DE2629938A1 - Gestell zur lagerung von brennelementen - Google Patents

Description

• Gestell zur Lagerung von Brennelementen
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Gestell zur Lagerung von länglichen Brennelementen mit einem polygonalen Querschnitt für Kernreaktoren, insbesondere für Leichtwasserreaktoren, mit einem oberen Rahmen, der dem Querschnitt der Brennelemente angepaßte Öffnungen oder Führungen aufweist, und mit einem unteren Rahmenymit Verbindungsstücken zwischen den beiden Rahmen und mit Absorberblechen, die die Brennelemente umgeben.
• Die Absorberbleche aus Bor-Aluminium haben bei einem solchen Gestell, wie in der Zeitschrift 1?Power??, Febr. 1976, Seiten 51 bis 53 erörtert ist, den Zweck, das Zusammenrücken der Brennelemente zu ermöglichen. Damit soll die Kapazität für die Lagerung von verbrauchten Brennelementen gesteigert werden, deren Wiederaufarbeitung nicht in dem zunächst erwarteten Maße durchgeführt werden kann. Allerdings erfordern die Absorberbleche beim Bekannten einen relativ hohen Aufwand, obwohl sie nur als ebene Platten eingesetzt sind. In der einen Richtung, in der sie über mehrere Brennelemente reichen, sind sie nämlich mit einem Kantenschutz und Deckblechen aus Aluminium aufwendig zu sogenannten "Boral-Vorhängen" zusammengesetzt. In der anderen Richtung erfordern die beiden Bleche, die Jeweils auf gegenüberliegenden Seiten eines Brennelementes angeordnet sind, aufwendige Verbindungen mit U-Profilen aus Aluminium, die offenbar für den mechanischen Halt des Gestells und der Brennelemente sorgen sollen.
• Die Erfindung hat sich ebenfalls das Ziel gesetzt, die Speicherfähigkeit der eingangs genannten Gestelle zu verbessern. Dabei soll Jedoch der mechanische Aufwand möglichst klein gehalten werden, obwohl die Sicherheit der Gestelle keinesfalls darunter leiden darf. Bei dem neuen Gestell ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß aus Borstahl bestehende Bleche Hüllen für Jeweils ein Brennelement bilden, die das Brennelement mit Ausnahme von Ecken bis auf ein für Bewegungen notwendiges Spiel umgeben. Diese Hüllen sind dem Querschnitt der zu lagernden Brennelemente eng angepaßt. Sie dienen damit selbst zur Führung der Brennelemente beim Einbringen oder Ausladen. Hierfür sind sie als Stahlbleche festigkeitsmäßig gut geeignet. Diese Festigkeit wird wegen der großen Nähe der Absorberbleche, die bei der Erfindung erreicht wird, zugleich für einen guten mechanischen Halt der Brennelemente ausgenutzt, so daß die Gestelle mit Brennelementen auch den stärksten Erdbebenkräften widerstehen, die bisher für Kernreaktoranlagen berücksichtigt werden. Die Hüllen erhöhen nämlich die Steifigkeit und damit Eigenfrequenz der Brennelemente, so daß die ueberhöhung der Erdbebenbeschleunigung infolge Resonanz zurückgeht. Seitenkräfte werden großflächig aufgenommen und wirken nicht über die Eckkanten der Brennelemente oder deren Abstandshalter, so daß dort keine Pressungen entstehen können, wie sie bei einem kantigen Brennelement gegenüber einer Hülle mit runden Kanten zu befürchten wären. Darüber hinaus ermöglicht die dichte Einschließung einen besonders engen Zusammenbau der Brennelemente, wie später noch klarer wird.
• Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 1 956 975 ist zwar bereits ein Gestell zur Lagerung von länglichen Brennelementen mit quadratischem Querschnitt bekannt, bei dem die einzelnen Brennelemente von den zu Fächern zusammengesetzten Wänden aus Absorberblechen umschlossen sind. Dort ist Jedoch die lichte Weite der Fächer wesentlich größer als der Querschnitt der Brennelemente, so daß die für die Erfindung kennzeichnende praktisch allseitige mechanische Abstützung nicht vorliegen kann. Außerdem ist zwischen Jeweils zwei Fächern für Brennelemente nur eine einzige Trennwand vorhanden, so daß die Neutronenabschirmung entsprechend geringer ist. Vor allem aber ist das bekannte Gestell praktisch ausschließlich aus Absorberblechen zusammengesetzt. Dies ist aber deswegen ungünstig, weil die mechanische Festigkeit von Absorberblechen wegen ihrer spröderen Eigenschaft nur relativ gering angesetzt werden darf.
• Die Hüllen sind vorteilhafterweise herausnehmbar angeordnet. Sie sind kein tragender Bestandteil des Gestellverbandes, sondern werden in das feste Gestell mehr oder weniger lose eingesetzt.
• Dies ergibt die Möglichkeit, die Hüllen, die ja mechanisch beanspruchte Teile mit einer für die Sicherheit wichtigen Funktion sind, bei Bedarf in bestimmten Zeitabständen herauszunehmen und zu prüfen. Die Herausnehmbarkeit gestattet ferner ein Anpassen an Brennelemente unterschiedlicher Reaktivität durch Verwendung unterschiedlich stark absorbierender Hüllen. Außerdem kann die herausnehmbare Anordnung der Hüllen die Fertigung und Montage günstig beeinflussen. Ein weiterer Vorteil der herausnehmbaren Hüllen liegt darin, daß selbst bei Unterwasser-Montagen der Gestelle die Gestellfüße unabhängig von der Anordnung und Anzahl auch fernbedient eingestellt werden können.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Hüllen an den Ecken abgerundet. Der Abmlndungsradius beträgt zweckmäßigerweise ein Mehrfaches der Blechdicke. Er sollte nicht kleiner als 6mm sein. Dies ist für die durch den Borzusatz versprödeten Stahlbleche besonders wichtig, damit die beim Biegen der Bleche entstehenden Verformungen in zulässigen Grenzen bleiben. Gleichzeitig kann mit der Abrundung erreicht werden, daß die Ecken der Hüllen nicht mit den Kanten der Brennelemente in Kontakt kommen, wodurch unzulässige mechanische Pressungen entstehen könnten. Besonders günstig sind hierbei Hüllen, die im Querschnitt von der Querschnittsform der Brennelemente abgebogene Rundungen an deren Ecken aufweisen.
• Die Hüllen können mit Vorteil aus Jeweils zwei U-förmigen Halbschalen zusammengesetzt sein. Solche Halbschalen lassen sich als Halbzeug relativ einfach herstellen und auch günstig verzugsarm und kontrollierbar verschweißen. Andere Möglichkeiten zur Herstellung der Hüllen umfassen den Aufbau aus einzelnen, jeweils einer Wandfläche entsprechenden Platten mit Schweißnähten in den Ecken sowie Verbindungen der Einzelteile durch Zusammenfügen mit Nut und Feder. Für Schweißungen können vorteilhaft Elektroden aus einem vom Borstahl abweichenden Material eingesetzt werden, um eine größere Festigkeit und bessere Verarbeitbarkeit zu erreichen. Bei speziellen Anwendungstechniken können die Hüllen auch ohne Schweiß zusatz geschweißt werden.
• Da bei der mit der Erfindung bezweckten dichten Lagerung von Brennelementen schon Lageabweichungen von wenigen Millimetern unerwünscht sind oder sogar unzulässig sein können, ist eine gute Zentrierung der Hüllen wesentlich. Diese Aufgabe kann man besonders günstig dadurch erfüllen, daß die Hüllen unten mit in das Innere ragenden Zentrierstiften festgelegt sind, die zur Führung der Brennelemente geeignet sind. Hier sorgt also ein Bauteil nicht nur für die räumliche Zuordnung von Gestell und Hülle, sondern zugleich für die Lage von Hülle und Brennelement.
