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Moderatorblockaufbau für Kernreaktoren
Die Erfindung bezieht sich auf einen Moderatorblockaufbau für Kernreaktoren, bestehend aus festem Moderatormaterial. Im Allgemeinen besteht ein solcher Blockaufbau aus einer Anordnung prismatischer, achssymmetrischer Barren aus Moderatormaterial. In den meisten Fällen sind diese Barren zu Säulen gestapelt, wobei der Zusammenhalt dieses Aufbaues durch eine Längsverklammerung hergestellt ist, wie sie z. B. in der franz. Patentschrift Nr. 1. 214. 246 beschrieben ist.
Bei den bisher gebauten Reaktoren ist der aktive Teil des Moderatorblockes von parallelen Kanälen durchzogen, deren Anzahl gleich der der Säulen ist. In diesen Kanälen lagern die Brennstoffstäbe und es zirkuliert in ihnen eine Kühlflüssigkeit.
In den überwiegenden Fällen sind die Barren jeder Säule in ihrer Längsachse durchbohrt, und durch ihre Stapelung erstreckt sich diese Bohrung über die ganze Stelle. Dieses Aufbohren führt jedoch zu Materialverlusten und zur mechanischen Schwächung der Säulen.
In andern Fällen sind die Barren zwar mit vollem Innenquerschnitt ausgestattet, jedoch besitzen ihre Seitenflächen Nuten, die eine Teilwand des Kanales ergeben. Beim Zusammenfügen der Barren zu Säulen und dieser zum Aufbau bilden sich Kanäle parallel zu den Längsachsen der Säulen aus, u. zw. entweder in deren Seitenflächen oder an deren Kanten.
Die Querschnittsabmessungen der Barren sind durch ihre Herstellung und Handhabung begrenzt. In allen vorgenannten Fällen führt diese Begrenzung zu einer entsprechenden Begrenzung der Kanalquerschnitte und damit des gesamten Hohlraumes im Moderator, und ausserdem ergab sich eine grössere Kanalanzahl, als aus thermischen und kernphysikalischen Gründen erforderlich ist. Weiters steigert sich damit der Zeitbedarf für die Beladung des Moderators, u. zw. proportional mit der Zahl der Kanäle. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich dadurch, dass manchmal der Reaktor in einem druckdichten Gehäuse gelagert ist, und über eine darüber angeordnete Maschine bedient werden muss.
Aus Gründen der Materialbeanspruchung ist es dabei nicht erwünscht, viele Zugangsöffnungen zu den Kanälen ausführen zu müssen, und auch der Zubringmechanismus für die Brennstoffstäbe wird bei grösserer Kanalanzahl komplizierter.
Die Erfindung zielt darauf hin, einen Moderatorblockaufbau zu schaffen, bei dem Moderatorbarren mit klassischen Dimensionen verwendet und die Anzahl der Kanäle vermindert werden können, so dass sich alle obengenannten Nachteile vermeiden lassen.
Erfindungsgemäss ist ein Moderatorblockaufbau für Kernreaktoren, bestehend aus einer Mehrzahl identischer prismatischer, parallel gerichteter Anordnungen mit einer Querschnittsform, die ihre lückenlose Aneinanderfügung ermöglicht und die gegenseitig mittels Verkeilungen verheftet sind, die sich parallel zur Anordnungsrichtung erstrecken und wenigstens zwei Orientierungsrichtungen aufweisen, wobei jede dieser Anordnungen aus wenigstens zwei prismatischen Moderatorsäulen und einer sich parallel zu deren Achsen erstreckenden, zugleich einen Kühlflüssigkeitsdurchlass bildenden Brennstoffzelle besteht und jede
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dieser Zellen im Verbande der prismatischen Anordnung steht und bei Aneinanderfügung der einzelnen prismatischen Anordnungen ausschliesslich von den Moderatorsäulen umgeben ist, dadurch gekennzeichnet,
dass jede der aus in Säulen bestehenden Anordnungen auch sich parallel zu den Achsen erstreckende Verkeilungen hat, die die einzelnen Säulen jeder Anordnung gegenseitig zusammenhalten.
