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Dokumentenidentifikation DE3835711A1 26.04.1990
Titel Steuerstab zur Beeinflussung der Reaktivität eines Kernreaktors und Anordnung mehrerer dieser Steuerstäbe zu einem Steuerelement
Anmelder ABB Reaktor GmbH, 6800 Mannheim, DE
Erfinder Hoffmann, Heinz, Dipl.-Phys. Dr., 6141 Einhausen, DE;
Grohe, Willi, Dipl.-Ing., 6945 Hirschberg, DE;
Skoff, Gerald, Dipl.-Ing. Dr., 6806 Viernheim, DE
DE-Anmeldedatum 20.10.1988
DE-Aktenzeichen 3835711
Offenlegungstag 26.04.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.1990
IPC-Hauptklasse G21C 7/10
IPC-Nebenklasse G21C 7/06   
Zusammenfassung Weist ein derartiger Steuerstab in seinem unteren, dem Reaktorkern zugewandten Bereich einen Ag-In-Cd-Absorber (5) und in seinem oberen Bereich einen B4C-Absorber (6) auf, so besteht die Gefahr, daß Bruchstücke des B4C-Absorber in den Spalt zwischen Ag-In-Cd-Absorber (5) und dem Hüllrohr (2) gelangen. Schwellen dieser B4C-Absorber-Bruchstücke könnte dann zu Beschädigungen des Hüllrohres (2) führen. Zur Vermeidung derartiger Schäden ist vorgesehen, daß der Ag-In-Cd-Absorber (5) von dem B4C-Absorber (6) durch einen starr mit dem Hüllrohr (2) verbundenen Zwischenstopfen (7) getrennt ist und daß zwischen dem Zwischenstopfen (7) und dem Ag-In-Cd-Absorber (5) ein Leerraum (8) vorgesehen ist. Um lokale Überhöhung der Leistung in Brennelementen mit derartigen Steuerelementen zu vermeiden, ist vorgesehen, daß die Leerräume nebeneinander angeordneter Steuerstäbe in axialer Richtung betrachtet gegeneinander versetzt sind und daß die Steuerstäbe eines Steuerelementes mit gleicher Position der Leerräume in symmetrischen Kernpositionen eingesetzt sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Steuerstab zur Beeinflussung der Reaktivität eines Kernreaktor, wobei der Steuerstab aus einem an seinen Enden verschlossenen Hüllrohr besteht, dessen unterer, zuerst in den Reaktorkern einfahrender Bereich, einen Ag-In-Cd-Absorber enthält an den sich ein Bereich mit einem B4C-Absorber anschließt.

Ein derartiger, allgemein als Hybrid-Stab bezeichneter Steuerstab vermeidet den gefürchteten B-10-Ausbrand an unteren Stabende eines vollständig mit B4C gefüllten Stabes und reduziert das hohe Gewicht eines Steuerstabes mit vollständiger Ag-In-Cd-Füllung.

Der einer B4C-Tablettenfüllung eigene Nachteil des Aufreißens einiger Tabletten kann jedoch dazu führen, daß Bruchstücke der Tabletten herunterfallen und den Spalt zwischen dem Ag-In-Cd-Absorber und dem Hüllrohr auffüllen. Es ist dann nicht auszuschließen, daß die große Schwellwirkung des B4C-Absorbers im Bereich der Ag-In-Cd-Absorberfüllung zu einer unerwünschten Beschädigung des Hüllrohres führt.

Es stellt sich die Aufgabe einen Steuerstab der eingangs genannten Art anzugeben, der ein Eindringen von B4 C-Absorbermaterial in den Ringspalt zwischen Ag-In-Cd-Absorber und Hüllrohr vermeidet und zu einer Kompensierung der thermischen Differenzdehnungen beiträgt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Ag-In-Cd-Absorber von dem B4C-Absorber durch einen starr mit dem Hüllrohr verbundenen Zwischenstopfen getrennt ist und daß zwischen dem Zwischenstopfen und dem Ag-In-Cd-Absorber ein Leerraum vorgesehen ist.

Damit wird ein Eindringen von B4C in den Spalt zwischen dem Ag-In-Cd-Absorber und dem Hüllrohr vermieden und durch den Leerraum eine Kompensierung der thermischen Differenzdehnungen erzielt.

Eine bevorzugte Ausbildung sieht vor, daß im Leerraum zwischen Ag-In-Cd-Absorber und Zwischenstopfen eine zylindrische Schraubenfeder angeordnet ist.

