DE19536443A1 - Brennelement mit integriertem Stoßdämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement mit einem Stoßdämp­ fer, wie er für leichtwassergekühlte Kernreaktoren, insbe­ sondere für Kernreaktoren sowjetischer Bauart, bekannt ist.

In einem derartigen Kernreaktor bilden die zu Brennelementen gebündelten Brennstäbe mit dem in ihnen enthaltenen Kern­ brennstoff die aktive Zone, in der ein hoher Neutronenfluß vorliegt, der zur Aufrechterhaltung der Kernspaltung erfor­ derlich ist. Zur Steuerung dieser Kernspaltung ist bei Reak­ toren sowjetischer Bauart vorgesehen, einige dieser Brennele­ mente durch oben angekuppelte Steuerelemente, die ein über die axiale Länge des Steuerelements verteiltes Absorbermate­ rial für die Neutronen enthalten, zu einer Steuersäule ergän­ zen. Um die Leistung des Reaktors zu drosseln und gegebenen­ falls den Reaktor abschalten zu können, wird die Steuersäule nach unten verschoben, so daß im Extremfall das gesamte Bün­ del der Brennstäbe aus der aktiven Zone herausgefahren und durch das Absorbermaterial des Steuerelements ersetzt ist.

Wenn dabei die Steuersäule so weit herausgefahren wird, daß sie auf dem Kerngerüst, das die Brennelemente trägt, auf­ schlagen könnte, entsteht die Gefahr von Beschädigungen. Da­ her sind Stoßdämpfer vorgesehen, die in den unteren Teil des Brennelements integriert werden können, wie dies zum Beispiel in den Figuren der DE-A 42 27 793 gezeigt ist.

Die Erfindung betrifft den unteren Teil eines Brennelements, in den der Stoßdämpfer integriert ist. Bei einem derartigen Brennelement ist ein Bündel von Brennstäben, die nebeneinan­ der und ungefähr parallel zueinander ausgerichtet sind, zwi­ schen einer oberen Stabhalte-Platte und einer unteren Stab­ halte-Platte gehalten. Das Stabbündel ist dabei von den Sei­ tenwänden eines Brennelement-Kastens seitlich umgeben, deren obere Kanten ein Kopfteil tragen, das im Fall einer Steuer­ säule auch als Kupplungsteil zum Ankuppeln des erwähnten Steuerelements ausgebildet sein kann.

Unterhalb der unteren Stabhalte-Platte ist in der Brennele­ ment-Achse ein Stoßdämpfer angeordnet, der Stöße in der Achs­ richtung dämpft. Dieser Stoßdämpfer ist über Tragrippen und einen von unten in den Brennelement-Kasten eingreifenden Tragring am Brennelement-Kasten gehalten.

Dabei trägt der Haltering im Stand der Technik nach unten ra­ gende Außenwände, die eine an das Kasten-Ende angesetzte Ver­ längerung des Brennelement-Kastens darstellen und eine den Stoßdämpfer umgebende Ringkammer bilden, durch die das Kühl­ wasser zu Durchtrittsöffnungen in der unteren Stabhalte-Plat­ te fließt. Das Kühlwasser tritt durch diese Durchtrittsöff­ nungen der unteren Platte in die Zwischenräume zwischen den Brennstäben ein, die es durch entsprechende Durchtrittsöff­ nungen in der oberen Stabhalte-Platte wieder verläßt.