Die erfindungsgemässe Anordnung kann beigegebenen Barrenabmessungen zu einer Verminderung der Kanäle auf die Hälfte führen. Diese Verminderung führt notwendigerweise zu einer Erhöhung des Abstandes der Kanäle und damit zur Erhöhung der brennbaren Masse in jedem Kanal. Dies ergibt sich entweder durch Verwendung einer einzigen Reihe von Brennstoffstäben grossen Querschnittes und von einer solchen Geometrie, dass die Temperaturgradienten annehmbar bleiben (also Rohrkörper oder Sternkörper usw.) oder durch Vereinigung mehrerer Brennstoffstäbe in einer Hülle aus Moderatormaterial von klassischenAusma- ssen.
Im letzteren Fall sind Einrichtungen zur Zentrierung und winkelmässigen Ausrichtung der Hüllen in den Kanälen vorgesehen, um das Fluchten der in den einzelnen Hüllen befindlichen Hilfskanäle zu sichern.
Unter andern charakteristischen Merkmalen, die gegenüber der klassischen Anordnung mit Barren mit die Kanäle bildenden Ausnehmungen bestehen, sind noch folgende vorteilhafte zu nennen :
1. Der verfügbare Zwischenraum zwischen zwei Kanälen bei gegebenem Querschnitt der Barren und gegebenem Verhältnis zwischen dem Gesamtquerschnitt der Kanäle zum Querschnitt des Moderators, ist wesentlich gesteigert, was erlaubt : a) für jeden Kanal eine Stirnöffnung im Behälter vorzusehen. Besteht dieser aus vorgespanntem Beton, bleiben die Öffnungen immer noch weit genug voneinander entfernt, um die Armierungen des Betons auszuführen. b) Im Falle einer"Bodenentladung"der Art, wie sie in der franz.
Patentschrift Nr. 888. 606 beschrieben ist, ist es möglich, die Anzahl der Öffnungen in der Fliese, die den Boden vom Moderatorkörper trennt, zu vermindern, was sich in einer einfacheren Konstruktion, grösseren Steifheit und Preisverminderung auswirkt.
2. Man kann ein Kanalnetz mit grösserem Schritt ausführen, obwohl übliche Barren verwendet werden, die durch Keillängsreihen zusammengehalten werden, was eine völlige Befreiung vom Wigner-Effekt bedeutet. Hingegen fordern bekannte Blöcke starke Dimensionen.
3. Die Widerstandskraft gegen Querkräfte ist höher, da die Schwächungen durch die Keilnuten verringert sind.
4. Materialverlust bei der Herstellung der Moderatorkörper sind wegen des Fehlens der Aushöhlungen der Barren vermieden.
5. Die Auswahlmoglichkeiten für die Brennstoffelemente ist elastischer : man kann die klassischen Elemente verwenden, was weitere Entwicklungen erübrigt, oder Elemente mit stärkerem Querschnitt, wo dann die Kosten für die Entwicklungsarbeiten durch die Verminderung der herzustellenden Mengen ausgeglichen wird.
6. Die Wiederbcladung des Reaktors mit Brennstoffelementen ist nun für weniger Kanäle erforderlich, und hat dadurch wichtige Vorteile zur Folge. Die Unfallsgefahr ist vermindert und die Zahl der Vorrichtungen für die Erneuerung der Elemente ist geringer.
An Hand der Zeichnungen werden anschliessend Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen : Fig. l einen normal zur Achse der Blöcke geführten Schnitt durch den Moderatorkörper, bei dem die Blöcke und Kanäle die Querschnittsform von Sechsecken gleicher Grössenordnung besitzen, Fig. 2 eine sehr schematische Teilansicht eines Aufbaues nach einer Variante der Ausführungsform nach Fig. l, Fig. 3 ähnlich wie Fig. l eine Einzelheit des Aufbaues nach Fig. 2, der durch einen Rahmen aus strichpunktierten Linien herausgehoben ist, die Fig. 4 und 5, ähnlich wie Fig. l, andere Varianten, ebenfalls mit Blöcken und Kanälen mit gleichmässig sechseckigen Querschnitt gleicher Grössenordnung, Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht des Körpers nach Fig. 4, die Fig.
7-9 schematische Teilansichten anderer erfindungsgemässer Ausführungsformen, bei denen die Säulen von unregelmässig sechseckigem, die Kanäle vonregelmässigsechseckigem Querschnitt sind, Fig. 10 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform, bei der die Säulen mit unregelmässig sechseckigem, die Kanäle von rechteckigem Querschnitt sind, Fig. 11 eine Ausführungsform, bei der die Säulen und die Kanäle von rechteckigem Querschnitt gleicher Grössenordnung sind, Fig. 12 eine Ausführungsform, bei der die Säulen einen teils achteckigen, teils quadratischen Querschnitt besitzen, Fig. 13 das Zellengehäuse des nuklearen Brennstoffes und das Ende eines zu seiner Aufnahme bestimmten Kanales, Fig. 14 einen Schnitt nach der Linie 14-14 der Fig. 13 und die Fig. 15-20 zeigen ähnlich wie die Fig.
