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Dokumentenidentifikation DE3529242C2 19.05.1993
Titel Absorberstab
Anmelder Asea Brown Boveri AG, 6800 Mannheim, DE;
Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH, 4600 Dortmund, DE
Erfinder Dorweiler, Harald, Dipl.-Ing., 6707 Schifferstadt, DE;
Elter, Claus, Dipl.-Ing. Dr., 6702 Bad Dürkheim, DE;
Grossert, Franz, 6149 Kröckelbach, DE;
Schmitt, Hermann, Dipl.-Ing., 6752 Winnweiler, DE;
Rohark, Günter, 6803 Edingen-Neckarhausen, DE;
Schöning, Josef, Dipl.-Ing. Dr., 7521 Hambrücken, DE
DE-Anmeldedatum 16.08.1985
DE-Aktenzeichen 3529242
Offenlegungstag 19.02.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.05.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse G21C 7/10
IPC-Nebenklasse G21C 15/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Absorberstab, der mit Hilfe eines Stellantriebes direkt in eine Schüttung kugelförmiger Brennelemente eines Kernreaktors einfahrbar ist, mit in einem Ringspalt zwischen zwei konzentrisch angeordneten Rohrelementen befindlichem Absorbermaterial sowie mit einer am freien Ende des Absorberstabes angeordneten und mit den Rohrelementen verbundenen Stabspitze, die koaxial zu den Rohrelementen einen in das Stabinnere ragenden Hohlzylinder trägt, der von einem Haltestab durchsetzt ist, der einerseits an der Stabspitze und andererseits an einem von der Stabspitze entfernten Verbindungsteil des Absorberstabes festgelegt ist.

Ein derartiger Absorberstab ist aus der DE 29 03 789 A1 bekannt. Dort wird im wesentlichen dessen Kühlung abgehandelt. Am Rande wird erwähnt, daß wahlweise eines der drei Hüllrohre als Tragrohr eingesetzt werden kann.

Aus der US-PS 40 82 609 ist ein ähnlicher Absorberstab bekannt. Dort ist offenbar das größere Rohr als Tragrohr ausgebildet. Ferner ist die Halteeinrichtung für die Stabspitze so ausgebildet, daß bei unbeschädigtem Absorberstab ein Spiel zwischen den zu haltenden Teilen besteht.

Ferner ist aus der DE 20 49 981 A1 ein auf eine besondere Ausbildung der Absorberstabspitze gerichteter Absorberstab bekannt. Über die Festlegung der Rohre des Absorberteils relativ zur Stabspitze ist nichts ausgeführt. Ebenso fehlt ein Hinweis auf eine Halteeinrichtung für die Stabspitze.

Es stellt sich die Aufgabe, den gattungsgemäßen Absorberstab hinsichtlich der Befestigung zwischen den Rohrenden der Stabspitze und der Halteeinrichtung zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß beide Rohrelemente mit der Stabspitze verschweißt sind, daß das innere, als Tragrohr ausgebildete Rohrelement an seinem der Stabspitze abgewandten Ende mit dem Verbindungsteil verschweißt ist, während das äußere Rohrelement gegenüber dem Verbindungsteil gleitend geführt ist, und daß sich der Haltestab in eine die Stabspitze zentrisch durchdringende Bohrung fortsetzt und mit der Stirnseite der Stabspitze bündig abschließt.