• Für den mechanischen Aufbau der Gestelle sind ferner Niederhalteklötze günstig, die mit dem oberen Rahmen verschraubt sind und die Hüllen oben festlege.n. Die Klötze können gegenüber den Brennelementen, deren Kopf sie in der Ruhelage der Brennelemente gegenüberstehen sollten, ein gleiches oder engeres Spiel als die Hüllen aufweisen. Dadurch kann ein gutes Einfädeln der Brermel;Q-mente beim Beladen der Gesteilpositionen auch dann erreicht werden, wenn die Maßtoleranzen der Hüllen nur mäßig genau sind.
• Außerdem können die Klötze FüJ:ingselemente für eine Zentriereinrichtung eines Brenneiementgreifers, zumBeispiel Bohrnen für Führungsstife9 enthalten, die das Ansteuerndes Greifers auf die Positionen der Brennelemente erleichtert.
• Bei einer optimierten Au3führungsform der Erfindung weisen zwei benachbarte Hüllen einen Abstand von 3 bis 8cm voneinander auf, wobei die Wandstärke des 1% Bar entheltenden l8/10-Chrom-Nickel-Stahlblechs zwischen 2 und 8mm liegt. Solche Gestelle können vorzugsweise zur Aufnahme von Brennelementen von Druckwasserreaktoren eingesetzt werden, die mit 14x14, 15x15 oder 16x16 Brennstäben von lOmin Durchmesser ausgerüstet sind und nach einem Abbrand von zum Beispiel 30000 NWd/t zum Abklingen gelagert werden sollen.
• Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigen die Fig. 1 und 2 ein Gestell nach der Erfindung in Seitenansicht und Draufsicht. Die Fig. 3 bis 6 zeigen Einzelheiten dieses Gestells in größerem MaBstab.
• Das gezeichnete Gestell i für 25 Brennelemente eines Druckwasserreaktors ausgelegt. Es ist als Modul anzusehen, das zu größeren Gestellverbänden beliebiger Konfiguration und Brennelementzahl zusammengesetzt werden kann. Es besteht aus einer quadratischen Bodenplatte 1 mit 1,5m Seitenlänge als unterem Rahmen und einer entsprechenden Kopfplatte 2 als oberem Rahmen, sowie einem 4,85m hohen Profilgitter 3, das Boden- und Kopfplatte verbindet.
• Das Profilgitter 3 bildet die im Grundriß mit 5, 6, 7 und 8 bezeichneten Seitenwände des Gestells und umfaßt im wesentlichen schräg verlaufende Rohrstücke 10 mit den Abmessungen 60x30.
• Zusätzlich sind vier von Winkelprofilen gebildete Stützen 11 vorgesehen, die die vertikalen Kanten in den Ecken 12 des Grundrisses bilden. In der Nähe dieser Ecken 12 liegen vier weitere vertikale Stützen 13, die jeweils aus einem Rohr 14 mit an beiden Enden angeschweißten kreuzförmigen Füßen 15 bestehen, Die Füße 15 sind mit Bodenplatte 1 und Kopfplatte 2 verschraubt.
• Die Rohrstücke 10 sind mit Knotenblechen 16 verschweißt, die an den im Bereich der Ecken vorgesehenen Profil stählen 11 angeschraubt sind. Dadurch entsteht eine mechanisch stabile Konstruktion, deren Metallteile aus nichtrostendem 18/8-Chrom-Nickel-Stahl bestehen.
