CH638063A5 - Ueberwachungsprobenanordnung innerhalb eines kernreaktors. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsprobenanordnung für die Aufnahme und Halterung zu bestrahlender Substanzen innerhalb eines Kernreaktors. Im besonderen dient der 55 Erfindungsgegenstand für die Beobachtung von Änderungen von Reaktormaterialeigenschaften zufolge der Bestrahlung durch Neutronenstrahlen und derTemperaturverhältnisse im Reaktor.
Überwachungsprogramme für Reaktorkessel dienen zur 60 Beobachtung der durch Strahlung und Wärmeeinfluss entstehenden Veränderungen der mechanischen Eigenschaften eines Reaktorkessels während seiner Betriebszeit. Üblicherweise werden Probesubstanzen aus den für den Strahlungsbereich des Kessels bei dessen Herstellung verwendeten Materialien ent- es nommen. Der Strahlungsbereich, bekannt als die Kerngürtelzone, wird als jener Bereich bezeichnet, der die effektive Höhe der Brennstäbeanordnung unmittelbar umgibt. Materialproben enthalten Metalle aus dem für den Aufbau des Strahlungsbereiches verwendeten Werkstoff sowie aus dem zum Schweissen während der Herstellung desselben verwendeten Metalles, also jener Werkstoffe, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Überwachungsproben werden im allgemeinen in Probekapseln untergebracht, die in innerhalb der Kerngürtelzone angebrachten Halterungen vorgesehen sind. Die Überwachungskapseln werden nahe der Innenwand des Reaktorkessels angeordnet, um die für die Beanspruchung des Kessels massgeblichen Einflüsse möglichst genau wiederzugeben, also das Spektrum des Neutronenflusses, die Temperaturverhältnisse und den maximal im Kessel gespeicherten Neutronenfluss.
Ausbildung und Anordnung der Halterungen für die Probekapseln muss so sein, dass ein Austausch derselben möglich ist. Nach einem vorgegebenen Plan werden Probekapseln von Zeit zu Zeit dem Reaktorkessel entnommen und der Probeinhalt auf seine Eigenschaften untersucht, um die Betriebstüchtigkeit festzustellen.
Die Halterung und die Probenkapseln müssen den beim Auswechseln der Kapseln auftretenden Beanspruchungen widerstehen können. Ausserdem muss die Halterung die Probenkapseln so erfassen, dass deren Beschädigung durch Temperatur- und Druckschwankungen seitens des Reaktorkühlmittels auch unter schwersten Betriebsbedingungen vermieden ist.
Bei manchen Überwachungsprobenanordnungen sind die Probenkapseln in senkrechter Richtung gestapelt angeordnet und in langen hohlen Behältern untergebracht. Diese Behälter sind meist länger als die Gesamtlänge aller gestapelten Kapseln, und ihr oberes Ende liegt oberhalb der Kerngürtelzone, so dass die Kapseln einigermassen leicht ausgetauscht werden können. Die Kapseln befinden sich dabei innerhalb der Kerngürtelzone. Die länglichen Halterungen erstrecken sich dabei meist bis zum Kopf des Reaktorkessels und beinhalten auch eine Feder, die auf der obersten Kapsel aufliegt und den Kapselstapel zusammendrückt. Seitliche Zutritte sind dann erforderlich, um die Kapseln herausnehmen bzw. einsetzen zu können. Bei manchen bekannten Ausführungen wurden seitliche Abstützungen der Kapseln weggelassen. Bei anderen Ausführungsformen wurde eine seitliche Abstützung durch beschränkten Kontakt zwischen Kapseln und Behälterwand erzielt. Alle diese Anordnungen besitzen jedoch gewisse Nachteile. Federbelastete längliche Anordnungen unterliegen häufig schwingenden Beanspruchungen, die zu Beschädigung der Proben führen können, besonders wenn seitliche Stützen fehlen oder die Kapseln werden hydraulischen Bedingungen unterworfen, welche die Anregung von Schwingungen fördern.
Temperaturunterschiede infolge von Änderungen in den Strömungsbedingungen und der Beheizung zwischen den Probenanordnungen und der anliegenden Reaktorstrukturen erfordern gegenseitige mechanische Verbindungen, welche die verschiedenen Wärmebeanspruchungen ausgleichen können, ohne dabei Spannungen oder Verformungen am Reaktorkessel zu erzeugen. Auch muss die Halterung und ihr Tragsystem zerstörend wirkende Schwingungen abwehren können, die hydraulisch oder mechanisch erregt werden.
Die Erfindung bezweckt die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen bzw. die Nachteile bisher bekannt gewordener Konstruktionen zu beheben.
