DE4023874A1 - Absorberstab, der in eine schuettung kugelfoermiger brennelemente einfahrbar ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Absorberstab, der in eine Schüttung kugelförmiger Brennelemente eines gasgekühlten Kernreaktors einfahrbar ist, mit Absorbermaterial, das in einem Ringraum zwischen einem inneren und einem äuße­ ren, konzentrisch zueinander angeordneten rohrförmigem Stabelement angeordnet ist, wobei das der Schüttung zu­ gewandte Stabende eine Stabspitze aufweist, die mit ei­ ner innerhalb des inneren Stabelementes verlaufenden Halteeinrichtung verbunden ist, und wobei die der Schüt­ tung abgewandten Enden des inneren und äußeren Stabele­ mentes in einer einstückigen Absorberstabverlängerung fortgeführt sind.

Ein derartiger Absorberstab ist aus der DE-OS 35 29 242 bekannt. Der dortige Absorberstab besteht aus Stahl und muß im Betrieb zur Abfuhr der im Absorbermaterial produ­ zierten Wärme ständig mit Kaltgas gekühlt werden. Ein Ausfall der Kühlung kann nach Überschreitung der maxima­ len Einsatztemperatur des Stahls zu einem Ausfall des Absorberstabes führen. Der Kühlgasstrom tritt durch Schlitze in der Stabspitze und am Umfang des äußeren Hüllrohres aus dem Absorberstab aus. Durch die Anordnung der Kühlschlitze entstehen Lücken im Absorbermaterial. Dies führt zu einem Verlust an Abschaltwirksamkeit. Au­ ßerdem können die Kühlschlitze in der Stabspitze durch Wechselwirkung mit den umgebenden Brennelementen höhere Einfahrkräfte und Beschädigungen von Brennelementen be­ wirken.

Es stellt sich die Aufgabe, einen Absorberstab der ein­ gangs genannten Art anzugeben, der ohne Kühlung aus­ kommt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das innere und äußere Stabelement sowie die Halteein­ richtung für die Stabspitze aus einem carbonfaserver­ stärkten Kohlenstoff (CFC) und die Stabspitze sowie das Sicherungselement aus Keramik gebildet sind, wobei die Verbindungselemente von CFC-Teilen untereinander und mit der Stabspitze ebenfalls aus CFC bestehen.

Eine andere Lösung sieht vor, daß für alle unterhalb der Absorberstabverlängerung angeordneten Bauteile CFC ver­ wendet wird.

Durch die Verwendung von carbonfaserverstärktem Kohlen­ stoff und Keramik für den wärmebeaufschlagten Teil des Absorberstabes besteht dieser Bereich des Absorberstabes nunmehr aus den gleichen keramischen bzw. graphitischen Werkstoffen aus denen die Brennelemente und die die Schüttung umschließenden Bauteile zusammengesetzt sind.

Damit können die Vorzüge des Hochtemperaturreaktor-Kern­ aufbaues bezüglich Wärmekapazität und Temperaturbestän­ digkeit uneingeschränkt genutzt werden. Gleichzeitig brauchen keine Neutronen-physikalischen und chemischen Wirkungen von Fremdmaterialien im Kern berücksichtigt werden. Der Absorber benötigt im Betrieb keine Kühlung und kann auch bei hohen Temperaturen im Kern in beliebi­ ger Stellung stehen bleiben bzw. zu beliebiger Zeit ein­ gefahren werden. Dies führt gegenüber der bisherigen Ausführung des Absorberstabes aus Stahl zu einer wesent­ lichen Verbesserung der Abschaltsicherheit des Hochtem­ peraturreaktors, da aufgrund des beim HTR vorhandenen negativen Temperaturkoeffizienten die Abschaltwirkung des Absorberstabes erst bei Abkühlung des Reaktorkerns erforderlich wird, während der Absorberstab aus Stahl aufgrund seiner begrenzten Einsatztemperatur schon vor der Auffheizung des Reaktorkerns bei einem Störfall ein­ gefahren werden muß.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht das innere Stabelement aus mehreren stirnseitig aneinandergrenzen­ den Rohren, wobei jeweils eine Stoßstelle von einer Muf­ fe paßgenau übergriffen und mit beiden Rohrenden durch senkrecht zur Absorberstabachse verlaufende Paßstifte verbunden und die Muffe paßgenau von dem äußeren Stabe­ lement übergriffen ist.