• In der Kopfplatte 2 sind in einem quadratischen Raster mit 30Omm Teilung 25 quadratlsche Ausnehmungen 20 angeordnet. Jeder der Ausnehmungen 20, die zur Aufnahme der im Querschnitt quadratischen Brennelemente eines Druckwasserreaktors vorgesehen ist, ist eine über die Höhe des Profilgitters 3 laufende Hülle 21 aus aus einem Chrom-Nickel-Stahl zugeordnet, die mit einem Zusatz von einem Gewichtsprozent Bor in Form von 3mm dickem Walzblech hergestellt ist. Die Hüllen 21 sind in einem gegenseitigen Abstand 22 von 58mm angeordnet.
• Die Hülle 21 ist in Fig. 3 in einem Horizontalschnitt in größerem Maßstab zu sehen, Fig. 4 zeigt in einem vertikalen Teilschnitt das obere Ende der Hüllen 21 und ihre Festlegung in der Kopfplatte 2. Man erkennt, daß Jede Hülle 21 aus zwei gleichen U-förmigen Halbschalen 23 besteht, die mit ihren rechtwinklig abgebogenen Schenkeln 25 und 26 in einer Stumpfschweißnaht 27 verbunden sind, so daß ein weitgehend quadratischer Querschnitt mit 236mm lichter Weise entsteht. Dieser ist nur um 6mm, d.h.
• weniger als 3% größer als die Abmessungen des Brennelements.
• Die Ecken 28 der Hüllen 21 sind mit einem Abrundungsradius 30 ausgeführt, der mit lOmm mehr als das Dreifache der Blechstärke von 3mm beträgt, wie sie bei 31 eingezeichnet ist. Der gerundete Bereich ist von den Ecken 32 eines gestrichelt eingezeichneten Reaktorbrennelementes 33 entfernt, wie die Fig. 3 klar erkennen läßt; denn das Blech der Stege der die Hüllen 21 bildenden Halbschalen 23 ist im Bereich der Ecken 28 nach außen abgebogen. Deshalb können die Brennelemente 33, die von den Hüllen 21 eng umgeben sind, an diesen nur längs großer ebener Wandflächen anliegen, nicht aber etwa linienförmig oder gar punktförmig im Bereich der Ecken.
• Die Hüllen 21 sind in der Kopfplatte 2 terschieblich gelagert.
• Sie sind von oben durch mit Schrauben 35 befestigte Niederhalteklötze 36 festgelegt, deren Vorsprung 37 Uber den Querschnitt der Nahen 21 ragt. Die K18tze 36 können, wie zum Teil gestrichelt angedeutet ist, mit Bohrungen 40 für einen konisch zugespitzten Zapfen 41 versehen sein, so daß eine Zentrierung zwischen dem von der Hülle 21 begrenzten Brennelement-Schacht und einem Greifer möglich ist, der für den Transport der Brennelemente 33 verwendet wird. Die Hüllen 21 haben im unteren Bereich der Brennelemente 33 mehrere Bohrungen 34 mit einem Burchmesser von 40 mm, um die ausreichende Kühlung der Brennelemente 33 durch seitlich zuströmendes Kühlwasser zu gewährleisten.
• In den Fig. 5 und 6 ist zu sehen, daß die Hüllen 21 im Bereich der Bodenplatte 1, auf der sie ohne axiale Befestigung aufsitzen, in seitlicher Richtung mit Zentrierstiften 44 festgelegt sind, * die zugleich zur Führung des Brennelementes 33 dienen (Fig. 6).
• Die Stifte 44 sitzen in allen vier Ecken 28 der Hülle 21. Sie sind mit einem zylindrischen Bereich 45 ausgeführt, dessen Durchmesser 46 drei bis zehnmal so groß wie der Rundungsradius 30 sein sollte. Beim Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser 46 mit 50mm das Fünfache des Rundungsradius 30 von lOmm.
• Von dem zylindrischen Bereich 45 ausgehend ist die dem Brennelement 33 zugekehrte Seite mit einem Kegelstumpf 47 versehen, der einen Kegelwinkel von 600 aufweist. Ein Befestigungszapfen 48 am unteren Ende sitzt in einer Bohrung 49 der Bodenplatte 1.
