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Diese Erfindung bezieht sich auf Druckwasserreaktoren und
mehr im einzelnen auf einen Tragstern zur Halterung und
einstellbaren Positionierung von Stabbündeln.
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Wie im Stand der Technik bekannt ist, verwenden herkömmliche
Druckwasserreaktoren Steuerstäbe, die innerhalb des
Reaktorbehälters mit gegenseitigen Abständen etwa parallel
angeordnet sind, so daß sie teleskopartig mit Bezug auf die
Brennelemente axial verschiebbar sind. Die Steuerstäbe
enthalten Materialien, die als Neutronengifte bekannt sind, die
Neutronen absorbieren und dadurch den Neutronenflußpegel
innerhalb des Reaktorkerns dämpfen. Die Einstellung der
Positionen der Steuerstäbe relativ zu den betreffenden
zugeordneten Brennelementen steuert und regelt die Reaktivität und
dementsprechend den Ausgangsleistungspegel des Reaktors.
Typischerweise sind die Steuerstäbe in Bündeln angeordnet,
und die Stäbe jedes Bündels sind an einem Tragstern
befestigt, der wiederum mit einem Mechanismus verbunden ist,
der zum Anheben oder Absenken des zugeordneten Stabbündels
betätigbar ist.
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Gewisse fortgeschrittene Konstruktionen von
Druckwasserreaktoren verwenden sowohl Steuerstabbündel (RCC) als auch
Wasserverdrängerstabbündel (WDRC), und außerdem sogenannte
graue Stabbündel, die im Aufbau ähnlich den RCCs sind,
weshalb hier beide kollektiv als RCCs bezeichnet sind. Bei einer
solchen Reaktorkonstruktion sind insgesamt über 2800
Reaktorsteuerstäbe und Wasserverdrängerstäbe in 185 Bündeln
angeordnet, wobei jedem Bündel ein Tragstern zugeordnet ist, an
welchem die Stäbe des Bündels einzeln befestigt sind.
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Bei einem typischen Druckwasserreaktor fortgeschrittener
Bauart sind an fortschreitend höheren Stellen innerhalb des
Reaktorbehälters eine untere Gefäßbaugruppe, eine innere
Gefäßbaugruppe und eine Rohranordnung, die jeweils eine etwa
zylindrische Konfiguration haben, und eine obere
Abschlußkuppel angeordnet. Die untere Gefäßbaugruppe enthält in
paralleler Anordnung eine Vielzahl von Brennelementen, die an
ihren beiderseitigen Enden durch eine untere Kerntragplatte
und eine obere Kerntragplatte gehaltert sind, wovon die
letztere mit den unteren Rändern der zylindrischen Seitenwand
der inneren Gefäßbaugruppe verschweißt ist. Innerhalb der
inneren Gefäßbaugruppe ist eine große Anzahl von
Stabführungen mit geringen gegenseitigen Abständen und in einer
Anordnung montiert, die sich im wesentlichen über den gesamten
Querschnittsbereich der inneren Gefäßbaugruppe erstreckt. Die
Stabführungen gehören einer ersten bzw. einer zweiten Bauart
an und beherbergen Reaktorsteuerstabbündel (RCC) bzw.
Wasserverdrängerstabbündel (WDRC); diese Bündel, die teleskopartig
in den zugeordneten Führungen aufgenommen sind, sind im
wesentlichen mit Bezug auf die zugeordneten Brennelemente
fluchtend ausgerichtet.
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Eines der Hauptziele der fortgeschrittenen Konstruktionen von
Druckwasserreaktoren ist das Erreichen einer beträchtlichen
Verbesserung hinsichtlich des Brennstoffausnutzungsgrads, was
zu geringeren Gesamtbrennstoffkosten führt. Entsprechend
diesem Ziel wirken die Wasserverdrängerstabbündel (WDRCs) als
mechanische Moderatorsteuerung, und sämtliche WDRCs sind am
Beginn eines neuen Brennstoffzyklus vollständig in die
betreffenden Brennelemente und folglich in den Reaktorkern
eingefahren. Ein Brennstoffzyklus dauert typischerweise etwa 18
Monate, wonach der Brennstoff erneuert werden muß. Da sich
der Überschußreaktivitätspegel über dem Zyklus vermindert,
werden die WDRCs gruppenweise fortschreitend aus dem
Reaktorkern herausgezogen, so daß im Reaktor der gleiche
Reaktivitätspegel aufrechterhalten werden kann, obwohl der
Reaktivitätspegel der Brennelemente sich durch den Verbrauch im
Verlaufe der Zeit verringert. Umgekehrt werden die
Steuerstabbündel bewegt, und zwar wiederum in Form axialer Verschiebung
und daher teleskopartig mit Bezug auf die zugeordneten
Brennelemente, um die Reaktivität und dementsprechend den
Ausgangsleistungspegel des Reaktors kontinuierlich zu steuern,
beispielsweise in Abhängigkeit vom Lastbedarf, was in zu
herkömmlichen Reaktorregelungen analoger Weise erfolgt.
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Die Rohranordnung umfaßt eine untere Rohrplatte und eine
obere Rohrplatte. Die Stabführungen sind an ihren unteren und
oberen Enden an der oberen Kerntragplatte bzw. der unteren
Rohrplatte in ihrer Position befestigt. Innerhalb der
Rohranordnung und zwischen miteinander fluchtenden Öffnungen in der
unteren und der oberen Rohrplatte ist eine Vielzahl von
Rohren parallel axial verlaufend montiert, die jeweils mit
den Stabführungen fluchten. In den verbleibenden Bereichen
der Rohrplatten ist eine Anzahl von Strömungsbohrungen
vorgesehen, und zwar an bezüglich der den Rohren zugeordneten
Öffnungen versetzten Stellen, durch welche die
Reaktorkernauslaßströmung hindurchpassiert, während sie bei ihrer
aufwärts gerichteten Strömung durch die innere Gefäßbaugruppe
austritt. Die Reaktorkernauslaßströmung oder ein größerer
Teil hiervon biegt aus der axialen Strömungsrichtung in eine
Radialrichtung ab, um durch radial auswärts orientierte
Auslaßmundstücke hindurch zu strömen, die in Strömungsverbindung
mit der Rohranordnung stehen.
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In ähnlicher Weise parallel axialer und fluchtender Weise
sind die Rohre der Rohranordnung mit entsprechenden
Strömungshülsen verbunden, die sich über einen vorgegebenen
Höhenbereich innerhalb der Kuppel erstrecken, und die
ihrerseits fluchtend und in enger Nähe mit entsprechenden oberen
Verlängerungen verlaufen, die durch die tragende Wand der
Kuppel verlaufen und an ihren freien Enden außerhalb und
vertikal oberhalb der Kuppel entsprechende Verstellmechanismen
tragen, wie oben erwähnt. Die Verstellmechanismen haben
entsprechende Antriebsstangen, die durch die oberen
Verlängerungen, die Strömungshülsen und die Rohre der Rohranordnung
hindurchverlaufen und mit den zugehörigen Tragsternen verbunden
sind, an denen die Bündel der RCC-Stäbe und der WDRC-Stäbe
montiert sind, und sie dienen zur Einstellung ihrer
Höhenpositionen innerhalb der inneren Gefäßbaugruppe und
dementsprechend des Höhenpegels, auf welche die Stäbe in die untere
Gefäßbaugruppe hinein und folglich in die zugeordneten
Brennelemente abgesenkt werden, um die Reaktivität im Reaktorkern
zu steuern.
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Ein kritisches Konstruktionskriterium bei solchen Reaktoren
ist die Vermeidung von Schwingungen der Reaktoreinbauten, die
durch die Reaktorkernauslaßströmung induziert werden kann,
wenn sie durch die Reaktoreinbauten hindurch strömt. Ein
wesentlicher Faktor zur Erreichung dieses Kriteriums liegt
darin, die Reaktorkernauslaßströmung durch die gesamte innere
Gefäßbaugruppe in axialer Richtung und folglich in parallelem
axialem Verlauf mit Bezug auf die Stabbündel und die
zugeordneten Stabführungen zu halten. Dies wird teilweise dadurch
erreicht, daß die Wassereinlaß- und Wasserauslaßmundstücke in
einer Höhenposition angeordnet werden, die etwa derjenigen
der Rohranordnung entspricht, und folglich oberhalb der
inneren Gefäßbaugruppe liegt, welche die Stabführungen und
die zugeordneten Stabbündel beherbergt, wie oben erwähnt.