Der untere Rand der an den Tragring angesetzten Außenwände bildet eine ringförmige Eintrittsöffnung für das Kühlmittel; in diese ringförmige Öffnung hinein ragen die Tragrippen, die ein Basisteil des ungefähr zylinderförmigen Stoßdämpfers tra­ gen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion des Brennelements mit dem integrierten Stoßdämpfer zu ver­ bessern. Die Erfindung schafft ein mechanisch sehr stabiles Bauteil, das einfach zu fertigen ist und auch nur einen ge­ ringen Strömungswiderstand im Fußteil des Brennelements dar­ stellt, so daß das Kühlwasser praktisch ungehindert zu den Durchtrittsöffnungen der unteren Stabhalte-Platte strömen kann. Außerdem werden die vom Stoßdämpfer ausgehenden Kräfte günstig über den Querschnitt der unteren Stabhalte-Platte verteilt, deren mechanische Belastung daher im Fall eines Stoßes verhältnismäßig gering ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Brennelement mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der Haltering sitzt nach der Erfindung also an den unteren Kanten der Kastenwände, wie dies auch beim Stand der Technik vorgesehen ist. Beim Stand der Technik jedoch ragen die Ka­ stenwände nur wenig über die untere Stabhalte-Platte hinaus und der daran befestigte Haltering bildet einen Anschlag, auf dem diese Platte mit ihrem seitlichen Rand aufliegt; der Hal­ tering schnürt daher den Strömungsquerschnitt des Kühlwassers an der Unterseite der Stabhalte-Platte ein. Das Kühlwasser wird zur Öffnung des Tragrings hin von Außenwänden gelenkt, die im Stand der Technik unten an den Tragring angesetzt oder angeformt sind und den Stoßdämpfer ringförmig umgeben. Nach der Erfindung besitzt der Tragring keine derartigen Außen­ wände, sondern die Kastenwände selbst erstrecken sich prak­ tisch über die ganze Länge des Stoßdämpfers hinaus nach unten. Der am unteren Rand der Kastenwände befestigte Halte­ ring bildet daher den untersten Teil des Brennelements. Die Ringkammer wird also von den Seitenwänden des Brennelement-Kastens und dem Stoßdämpfer gebildet und besitzt einen Strö­ mungsquerschnitt, der unterhalb der Stabhalte-Platte nicht verengt ist. Der Tragring bildet dabei die untere Öffnung der Ringkammer und sitzt somit an einer strömungstechnisch gün­ stigen Stelle.

Die untere Stabhalte-Platte ruht nach der Erfindung auf einem Zwischenstück, das auf dem oberen Ende des Stoßdämpfers auf­ liegt. Dadurch wird eine auf mehrere Stellen der Stabhalte-Platte verteilte flächige Auflage erreicht, die die Stab­ halte-Platte entlastet.

Wenn die Leistung des Reaktors gedrosselt werden soll, so kann die Steuersäule unter Ausnutzung der Schwerkraft und ih­ res eigenen Gewichts nach unten abgeworfen werden, bis sie mit dem Haltering auf einer Tragplatte des Reaktorgerüsts aufsitzt. Das Gewicht und die beim Aufsitzen auftretenden Kräfte werden von den Tragrippen, die z. B. sternförmig vom Haltering nach innen in die Tragring-Öffnung und von unten in den Brennelement-Kasten hineinragen, auf den unteren Teil (die "Basis") des Stoßdämpfers übertragen. Bevorzugt ist ein hydraulischer Stoßdämpfer, wobei auf der Basis vorteilhaft ein ungefähr zylindrischer Außenmantel aufsitzt, der sich zur Stabhalte-Platte hin konisch verjüngt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet. Anhand von einem besonders vor­ teilhaften Ausführungsbeispiel und zwei Figuren wird die Er­ findung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch das Bündel der Brenn­ stäbe und die Seitenwände des Kastens;

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt längs der Ebene II-II durch das Brennelement der Fig. 1, dessen Kopfteil als Kupplung für ein Steuerelement einer Steuersäule ausgebildet ist.

Leichtwassergekühlte Reaktoren sowjetischer Bauart sind auf Brennelemente mit einem regelmäßigen hexagonalen Querschnitt ausgelegt. Nach Fig. 1 umgeben die sechs Seitenwände 1 des Kastens die Brennstäbe 2, die in einem regelmäßigen hexagona­ len Gitter angeordnet sind. An einigen, auf Symmetrielinien (z. B. auf Seitenhalbierenden oder nach Fig. 1 auf Diagona­ len S-S) liegenden Brennstabpositionen sind die Brennstäbe 2 durch Skelett-Teile ersetzt, die in diesem Fall aus Hohlroh­ ren bestehen, wie in der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 93/00255 (Veröffentlichungsnummer W093/22771) be­ schrieben ist. Diese Hohlrohre P₁ und P₃ sind weitgehend mit Wasser gefüllt, jedoch können auch Stäbe aus absorbierendem Material von oben in diese Rohre hineinragen, wie in der DE-A 42 27 793 beschrieben ist.

Prinzipiell können die Stabhalte-Platten und auch Abstand­ halte-Gitter, in deren Maschen die Brennstäbe seitlich abge­ stützt sind, auf beliebige Weise im Brennelement gehalten sein, insbesondere also mit dem Brennelement-Kasten 1 ver­ schweißt oder über besondere Haltestäbe mit einem Kopfteil des Brennelements verschraubt sein.

Fig. 2 zeigt jedoch eine besonders vorteilhafte Ausführung, die auch in der DE-A 42 27 793 benutzt ist und bei der die Stabhalte-Platten 7 und 8 mit dem Bündel der Brennstäbe einen Einsatz bilden, der z. B. von oben in den Brennelement-Kasten eingesetzt werden kann, sobald das auf die oberen Kanten der Seitenwände 1 aufsetzbare Kopfteil 3 entfernt ist.