Mit dieser Ausbildung wird die thermische und bestrahlungsbedingte Differenz-Längenänderung des Absorbers aufgenommen und eine Stützfunktion des Hüllrohres erzielt. Dabei ist es von Vorteil, die Länge des Leerraumes um die Blocklänge der Schraubenfeder zu vergrößern.

Nach einer anderen Ausgestaltung ist die Verbindung zwischen dem Hüllrohr und dem Zwischenstopfen als Schrumpfpassung ausgebildet.

Diese Befestigungsart ist von Vorteil, da das Einfügen des Zwischenstopfens durch einfache Unterkühlung desselben erfolgt, so daß eine schädliche Wärmeeinwirkung nicht erforderlich ist.

Um die Haftkraft zwischen dem Zwischenstopfen und dem Hüllrohr bei einer Schrumpfverbindung zu erhöhen, wird vorgesehen, daß die Mantelfläche des Zwischenstopfens leicht konkav ausgebildet ist, daß die Schrumpfpassung im Bereich der beiden größten Außendurchmesser des konkav ausgebildeten Zwischenstopfens wirkt und daß das Hüllrohr im Bereich der Stopfenmitte einrolliert wird.

Eine andere Lösung der Aufgabe sieht vor, daß der Ag-In-Cd-Absorber von dem B4C-Absorber durch einen in axialer Richtung des Hüllrohres bewegbaren Zwischenstopfen getrennt ist.

Der axial bewegbare Stopfen erlaubt einen Ausgleich der Differenzdehnungen und verhindert wegen der geringen Spaltausbildung zum Hüllrohr hin ein Durchtritt von B4C.

Durch die Verwendung des gleichen Werkstoffes für den Zwischenstopfen und das Hüllrohr kann eine extrem geringe Spaltbreite von 20 bis 30 µm zwischen dem Zwischenstopfen und dem Hüllrohr erzielt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Zwischenstopfen wenigstens eine Ringnut auf, wobei in die Ringnut ein Federring eingelegt ist, der mit seiner Außenumfangsfläche eine Reibschlußverbindung mit dem Hüllrohr eingeht.

Mit dieser Ausgestaltung gelingt eine dichte und trotzdem noch gleitende Verbindung, die ebenfalls keinen Leerraum zum Ausgleich der thermischen Differenzdehnungen benötigt.

Die Kanten des Schlitzes weisen an der zum B4C-Absorber hingerichteten Seitenfläche des Federringes einen geringeren Abstand zum B4C-Absorber auf als diese Seitenfläche.

Dadurch werden die B4C-Brösel an einem Durchtritt im Bereich des Schlitzes gehindert.

Eine Anordnung mehrerer mit einem Zwischenstopfen und einem Leerraum ausgerüsteter Steuerstäbe zu einem Steuerelement eines Kernreaktors zeichnet sich dadurch aus, daß die Leerräune nebeneinander angeordneter Steuerstäbe in axialer Richtung betrachtet gegeneinander versetzt sind und daß die Steuerstäbe eines Steuerelements mit auf gleicher Höhe angeordneten Leerräumen in symetrischen Kernpositionen eingesetzt sind.

Damit soll eine negative Auswirkung auf die Leistungsverteilung des Brennelementes, in das das Steuerelement eintaucht, vermieden werden.

Anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und der schematischen Zeichnungen Fig. 1 bis 6 wird ein Steuerstab nach der Erfindung und eine Anordnung mehrere solcher Steuerstäbe zu einem Steuerelement beschrieben.

Dabei zeigt die:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Steuerstab mit einem Stopfen zwischen den verschiedenen Absorberbereichen und einem Leerraum unterhalb des Stopfens,

Fig. 2 einen Teilbereich des Steuerstabes nach Fig. 1 in einem größeren Maßstab,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Steuerstab mit einem Stopfen zwischen den beiden Absorberbereichen,

Fig. 4 einen Teilbereich des Steuerstabes nach Figur 3 in einem größeren Maßstab,

Fig. 4a eine Aufsicht auf einen Federring nach Fig. 4 in einem kleineren Maßstab,

Fig. 5 zwei nebeneinander angeordnete Steuerstäbe aus einem Steuerelement und

Fig. 6 eine Aufsicht auf einen Halter zur Aufnahme eines Steuerelementes.