Zusätzlich sind als Strömungsformer bekannte
Konstruktionselemente in dem Behälter eingebaut, um die Aufrechterhaltung des
gewünschten axialen Strömungsverlauf innerhalb der inneren
Kernbaugruppe zu unterstützen.
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Wie zuvor erwähnt, findet bei einem Druckwasserreaktor der
Bauart, bei welcher Stabbündeltragsterne mit der verbesserten
Armkonfiguration nach der vorliegenden Erfindung zum Einsatz
vorgesehen sind, eine große Anzahl von Steuerstäben oder
Teilstäben Anwendung, die typischerweise in der als
Reaktorsteuerstabbündel (RCC) bezeichneten Anordnung angeordnet
sind, und zusätzlich eine große Anzahl von
Wasserverdrängerstäben, die in ähnlicher Weise in Wasserverdrängerstabbündeln
(WDRC) angeordnet sind, wobei eine Anordnung von 185
derartiger Bündeln, die insgesamt 2800 Stäbe enthalten (d. h. die
Gesamtheit von Reaktorsteuerstäben und
Wasserverdrängerstäben), in paralleler axialer Anordnung innerhalb der inneren
Gefäßbaugruppe des Reaktorbehälters montiert ist. Die Stäbe
jedes Bündels sind mit ihren oberen Enden mit einer
entsprechenden Tragstern verbunden, und das am Tragstern
montierte Bündel ist teleskopartig in einer entsprechenden
Stabführung aufgenommen. Der Tragstern ist über eine
Antriebsstange mit einem entsprechenden Verstellmechanismus
verbunden, der ein wahlweise Anheben vor der Absenken des
Stabbündels
mit Bezug auf eine zugeordnete Gruppe von Brennelementen
ermöglicht, um die Reaktivität und folglich den
Ausgangsleistungspegel des Reaktors zu steuern.
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Während die Konstruktion solcher fortgeschrittener Reaktoren
auf die Erzielung einer im wesentlichen axialen
Reaktorkernauslaßströmung gerichtet ist, insbesondere durch die oberen
Einbauten und daher an den Stabführungen und den zugehörigen
Stabbündeln vorbei, hat man festgestellt, daß die
Konfiguration der herkömmlichen Tragsternarme, welche die Stäbe
halten, unerwünschten Schwingungen ausgesetzt; insbesondere ist
die herkömmliche Konfiguration der etwa radial verlaufenden
Arme nicht optimal, und dies erfüllt nicht das
Konstruktionskriterium der Schwingungsvermeidung.
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Mehr im einzelnen weist die Tragsternkonfiguration
typischerweise eine mittige Nabe von etwa zylindrischer Gestalt auf,
die parallel axial mit Bezug auf die Vertikalachse des
Reaktorbehälters verläuft. Die Armbaugruppen sind mit der
mittigen Nabe verbunden und verlaufen radial von dieser aus,
und die Armbaugruppen haben unterschiedliche Konfigurationen,
aber weisen grundsätzlich vertikal orientierte Arme auf, die
Metallplatten mit etwa parallelen, ebenen Hauptflächen
umfassen, welche zwei oder mehr zylindrische Stabhalterungen
miteinander und mit der Nabe verbinden. Die Stabhalterungen
verlaufen ebenfalls parallel axial mit Bezug auf die Nabe.
Die Reaktorkernauslaßströmung verläuft daher entlang der Arme
in paralleler Weise, entsprechend dem allgemeinen
Konstruktionskriterium der Aufrechterhaltung einer parallelen
Axialströmung.
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Jeder Tragstern und folglich seine zugeordneten Armbaugruppen
müssen eine beträchtliche mechanische Festigkeit haben.
Beispielsweise trägt ein Steuerstabtragstern typischerweise
insgesamt acht Steuerstäbe, die mit gleichen Winkelabständen um
die mittige Nabe an vier radial wegragenden
Armunterbaugruppen angeordnet sind; das Gesamtgewicht des Steuerstabbündels
mit acht Stäben beträgt etwa 90 kg bis 113 kg. Ein typisches
Wasserverdrängerstabbündel kann bis zu 24
Wasserverdrängerstäbe umfassen, die in abwechselnden Gruppen von zwei und
vier Stäben an entsprechenden von insgesamt acht
Armbaugruppen montiert sind, wobei jede der vier Stabbaugruppen
sowohl ein radial verlaufendes Armelement als auch zwei
querverlaufende Armelemente aufweist, welch letztere die
zylindrischen Halterungen an ihren äußeren Enden tragen. Das
Gesamtgewicht eines Wasserverdrängerstabbündels in dieser
Konfiguration beträgt etwa 318 kg bis 363 kg. Die Tragsterne
müssen nicht nur das reine Gewicht der betreffenden
Stabbündel tragen, sondern zusätzlich auch die Kräfte aufnehmen, die
durch die umgebende, verhältnismäßig schnellströmende
Reaktorkernauslaßströmung, die über sie hinüberströmt, und durch
die Stabhöheneinstellfunktionen auf die Stabbündel ausgeübt
werden.
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Folglich muß die Konstruktion der Tragsterne eine wesentliche
mechanische Tragfunktion erfüllen, während sie gleichzeitig
die Empfindlichkeit gegen strömungsinduzierte Schwingungen
verringern soll. In der europäischen Patentanmeldung Nr.
86 309 594.9, die am 16. Juni 1987 als Offenlegungsschrift
EP-A-1 0225 805 veröffentlicht worden ist, ist festgestellt
worden, daß diese beiden Erfordernisse erfüllt werden können,
indem der Hinterkante jedes Arms, d. h. der stromabwärtigen
Kante mit Bezug auf die Kühlmittelströmungsrichtung an dem
Arm vorbei, eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform
gegeben wird, d. h. mit anderen Worten, sie flach ausgebildet
wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, daß
innerhalb eines kleinen Bereichs axialer Stellen des
Tragsterns, an welchen die Arme durch entsprechende hierfür
vorgesehene Kanäle in den Tragplatten innerhalb der
Stabführungen hindurchverlaufen, die so erzeugten
Strömungsdrosselungen zu einer beträchtlichen strömungsinduzierten
zufälligen Beanspruchung der Arme führen, die auf den Armen geordnet
werden und zu einer wechselnden bzw. schwingenden Belastung
führen (die eine Seitenkraft und/oder ein Drehmoment sein
kann), die auf den Tragstern und die daran gehalterten
Steuerstäbe sowie auch auf den zugehörigen
Antriebsmechanismus übertragen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist
festgestellt worden, daß ein Hauptfaktor bei der Entstehung
des Phänomens der wechselnden bzw. schwingenden Belastung die
typische symmetrische Konfiguration des
Vorderkantenquerschnitts der Arme ist. Beispielsweise hat die
Armvorderkantenkonfiguration, wie es typisch ist und herkömmlichen
Konstruktionskriterien entspricht, einen halbkreisförmigen oder
sonstigen symmetrischen Querschnitt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist jedoch festgestellt worden, daß die geeignete
Konfiguration für den Querschnitt der Armvorderkante
nichtsymmetrisch sein sollte, um dadurch die Wechsel- bzw.
Schwingungsbelastung auszuschalten und entsprechend die
Schwingungsbelastungen zu vermeiden. Auf der Basis verschiedener
Betriebsparameter ist eine Anzahl verschiedener
nichtsymmetrischer Querschnitte verfügbar, wie nachstehend mehr im
einzelnen beschrieben ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird
nachstehend lediglich beispielshalber unter Bezugnahme auf die
anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
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Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht der
Druckwasserreaktorbauart, bei welcher ein Stabbündeltragstern nach der
Erfindung eingesetzt werden kann,
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Fig. 2 einen vereinfachten, bzw. schematischen Querschnitt
längs der Linie 2-2 in Fig. 1, der die relativ dichte Packung
von Wasserverdrängerstab- und Steuerstabbündeln zusammen mit
ihren zugeordneten Stabführungen innerhalb der inneren
Gefäßbaugruppe des Reaktorbehälters nach Fig. 1 zeigt,
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Fig. 3 eine Draufsicht eines RCC-Tragsterns,
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Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht des RCC-Tragsterns
nach Fig. 3 entlang der Linie 4-4 in Fig. 3,
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Fig. 5 eine Draufsicht eines WDRC-Tragsterns,
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Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht des
WDRC-Tragsterns nach Fig. 5 entlang der Linie 6-6 in Fig. 5,
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die Fig. 7A und 7B eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht
einer Radialarmbaugruppe,
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Fig. 8 eine Ansicht einer der Stabhalterungen eines
Tragsterns,
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Fig. 9 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines
Tragsternarms mit herkömmlicher halbkreisförmiger
Vorderkantenquerschnittskonfiguration zur Darstellung der
Strömungsbedingungen,
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Fig. 10 eine perspektivische, abgebrochene und teilweise
verdeckte Ansicht einer RCC-Stabführung mit innerer Tragplatte,
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die Fig. 11 und 12 Vertikalschnittdarstellungen des
Tragsternarmabschnitts nach Fig. 9 in aufeinanderfolgenden
Höhenpositionen mit Bezug auf bzw. beim Durchgang durch einen
entsprechenden Schlitz in einer inneren Stabführungstragplatte,
wie in Fig. 10, und
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die Fig. 13A bis 13D Vertikalschnitte durch Abschnitte von
Tragsternarmen mit unterschiedlichen nichtsymmetrischen
Vorderkantenquerschnittskonfigurationen gemäß der Lehre der
vorliegenden Erfindung.