Die paßgenaue Muffenverbindung, die einer Passung der ISO-Qualität H7/h7 entsprechen soll, beteiligt das kon­ zentrische innere und äußere Stabelement beim Übertragen der Stabbiegemomente und Axialkräfte. Eine Anzahl gleichartiger Verstiftungen verteilt den Kraftfluß ange­ paßt in den verflochtenen Aufbau des Verbundwerkstoffes, so daß auch einem plötzlichen Querschnittsversagensfall vorgebeugt wird. Die das innere Stabelement durchsetzen­ de Halteinrichtung und das äußere Stabelement sichern die Stifte gegen Herausfallen. Durch die abgedeckte Ver­ stiftung weist der Absorberstab eine glatte Außenhaut auf, so daß beim Einfahren in die Schüttung eine Beschä­ digung der Kugeln vermieden wird.

Die Stabspitze ragt vorzugsweise mit ihrem der Schüttung abgewandten Ende paßgenau in den Ringraum. Sie ist mit je einer Schulter an dem inneren und äußeren Stabelement abgestützt und im Bereich des Ringraumes über Paßstifte mit dem inneren Stabelement verbunden.

Auch zwischen der Absorberstabverlängerung und dem inne­ ren Stabelement findet eine kraftübertragende Paßverbin­ dung Anwendung.

Zur Abschirmung der im Abschirmmaterial enthaltenen Wär­ me ist zwischen der Stirnseite des paßgenau in den Ring­ raum eingeführten Teiles der Absorberstabverlängerung und dem Absorbermaterial ein Isolationsring aus CFC ein­ gelegt, der ferner den Anschlußbereich der Absorberstab­ verlängerung vor unmittelbarer Strahlungsbelastung durch das Absorbermaterial schützt.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Halteeinrichtung für die Stabspitze sieht vor, daß sie aus Einzelelementen gebildet ist, die untereinander und mit einem der Stabs­ pitze zugeordneten Sicherungselement bzw. mit einer der Absorberstabverlängerung beigestellten Halterung eine Verbindung eingehen, die durch Stifte in ihrer Position gehalten ist. die Einzelelemente sind vorzugsweise aus CFC-Plattenmaterial gefertigt und können dadurch große Kräfte in Achsrichtung des Absorberstabes aufnehmen.

Die Halterung ist an ihrer dieser Verbindung abgewandten Seite als Gewindeflansch ausgebildet, der in ein Innen­ gewinde der Absorberstabverlängerung eingreift.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß unterhalb des Gewindeflansches ein Stützring angeordnet ist, der sich zwischen der Stirnseite des von der Absorberstabverlän­ gerung übergriffenen inneren Stabelementes und einer Schulter der Absorberstabverlängerung erstreckt. Der Stützring unterstützt die Stiftverbindungen in der Über­ tragung der axialen Kräfte von dem inneren Stabelement auf die Absorberstabverlängerung.

Mit einer Siliziumcarbidbeschichtung des äußeren Stab­ elementes wird neben einer hohen Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit ein dauerhafter Oxidationsschutz erreicht. Eine zusätzliche Graphitierung der Stabober­ fläche reduziert die Schaftreibung erheblich.

Der Abstand zwischen der Stabspitze und der Absorber­ stabverlängerung ist so gewählt, daß ein dem Absorber­ stab zugeordnetes Führungslager während eines Kontaktes des Absorberstabes mit der Schüttung stets im Bereich der Absorberstabverlängerung angeordnet ist.

Anhand eines Ausführungsbeispieles und der Fig. 1 bis 4 wird ein erfindungsgemäßer Absorberstab beschrieben.

Dabei zeigt die

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung einen Längsschnitt durch einen Spannbetondruckbehäl­ ter mit einer Schüttung kugelförmiger Brenn­ elemente,

Fig. 2 den Absorberstab von der Stabspitze bis zum Beginn der Absorberstabverlängerung als Halb­ schnitt,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2 und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 2.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ei­ nen gasgekühlten Kernreaktor 1, dessen Spannbetondruck­ behälter 2 eine Schütttung 3 aus kugelförmigen Brennele­ menten 4 umfaßt. Ein Absorberstab 5 zur Beeinflussung des Neutronenflußes ist mit Hilfe eines nicht darge­ stellten Absorberstabantriebes unmittelbar in die Schüt­ tung 3 eingefahren.