14 weitere mögliche Ausführungsformen von
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Säulen und Kanälen.
Die Fig. 1 - 5 und 14-20 zeigen Querschnitte durch Moderatorkörper nach der Erfindung.
Die Fig. 1 stellt einen Moderatorkörper, das "Herz" des Reaktors, dar, der aus einer Nebeneinanderstellung von Anordnungen identischer Elemente besteht. Jede dieser Anordnungen, z. B. die mit 22 bezeichnete und in Fig. 1 von einem gestrichelten Rahmen umgebene, besteht aus zwei regelmässigen sechseckigen Säulen 24 und 26 mit im allgemeinen vertikalen Achsen, die mittels einer Reihe von Keilen 28 aneinandergeheftet sind, und aus einem Kanal 30 von mit dem Säulenquerschnitt übereinstimmendem Querschnitt. Der Kanalnimmt die nicht gezeichneten Brennstoffelemente auf und dient auch für den Umlauf einer wärmeaustauschenden Flüssigkeit. Die Fig. 1 zeigt, dass die Aneinanderstellung der Querschnitte der Anordnungen es ermöglicht, eine Ebene auszufüllen, ohne dass mehr Zwischenräume frei bleiben, als innerhalb der Anordnungen Spiel vorhanden ist.
In der Praxis ist der aktive Teil des Moderatorkörpers (der aus besagten Anordnungen besteht) an seinem Umfang von Säulen begrenzt, die Reflektoren bilden, und der ganze Körper besitzt, mit oder ohne Mitzählung letztgenannter Säulen, annähernd 2n Säulen für n Kanäle.
Jede Anordnung ist mit den benachbarten mittels Reihen von Keilen verbunden, die sich längs den Säulen in gedachten Ebenen befinden, die die Achsen derbeiden zu verbindenden Säulen beinhalten, d. h. in den Mittellinien jener Seitenflächen, die aneinanderliegen. In dem in Fig. 1 gezeigten Fall, in dem die Anordnungen je zwei Säulen und einen Kanal umfassen, ist lediglich jede zweite Seitenfläche jeder Säule mit Keilen versehen. Zum Beispiel ist die Anordnung 22 mit den anliegenden Anordnungen mittels vier Keilenreihen 32, 34, 36 und 38 verheftetund es ergeben sich nur zwei unter einem Winkel von 1200 liegende Verkeilungsrichtungen. Diese Keilreihen können eine jener Anordnungen bilden, die in der franz. Patentschrift Nr. 1. 214. 246 beschrieben sind.
Das Bestehen von nur zwei Orientierungen der Keilebenen zieht zwei unter 1200 geneigte Verkeilungsebenen zwischen der Anordnung 22 und den benachbarten nach sich. Eine dieser Verkeilungsebenen 40 ist in Fig. 1 mit strichpunktierter Linie angedeutet, und man erkennt, dass sich die beidseits dieser Ebene 40 befindlichen Teile voneinander trennen können, ohne dass es zum Bruch der Keile kommt, sondern diese nur in ihren Nuten gleiten.
Der Aufbau nach Fig. l enthält drei Verkeilungsebenen, die drei Seitenflächen der Säulen entsprechen. Wenn man als elementare Anordnung nicht mehr die Säulen 24 und 26 und den Kanal 30, sondern die Säulen 24 und 42 und den Kanal 30 betrachtet (was zulässig erscheint, weil auch diese Anordnung den oben ausgeführten Bedingungen entspricht), so erkennt man, dass die Keilebenen zwischen elementaren Anordnungen jene der Keile 28 und 34 sind und die Verkeilungsebenen in Richtung der entsprechenden Seitenflächen der Säule 24 verlaufen.
Wenn der aktive Teil des Moderatorkörpers im wesentlichen zweimal mehr Säulen als Kanäle aufweist, ist es im allgemeinen aus geometrischen Gründen schwierig, die elementaren Anordnungen mittels einfacher Mittel längs dreier bestimmter Ebenen miteinander zu verbinden. Manchmal kann es auch notwendig sein, die gegenseitige Verkeilung zu vermeiden : Die Möglichkeit der Verkeilung kann z. B. überflüssig sein, wenn ein Reflektor aus sechseckigen Säulen verwendet wird, die aneinanderstossen und mit Keilreihen an allen ihren Seitenflächen versehen sind. Der Reflektor kann seinerseits von einem starren Gerüst oder einer Reihe von Stützen gehalten sein, wie dies beispielsweise in der franz. Patentschrift Nr. 1. 260. 603 beschrieben ist.