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Der in Fig. 1 dargestellte Druckwasserreaktor 10 weist einen
Reaktorbehälter 12 mit einer oberen Kuppel bzw.
Deckelbaugruppe 12a, zylindrischen Seitenwänden 12b, und einem unteren
Abschlußteil 12c auf, das den Boden des Reaktors 10 bildet.
Radial orientierte Einlaßmundstücke 11 und
Auslaßmundstücke 13 (von denen in Fig. 1 jeweils nur eines sichtbar
ist) sind in der Seitenwand 12b angrenzend an deren obere
ringförmige Endfläche 12d gebildet. Während die zylindrische
Seitenwand 12b mit dem unteren Abschluß 12c einstückig
verbunden sein kann, beispielsweise durch Schweißen, ist die
Deckelbaugruppe 12a abnehmbar mit der Endfläche 12d der
Seitenwand 12b verbunden. Die Seitenwand 12b bildet einen
inneren, etwa ringförmigen Tragsims 12e zum Abstützen
verschiedener Einbauten, wie später noch beschrieben wird. Das
untere Abschlußteil 12c enthält eine am Boden montierte
Instrumentierung 14, wie schematisch dargestellt ist.
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Die untere Gefäßbaugruppe 16 umfaßt eine etwa zylindrische
Seitenwand 17, die mit ihrem unteren Ende an einer unteren
Kerntragplatte 18 befestigt ist, die auf einer Abstützung 18b
aufgenommen ist. Die zylindrische Seitenwand 17 weist an
ihrem oberen Ende einen Tragring 17a auf, der auf dem
ringförmigen Tragsims 12e aufliegt, um so die Baugruppe 16
innerhalb des Reaktorbehälters 12 zu haltern. Die Seitenwand 17
ist in der Nähe der Einlaßmundstücke 11 massiv, hat aber eine
Öffnung 17b mit einem darin eingebauten Düsenring 17c, der
mit dem Auslaßmundstück 13 fluchtet und abnehmbar daran
befestigt ist. Eine obere Kerntragplatte 19 ist auf einem
Auflager 17d abgestützt, das an der Innenfläche der
zylindrischen Seitenwand 17 an einer etwa der halben axialen Höhe
derselben entsprechenden Position befestigt ist. Innerhalb
der unteren Gefäßbaugruppe 16 sind Brennelemente 20 mittels
unterer Halter 22, die von der unteren Kerntragplatte 18
getragen werden, und mittels zapfenartiger Halter 23
montiert, die von der oberen Kerntragplatte 19 gehalten werden
und durch diese hindurchverlaufen. Strömungsöffnungen 18a und
19a (von denen nur zwei dargestellt sind) in der unteren
Kerntragplatte 18 und der oberen Kerntragplatte 19
ermöglichen den Durchtritt von Reaktorkühlmittel in die untere
Gefäßbaugruppe 16 und das Hindurchströmen im Wärmeaustausch
mit den Brennelementen 20 und von da aus das Weiterströmen in
die innere Gefäßbaugruppe 24. Innerhalb der Seitenwand 17
verläuft ein neutronenreflektierender Schild 21 um den
Reaktorkernbereich herum.
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Die innere Gefäßbaugruppe 24 weist eine zylindrische
Seitenwand
26 auf, die an ihrem unteren Ende einstückig mit der
oberen Kerntragplatte 19 verbunden ist und an deren oberem
Ende ein Tragring 26a befestigt ist, der auf einer
ringförmigen Niederhaltefeder 27 sitzt und zusammen mit dem
Tragring 17a der Seitenwand 17 auf dem Tragsims 17e abgestützt
ist. Die Seitenwand 26 weist außerdem eine mit der
Öffnung 17b und dem Auslaßmundstück 13 fluchtende Öffnung 26b
auf. Innerhalb der inneren Gefäßbaugruppe 24 und dichtgepackt
innerhalb der zylindrischen Seitenwand 26 befindet sich eine
Vielzahl von Stabführungen, die mit kleinen Abständen
parallel zueinander angeordnet sind; zur einfacheren
Darstellung sind nur zwei solche Stabführungen in Fig. 1 gezeigt,
nämlich eine Stabführung 28, die ein Bündel von
Strahlungssteuerstäben 30 (RCC) beherbergt, und eine Stabführung 32,
die ein Bündel von Wasserverdrängerstäben 34 (WDRC)
beherbergt. Die Stäbe jedes RCC-Bündels 30 und jedes
WDRC-Bündels 34 sind einzeln mit den betreffenden Tragsternen 100 und
120 verbunden. An den oberen und unteren Enden der
Stabführung 28 sind Montagemittel 36 und 37 vorgesehen, und
entsprechende Montagemittel 38 und 39 sind an den oberen und
unteren Enden der Stabführung 32 vorgesehen, wobei die
unteren Montagemittel 37 und 39 zur Verbindung der
betreffenden Stabführungen 28 und 32 mit der oberen Kerntragplatte 19
und die oberen Montagemittel 36 und 38 zur Verbindung der
betreffenden Stabführungen 28 und 32 mit einer unteren
Rohrplatte 52 einer Rohrbaugruppe 50 dienen.
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Die Rohrbaugruppe 50 weist zusätzlich zur unteren
Rohrplatte 52 eine obere Rohrplatte 54 und eine Mehrzahl
paralleler, mit gegenseitigen Abständen angeordneten Rohren 56 und
57 auf, die axial fluchtend mit Öffnungen in der unteren und
der oberen Rohrplatte 52 bzw. 54 verlaufen, mit denen die
Rohre 56 und 57 verbunden sind. Mehr im einzelnen sind die
Rohre 56 und 57 an Ansätzen 58 und 59 befestigt, die in
entsprechenden Aussparungen der unteren Rohrplatte 52
aufgenommen und mit dieser verbunden sind. Ähnliche Elemente
verbinden die oberen Enden der Rohre 56 und 57 mit der oberen
Rohrplatte 54.
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Bei der dargestellten Anordnung ragen nur die Ansätze 58 von
der unteren Rohrplatte 52 abwärts vor und sind mit
entsprechenden Montagemitteln 36 für die oberen Enden der RCC-
Stabführungen 28 verbunden. Die oberen Montagemittel 38, die
den WDRC-Stabführungen 32 zugeordnet sind, können über
flexible Verbindungen (nicht dargestellt) mit den
Montagemitteln 36 der RCC-Stabführungen 28 verbunden sein. Alternativ
können die WDRC-Stabführungen 32 unabhängig mit der unteren
Rohrplatte 52 verbunden sein, wobei in diesem Fall die
Ansätze 59 ebenfalls von der Platte 52 nach unten vorstehen, um
die WDRC-Montagemittel 38 zu erfassen und seitlich
abzustützen.
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Innerhalb der Deckelbaugruppe 12a des Behälters 12 und von
der oberen Rohrplatte 54 nach oben ragend sind
Strömungshülsen 60 und 61 angeordnet, die axial mit den Rohren 56 und 57
fluchten und mit diesen verbunden sind. Eine entsprechende
Anzahl von Deckelfortsätzen 62 und 63 ist axial fluchtend mit
den Strömungshülsen 60, 61 angeordnet, wobei die unteren
Enden 62a und 63a der Deckelfortsätze konisch oder
glockenförmig ausgebildet sind, um den Zusammenbau zu erleichtern und
insbesondere die Antriebsstangen (in Fig. 1 nicht
dargestellt) in den Deckelverlängerungen 62, 63 zu führen, wenn
die Deckelbaugruppe 12a auf die Stirnfläche 12d der
Behälterseitenwand 12b abgesenkt wird, wie später noch unter Bezug
auf die Fig. 9A und 9B erläutert wird. Die erweiterten
Enden 62a, 63a nehmen auch die entsprechenden oberen Enden 60a,
61a der Strömungshülsen 60, 61 auf, wenn die Anordnung
zusammengebaut ist, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die
Deckelfortsätze 62, 63 verlaufen durch den oberen Wandbereich der
Deckelbaugruppe 12a hindurch und sind dort eingedichtet.