Die Fig. 2 zeigt in einem Halbschnitt den Absorberstab 5 in seiner Längserstreckung, wobei die linke Seite der Fig. 2 den der Schüttung 3 zugewandten Teil des Absor­ berstabes und die rechte Seite der Fig. 2 die Weiterfüh­ rung des auf der linken Seite dargestellten Absorber­ stabteiles bis zu seinem Übergang in eine Absorberstab­ verlängerung 5a zeigt. Der Absoberstab 5 besteht aus einem inneren und einem äußeren Stabelement 6, 7 aus carbonverstärktem Kohlenstoff (CFC), die beide rohrför­ mig ausgebildet und unter Belassung eines Ringraumes 8 konzentrisch zueinander angeordnet sind. An seinem der in der Fig. 1 dargestellten Schüttung zugewandten Ende weist der Absorberstab 5 eine Spitze 9 auf, die entweder aus Keramik oder aus einem CFC besteht. Mit ihrem der Schüttung abgewandten Ende übergreift die Spitze 9 paß­ genau das innere Stabelement 6 und stützt sich stirnsei­ tig an dem rohrförmigen inneren Stabelement 6 ab. Gleichmäßig über den Umfang verteilte Paßstifte 10 aus CFC durchsetzen in radialer Richtung (Fig. 3) einen Ab­ satz 11 der Spitze 9 und das innere Stabelement 6. Die Paßstifte 10 enden dabei unterhalb der Mantelfläche des Absatzes 11, so daß ein paßgenaues Übergreifen des Ab­ satzes durch das äußere Stabelement 7 bis zu seiner An­ lage an eine Schulter 12 erfolgen kann. Das innere Stab­ element 6 besteht aus mehreren als Rohre 6a, 6b ausge­ bildeten Einzelelementen, die an einer stirnseitigen Stoßstelle 13 von einer aus CFC bestehenden Muffe 14 paßgenau übergriffen sind. Bei dem Ausführungsbeispiel besteht der ca. 5 m lange Absorberstab 5 aus zwei Ein­ zelelementen. Die Muffe 14 ist über vier mal sechs ra­ dial im Sinne der Fig. 3 verlaufende Paßstifte 15 mit den stirnseitig aneinanderstoßenden Rohren 6a, 6b ver­ bunden. Die Muffe 14 selbst wird von dem ebenfalls aus zwei Rohren 7a, 7b bestehenden äußeren Stabelement 7 paßgenau übergriffen, wobei die Stoßstelle 16 der Rohre 7a, 7b zur Stoßstelle 13 der Rohre 6a, 6b versetzt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel wird unter "paßgenau" eine Passung der ISO-Qualität H7/h7 verstanden. Mit einer ausreichenden Muffenlänge (ca. 200 mm), der inneren und äußeren tragenden paßgenauen Verbindung sowie den Paß­ stiften aus CFC wird eine biegesteife Verbindung er­ zielt. Der in der rechten Seite der Fig. 2 fortgeführte Absorberstab geht in eine als Metallrohr ausgebildete Absorberstabverlängerung 5a über. Im Bereich des Über­ ganges erfolgt eine weitere biegesteife Verbindung. Ein auf den Außendurchmesser des Rohres 6b gebrachter Rück­ sprung 17 der Absorberstabverlängerung 5a übergreift paßgenau das Rohr 6b auf eine Länge von ca. 200 mm, wo­ bei eine Abstufung 18 der Absorberstabverlängerung 5a von dem Rohr 7b ebenfalls paßgenau bis zur Anlage an eine Schulter 19 übergriffen wird. Der Ringraum 8, der das Absorbermaterial 20 aufnimmt und an der Absorber­ spitze 9 beginnt, ist somit durch die Abstufung 18 abge­ schlossen. Zwischen der dem Absorbermaterial 20 zuge­ wandten Stirnseite der Abstufung 18 und dem Absorberma­ terial selbst ist ein Isolationsring 21 aus CFC zur Ab­ schirmung der Wärme des Absorbermaterials angeordnet. Zwischen dem Absorbermaterial 20 und dem Isolationsring 21 bzw. der Muffe 14 ist ein Freiraum 38 zum Ausgleich von Wärmedehnungen des Absorbermaterials vorgesehen. Außerhalb der von dem Rohr 7b übergriffenen Abstufung 18 ist die Absorberstabverlängerung 5a mit dem Rohr 7b des inneren Stabelementes 7 durch zwei mal sechs Paßschrau­ ben 22 verbunden, wobei die Paßschrauben, wie in der Fig. 4 dargestellt, radial verlaufen. Eine abgestufte Bohrung 23 der Spitze 9 nimmt ein Sicherungselement 24 auf, das mit einer Abflachung 25 in eine durch das inne­ re Stabelement 6 gebildete Zentrumsbohrung 26 erstreckt ist. Ein Gabelstück 27 eines durch die Zentrumsbohrung 26 bis zu einer Halterung 28 erstreckten Halteeinrich­ tung 29 für die Stabspitze übergreift die Abflachung 25 und ist mittels Stiften 30 (siehe auch Fig. 3) mit der Abflachung verbunden. Die Halterung 28 ist über einen Gewindeflansch 31 in die Absorberstabverlängerung 5a eingeschraubt. Ein Stützring 32 ist unterhalb des Gewind­ eflansches 31 angeordnet und erstreckt sich zwischen der Stirnseite des von der Absorberstabverlängerung 5a übergriffenen inneren Stabelementes 6 und einer Schulter 37 der Absorberstabverlängerung. Eine Sicherungsschraube 33 überbrückt einen Schlitz 34 des Gewindeflansches 31 und dient zur Festlegung des Gewindeflansches. Vom Ge­ windeflansch 31 kragt ein dem Gabelstück 27 entsprechen­ des Gabelstück 27a aus, das eine der Abflachung entspre­ chende Abflachung 25a übergreift und über Stifte 30 mit der Abflachung 25a verbunden ist. Die Halteeinrichtung 29 ist aus einzelnen Elementen 35 zusammengesetzt, die an ihrem einen Ende als Abflachung 25, 25a und an ihrem anderen Ende als Gabelstück 27, 27a ausgebildet sind, wobei im Bereich der Verbindungsstellen Stifte 30 ange­ bracht sind. Ein in strichpunktierten Linien angedeute­ tes Führungslager 36 ist in allen Positionen, in denen Kontakt zwischen dem Absorberstab und der Schüttung besteht, im Bereich der Absorberstabverlängerung ange­ ordnet. Radialkräfte werden also stets von der Absorber­ stabverlängerung aufgenommen.