Das Kopfteil 3 ist am offenen oberen Ende des Kastens 1 auf­ gesetzt und kann eine Muffe 4 tragen, in die eine zentrale Tragstange eines Steuerelementes eingesetzt werden kann, um die erwähnte Steuersäule zu bilden. Das Kopfteil dient als Halterung für die obere Stabhalte-Platte 7, die in diesem Fall von Stützstiften 6, die federnd im Kopfteil gelagert sind, nach unten gedrückt wird. Das Kopfteil 6 bildet also nur einen oberen Anschlag für die Stabhalte-Platte 7.

Die obere Stabhalte-Platte 7 und die untere Stabhalte-Platte sind an Skelett-Teilen gehalten (in diesem Fall an den Stäben oder Rohren P₁ und P₃), die auch die Abstandhalte-Gitter 9 tragen. Die in das Gitter 9 eingesetzten Stäbe 2 sind nicht - oder höchstens an einem Ende - mit den Platten 7 und 8 ver­ bunden, sie können sich also ungehindert thermisch ausdehnen.

Das Brennelement und das angekuppelte Steuerelement bilden die Steuersäule, die zum Beispiel im Fall einer Schnellab­ schaltung nach unten abgeworfen wird, bis sie auf einem Trag­ gerüst 5 des Reaktors aufsitzt. In dieser Endstellung befin­ det sich dann das in Fig. 2 gezeigte Brennelement unterhalb der aktiven Zone und ist ersetzt durch das oberhalb des Brennelements angeordnete (in Fig. 2 nicht gezeigte) Steuer­ element der Steuersäule.

Während des Abwerfens fährt ein in auf dem Traggerüst 5 sit­ zender Verdrängungskörper (Zapfen 18) von der Basis 17 des Stoßdämpfers 11 aus in den Innenraum eines geraden, ungefähr zylindrischen oder prismatischen (z. B. hexagonalen) Mantel 16f der auf der Basis 17 des Stoßdämpfers aufgeschweißt oder angeformt ist. Der Widerstand des dabei aus dem Stoßdämpfer ausströmenden Wassers führt zu der gewünschten hydraulischen Dämpfung, die über ein Zwischenstück 10 auf die untere Stab­ halte-Platte 8 und über Tragrippen 19 auf einen Tragring 20 übertragen wird.

Die untere Stabhalte-Platte 8 ruht auf dem Zwischenstück 10, das auf dem oberen Ende des Stoßdämpfers 11 zentriert ist. Hierzu enthält das obere Ende des Stoßdämpfers 11 vorteilhaft einen in der Achse des Brennelements angeordneten Zen­ trierstift 12, der in eine entsprechende Ausnehmung im Mit­ telteil 13 des Zwischenstücks 10 eingreift.

Vom Mittelteil 13 des Zwischenstücks 10 gehen vorteilhaft sternförmig angeordnete Arme 14 aus, die schräg nach oben verlaufen und deren Enden so abgewinkelt sind, daß Auflage­ flächen für die Unterseite der unteren Stabhalte-Platte 8 entstehen. Insbesondere sind die Arme ungefähr gleich lang, so daß äquidistant um die Brennelement-Achse herum angeord­ nete Auflageflächen entstehen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zumindest einige der Skelett-Teile (in diesem Fall die drei Tragrohre P₃) nach unten über die untere Stabhalte-Platte 8 vorstehen und in die freien Enden der Arme 14 eingreifen, wo sie zum Beispiel durch Muttern 15 verschraubt sein können.

Vorteilhaft ist der zylindrische Mantel 16 des Stoßdämpfers 11 nach oben konisch verjüngt. Seine Basis 17 ist von massi­ ven Tragrippen 19 getragen, die vom Tragring 20 aus sternför­ mig zur Brennelement-Achse hin verlaufen. Diese Tragrippen 19 ragen dabei von unten in das untere Ende des Brennelement-Kastens, dessen Wände 1 die Fig. 2 zeigt. Vorteilhaft sind zumindest die Basis 17 des Stoßdämpfers, die Tragrippen 19 und der Tragring 20 als ein massives Bauteil hergestellt, zum Beispiel als Gußteil aus Stahl.