Steuerstabbündel-(RCC)-Antriebsmechanismen 64 und
Wasserverdrängerstabbündel-(WDRC)-Antriebsmechanismen 66 sind den
betreffenden Deckelfortsätzen 62, 63, Strömungshülsen 60, 61,
und Rohren 56, 57 zugeordnet, die wiederum entsprechenden
Bündeln von Strahlungssteuerstäben 30 und
Wasserverdrängerstäben 34 zugeordnet sind. Die RCC-Antriebsmechanismen
(CRDMs) 64 können von irgendeiner geeigneten bekannten Bauart
sein, und ebenso auch die Antriebsmechanismen (DRDMs) 66 für
die Wasserverdrängerstabbündel (WDRCs) 34, die ähnlich den im
US-Patent Nr. 4 439 054 der Anmelderin beschriebenen
Antriebsmechanismen ausgebildet sein können.
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Die den CRDMs 64 und den DRDMs 66 zugeordneten
Antriebsstangen verlaufen zu den betreffenden Bündeln der
Strahlungssteuerstäbe 30 und Wasserverdrängerstabe 34 und sind an ihren
unteren Enden mit Tragsternen 100 bzw. 120 verbunden. Die
CRDMs 64 und DRDMs 66 bewirken also über die zugehörigen
Antriebsstangen das Absenken oder Anheben der RCCs 30 und
WDRCs 34 durch entsprechende Öffnungen (nicht dargestellt) in
der oberen Kerntragplatte 19 telekopartig in die zugeordneten
Brennelemente 20 bzw. aus diesen heraus. Wie in Fig. 1
angedeutet ist, beträgt die innere Höhe D1 der unteren
Gefäßbaugruppe 16 etwa 4,5 m, die aktive Länge D2 der
Brennelemente 20 etwa 3,8 m, die innere Höhe D3 etwa 4,4 m und der
Bewegungsweg D4 der Stabbündel 30 und 34 und demzufolge der
CRDM- und der DRDM-Antriebsstangen etwa 3,7 m.
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Die RCCs 30 werden im Vergleich zu den WDRCs 34
verhältnismäßig häufig in ihrer Position verstellt, um den gewünschten
Ausgangsleistungspegel des Reaktors zu erhalten. Die WDRCs 34
werden beim Beginn jedes Brennstoffzyklus vollständig in die
untere Gefäßbaugruppe 16 eingefahren, und die WDRCs 32 werden
dann über ihre entsprechenden Antriebsstangen (nicht
dargestellt) und die RDMs 66 wahlweise herausgezogen, während die
Überschußreaktivität über den Brennstoffzyklus erschöpft
wird. Dies erfolgt typischerweise durch gleichzeitiges
Bewegen einer Gruppe von vier WDRCs 34 aus ihren vollständig
eingefahrenen Positionen in eine vollständig angehobene
Position innerhalb der entsprechenden WDRC-Führungen 32 in Form
eines kontinuierlichen und gesteuerten Herausziehvorgangs.
Mehr im einzelnen werden die vier WDRCs 34 einer gegebenen
Gruppe so ausgewählt, daß eine symmetrische
Leistungsverteilung im Reaktorkern aufrechterhalten bleibt, wenn die Gruppe
herausgezogen wird. Typischerweise verbleiben sämtliche
WDRCs 34 während etwa 60% bis 70% des ungefähr 18 Monate
dauernden Brennstoffzyklus vollständig in den
Brennelementen 20 eingefahren. Dann werden Gruppen hiervon wahlweise und
aufeinanderfolgend in die voll heraus gezogene Position
bewegt, während die Überschußreaktivität erschöpft wird, um
so einen geforderten Reaktivitätsnennpegel
aufrechtzuerhalten, der den gewünschten Ausgangsleistungspegel unter der
Steuerung der variabel einstellbaren RCCs 30 aufrechterhalten
kann.
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Das Reaktorkühlmittel bzw. Wasser tritt durch die
Einlaßmundstücke, beispielsweise das Mundstück 11, in den Behälter 10
ein und strömt von dort aus abwärts durch die Ringkammer
zwischen der zylindrischen Seitenwand 12b des Behälters 12
und der zylindrischen Seitenwand 17 der unteren
Gefäßbaugruppe 16 und kehrt sodann die Strömungsrichtung um, um durch
die Strömungsöffnungen 18a in der unteren Kerntragplatte 18
in die untere Gefäßbaugruppe 16 und durch diese nach oben zu
strömen und dann aus der letzteren durch die
Strömungsöffnungen 19a in der oberen Kerntragplatte 19 auszutreten und in
die innere Gefäßbaugruppe 24 einzuströmen, wobei die
parallele axiale Strömung durch diese weitergeht und
schließlich nach oben durch Strömungsöffnungen 52a in der unteren
Rohrplatte 52 austritt. Infolgedessen werden parallele
Axialströmungsbedingungen sowohl in der unteren als auch in der
inneren Gefäßbaugruppe 16 und 24 aufrechterhalten. Innerhalb
der Rohranordnung 50 wird die Strömung grundsätzlich um 90º
umgelenkt, um radial durch die Auslaßmundstücke,
beispielsweise das Mundstück 13, auszutreten. Der Druck des
Umlaufwassers bzw. Reaktorkühlmittels innerhalb des Behälters 10
liegt typischerweise im Bereich von etwa 153 Atmosphären und
erzeugt die Antriebsenergie bzw. den Arbeitsmitteldruck für
die DRDMs 66 zum Anheben der DRDM-Antriebstangen aus einer
vollständig eingefahrenen in eine vollständig herausgezogene
Position. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Tragsterne
100 und 120 ständig einer aus dem Reaktorkern kommenden
Strömung von Reaktorkühlmittel ausgesetzt.
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Fig. 2 stellt einen schematischen Querschnitt der inneren
schematischen Darstellung
der dichten Packung der Anordnungen
von Steuerstabbündeln (RCCs) 30 und
Wasserverdrängerstabbündeln (WDRCs) innerhalb der inneren Gefäßbaugruppe 24 dient.
Zur leichteren Darstellung ist nur die Seitenwand 26 der
inneren Gefäßbaugruppe 24 dargestellt, während die
Seitenwände 16 und 12b weggelassen sind, und die RCC- und WDRC-
Stabführungen 28 und 32, welche die entsprechenden RCC- und
WDRC-Stäbe beherbergen, sind nur im Umriß dargestellt. Wie
aus den Fig. 1 und 2 leicht ersichtlich ist, sind die RCC-
Bündel 30 und die WDRC-Bündel 34 in ineinandergreifenden
Anordnungen im wesentlichen über den gesamten
Querschnittsbereich der inneren Gefäßbaugruppe 24 angeordnet. Die dichte
Packung der betreffenden Stabbündel und der zugeordneten
Tragsterne erfordert deshalb eine sorgfältige Auslegung, um
sicherzustellen, daß nicht nur eine parallele Strömung
durchgehend aufrechterhalten wird, sondern daß auch
strömungsinduzierte Schwingungen und diese begleitende schädliche
Kraftwirkungen im möglichen Maße vermieden werden.
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In Fig. 1A sind drei vertikale Bänke 40, 42 und 44 aus
modularen Formkörpern dargestellt, von denen die mittlere Bank 42
in Fig. 2 sichtbar ist; da die Bänke 40, 42 und 44 mit
Ausnahme ihrer unterschiedlichen Höhen identisch sind,
veranschaulicht die Darstellung in Fig. 2 auch die Bänke 40 und 44
sowie außerdem Draufsicht und Untersicht jeder dieser Bänke.