Gemäss der Erfindung ist eine Überwachungsprobenanordnung für die Aufnahme und Halterung zu bestrahlender Substanzen innerhalb eines Kernreaktors, gekennzeichnet durch ein mit Durchbrechungen einerends mit einem Endstopfen und andernends mit einem Verschlussmechanismus sowie mit Stützen zum Befestigen am Reaktor versehenes Halterohr, eine Anzahl von länglichen Probenkapseln, von denen jede an ihren Enden ein Passstück mit einerseits einem V-förmigen Einschnitt, bzw. anderseits einem V-förmigen Vorsprung aufweist, wobei diese Probenkapseln im Halterohr aneinanderstossend
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mit jeweils ineinandergreifenden Einschnitt und Vorsprung ausgerichtet sind, ferner durch Vorrichtungen zum Angreifen des Endstopfens und des Verschlussmechanismus an dem Ende der jeweils benachbarten Probenkapsel und Vorrichtungen zur Belastung des Endstopfens und/oder des Verschlussmechanismus, um die Probekapseln einzuspannen.
Das Zusammenwirken der V-förmigen Einschnitte und Vorsprünge bei gleichzeitig axialer Belastung ergibt eine wirksame Halterung und Einspannung der Probekapseln. Das Halterohr ist vorzugsweise mit sowohl über dessen Umfang als auch über dessen Längserstreckung mit in gegenseitigem Abstand angebrachten Durchbrechungen versehen, wodurch die Einwirkung des Reaktorkühlmittels auf die Probekapseln gewährleistet ist. Das Halterohr ist an dem Reaktor mittels Stützen befestigt, die vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung des Halterohres starr, von denen wenigstens eine - die in der Längsmitte des Halterohres angeordnete - auch in der Längsrichtung des Halterohres starr ausgebildet sind. Die Erfindung bezweckt somit eine besonders zweckmässige Ausbildung der Halterung und Festlegung des Halterohres und der Probenkapseln mit den zu überwachenden Substanzen innerhalb einer wärme- und strahlungsmässig kritischen Umgebung.
Weitere Merkmale sind den nun folgenden Darlegungen zu entnehmen und sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.
An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen wird nun die Erfindung genau beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Kernreaktor, Fig. 2 eine teilweise geschnitten gezeichnete Ansicht eines Probenhalterohres, Fig. 3 eine ebenfalls teilweise geschnitten gezeichnete Seitenansicht dieses Probenhalterohres, Fig. 4 den Grundriss eines Trägers, Fig. 5, den Grundriss einer anderen Ausführungsform des Trägers, Fig. 6 den Aufriss eines Endstopfens, Fig. 7 den Seitenriss des Endstopfens nach Fig. 6 im Schnitt nach der Ebene 7-7, Fig. 8 den Seitenriss nach der Ebene 8-8 der Fig. 7, Fig. 9 einen teilweise geschnitten dargestellten Aufriss einer Probenkapsel, Fig. 10 einen Seitenriss, gesehen in Richtung der Pfeile 10-10 der Fig. 9, Fig. 11 eine Ansicht in Richtung der Pfeile 11-11 der Fig. 9, Fig 12 eine Ansicht in Richtung der Pfeile 12-12 der Fig. 9, Fig. 13 eine abweichende Konstruktion des in Fig. 12 dargestellten Endstopfens und Fig. 14 einen im Schnitt dargestellten Aufriss der Abschnitte eines Halterohres.
Die Fig. 1 zeigt den Schnitt durch die wesentlichen Bestandteile eines typischen Kernreaktors. Gemäss dieser Figur erstreckt sich die Längsachse 11 des Reaktordruckkessels 10 in einer senkrechten Ebene. Der Druckkessel 10 umfasst eine zylindrische Hülle 12, die im gezeichneten Ausführungsbeispiel einen mit ihr einstückig ausgeführten Flansch 13 am oberen Ende aufweist, und die am unteren Ende durch eine mit ihr ebenfalls einstückig ausgebildeten, halbkugelförmige Wand 14 abgeschlossen ist. Ein oberer halbkugelförmiger Deckel 15 ist am Flansch 13 der Hülle 12 mit Schraubenbolzen 16 befestigt, die in den Flansch eingeschraubt sind und den Deckel 15 durch entlang seines Umfanges vorgesehene Bohrungen durchdringen. Ein- und Auslassstutzen 20 bzw. 21, von denen jeweils nur einer gezeichnet sind, führen ein Kühlmittel von einem nicht dargestellten Reaktor-Kühlsystem zu, bzw. leiten dieses Kühlmittel nach seiner Erwärmung wieder an das Kühlsystem zurück.
Der Reaktordruckkessel 10 umschliesst und stützt den Reaktorkern 22, der aus einer Anzahl vertikal angeordneter Brennstäbe 23 besteht, die jeder wieder aus einzelnen Teilen zusammengesetzt sind. Die Brennstäbe 23 sind mechanisch austauschbar. Ein als «Kerntonne» bekannter Zylinder 24 umschliesst den Reaktorkern, hält die Brennstäbeanordnung 23 und umfasst bodenseitig eine Stützgitteranordnung 25 für die Brennstäbe und einen Strömungsverteiler 26. Der Zylinder
24 besitzt einen geringeren Durchmesser als die Hülle 12 und es ist zwischen beiden ein Ringraum 30 ausgebildet. Die untere Stützgitteranordnung 25 besteht aus mehreren übereinander angeordneten Einzelgittern nahe dem unteren Ende des Zylinders 24 und oberhalb des aus einer gelochten Platte bestehenden Strömungsverteilers 26, der wie gesagt, den Zylinder 24 abschliesst. Ein zylindrisches Wärmeschild 31 befindet sich im Ringraum 30 zwischen der «Kerntonne» 24 und dem Reaktorkessel 12 und ruht auf der Stützgitteranordnung 25 auf.
