen). Diese Stützrohre sind anders als die Brennstäbe in den Maschen 6 mit den Abstandhaltern 4 verschweißt, so dass ihre stabilisierende Wirkung über die gesamte Einsatzdauer des Brennelements 2 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 und 7 zeigen nun jeweils in einer schematischen Darstellung einen üblichen Abstandhalter 4a, im Beispiel ein Abstandhalter mit 17 × 17 Maschen 6, auf dessen gegenüberliegende Seitenkanten eine Presskraft F senkrecht zu den Reihen 10 (parallel zu den Spalten 8) ausgeübt worden ist, die oberhalb der Knick- oder Beulgrenze Fkrit liegt. Für die entsprechenden Laborversuche wurden in den Abstandshalter 4 an den Positionen Pa, an denen sich im Brennelement Steuerstabführungsrohre 12 befinden, Stützrohrabschnitte eingeschweißt, die beidseitig etwa 10mm über den Abstandhalter 4 überstehen. Um die EOL-Beulfestigkeit beurteilen zu können, wurde der Abstandhalter 4 entweder thermisch relaxiert und jede stützrohrfreie Masche 6 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 Abstandhalters 4 zu simulieren. Auch die eingesetzten Hüllrohrabschnitte stehen über den Abstandhalter 4 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 Reihen 1010 , 1011 erfolgt. Eine Erhöhung der Querkraft F kann zu einem Ausknicken weiterer Reihen 101 , 102 , 107 , 108 , 1016 und 1017 führen, wie dies in 7 veranschaulicht ist.
  • Zudem zeigen 6 und 7, dass das Ausbeulen zunächst in den Reihen 10 auftritt, die keinen fest mit dem Abstandhalter 4 verschweißten Stützrohrabschnitt enthalten (stützrohrfreie Reihe).
  • Eine ähnliche Situation zeigt sich gemäß 8 bei einem üblichen 16 × 16-Abstandhalter 4b, bei dem ebenfalls das Ausbeulen in den stütz- oder steuerstabführungsrohrfreien mittleren Reihen 108 , 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 68 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,
  • 68 jeweils einen bekannten Abstandhalter in einer schematischen Draufsicht nach der Durchführung eines Verformungsversuches.
  • 1 zeigt einen 16 × 16 Abstandhalter 4, mit einer Anordnung der Stützrohre in Positionen Pa, wie sie auch bei dem bekannten und in 8 dargestellten Abstandhalter vorliegen. Im Ausführungsbeispiel sind alle Stützrohre Steuerstabführungsrohre 12. Weitere Strukturrohre sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht vorhanden.
  • Der Abstandhalter 4 ist aus Gitterstegen 141 , – 141 , und 161 1617 aufgebaut, die an den Kreuzungsstellen miteinander verschweißt sind. Die Gitterstege 141 , 1417 , 161 und 1617 bilden den Rand des Gitters und werden im folgenden als Gitterrandstege bezeichnet. Die Gitterstege 142 1416 und 162 1616 verlaufen im Inneren des Gitters und werden im folgenden als Gitterinnenstege bezeichnet.
  • Die Steuerstabführungsrohre 12 legen einen durch Schraffur hervorgehobenen Innenbereich 18 fest, der im Ausführungsbeispiel durch die von den Gitterinnenstegen 143 1415 , 163 und 1615 begrenzte quadratische Zone gebildet wird, die diese Gitterinnenstege 143 , 1415 , 163 und 1615 umfasst . In der Figur ist nun mit Hilfe der durch einen schwarzen Punkt gekennzeichneten Stellen veranschaulicht, dass die außerhalb dieses Innenberei ches 18 befindlichen Schweißverbindungen 20 der Gitterinnenstege 142 , 1416 , 162 , 1616 mit den sie kreuzenden Gitterinnenstegen 162 -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 Reihen 108 und 109 sondern in den außerhalb des Innenbereiches 18 liegenden Reihen 101 , 102 , 1015 und 1016 erfolgt. Ein unmittelbarer Vergleich der in 1 und 8 jeweils dargestellten Situationen lässt erkennen, dass die Konfiguration der Steuerstabführungsrohre 12 (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 in 8 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 Abstandhalter 4 gem. 1 nach der Durchführung eines Verformungsversuches dargestellt, bei dem im Unterschied zu der in 1 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 gemäß 1 spiegelsymmetrisch ist. Auch in diesem Fall bleibt die Integrität des Innenbereiches 18 erhalten.
  • In 3 ist ein außerhalb des Innenbereiches angeordneter Gitterinnensteg, beispielsweise der Gitterinnensteg 142 mit sich mit ihm kreuzenden Gitterinnenstegen 16i , 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 Gitterinnenstege 142 , 16i , 16i+1 , 16i+3 mit Schweißknoten 22a, 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 Schweißknoten 22b, 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 Gitterinnenstege 142 , 16i , 16i+1 , 16i+3 in ihren außerhalb des Innenbereiches 18 liegenden Stegbereichen erfolgen (Kreuzungsstelle C).
  • Grundsätzlich ist es auch alternativ oder ergänzend hierzu möglich, die außerhalb des Innenbereiches 18 angeordneten Gitterinnenstege 142 , 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 in 1 bis 3 dargestellten, gezielten oder aktiven Schwächungen der Randzonen 81 , 82 , 815 , 816 , 101 , 102 , 1015 , 1016 eine relative Schwächung dieser Randzonen dadurch herbeigeführt, dass die in der Mitte angeordneten Gitterinnenstege 149 und 169 eine größere Wandstärke aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel wird also keine aktive, direkte Schwächung der Randzone vorgenommen, sondern es wird diese indirekt relativ zum Innenbereich 18 geschwächt, in dem zumindest einer der diesen Innenbereich 18 durchsetzenden Gitterinnenstege, im Beispiel aus Symmetriegründen die mittleren Gitterinnenstege 149 , 169 , stärker ausgelegt ist, als die Gitterinnenstege 141 , 1416 , 161 , 1616 außerhalb des Innenbereiches 18.
  • 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)

  1. 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.
  2. Brennelement nach Anspruch 1, bei dem der Abstandhalter (4) außerhalb des Innenbereiches (18) mechanisch schwächer ausgelegt ist als innerhalb des Innenbereiches (18).
  3. 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.
  4. 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).
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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 ).
  8. 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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