Im einzelnen haben die modularen Formkörper zwei verschiedene
Konfigurationen, die bei 70 bzw. 80 dargestellt sind und
symmetrisch um Quadratdiagonalen D1 und D3, sowie D2 und D4
und folglich in alternierender Folge in 45º-Winkelsegmenten
angeordnet sind. Befestigungselemente 90 befestigen die
Formkörper 70 und 80 an der Seitenwand 26, wobei ihre äußeren
Ränder 70' und 80' bogenförmige Segmente aufweisen, die dem
Innenumfang der Seitenwand 26 angepaßt sind, und die
Innenränder 70'' und 80'' solche Konfigurationen haben, daß sie
mit der Peripherie der ineinandergreifenden Anordnungen der
RCC- und WDRC-Stabführungen 28 und 32 zusammenpassen.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Draufsicht bzw. Ansicht eines
RCC-Tragsterns 100, der eine etwa zylindrische mittige
Nabe 102 mit einem mit Innengewinde versehenen oberen
Endteil 103 zur Verbindung mit einer Antriebsstange (nicht
dargestellt) aufweist, die, wie oben beschrieben, zu einem RCC-
Antriebsmechanismus 64 zum vertikalen Verstellen der Position
des Tragsterns 100 und seiner zugeordneten Steuerstäbe (nicht
dargestellt) innerhalb der RCC-Stabführung 28 verläuft. Es
sind Aussparungen 102a vorgesehen, die es ermöglichen, eine
metallene Schutzhülse (nicht dargestellt) welche die
Verbindung zwischen der Antriebsstange (nicht dargestellt) und der
Nabe 102 umschließt und überdeckt, in ihrer Position mittels
in die Aussparungen 102a eingreifenden Eindrückungen zu
sichern. Armbaugruppen 106 sind mit ihren inneren Enden an
der Nabe 102 befestigt und ragen von dieser radial in um je
900 versetzter Anordnung weg. Jede Armbaugruppe 106 weist
zwei zylindrische Halterungen 108 mit jeweils einer Bohrung
109 mit einem Innengewindeabschnitt 110 zur schraubenden
Aufnahme eines mit Außengewinde versehenen oberen Endteils eines
Steuerstabs (nicht dargestellt) auf, der an dem Tragstern 100
zu haltern ist.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen einen WDRC-Tragstern 120, der in
gleicher Weise wie der RCC-Tragstern 100 eine etwa
zylindrische Nabe 122 mit einem mit Innengewinde versehenen oberen
Endteil 161 zur schraubenden Aufnahme einer Antriebsstange
aufweist, die mit einem der entsprechenden
WDRC-Steuermechanismen 66 verbunden ist. Die Nabe 122 hat darin
gebildete Ausnehmungen 122a für den gleichen Zweck, wie er oben
mit Bezug auf die Ausnehmungen 102a in der Nabe 102 (Fig. 3
und 4) erläutert ist. Mit der Nabe 122 sind zwei Typen von
Armbaugruppen 126, 127 verbunden und ragen davon radial in
abwechselnder Anordnung mit gleichen gegenseitigen
Winkelabständen weg. Die Armbaugruppen 126 sind im wesentlichen
ähnlich den RCC-Armbaugruppen 106, die in den Fig. 3 und 4
dargestellt sind, indem sie radial in um je 90º versetzter
Anordnung von der Nabe 122 wegragen und jeweils zwei radial
versetzt angeordnete WDRC-Stabhalterungen 128 aufweisen. Jede
Armbaugruppe 127 weist einstückige Querarme 125 auf, die als
erste und zweite entgegengesetzt orientierte Paare 125A und
125B von den radial verlaufenden ebenen Armabschnitten 123'
und 124' der Baugruppe 127 wegragen, wobei jeder Querarm an
seinem distalen Ende eine WDRC-Stabhalterung 128 trägt. Wie
am besten aus Fig. 5 ersichtlich ist, ragen vier
Armbaugruppen 127 des zweiten Typs radial von der Nabe 122 in um je
90º versetzter Konfiguration weg, wobei jede zwischen einem
benachbarten Paar der in um je 90º versetzter Konfiguration
angeordneten Armbaugruppen 106 in der oben erwähnten
alternierenden Folge angeordnet ist. Jeder der
WDRC-Stabhalterungen 128 weist eine Gewindebohrung 129 an ihrem unteren Ende
zur schraubenden Aufnahme eines mit Außengewinde versehenen
oberen Endteils eines entsprechenden WDRC-Stabs auf.
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Die Konfiguration der Armbaugruppen 106 und 126 wird nunmehr
unter besonderer Bezugnahme auf die Fig. 7a, 7b und 7c mehr
im einzelnen beschrieben, die eine Armbaugruppe 130 zeigen,
die für irgendeine der Armbaugruppen 106 und 126 in den
Fig. 3 bis 6 repräsentativ ist. Die Armbaugruppe 130 weist
erste und zweite ebene Armelemente 132 und 134 auf, wobei das
letztere die radial innere und die radial äußere
Stabhalterung 138 miteinander verbinden und das erstere die innere
Stabhalterung 138 mit der Nabe des zugehörigen Tragsterns,
beispielsweise der Nabe 102 nach den Fig. 3 und 4 und der
Nabe 122 nach den Fig. 5 und 6 verbindet. Das erste ebene
Armelement 132 ist außerdem so bearbeitet, daß es an seinen
radial inneren und radial äußeren Längskanten Flansche 133
und 133' verringerter Dicke und obere und untere abgestufte
Teile 135 und 135' aufweist. Die Bezeichnung als "ebenes
Armelement" bzw. "ebener Armelementteil" ist hier als
Beschreibung einer plattenartigen Konstruktion, typischerweise aus
Metall, mit parallelen ebenen Hauptflächen im wesentlichen
gemäß der Darstellung zu verstehen.
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Unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Fig. 7a, 7b und Fig.
8 weist die beispielshafte Stabhalterung 138 einen
Aufnahmeschlitz 140 zur Aufnahme des Flansches 133 und obere und
untere ausgesparte Bereiche 142 zur Aufnahme der
entsprechenden oberen und unteren abgestuften Teile 135 (135') des
Flansches 132 auf. Das beispielhafte zweite ebene Armelement 134
weist natürlich entsprechende Flansche an seinen Längskanten
zur Verbindung der inneren und äußeren Stabhalterungen 138
auf.
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Die Armbaugruppe 130 nach den Fig. 7a und 7b entspricht, wie
ersichtlich, im wesentlichen identisch der
RCC-Armbaugruppe 106 nach den Fig. 3 und 4 und der
WDRC-Armbaugruppe 126 nach den Fig. 5 und 6. Demgemäß weisen die
Armbaugruppen 106 und 126 entsprechende erste und zweite ebene
Armelemente 112 und 114 bzw. 123 und 124 auf, die jeweils
längsverlaufende Flansche entsprechend dem Flansch 133 in Fig. 7b
zur Verbindung der zugehörigen Armbaugruppe 106 und 126 mit
der betreffenden RCC-Tragsternnabe 102 und
WDRC-Tragsternnabe 122 aufweisen. Diese Konstruktion ist für den
RCC-Tragstern 100 in Fig. 4 durch den Aufnahmeschlitz 111 in der
Nabe 102 und den darin aufgenommenen Flansch 115 dargestellt,
und ist für den WDRC-Tragstern 120 in Fig. 6 durch den
Aufnahmeschlitz 121 in der Nabe 122 und den Flansch 131
dargestellt, der dem darin aufgenommenen ersten ebenen
Armelement 123 zugeordnet ist.
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Der zweite Typ der Armbaugruppe 127 des WDRC-Tragsterns 120
entspricht, wie in Fig. 6 sichtbar ist, im wesentlichen der
ersten Armbaugruppe 126, indem sie erste und zweite ebene
Armelementteile 123' und 124' aufweist, die einstückig
ausgebildet sind und radial von der Nabe 122 wegragen, wobei der
erste Teil 123' einen längsverlaufenden Flansch 131'
aufweist, der in einem entsprechenden Aufnahmeschlitz 121' in
der Nabe 122 aufgenommen ist. Die Baugruppe 127 weist
außerdem ein erstes und ein zweites Paar 125A bzw. 125b dritter
ebener Armelemente 125 auf, die einstückig mit dem ersten und
zweiten Armelementteil 123' und 124' ausgebildet sind und
quer davon wegragen, wobei das erste Paar 125A zwischen den
Teilen 123' und 124' gebildet und das zweite Paar 125B an der
äußeren längsverlaufenden Kante des zweiten
Armelementteils
124' gebildet ist. Jedes der Elemente 125 trägt eine
Stabhalterung 128 an seiner äußeren längsverlaufenden Kante.
Es ist klar, daß die dritten bzw. querverlaufenden ebenen
Armelemente 125 an ihren äußeren längsverlaufenden Kanten
ähnliche Flanschkonstruktionen zum Anbringen der
entsprechenden Stabhalterungen 128 haben können.