Bezugszeichenliste

 1 Kernreaktor
 2 Spannbetondruckbehälter
 3 Schüttung
 4 kugelförmiges Brennelement
 5 Absorberstab
 5a Absorberstabverlängerung
 6, 6a, 6b inneres Stabelement
 7, 7a, 7b äußeres Stabelement
 8 Ringraum
 9 Stabspitze
10, 15 Paßstifte
11 Absatz
12, 19, 37 Schulter
13, 16 Stoßstelle
14 Muffe
17 Rücksprung
18 Abstufung
20 Absorbermaterial
21 Isolationsring
22 Paßschraube
23 abgestufte Bohrung
24 Sicherungselement
25, 25a Abflachung
26 Zentrumsbohrung
27, 27a Gabelstück
28 Halterung
29 Halteeinrichtung
30 Stift
31 Gewindeflansch
32 Stützring
33 Sicherungsschraube
34 Schlitz
35 Einzelelement
36 Führungslager
38 Freiraum

Claims (12)

1. Absorberstab (5), der in eine Schüttung (3) ku­ gelförmiger Brennelemente (4) eines gasgekühlten Kernre­ aktors einfahrbar ist, mit Absorbermaterial (20), das in einem Ringraum (8) zwischen einem inneren und einem äu­ ßeren, konzentrisch zueinander angeordneten rohrförmigen Stabelement (6, 7) angeordnet ist, wobei das der Schüt­ tung (3) zugewandte Stabende eine Stabspitze (9) auf­ weist, die mit einer innerhalb des inneren Stabelementes (6) verlaufenden Halteeinrichtung (29) verbunden ist und wobei die der Schüttung (3) abgewandten Enden des inne­ ren und äußeren Stabelementes (6, 7) in einer einstücki­ gen Absorberstabverlängerung (5a) fortgeführt sind, da­ durch gekennzeichnet, daß das innere und äußere Stabele­ ment (6, 7) sowie die Halteeinrichtung (29) aus carbon­ faserverstärktem Kohlenstoff (CFC) bestehen und daß die Stabspitze (9) aus Keramik gebildet ist, wobei die Ver­ bindungselemente von CFC-Teilen untereinander und mit der Stabspitze ebenfalls aus CFC bestehen.