Die Verwendung eines den Moderatorkörper umgebenden Gerüstes aus sechskantigen Säulen, die aneinanderstossen und mit Keilreihen an allen ihren Seitenflächen versehen sind, hindern jedoch nicht an einer inneren Verheftung der einzelnen Teile des aktiven Teiles. Meist erfolgt die Steuerung des Reaktors im allgemeinen durch zu den Kanälen, welche die Brennstoffstäbe enthalten, parallel verschiebbare Steuerstäbe, die mehr oder weniger in den Moderatorkörper eingesenkt werden. Die Steuerstäbe besitzen einen weitaus geringeren Durchmesser als die Brennstoffkanäle und können demnach von Kanälen geringeren Durchmessers aufgenommen werden, die parallel zu den Achsen der Säulen vorgesehen sein können.
Die erfindungsgemässe Variante nach Fig. 2 sieht Hilfssäulen vor, die Steuerstäbe aufnehmen und die inneren Verkeilungsebenen begrenzen. Bei dieser Variante sind eine Anzahl der regelmässig auftretenden Kanäle durch Säulen 44 ersetzt, die Kanäle 46 zur Aufnahme der Steuerstäbe aufweisen. Diese Säulen sind mit den Nachbarsäulen durch Keilreihen 48 verbunden, wie in Fig. 3 gezeigt.
Die Länge der Verkeilungsebenen ist demnach zwischen zwei aufeinanderfolgende Säulen mit Stäben eingegrenzt, d. h. entsprechend dem Produkt aus dem Netzschritt p und dem Quotienten aus der Zahl der Säulen und der Zahl der Stäbe. Dieser Quotient kann natürlich nicht jeden beliebigen ganzen Wert
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annehmen, wenn man ein regelmässiges System von Steuerstäben wünscht, aber es bestehen genügend Kombinationsmöglichkeiten, um die sonst übliche Anzahl von Steuerstäben zu rechtfertigen. Dem regulären Netz können übrigens die Hilfsstäbe überlagert werden.
Bei der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform ist jeder siebente Kanal durch einen Stab ersetzt. Diese Stäbe sind also nach einem Dreiecksnetz gesetzt, dessen Orientierung zum Dreiecksnetz der Kanäle um einen Winkel ct verdreht ist, der gegeben ist durch
EMI4.1
Der Netzschritt der Stäbe ist also P, der mit dem Netzschritt der Kanäle durch folgende Beziehung verbunden ist :
EMI4.2
Man kann natürlich eine abweichende Dichte der Steuerstäbe annehmen, wodurch sich die gegenseitige Verdrehung beider Netze ändert. Für ein Dreiecksnetz können der Winkel oc und der Schritt P folgende Werte annehmen :
EMI4.3
wobei n eine beliebige ganze Zahl, positiv und auch Null bedeuten kann.
Man kann beispielsweise folgende Werte wählen :
EMI4.4
EMI4.5
EMI4.6
EMI4.7
EMI4.8
EMI4.9
EMI4.10
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EMI5.1
EMI5.2
Eine Möglichkeit, Zwischenwerte für den Schritt p zu bekommen, besteht in der Verwendung von Säulen mit unregelmässig sechseckigem Querschnitt, welche Methode zugleich gestattet, das Verhältnis zwischen dem Gesamtquerschnitt der Kanäle und dem der Säulen und somit des Verhältnisses des Volumens aller Höhlungen zum Gesamtvolumen des Moderators zu verändern.
In den Fig. 7, 8 und 9 sind schematisch Ausführungsformen gezeigt, bei denen die Säulen untereinander gleich, jedoch von unregelmässig sechseckigem Querschnitt sind, während der Querschnitt der Kanäle ein regelmässiges Sechseck bleibt.
Gemäss Fig. 7 bestehen die elementaren Anordnungen aus zwei Säulen 70, 72 für einen Kanal 74, und man erkennt, wie im Falle der Fig. l, die Verkeilungsebenen (z. B. 76), die zufolge der Verkeilung in zwei verschiedenen orientierten Ebenen nur zwischen den aneinanderstossenden Anordnungen auftreten.