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Beim Zusammenbau der RCC- und WDRC-Tragsterne 102 und 120
werden die innersten ebenen Armelement 112 und 123, 123'
vorzugsweise mit dem in die entsprechenden Aufnahmeschlitze 111,
121 und 121' der zugehörigen Naben 102 und 120 eingesetzten
Flansche 115, 131 und 131' positioniert und dann in ihrer
Position an ihren oberen und unteren Extremitäten
punktgeschweißt, wie durch die Schweißpunkte 116 in Fig. 3 und 119
in Fig. 6 angedeutet ist. Danach werden die Verbindungen über
ihre gesamten Längen hartgelötet.
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Betrachtet man nun wiederum die dichtgepackten Anordnungen
von RCC- und WDRC-Stabbündeln, wie in Fig. 2 dargestellt, ist
ersichtlich, daß die ebenen Armelemente 112 und 113 des RCC-
Tragsterns 100 und die ebenen Armelemente bzw. damit
einstückigen Teile 123, 124, 123', 124' und 125 des
WDRC-Tragsterns 120 insgesamt eine wesentliche geradlinige Länge von
ebenen bzw. plattenartigen Elementen darstellt, die
parallelen Strömungsbedingungen ausgesetzt sind. Die
Reaktorkernauslaßströmung kann hinter der Hinterkante jedes solchen
Armelements, d. h. hinter seiner stromabwärtigen Kante mit Bezug
auf die Strömungsrichtung des Reaktorkühlmittels, eine
sogenannte Wirbelstraße erzeugen. Die sich ergebende
wirbelbedingte Schwingung kann von ausreichender Größe sein, um
beträchtlichen Verschleiß und abgekürzte Standzeit zu
verursachen. Das Phänomen einer eingetauchten zweidimensionalen
Schwingung aufgrund einer solchen Wirbelstraße, die sich
hinter der stromabwärtigen Kante eines ebenen Elements
bildet, bei dem parallele Strömungsbedingungen herrschen, ist
sowohl experimentell als auch theoretisch erforscht worden.
(Siehe: Blevins, R.D., FLOW-INDUCED VIBRATION, Van Nostrand
Reinhold Co., 1977, Seite 18; R. Brepson et al., "Vibrations
Induced by Von Karman Vortex Trail in Guide Vane Bends",
FLOW-INDUCED STRUCTURAL VIBRATIONS, veröffentlicht durch
Symposium Karlsruhe (Deutschland), 14. bis 16. August 1972,
und herausgegeben von Eduard Naudascher, erschienen im
Springer-Verlag, 1974. Siehe auch Tebes, G.H., et al.
"Hydroelastic Vibrations of Flat Plates Related to Trailing
Edge Geometry", Transactions of the ASME, JOURNAL OF BASIC
ENGINEERING, Dezember 1961).
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Für ein Armelement (z. B. irgendeines der Armelemente 112, 114
oder 123 bis 125) mit einer Höhe von etwa 5 Zoll und einer
Dicke von 0,23 Zoll kann bei den sich im normalen Betrieb
eines Reaktors der hier beschriebenen Bauart einstellenden
Strömungsbedingungen die Wirbelablösungsfrequenz eines Arms
folgendermaßen berechnet werden:
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fs = S U/D (1)
-
wobei fs = Wirbelablösungsfrequenz (Hz)
-
S = Strouhal-Zahl
-
U = Strömungsgeschwindigkeit am Arm (Zoll/s)
-
D = charakteristische Länge, Armdicke (Zoll)
-
Die Strouhal-Zahl kann vom Volumen der Reynoldszahl (Re)
abhängig sein. Die Re kann wie folgt berechnet werden:
-
Re = UDρ/u (2)
-
wobei
-
R = Reynoldszahl
-
U = Strömungsgeschwindigkeit am Arm (Zoll/s)
-
ρ = Strömungsmitteldichte 6,11E-5 (lbfs²/Zoll&sup4;)
-
u = Strömungsmittelviskosität, 1,14E-8 (lbfs(Zoll²)
-
D = charakteristische Länge, Armdicke (Zoll)
-
folglich ist die Reynoldszahl:
-
Re = 6,35 E 5 (3)
-
Eine vernünftig anwendbare Strouhal-Zahl kann aus Belvins
entnommen werden als
-
S 0,20 (4)
-
Aufgrund dessen beträgt die berechnete erwartete
Ablösungsfrequenz bei Betriebsbedingungen:
-
fs = (0,20) (372)/(0,31) = 240 Hz (5)
-
Die so berechnete Ablösungsfrequenz (d. h. fs = 240 Hz) ist
recht hoch im Vergleich zu den niedrigsten natürlichen
Frequenzen der umgebenden Bauteile, typischerweise fn < 100 Hz.
Man hat erkannt, daß der Primärwirbelablösungsverlauf während
des Betriebsübergangs des Reaktors aus einem Abschaltzustand,
in welchem die Strömung 0 beträgt oder niedrig ist, auf einen
vollen Strömungszustand, wie er im normalen Betrieb herrscht,
durch den spezifischen Frequenzbereich dieser Bauteile
hindurch geht. Dies steht im Gegensatz zum normalen gewünschten
Zustand, der darin besteht, daß die Wirbelablösefrequenz
kleiner als 0,8-fache der niedrigsten natürlichen
Resonanzfrequenz in der Konstruktion sein soll. Wegen Veränderungen
der Betriebsbedingungen und den zugeordneten
unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeitswerten besteht die Möglichkeit,
daß die Ablösefrequenz (Fs) mit einer der spezifischen
natürlichen Frequenzen (fn) zusammenfällt. Deshalb ist es
wünschenswert, die Größe der ablösungsfördernden Wirkungen auf
den Tragstern durch eine entsprechende Konfiguration der
Hinterkante zu verringern, um ein solches erzwungenes Verhalten
abzuschwächen.
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Während die vorstehenden Fundstellen zeigen, daß eine Anzahl
verschiedener Hinterkantenkonfigurationen ebener Platten in
parallelen Strömungsbedingungen verfügbar ist, um die Größe
der ablösungsfördernden Wirkungen auf solche Konstruktionen
zu verringern, berücksichtigt die theoretische Analyse nicht
die Beanspruchungsbedingungen, denen die Tragsterne innerhalb
eines Druckbehälters eines Reaktorsystems ausgesetzt sind.
Insbesondere müssen, wie oben erwähnt, die Tragsterne nicht
nur ein beträchtliches statisches Gewicht tragen, sondern
müssen in der Lage sein, zusätzlichen kinetischen Kräften
standzuhalten, und zwar sowohl in Bezug auf
Höheneinstellvorgänge, insbesondere im Hinblick auf die Notwendigkeit
sicherer schneller Verschiebebewegung der RCC-Stabbündel,
wenn ein schnelles Abschalten des Reaktors erforderlich ist,
als auch hinsichtlich strömungsinduzierter Kräfte. Diese
Konstruktionsbedingungen müssen außerdem in einem begrenzten
verfügbaren axialen Raum erreicht werden.
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Herkömmliche Armelementkonstruktionen, die grundsätzlich
hydrostatische Strömungsbedingungen berücksichtigen, beruhen
auf der Annahme, daß eine Hinterkantenkonfiguration, die
einen allmählichen Übergang von den parallelen ebenen
Oberflächen bewirken, eine Verbesserung der
Strömungseigenschaften bringt (z. B. Hinterkantenquerschnittskonfigurationen im
Bereich von halbkreisförmig bis zu mehr allmählich verjüngten
Formen). Tatsächlich ist festgestellt worden, daß die
konischen oder gekrümmten Flächen den Bereich der
Strömungsablösung verlängern und den einem turbulenten Wirbel, der sich in
der Strömung beim Passieren über das Armelement bildet,
ausgesetzten Flächenbereich vergrößern. Darüberhinaus haben
verjüngte oder eingezogene Hinterkantenkonfigurationen, welche
das Strömungsablösungsproblem vermindern, eine verringerte
Menge von Konstruktionsmaterial im Querschnitt der
Hinterkante, was den Arm bei gegebener Höhe und Dicke schwächt bzw.
erfordert, daß die Längsabmessung des Armelements (d. h. die
axiale Höhe) vergrößert wird, um ausreichende mechanische
Festigkeit zu erhalten. Eine Schwächung der Armelemente ist
nicht annehmbar, und die Alternative der Steigerung der Höhe
ist im Hinblick auf die entsprechende Vergrößerung der Höhe
der inneren Gefäßbaugruppe nicht praktikabel, die dann zur
Anpassung an die Vergrößerung der Armhöhe erforderlich wäre,
da sich hieraus eine entsprechende wesentliche Vergrößerung
der Kosten des Behälters ergeben würde.