Der Tragring 20 sitzt demnach am untersten Ende des Brennele­ ments, und die Seitenwände 2 des Brennelement-Kastens er­ strecken sich unterhalb der unteren Stabhalte-Platte 8 prak­ tisch über die ganze Länge des Stoßdämpfers. Der Tragring 20 ragt dabei über die Seitenfläche des Brennelement-Kastens nicht hervor; sein Außenquerschnitt entspricht daher dem he­ xagonalen Querschnitt des Brennelement-Kastens. Außerdem ist der Tragring 20 bevorzugt am unteren Ende des Brennelement-Kastens, in den er eingesetzt ist, lösbar befestigt (Schraube 21).

Beim Aufsetzen des Brennelements auf dem Trag-Gerüst 5 ent­ stehen also Kräfte, die vom Mantel 16 des Stoßdämpfers über das Zwischenstück 10 auf die untere Stabhalte-Platte 8 ver­ teilt werden, ohne den Brennelement-Kasten nennenswert zu be­ lasten. Der Mantel 16 und die Seitenwände 2 des Brennelement-Kastens bilden eine ringförmige Kammer, durch die zwischen den Rippen 19 in der Öffnung des Tragrings 20 das Kühlmittel einströmt und die nach oben zu den Durchtrittsöffnungen 22 in der unteren Stabhalte-Platte 8 offen ist.

Auf diese Weise entsteht eine mechanisch stabile und hydro­ dynamisch günstige Anordnung im Unterteil der Steuersäule.

Claims (12)

1. Brennelement mit Stoßdämpfer (11) für einen mit Leichtwas­ ser gekühlten Kernreaktor mit folgenden Merkmalen:

• a) Ein Bündel von zueinander ungefähr parallelen Brennstäben (2) ist zwischen einer oberen Stabhalte-Platte (7) und ei­ ner unteren Stabhalte-Platte (8) gehalten,
• b) das Stabbündel ist von den Seitenwänden (1) eines Brenn­ element-Kastens umgeben, deren obere Kanten ein Kopfteil (3) - vorteilhaft ein Kupplungsteil zum Ankuppeln eines Steuerelements - tragen,
• c) unterhalb der unteren Stabhalte-Platte (8) ist ein axial ausgerichteter Stoßdämpfer (11) angeordnet, der über Trag­ rippen (19) und einen von unten in den Brennelement-Kasten eingreifenden Tragring (20) am Brennelement-Kasten gehalten ist, gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:
• d) die Seitenwände (1) des Brennelement-Kastens erstrecken sich praktisch über die ganze axiale Länge des Stoßdämp­ fers (11) und bilden eine den Stoßdämpfer umgebende Ring­ kammer, um das Leichtwasser zu Durchtrittsöffnungen (22) in der unteren Stabhalte-Platte zuleiten,
• e) der Tragring (20) bildet das untere Ende des Brennelements und die Eintrittsöffnung für das in die Ringkammer eintre­ tende Leichtwasser, und
• f) die untere Stabhalte-Platte (8) ruht auf einem am oberen Ende des Stoßdämpfers gehaltenen Zwischenstück (10).

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trag­ rippen (19) vom Tragring (20) aus von unten in den Brennele­ ment-Kasten (1) hineinragen.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoß­ dämpfer einen prismatischen oder zylindrischen, koaxial um die Brennelement-Achse angeordneten Mantel (16) aufweist.

4. Brennelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Mantels (16) sich zur unteren Stabhalte-Platte (8) hin verjüngt.

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwi­ schenstück (10) auf dem oberen Ende (12) des Stoßdämpfers zentriert ist.

6. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwi­ schenstück (10) ein am oberen Ende des Stoßdämpfers in der Brennelement-Achse gehaltenes Mittelteil (13) und sternförmig nach außen und zur unteren Stabhalte-Platte (8) hin verlau­ fende Tragarme (14) aufweist, an deren freien Enden die un­ tere Stabhalte-Platte (8) aufliegt.

7. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwi­ schenstück (10) lösbar mit der unteren Stabhalte-Platte (8) verbunden ist.

8. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch das Bündel Skelett-Teile (P3) erstrecken, an denen die beiden Stabhalte-Platten (7, 8) gehalten sind, und daß die unteren Enden der Skelett-Teile an dem Zwischenstück gehal­ ten, insbesondere verschraubt sind.

9. Brennelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ske­ lett-Teile (P3) als geradlinige, im Bündel angeordnete Stäbe, vorzugsweise als wassergefüllte Hohlrohre, ausgebildet sind.

10. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trag­ ring (20) seitlich praktisch nicht über die Seitenwände (1) des Brennelement-Kastens vorspringt.

11. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen regelmäßigen hexagonalen Querschnitt.

12. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Trag­ ring (20), die Rippen (19) und zumindest der unterste Teil des Stoßdämpfers als ein einziges Bauteil gefertigt sind.