Die Fig. 1 zeigt einen Steuerstab 1 im Längsschnitt. Er besteht aus eimem an beiden Enden verschlossenen Hüllrohr 2, das an seinem oberen Ende einen Zapfen 3 zur Verbindung mit einem Halteelement aufweist und an seinem unteren Ende mit einer Spitze 4 abgeschlossen ist. In seinem unteren Bereich, der zuerst in den Reaktorkern einfährt, weist das Hüllrohr einen in der Regel stabförmig ausgebildeten Ag-In-Cd-Absorber 5 auf. Zwischen dem Ag-In-Cd-Absorber und der Hüllrohrinnenwand ist ein Spalt vorgesehen, um die Wärmeausdehnung kompensieren zu können. Oberhalb des Ag-In-Cd-Absorber ist eim B4 C-Absorber 6 angeordnet. Um ein Eindringen von Bruchstücken der in der Regel in Tablettenform vorliegenden B4 C-Füllung zu vermeiden, sind die beiden Absorberfüllungen durch einen Zwischenstopfen 7 voneinander getrennt. Der Zwischenstopfen 7 besteht aus dem selben Werkstoff wie das Hüllrohr und ist mit dem selben durch Schweißen, Löten, Schrumpfen oder dgl. starr verbunden. Zur Aufnahne der betriebsbedingten thermischen Differenzdehnungen zwischen dem Ag-In-Cd-Absorber und dem Hüllrohr ist unterhalb des Zwischenstopfens 7 ein Leerraun 8 vorgesehen, der sich zwischen den Ag-In-Cd-Absorber 5 und den Zwischenstopfen 7 erstreckt. Die Verbindung zwischen Hüllrohr und Zwischenstopfen muß so ausgebildet sein, daß der Zwischenstopfen einer negativen Bremsbeschleunigung von maximal 20 g während einer Schnellabschaltung standhält. Ist in dem Leerraun eine zylindrische Schraubenfeder 9 untergebracht, so muß die Leerraumlänge um die Blocklänge der Feder vergrößert werden.

Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer stationären Festlegung des Zwischenstopfens 7 im Hüllrohr 2. Der mit einer leicht konkav ausgebildeten Mantelfläche ausgeführte Zwischenstopfen weist an seinen größten Durchmessern ein Schrumpfübermaß auf und wird nach einer Abkühlung in seine Position gebracht. Nach seiner Erwärmung auf die Umgebungstemperatur bildet er eine Schrumpfpassung mit dem Hüllrohr 2. Der Zwischenstopfen 7 weist in seiner Mitte einen um ca. 0,3 mm kleineren Außendurchmesser auf als im Bereich der Schrumpfpassung. Durch eine Einrollierung des Hüllrohres 2 an dieser im Durchmesser reduzierten Stelle des Zwischenstopfens 7 wird die Zuverlässigkeit der Schrumpfpassung erhöht. Die Fig. 2 läßt den relativ großen Spalt 10 zwischen den Absorbern und dem Hüllrohr erkennen.

Die Fig. 3 zeigt in einer anderen erfindungsgemäßen Lösung einen axial beweglichen Zwischenstopfen 7 zwischen dem Ag-In-Cd-Absorber 5 und dem B4C-Absorber 6. Bei dieser Ausführung ist ein Leerraum nicht erforderlich, da die thermischen Differenzdehnungen zwischen dem Ag-In-Cd-Absorber und dem B4C-Absorber durch den axial beweglichen Zwischenstopfen ausgeglichen werden können. Da für den Zwischenstopfen der selbe Werkstoff verwendet wird wie für das Hüllrohr, genügt eine Spaltbreite von 20 bis 30 µm zur Gewährleistung eines für die axiale Bewegbarkeit ausreichenden Spiels.

Die Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel zur Erzielung einer dichten und trotzdem noch gleitenden Ausbildung des Zwischenstopfens 7. Der Zwischenstopfen ist hierzu mit zwei Ringnuten 11 Versehen, die jeweils einen auch in Fig. 4a dargestellten Federring 12 aufnehmen. Die Federringe stellen eine Reibschlußverbindung her, die verhindert, daß Bruchstücke des B4C-Absorbers in den Spalt zwischen dem Ag-In-Cd-Absorber 5 und dem Hüllrohr 2 eindringen.

Ein Schlitz 18 des Federringes 12 ist bei eingesetztem Federring nicht ganz geschlossen. Damit keine auf der Seitenfläche 16 des Federringes 12 aufgefangene B4 C-Brösel in den Schlitz 18 gelangen, sind die dem B4 C-Absorber zugewandten Kanten 17 hochgezogen, so daß sie einen Wulst bilden.