2. Absorberstab (5), der in eine Schüttung (3) ku­ gelförmiger Brennelemente (4) eines gasgekühlten Kernre­ aktors einfahrbar ist, mit Absorbermaterial (20), das in einem Ringraum (8) zwischen einem inneren und einem äu­ ßeren, konzentrisch zueinander angeordneten rohrförmigen Stabelement (6, 7) angeordnet ist, wobei das der Schüt­ tung (3) zugewandte Stabende eine Stabspitze (9) auf­ weist, die mit einer innerhalb des inneren Stabelementes (6) verlaufenden Halteeinrichtung (29) verbunden ist und wobei die der Schüttung (3) abgewandten Enden des inne­ ren und äußeren Stabelementes (6, 7) in einer einstücki­ gen Absorberstabverlängerung (5a) fortgeführt sind, da­ durch gekennzeichnet, daß für alle unterhalb der Absor­ berstabverlängerung (5a) angeordnete Bauteile carbonfa­ serverstärkter Kohlenstoff (CFC) verwendet wird.

3. Absorberstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Stabelement (6) aus meh­ reren stirnseitig aneinandergrenzenden Rohren (6a, 6b) besteht, daß jeweils eine Stoßstelle (13) von einer Muf­ fe (14) paßgenau übergriffen und mit beiden Rohrenden durch senkrecht zur Stabachse verlaufende Paßstifte (15) verbunden ist und daß die Muffe (14) paßgenau von dem äußeren Stabelement (7) übergriffen ist.

4. Absorberstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabspitze (9) mit ihrem der Schüttung abgewandten Ende paßgenau in den Ringraum (8) ragt, mit je einer Schulter an dem inneren und äußeren Stabelement (6, 7) abgestützt ist und im Bereich des Ringraumes (8) über Paßstifte (10) mit dem inneren Sta­ belement (6) verbunden ist.

5. Absorberstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberstabverlängerung (5a) einen Endbereich des inneren Stabelementes (6) paßgenau übergreift und an dessen Stirnseite zur Anlage kommt, daß ein Teil der Übergriffslänge abgestuft ist und paß­ genau in den Ringraum (8) eingeführt ist und daß das innere Stabelement (6) und die übergreifende Absorber­ stabverlängerung (5a) durch Paßschrauben (22) miteinan­ der verbunden sind.

6. Absorberstab nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Stirnseite des paßgenau in den Ringraum (8) eingeführten Teiles der Absorberstab­ verlängerung (5a) und dem Absorbermaterial (20) ein Iso­ lationsring (21) aus CFC eingelegt ist.

7. Absorberstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (29) aus Ein­ zelelementen (35) gebildet ist, die untereinander und mit einem der Stabspitze zugeordneten Sicherungselement (24) bzw. mit einer der Absorberstabverlängerung (5) zugeordneten Halterung (28) eine Verbindung eingehen, die durch Stifte (30) in ihrer Position gehalten ist.

8. Absorberstab nach Anspruch 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (28) an ihrer der Ver­ bindung mit der Halteeinrichtung abgewandten Seite als Gewindeflansch (31) ausgebildet ist, der in ein Innenge­ winde der Absorberstabverlängerung (5a) eingreift.

9. Absorberstab nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Gewindeflan­ sches (31) der Halterung (28) ein Stützring (32) ange­ ordnet ist, der sich zwischen der Stirnseite des von der Absorberstabverlängerung (5a) übergriffenen inneren Sta­ belementes (6) und einer Schulter (37) der Absorberstab­ verlängerung erstreckt.

10. Absorberstab nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Stabelement (7) mit einer Siliziumcarbid-Beschichtung versehen ist.

11. Absorberstab nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Stabelement (7) eine Graphitierung aufweist.

12. Absorberstab nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Stabspitze (9) und der Absorberstabverlängerung (5a) so gewählt ist, daß ein dem Absorberstab zugeordnetes Füh­ rungslager (36) während eines Kontaktes des Absorbersta­ bes (5) mit der Schüttung (3) stets im Bereich der Absor­ berstabverlängerung (5a) angeordnet ist.