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Im Gegensatz zu den üblichen
Halbkreisquerschnitt-Hinterkantenkonstruktionen bekannter Armelemente und gemäß der
vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, daß eine
Rechteckquerschnitt-Hinterkantenkonfiguration der Armelemente der
Stab tragenden Tragsterne, nahezu das Optimum darstellt, wenn
man Wirbel in der Strömung und Ablösefrequenzbetrachtungen
zusammen mit der geforderten mechanischen Festigkeit der
Armelemente und der zugehörigen Tragsterne und dem begrenzten
verfügbaren Raum berücksichtigt. Die wesentlichen und
bestimmenden Faktoren sind die Abschwächung der
Ablösungswirkung, um das Schwingungsverhalten der Konstruktion zu
verringern, während die maximale Festigkeit der Armelemente
einer gegebenen Größe beibehalten wird, und diese Ergebnisse
in einer Konstruktion zu erreichen, die im Interesse
gedämpfter Kosten leicht herzustellen ist. Die rechteckige oder im
wesentlichen rechteckige Querschnittskonfiguration der
Hinterkante wird erwiesenermaßen diesen Konstruktions- und
Betriebskriterien gerecht und erscheint überraschend und
unerwartet, da sie von herkömmlichen Konstruktionen abweicht.
Darüberhinaus trägt die
Rechteckquerschnitt-Hinterkantenkonfiguration zu leichter Herstellbarkeit der Armelemente und
damit zu niedrigeren Kosten derselben bei, im Gegensatz zu
den herkömmlichen halbkreisförmigen und/oder sonst verjüngten
Hinterkantenquerschnittskonfigurationen, wie sie bisher
angewendet worden sind.
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Demgemäß haben die Armelemente 132 und 134 der
repräsentativen Baugruppe 130 nach den Fig. 7a und 7c Hinterkanten 132b
bzw. 134b mit Rechteckquerschnitt, während die übliche
halbkreisförmige Vorder- bzw. stromaufwärtige Kante 132a bzw.
134a beibehalten wird. Entsprechend haben die Armelemente
112, 112', 114, 114', 123, 123', 124, 124' und 125 in den
Fig. 4 und 6 halbkreisförmige Vorderkanten 112a, 112a', 114a,
114a', 123a, 123a', 124a, 124a' und 125a, und
rechteckquerschnittförmige
Hinterkanten 112b, 112b', 114b, 114b', 123b,
123b', 124b, 124b' und 125b.
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Jedoch ist darauf hinzuweisen, daß gemäß der vorliegenden
Erfindung die Vorderkanten speziell nicht symmetrische
Querschnittskonfigurationen haben, beispielsweise solche nach den
Fig. 13a, bis 13d oder Varianten hiervon, wie nunmehr
eingehender erläutert wird, um Wechsel- bzw.
Schwingungsbeanspruchungen zu vermeiden, denen herkömmliche Tragsternarme
aufgrund strömungsinduzierter Effekte ausgesetzt sind.
Insbesondere zeigt Fig. 9 im Teilquerschnitt einen Abschnitt eines
Arms 134 wie in Fig. 7c mit einer Vorderkante 134a mit
halbkreisförmigem Querschnitt. Die halbkreisförmige Konfiguration
erscheint fast die naheliegende Gestaltung bei der
herrschenden parallelen Axialströmung F zu sein, welcher der Arm 134
ausgesetzt ist, wobei die Strömung gleichmäßig um den Arm 134
mit Bezug zu der Symmetrieebene 136 aufgeteilt wird, welche
die halbkreisförmige Vorderkante 134a längs einer
Strömungsstagnationslinie 138 schneidet. Diese Konfiguration führt
also mindestens unter idealen Bedingungen zu keiner
seitlichen Nettobeanspruchung des Arms 134, stellt also ein
anscheinend naheliegendes wünschenswertes Merkmal dar. Es ist
natürlich klar, daß in der zweidimensionalen Darstellung der
Fig. 9 die Strömungsstagnationslinie 138 nur als ein einziger
Punkt und die Symmetrieebene 136 als Linie erscheint.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die anscheinend
wünschenswerte Ausbildung einer symmetrischen
Querschnittskonfiguration der Vorderkante eines Tragsternarms, sei es in
Form eines halbkreisförmigen Querschnitts nach Fig. 9 oder in
anderer Weise, tatsächlich nicht wünschenswert. Dieses
Ergebnis wird unter Bezugnahme auf die Fig. 10, 11 und 12
erläutert. In Fig. 10 ist in abgebrochener und teilweise
verdeckter Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts
der RCC-Stabführung 28 (siehe Fig. 1), die ein RCC-Stabbündel
aufnimmt, und ihres zugehörigen Tragsterns 100 (siehe Fig. 3
und 4) dargestellt, und zwar im Schnitt zwischen den oberen
und unteren Haltemitteln 36 und 37. Innerhalb der Seitenwand
der RCC-Stabführung 28 sind in beabstandeten Höhenpositionen
horizontal orientierte Tragplatten 150 angeordnet, deren
außenumfängliche Konfiguration der inneren Oberfläche der
Seitenwand der RCC-Stabführung 28 entspricht. Die
Tragplatte 150 weist eine innere Öffnung 152 zur Aufnahme einer
hindurchgehenden Axialbewegung einer zylindrischen
Stabhalterung 108 und des zugehörigen Stabs, und eine geschlitzte
Öffnung 154 zur Aufnahme eines entsprechenden Armabschnitts,
z. B. des Arms 134 (Fig. 7a, 7b und 7c) des zugehörigen RCC-
Tragsterns 100 auf. Wie man sieht, befindet sich der RCC-
Tragstern 100 zeitweise innerhalb der Tragplatten 150 während
der erforderlichen Vertikalbewegung für die normale
Betriebssteuerung der Reaktorausgangsleistung.
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Die abgebrochenen Vertikalschnitte nach den Fig. 11 und 12
zeigen den Zustand des Arms 134 bei aufeinanderfolgenden
Phasen seiner Vertikalbewegung, während er durch den
Schlitz 154 einer zugeordneten Tragplatte 150
hindurchpassiert. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, verändert sich die
normalerweise parallele Axialströmung, die symmetrisch verteilt
ist, solange sich der Arm 134 im freien Raum befindet (d. h.
nicht innerhalb einer Tragplatte 150), und in Fig. 9
dargestellt ist, sich beträchtlich, wenn der Arm 134 sich
innerhalb des Schlitzes 154 in einer Tragplatte 150 befindet.
Insbesondere das Vorhandensein des Arms 134 in dem Schlitz 154
erzeugt eine beträchtliche Strömungsdrosselung innerhalb des
normalerweise offenen bzw. freien Querschnitts des
Schlitzes 154 in der Tragplatte 150. Die auftreffende
Strömung F&sub1; muß trotzdem weitergehen, mit dem Ergebnis, daß eine
viel größere Strömungsgeschwindigkeit durch den nun verengten
Schlitz 154 auftritt, bevor sie nun als Auslaßströmung F&sub0;
austritt.
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An einem kleinen Teil der Höhenpositionen des Arms 134
erzeugt die Strömungsdrosselung eine Schwingung des Arms 134
und des zugeordneten Tragsterns. Dieser Effekt ist vermutlich
am stärksten ausgeprägt, wenn die Vorderkante 134a des
Arms 134 sich innerhalb des Schlitzes 154 der Tragplatte 150
befindet, wie in Fig. 12 dargestellt ist. Wie dort gezeigt
ist, steht der Strömung F&sub1;, wenn sie in den Einlaß des
Schlitzes 154 eintritt, die Vorderkante 134a des Arms 134
entgegen. Aufgrund der symmetrischen Konfiguration der
Vorderkante 14a (d. h. halbkreisförmig oder sonstwie gestaltet)
kann der Strömungsverlauf um die Vorderkante, aus dem die
Auslaßströmung F&sub0; hervorgeht, von einer Seite des Arms auf
die andere Seite und folglich relativ zur Symmetrieebene 136
wechseln. Vermutlich tritt der Strömungswechselmechanismus in
der folgenden Weise auf.