Die Fig. 5 zeigt zwei nebeneinander angeordnete Steuerstäbe 1 eines Steuerelementes, wie es in Fig. 6 mit dem Haltelement 13 zur Aufnahme einer Vielzahl von Steuerstäben synbolisiert ist. Zur Vermeidung von ungünstigen lokalen Leistungsverteilungen beim Einfahren eines solchen Steuerelementes wird die Position des Leerraumes 8 variiert. So sind die Zwischenstopfen 7 und der Leerraum 8 zweier benachbarter Steuerstäbe 1, 1a um mindestens die Länge eines solchen Zwischenstopfens plus Leerraum versetzt. Die am oberen Ende der Fig. 5 angegebene Kennzeichnung 14, 15 wird auch bei der Positionsangabe in Fig. 6 verwendet. Daraus wird deutlich, daß Absorberstäbe mit gleicher Lage des Leerraumes 8 in symetrischen Positionen des Steuerelementes angeordnet sind.

Bezugszeichenliste:

1, 1a Steuerstab

2 Hüllrohr

3 Zapfen

4 Spitze

5 Ag-In-Cd-Absorber

6 B&sub4;C-Absorber

7 Zwischenstopfen

8 Leerraum

9 Schraubenfeder

10 Spalt

11 Ringnut

12 Federring

13 Halteelement

14, 15 Kennzeichnung

16 Seitenfläche

17 Kante

18 Schlitz


Anspruch[de]
  1. 1. Steuerstab (1) zur Beeinflussung der Reaktivität eines Kernreaktors, wobei der Steuerstab aus einem an seinen Enden verschlossenen Hüllrohr (2) besteht, dessen unterer, zuerst in den Reaktorkern einfahrbarer Bereich, einen Ag-In-Cd-Absorber (5) enthält, an den sich ein Bereich mit einem B4C-Absorber anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ag-In-Cd-Absorber (5) von dem B4 C-Absorber (6) durch einen starr mit dem Hüllrohr (2) verbundenen Zwischenstopfen (7) getrennt ist und daß zwischen dem Zwischenstopfen (7) und dem Ag-In-Cd-Absorber (5) ein Leerraum (8) vorgesehen ist.
  2. 2. Steuerstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Leerraum (8) zwischen Ag-In-Cd-Absorber (5) und Zwischenstopfen (7) eine zylindrische Schraubenfeder (9) angeordnet ist.
  3. 3. Steuerstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Hüllrohr (2) und dem Zwischenstopfen (7) als Schrumpfpassung ausgebildet ist.
  4. 4. Steuerstab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Zwischenstopfens (7) leicht konkav ausgebildet ist, daß die Schrumpfpassung im Bereich des größten Außendurchmessers des konkav ausgebildeten Zwischenstopfens (7) wirkt und daß das Hüllrohr (2) im Bereich der Stopfenmitte einrolliert ist.
  5. 5. Steuerstab (1) eines Kernreaktors, wobei der Steuerstab aus einem an seinen Enden verschlossenen Hüllrohr (2) besteht, dessen unterer, zuerst in den Reaktorkern einfahrbarer Bereich, einen Ag-In-Cd-Absorber (5) enthält an den sich ein Bereich mit einem B4 C-Absorber (6) anschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ag-In-Cd-Absorber (5) von dem B4C-Absorber (6) durch einen in axialer Richtung des Hüllrohres (2) bewegbaren Zwischenstopfen (7) getrennt ist.
  6. 6. Steuerstab nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite zwischen dem Zwischenstopfen (7) und dem Hüllrohr (2) 20 bis 30 µm beträgt.
  7. 7. Steuerstab nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenstopfen (7) wenigstens eine Ringnut (12) aufweist und daß in die Ringnut ein Federring (12) eingelegt ist, der mit seiner Außenumfangsfläche eine Reibschlußverbindung mit dem Hüllrohr (2) eingeht.
  8. 8. Steuerstab nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der zum B4C-Absorber (6) hingerichteten Seitenfläche (16) des Federringes (12) die Kanten (17) des Schlitzes (18) einen geringeren Abstand zun B4C-Absorber aufweisen als die Seitenfläche (16).
  9. 9. Anordnung mehrerer Steuerstäbe (1) zu einem Steuerelement eines Kernreaktors, wobei jeder Steuerstab in seinem unteren Bereich einen Ag-In-Cd-Absorber (5) und in seinem oberen Bereich einen B4C-Absorber (6) enthält, wobei die Bereiche durch einen Zwischenstopfen (7) voneinander getrennt sind und wobei zwischen dem Ag-In-Cd-Absorber (5) und dem Zwischenstopfen (7) ein Leerraun (8) vorgesehen ist, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerräume (8) nebeneinander angeordnete Steuerstäbe (1, 1a) in axialer Richtung betrachtet gegeneinander versetzt sind und daß die Steuerstäbe eines Steuerelementes mit gleicher axialer Position der Leerräume (8) in symetrischen Positionen (14, 15) eingesetzt sind.






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