• Er läuft in einem Gewindebolzen 50 aus, auf dem eine Mutter 51 zur Festlegung des Zentrierstiftes 44 aufgeschraubt ist.
• Die Fig. 5 läßt erkennen, daß die Zentrierstifte 44 die Hüllen 21 von der Innenseite her festlegen. Gleichzeitig wird ein zylindrischer Absatz 53 am Fuß 54 der Brennelemente 33 von der Außenseite her geführt. Dadurch ist die gewünschte genaue Zuordnung von Hülle 21 und Brennelement 33 sichergestellt. Der Kopf 52 des Brennelementes 33 kann sich dagegen seitlich an den Niederhalteklötzen 36 anlegen, deren Vorsprünge 37 einen praktisch quadratischen Querschnitt mit 236mm Seitenlänge begrenzen.
• Die Bodenplatte 1 ist mit Verankerungen 55 am Beton 56 des nicht weiter gezeichneten Gebäudes befestigt, das ein Brennelement-Lagerbecken bildet. Dabei ist durch Höheneinstellung der Verankerungen 55 ein Abstand 57 über dem Beton sichergestellt, der eine ausreichende Strömung von Kühlwasser ermöglicht, das von unten durch Bohrungen 2r8 der Bodenplatte 1 die Brennelemente 33 in den Hüllen 21 bespült. Diese Bohrungen gestatten außerdem die gute Säuberung der Gestellflächen, die durch die Hüllen 21 überdeckt werden.
• 9 Patentansprüche 6 Figuren

Claims (9)

1. PatentansDrUche 1Gestell zur Lagerung von länglichen Brennelementen mit einem polygonalen Querschnitt für Kernreaktoren, insbesondere für Leichtwasserreaktoren, mit einem oberen Rahmen, der dem Querschnitt der Brennelemente angepaßte Öffnungen oder FUhrungen aufweist, und mit einem unteren Rahmen, mit Verbindungsstücken zwischen den beiden Rahmen und mit Absorberblechen, die die Brennelemente umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß aus Borstahl bestehende Bleche (23) Hüllen (21) für Jeweils ein Brennelement (33) bilden, die das Brennelement (33) mit Ausnahme von Ecken (28) bis auf ein für Bewegungen notwendiges Spiel umgeben.
2. 2. Gestell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen (21) herausnehmbar angeordnet sind.
3. 3. Gestell nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen (21) mit einem Radius (30) vom Mehrfachen der Blechdicke (31) gerundete Ecken (28) aufweisen.
4. 4. Gestell nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen (21) im Querschnitt von der Querschnittsform der Brennelemente (33) abgebogene Rundungen an den Ecken(28) aufweisen.
5. 5. Gestell nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen (21) aus jeweils zwei U-förmigen Halbschalen (23) zusammengesetzt sind.
6. 6. Gestell nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen (21) mit in das Innere ragenden Zentrierstiften (44) festgelegt sind, die gleichzeitig zur Führung der Brennelemente (33) geeignet sind.
7. 7. Gestell nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen (21) oben durch verschraubte Niederhalteklötze (36) gehaltert sind, die gegen die Brennelemente (33) ein gleiches oder engeres Spiel als die Hüllen (21) aufweisen und in Ruhelage der Brennelemente (33) deren Kopf (52) gegenüberstehen.
8. 8. Gestell nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klötze (36) FUhrungselemente (40) für eine Zentriereinrichtung (41) eines Brennelementgreifers enthalten.
9. 9. Gestell nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte Hüllen (21) einen Abstand (22) von 3 bis 8cm voneinander aufweisen, wobei die Wandstärke (31) eines 1% Bor enthaltenden 18/10-Chrom-Nickelbleches zwischen 2 und 8mm liegt.