Damit wird ein Absorberstab geschaffen, der Wärmedehnungen kompensiert und eine andersartige Halterung der Stabspitze bringt. Das innere Rohrelement dient als Tragelement zur Aufnahme der mechanischen Beanspruchungen und ist gegen die permanent einwirkende Neutronenstrahlung durch das Absorbermaterial gechützt. Das äußere Rohrelement hat in diesem Falle lediglich die Aufgabe, das Absorbermaterial in seiner Lage zu fixieren und das innere Tragrohr abzuschirmen. Sämtliche äußeren mechanischen Kräfte und Momente werden von der angeschweißten Stabspitze eingeleitet und vom Innenrohr aufgenommen und übertragen. Die Stabspitze ist generell als einstükkiges Kopfstück ausgeführt und mit dem inneren sowie mit dem äußeren anschließenden Rohrelement verschweißt, wobei die beiden Ringnähte axial zueinander versetzt sind. Die Schweißnaht liegt aus thermischen und neutronenphysikalischen Gründen zweckmäßigerweise möglichst weit von der Stabspitze entfernt, d. h. vorzugsweise wenigstens im Abstand des einfachen Stabdurchmesser von der Stirnebene der Stabspitze. Die Haltevorrichtung dient im Falle eines Bruches der Absorberstabspitze dazu, diese zu halten und vor dem irreversiblen Eintauchen in den Kugelhaufen zu bewahren. Auf diese Weise können auch beschädigte Absorberstäbe komplett aus der Kugelschüttung geborgen werden, ohne daß störende Reste dort verbleiben.

Als besondere Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß am Außenumfang des Hohlzylinders Abstandshalter angeordnet sind, die sich am inneren Stabelement abstützen.

Anhand der Fig. 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Absorberstabes dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Absorberstab im teileingefahrenen Zustand in einem Kugelhaufenreaktor, der sich in einem Spannbetonbehälter befindet,

Fig. 2 einen Teilbereich eines Absorberstabes, dessen inneres Rohr die Tragfunktion übernimmt und

Fig. 3 eine Einzelheit III der Fig. 2 in einem größeren Maßstab.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Kernkraftwerksanlage 10, in der sich ein Spannbetonbehälter 12 befindet, welcher in seinem Inneren einen Hohlraum 14 aufweist, in dem ein Reaktor 16 mit einer Schüttung 18 aus kugelförmigen Brennelementen 19, kurz Kugelhaufen genannt, angeordnet ist. In diesen Kugelhaufen 18 taucht ein Absorberstab 21 ein, der in einem in den Spannbetonbehälter 12 eingegossenen Panzerrohr 22 geführt ist und von einem Hubkolbenantrieb 24 bewegt wird. An seinem Umfang weist der Absorberstab 21 in zwei zueinander axial versetzten Bereichen Längsschlitze 26, 27 auf. Der Abstamd dieser Bereiche mit Schlitzen 26, 27 zueinander und zur Stabspitze 31 ist so gewählt, daß mit Eintauchen des Stabes 21 in den Kugelhaufen 18 Kühlgas aus dem oberhalb des Kugelhaufens 18 befindlichen Zwischenraum 28 in das Innere des Stabes 21 eintreten kann und ihn zu seiner Kühlung zur Stabspitze 28 hin durchströmt. Durch Einhaltung dieser geometrischen Bedingung ist sichergestellt, daß bei jeder Stabstellung sich ein Bereich mit Schlitzen 26, 27 im Zwischenraum 28 des Reaktors 16 befindet und den Zutritt von Kühlgas in das Stabinnere gestattet.