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Aufgrund der turbulenten Strömungsbedingung, wie in Ft in
Fig. 12 dargestellt ist, gelangt ein größerer Teil der
Einlaßströmung F&sub1; zu einer Seite des Arms 134, wobei der
Strömungsdurchsatz auf dieser Seite sich allmählich sich aufbaut,
bzw. zunimmt und dadurch zunächst die seitliche Belastung
(d. h. in einer zur Symmetrieebene PL/SYM senkrechten
Richtung) zunimmt und dadurch den Arm von der betreffenden
Seitenwand des Schlitzes 154 weg drückt und den dortigen Spalt
vergrößert, wodurch sich gleichzeitig die Gesamtströmung auf
dieser Seite vergrößert. Die gesteigerte Geschwindigkeit der
Strömung durch diese nun weiter geöffnete Seite erzeugt
jedoch eine Abnahme des entsprechenden Drucks auf dieser Seite
des Arms; gleichzeitig beginnt auf der anderen Seite des
Arms, d. h. auf der Seite, auf welcher die Strömung nun
stärker gedrosselt bzw. blockiert ist, sich ein höherer
statischer Druck zu entwickeln. Das Ergebnis besteht darin, daß
der Arm seitwärts zu der anderen Schlitzseite hin gedrückt
wird, wo der Strömungsdurchsatz höher ist. Danach wiederholt
sich der Vorgang. Demgemäß wird eine wechselnde bzw.
schwingende seitliche Belastung des Arms 134 erzeugt, die
entsprechend auf den Tragstern und dessen Nabe sowie auch auf
die vom Tragstern gehalterten Steuerstäbe und das
Antriebssystem für die Tragsterne übertragen wird. Die sich ergebende
mechanische Schwingung ist natürlich für die mechanische
Integrität sowohl der direkt beeinflußten Bauteile wie auch
der zugehörigen Bauteile potentiell schädlich.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, daß ein
Hauptfaktor bei der Auslösung des Wechsel- bzw.
Schwingungsbelastungsphänomens der symmetrische Querschnitt der
Schaufelvorderkante ist. Wie oben erwähnt, ermöglicht diese
Symmetrie den Aufbau statischer Kräfte auf der einen Seite des
Arms, auf welcher die entsprechende Strömung verringert
worden ist, weil die vorderste Linie bzw. Kante 160 (d. h. die
Strömungstagnationslinie) sich in der geometrischen
Symmetrieebene 136 des Arms 134 befindet und die Strömung F&sub1; eine
im wesentlichen frontale Fläche auf dieser Armseite erfährt.
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Die vorliegende Erfindung bewirkt daher einen Versatz der
Strömungsstagnationslinie auf der Armvorderkante von der
Symmetrieebene 136A, 136B, 136C, 136D weg. Die Fig. 13A bis
13D zeigen beispielhaft solche Querschnittskonfigurationen,
die jeweils die statische Strömungslinie 160A, 160B, 160C,
160D von der Symmetrieebene 136A, 136B, 136C, 136D des Arms
als geometrisches Ganzes (d. h. mit Bezug auf ihre ebenen
Hauptflächen) weg versetzen. Mehr im einzelnen, der Arm 134A
nach Fig. 13A weist an der Vorderkante 161A einen Querschnitt
mit nichtsymmetrischer konvexer Konfiguration auf. Die
Querschnittskonfiguration der Vorderkante 161B des Arms 134B in
Fig. 13B bildet einen einzigen spitzen Winkel mit Bezug auf
eine von dessen ebenen Hauptflächen, d. h. auf die linke ebene
Hauptfläche, wie in Fig. 13B gezeigt ist, wobei die
Strömungstagnationslinie 160B um die Maximaldistanz von der
Symmetrieebene 136B weg versetzt ist. Die
Querschnittskonfiguration der Vorderkante 161C des Armelements 134C in Fig. 13C
ist konvex, wie auch in Fig. 13A, aber ist durch einen
doppelten spitzen Winkel relativ zu der betreffenden Linie
160C von der Symmetrieebene 136C definiert. Schließlich ist
die Querschnittskonfiguration der Vorderkante des
Armelements 134D nach Fig. 13D durch einen stumpf abgeschnittenen
spitzen Winkel mit Bezug auf eine der ebenen Hauptflächen,
d. h. auf die rechte Hauptfläche in Fig. 13D gebildet; die
Strömungstagnationslinie 160D ist wiederum von der
Symmetrieebene 136D weg versetzt, aber in geringerem Maß als in
Fig. 13D. Wie aus den Fig. 13A bis 13B hervorgeht, kann das
Maß des Versatzes der Strömungstagnationslinie 160A bis 160D
aus der Symmetrieebene 136A bis 136D durch die Konfiguration
des Vorderkantenquerschnitts in dem gewünschten Maß
eingestellt werden. Jede der Konfigurationen nach den Fig. 13A bis
13D oder Varianten hiervon, welche das oben genannte
Kriterium erfüllen, wenn sie als Vorderkantengeometrie eines
Tragsternarms eingesetzt sind, dienen zur Abschwächung der
seitlichen Schwingungsbelastung des Arms und der sich ergebenden
darauf wirkenden Wechsel- bzw. Schwingungsbelastungen und der
daraus entstehenden Schwingung.
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Mit Bezug auf die Draufsichten des RCC-Tragsterns 100 in Fig.
3 und des WDRC-Tragsterns 120 in Fig. 5 ist klar, daß die
Arme in der grundsätzlichen diametralen Anordnung um die
betreffenden mittigen Naben 102 und 122 symmetrisch verteilt
sind. Zur leichteren Bezugnahme bezieht sich die folgende
Diskussion auf die RCC-Konfiguration nach Fig. 3, aber es ist
klar, daß sie ebenso auf die WDRC-Tragsternkonfiguration nach
Fig. 5 anwendbar ist.
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Eine nichtsymmetrische Armkonfiguration, wie sie in einer der
Fig. 13A bis 13D dargestellt ist, kann an jedem der vier Arme
des RCC-Tragsterns 106 eingesetzt werden, um ein
Nettodrehmoment in einer gegebenen Richtung, beispielsweise im
Gegenuhrzeigersinn auf den mit dem Tragstern verbundenen
Antriebsstab zu erzeugen; im Ergebnis würden alle ebenen
Flächen der Tragsternarme bei gleicher Situation gegen die
entsprechende angrenzende Seitenwand des Schlitzes 154 in der
Tragplatte 150 gedrängt, wobei diese Elemente in den Fig. 10
bis 12 dargestellt sind. Alternativ können die Versätze der
nichtsymmetrischen Vorderkantenkonfigurationen
aufeinanderfolgender Paare von winkelmäßig versetzten Armelementen mit
Bezug auf die jeweilige Symmetrieebene fortschreitend um die
mittige Nabe 102 herum entgegengesetzt gewählt sein, um so
eine seitliche Diagonalbelastung auf die mittige Nabe des
Tragsterns zu erzeugen. Die nichtsymmetrische Konfiguration
der Tragsternarmvorderkanten in irgendeiner solchen Anordnung
dient zur Eliminierung der Wechsel- bzw. Schwingungsbewegung
der Arme und überwindet deshalb die daraus resultierende
Schwingungsbelastung und die damit zusammenhängenden
schädlichen Effekte, die bei herkömmlicher symmetrischer
Vorderkantenkonfiguration der Tragsternarme entstehen. Die jeweils
gewählte Konfiguration wird am besten unter Berücksichtigung
der Umgebungsfaktoren innerhalb eines gegebenen
Druckbehälters gewählt. Beispielsweise ist die Konfiguration nach
Fig. 13B mit Bezug auf die Erzeugung nichtsymmetrischer
seitlicher Belastung optimal, ist aber vom Gesichtspunkt der
Biegefestigkeit der Armvorderkante weniger wünschenswert. Die
Konfigurationen nach den Fig. 13A und 13D ergeben größere
Festigkeit als diejenige nach Fig. 13B, aber wegen des
verringerten Versatzes haben sie eine entsprechend verringerte
Fähigkeit zur Eliminierung des Strömungsschwingungsproblems.
Die Konfiguration nach Fig. 13C hat Strömungs- und
Festigkeitseigenschaften, die zwischen denen der Fig. 13A und 13B
liegen. Die Konfiguration nach Fig. 13D ist am leichtesten
herzustellen, während diejenigen nach den Fig. 13B und 13C
etwas schwieriger, aber immer noch einfacher als die nach
Fig. 13A ist. Alle haben die gemeinsame Charakteristik, daß
sie Verbesserungen über die herkömmliche halbkreisförmige
Querschnittskonfiguration herkömmlicher Tragsternarme
bringen.