Jede Säule hat drei Symmetrieebenen und die Keile sind nach Ebenen ausgerichtet, die durch die Achsen der durch die Keile verbundenen Säulen gehen.
Die Länge der Verkeilungsebenen können durch gewisse Kanäle ersetzende Hilfssäulen begrenzt werden, entsprechend einer Anordnung, die jener nach Fig. 2 oder 3 gleicht.
Gemäss Fig. 8 ist eine elementare Anordnung 78 durch einen gestrichelten Rahmen umgeben und enthält drei Säulen und einen Kanal. Wie in den Fig. 4 und 5, zeigt auch dieser Aufbau drei Orientierungen der Verkeilungsebenen zwischen den elementaren Anordnungen und inmitten jeder derselben, lässt also keine Verschiebungen zu.
Jede Säule besitzt auch eine Achse, hinsichtlich derer sie eine zweifache Symmetrie aufweist. Die Keilreihen sind also auch nach Ebenen ausgerichtet, die durch die Achsen zweier Säulen gehen, die sie verbinden, u. zw. sind dies Ebenen, die nicht mehr diametral bezüglich der Seitenflächen der Säule sind.
Gemäss Fig. 9 enthalten die durch einen gestrichelten Rahmen umgebenen elementaren Anordnungen (z. B. 80) sechs Säulen und einen Kanal, welcher von jenen völlig umschlossen ist. Der Querschnitt des Kanales ist weiterhin regelmässig sechseckig, aber der der Säulen ist nicht mehr zentralsymmetrisch.
Die Keilreihen sind nunmehr nach Richtungen orientiert, welche durch den geometrischen Schwerpunkt der zu verbindenden Säulen verlaufen.
Eine Nebenbedingung muss eingehalten werden, wenn das Auftreten von Verziehungen im Gesamtaufbau vermieden sein soll : Das Verhältnis zwischen der maximalen und der minimalen Abmessung der Säule darf unter einen gewissen Wert nicht fallen. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, so nehmen Keile die zwei Säulen, die verschiedenen Anordnungen angehören (z. B. 84 und 86), eine übertriebene Winkellage in bezug auf die Mittelebene der Seitenflächen ein, welche ihre Anwendung erschwert und die Verkeilung schwächt. Weiters können Zusammenziehungen oder Ausdehnungen der Säulen sich (etwa zufolge der Reibung an der Unterlage) in ein Wandern oder Lösen der Keile in bzw. aus den Nuten, oder zu einem Verzwängen derselben an den Nutwänden führen.
Schliesslich ist es auch aus Herstellungsgründen zweckmässiger, sich an Querschnitte zu halten, die möglichst nahe dem Kreisquerschnitt kommen, zumal die in Frage kommenden Graphitsäulen im Rohzustand durch Ziehen in Kreisform auftreten.
Im allgemeinen kann man für das Verhältnis der Dimensionen den Wert 3/2 als maximal zulässig annehmen, Darüber hinausgehende Werte ergeben die oben angedeuteten Nachteile, ohne durch merkliche Vorteile aufgewogen zu sein.
Gemäss Fig. 10 bestehen die elementaren Anordnungen, von denen eine (88) durch gestrichelte Linien umrahmt ist, aus einem Kanal und zwei Säulen. Der Kanalquerschnitt ist viereckig, der der Säulen unregelmässig sechseckig, aber mit einem Symmetriezentrum. Das Netz der Kanäle ist quadratisch. Die Keillinien, die zwei Säulen verbinden, liegen in Ebenen, die durch die Symmetrieachsen der verbundenen Säulen gehen. Die Keile liegen normal zu den Seitenflächen, aber nicht in den Mittellinien derselben. Die Keile, die an den Ecken der Sechseckquerschnitte angeordnet sind, liefern die dritte Verkeilungsvorrichtung, die für das Verkeilen des gesamten Aufbaues erforderlich ist.
Auch hier ist es zweckmässig, das Verhältnis zwischen den Querschnittsabmessungen der Säule nicht über 3/2 ansteigen zu lassen.
Gemäss Fig. 11 besteht die ebenfalls umrandete elementare Anordnung 90 aus einem Kanal und vier Säulen, alle mit quadratischem Querschnitt. Der Säulenquerschnitt ist wegen der Einhaltung eines gewissen Spieles etwas kleiner als der Kanalquerschnitt.
Die in der Mitte der Säulenseitenflächen angeordneten Keilreihen bieten zwei Orientierungen der
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