In Fig. 2 ist ein Teilbereich des Absorberstab 21 dargestellt der in einem durch zwei konzentrisch angeordnete zylindrische Rohrelemente 33, 35 gebildeten Ringspalt 38 Absorbermaterial 36 aufweist. Der Absorberstab 21 ist stufenförmig aus gleichlangem Abschnitten von Rohrelementen 33, 35 aufgebaut, die mittels Verbindungsteilen 40 miteinander verbunden sind. Am unteren Stabende sind das innere Rohrelement 33 und das äußere Rohrelement 35 an eine einstückige Spitze 31 angeschweißt, welche konisch zuläuft und eine der Form der Brennelemente angepaßte nahezu halbkugelförmige Ausnehmung 47 aufweist. Zur Aufnahme und Übertragung der aus dem Betrieb resultierenden Beanspruchungen hat das Innenrohr 33 eine größere Wanddicke als das Außenrohr 35. Während das Innenrohr 33 mit der Stabspitze 31 und mit dem Verbindungsteil 40, welches über den Umfang verteilt axial verlaufende Radialschlitze 26 für den Kühlgaseintritt aufweist, verschweißt ist, sind die äußeren Rohrelemente 35 jeweils nur im unteren Bereich mit der Stabspitze 31 bzw. mit dem Verbindungsteil 40 mittels Schweißnaht verbunden. An ihrem oberen Ende sind die äußeren Rohrelemente 35jeweils gleitend geführt. Sowohl an der Stabspitze 31 als auch an den Verbindungsteilen 40 sind im Ringspalt 38 Distanzringe 39 eingelegt, die das Absorbermaterial 36 in ausreichendem Abstand von der Verbindungsstelle 42 (Schweißnaht) des äußeren Rohrelements 35 mit der Stabspitze 31 bzw. den Verbindungsteilen 40 hält. Im Bereich des Konus der Stabspitze 31 sind Austrittsschlitze 25 über den Umfang verteilt vorgesehen. Im Innenrohr 33 sind Belüftungsbohrungen 45 vorgesehen, die die Verbindung zum Stabinneren herstellen und einen unzulässigen Druckaufbau infolge des Absorbermaterials 36 oder infolge gasförmiger Zersetzungsprodukte des Absorbermaterials 36 verhindern. Die einstückige Stabspitze 31 verjüngt sich konisch von dem Anschlußbereich 58 an die Rohrelemente 33, 35 bis zu einer kleinen Stirnfläche, die eine nahezu halbkugelförmige Ausnehmung 47 aufweist. Zusätzlich ist eine axial verlaufende zentrische Durchgangsbohrung 56 vorgesehen, die sich in einem dünnwandigen Hohlzylinder 54 fortsetzt und einen Haltestab 51 aufnimmt. Dieser Haltestab 51, der die Bohrung 56 voll ausfüllt, greift mit seinem freien Ende in einen Aufnahmestutzen 53, der zu einer Haltesicherung 50 gehört und mit dem er fest verbunden ist. Etwa auf halber Länge des Hohlzylinders 54 sind regelmäßig an seinem Außenumfang Abstandhalter 60 angeformt, die seitliches Spiel verhindern sollen, indem sie sich an dem inneren Rohrelement 33 abstützen. Die Haltesicherung 50, die mittels einem Haltering 52 an das der Stabspitze 31 nächstgelegene Verbindungsteil 40 anschließt, dient im wesentlichen dazu, die infolge Bruchversagen vom äußeren Rohrelement 35 gelöste Stabspitze 31 zu halten und vor dem Einsinken und dem Verbleib im Kugelhaufen 18 zu bewahren, was schwerwiegende Folgen für den Reaktorbetrieb hätte.

Ein weiterer Vorteil, der sich mit der Ausgestaltung der Halteeinrichtung verbindet, beruht darauf, daß das im Stabinneren durchströmende Kühlgas in dem verbleibenden konzentrischen Ringraum um den Hohlzylinder 54, bzw. um den Haltestab 51 und den Aufnahmestutzen 53 intensiver zur Kühlung der inneren Rohrelemente 33 beiträgt. Die Länge des Haltestabes 51 ist so gewählt, daß er einerseits spielfrei in den Aufnahmestutzen 53 eingeführt ist und andererseits nicht in die kalottenartige Ausnehmung 47 hineinragt.

Die Länge sowie die Anzahl der einzelnen Abschnitte der Rohrelemente 33, 35 richtet sich nach den geometrischen Gegebenheiten des Reaktors sowie nach der vorgesehenen Betriebsweise. Günstig ist eine Anzahl von wenigstens 3 Abschnitten. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Ausstattung der Verbindungsteile mit Eintrittsschlitzen 26 differenziert vorzusehen, d. h. gegebenenfalls alternierend mit und ohne Schlitze 25.

In der Fig. 3 ist eine Ausschnittsvergrößerung III aus Fig. 2 gezeigt, aus der Details zur Gestaltung der Stabspitze 31 des Absorberstabes 21 hervorgehen. Gezeigt ist eine Halbseite der Stabspitze 31 im Längsschnitt. Die als einstückiges Drehteil herzustellende Stabspitze weist eine axial verlaufende zentrische Durchgangsbohrung 56 auf, in die ein Haltestab 51 eingesetzt ist, der unterhalb bündig mit der kalottenförmigen Ausnehmung 47 abschließt. Ausgehend von dieser Stirnfläche erweitert sich die Stabspitze 31 auf den Durchmesser des äußeren Rohrelementes 35, an welches es mittels Schweißnaht 42, fest anschließt. Diese Schweißnaht 42 sollte konstruktiv möglichst weit nach oben gelegt werden. Mit kleinerem Radius konzentrisch zum äußeren Stabelement ist ein Anschlußstutzen 59 vorgesehen, an den axial versetzt das nicht gezeigte innere Rohrelement 33 angeschweißt ist. Der zwischen beiden Rohrelementen 33, 35 entstandene Ringraum 38 wird begrenzt von einer ringförmig in die Stabspitze 31 eingelassene Stirnfläche 58 mit halbkreisförmigem Querschnitt.

Der relativ große Radius dieser Ringfläche, der etwa dem halben Abstand der Rohrelemente 33, 35 entspricht, dient vor allem dazu, Kerbspannungen zu vermeiden, die sich denen aus unterschiedlicher Wärmedehnung auf Grund der unterschiedlichen Erwärmung und der ungleichen Materialdicken von Anschlußbereich 58 und den Wanddicken im Schweißnahtbereich überlagern. Aus dem gleichen Grund ist vorgesehen, den Ringraum 57, der zwischen dem inneren Rohrlement 33 und dem zentrisch angeordneten, den Haltestab 51 umschließenden Führungszylinder 54 gebildet ist zur Stabspitze 31 hin durch stetige Querschnittsänderung zu begrenzen. Mit anderen Worten, der zwischen dem Führungszylinder 54 und dem Anschlußbereich 58 bzw. dem inneren Rohrlement 33 befindliche zylindrische Ringraum 57 verjüngt seinen Querschnitt zur Stabspitze 31 hin derart, daß die Außenwand der Stabspitze gleiche Dicke beibehält und die Wanddicke des Führungszylinders 54 stetig zunimmt. Der auf diese Weise entstandene Ringraum 57 weist einen dreieckförmigen Querschnitt auf, der an seiner Spitze in einen Radius übergeht.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die infolge großer Unterschiede im Materialquerschnitt auftretenden Spannungen gering gehalten werden und Kerbspannungen vermieden werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Absorberstab, der mit Hilfe eines Stellantriebes direkt in eine Schüttung (18) kugelförmiger Brennelemente (19) eines Kernreaktors einfahrbar ist, mit in einem Ringspalt (38) zwischen zwei konzentrisch angeordneten Rohrelementen (33, 35) befindlichem Absorbermaterial (36) sowie mit einer am freien Ende des Absorberstabes angeordneten und mit den Rohrelementen verbundenen Stabspitze (31), die koaxial zu den Rohrelementen einen in das Stabinnere ragenden Hohlzylinder (54) trägt, der von einem Haltestab (51) durchsetzt ist, der einerseits an der Stabspitze (31) und andererseits an einem von der Stabspitze entfernten Verbindungsteil (40) des Absorberstabes festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß beide Rohrelemente (33, 35) mit der Stabspitze (31) verschweißt sind, daß das innere, als Tragrohr ausgebildete Rohrelement (33) an seinem der Stabspitze abgewandten Ende mit dem Verbindungsteil (40) verschweißt ist, während das äußere Rohrelement (35) gegenüber dem Verbindungsteil gleitend geführt ist, und daß sich der Haltestab (51) in eine die Stabspitze (31) zentrisch durchdringende Bohrung (56) fortsetzt und mit der Stirnseite der Stabspitze bündig abschließt.
  2. 2. Absorberstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Hohlzylinders (54) Abstandshalter (60) angeordnet sind, die sich am inneren Rohrlement (33) abstützen.






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