Die Einlassstutzen 20 führen das Reaktorkühlmittel in den Reaktor ein. Pfeile 32 deuten den Strömungsweg des Kühlmittels durch den Reaktor an. Das Kühlmittel fliesst abwärts durch den Ringraum 30 zum Strömungsverteiler 26, der es zum Kern verteilt. Das Kühlmittel umstreicht sodann die Brennstäbe und übernimmt von ihnen die Wärme und fliesst sodann durch die Auslassstutzen 21 heraus zum weiteren Kühlmittelkreislauf.
Um die Änderungen der Eigenschaften des Reaktormaterials, wie vorstehend beschrieben, zu überwachen, befinden sich Proben-Überwachungsanordnungen 40 (nur eine ist gezeichnet) im Ringraum 30 zwischen dem Wärmeschild 31 und der Innenseite der Hülle 12 ; die Anordnungen 40 sind in gleichen Abständen über den Umfang verteilt. Wie aus den Fig. 2 und 3 am besten zu erkennen ist, besteht jede der Proben-Überwachungsanordnung 40 aus einem aus mehreren Teilen zusammengesetzten Halterohr 41 und einer mit diesem durch Schweissung oder dergleichen verbundenen Stütze. Das Halterohr 41 umfasst untere, mittlere und obere Rohrabschnitte 33, 34 bzw. 35 mit kreisförmigem Querschnitt und zugeordnete Stützen 42,43 bzw. 44. Die untere Stütze 42 ist am unteren Ende des unteren Halterohres 41, die mittlere Stütze 43 ist zwischen den Rohrabschnitten 33 und 34, und die obere Stütze 44 zwischen den Rohrabschnitten 34 und 35 fest angebracht. In den Wänden der Rohrabschnitte 33 und 34 sind, gleichmässig über den Umfang und ihre Längserstreckung verteilt, Durchbrechungen 51 vorgesehen. Das untere Ende des Halterohres 41 ist mit einem Stopfen 51 dicht verschlossen, der in einem zylindrischen Teil 45 der unteren Stütze eingesetzt ist. Ein Innenflansch 48 ist im Inneren des oberen Rohrabschnittes 35 ausgebildet und bildet einen Anschlag für einen Verschlussmechanismus für das obere Ende des Halterohres 41. Das obere Ende des Rohrabschnittes 35 ist mit einem Kupplungsteil 56 zum abnehmbaren Anschluss eines nicht gezeigten Führungsrohres während des Einführens und der Abnahme der Kapseln versehen.
Bei der gezeichneten Ausführungsform sind die untere und die obere Stütze 42 und 44 einander gleich ; es braucht daher nur die eine untere näher beschrieben zu werden. Gemäss den Fig. 2 und 3, bzw. im besonderen Fig. 4, besteht die Stütze 42 aus einem zylindrischen Basisteil 45 mit zwei zueinander symmetrischen, abgebogenen Armen 46, 47, welche zusammen mit dem Basisteil ein U-förmiges Gebilde ergeben, wobei die Längsachse des zylindrischen Basisteils 45 normal zu der von den Armen 46,47 gebildeten Ebene liegt. Die gabelförmigen Enden der beiden Arme 46,47 laufen in abgekröpften Flanschen 52, 53 aus, die an ihrer am Arm anschliessenden Wurzel mit Einkerbungen 57,58 versehen sind. Die Flanschen 52, 53 selbst weisen Bohrungen 54, 55 für Befestigungsschrauben oder dergleichen auf.
Gemäss Fig. 5 besteht die mittlere Stütze 43 aus einem zylindrischen Basisteil 60 mit zwei Armen 61,62, die gekrümmt sind und ebenfalls ein U-förmiges Gebilde ergeben. Die Enden dieser Arme sind jedoch nicht gabelförmig ausgebildet und laufen in je zwei Flanschen 63,64 mit Bohrungen 65, 66 für Befestigungsschrauben aus. Zufolge der verschiedenen Querschnittsformen der Arme der Stützen 42,44 bzw. 43, nämlich der gabelförmigen Ausbildung der ersteren, sind diese in einer Ebene durch die Längsachse des Halterohres 41 beweglicher, während die Stütze 43 relativ starrer ist. Alle Stützen 42,43 und
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44 sind aber in radialer und tangentialer Beziehung zum Querschnitt des Halterohres 41 starr.
Die Fig. 6,7 und 8 zeigen Einzelheiten des Endstopfens 50. Er besteht im wesentlichen aus einem Vollzylinder mit einem schiefen keilförmigen Einschnitt 71 an einem und mit einem 5 Flansch 72 am anderen Ende. Die Neigung des Scheitels des keilförmigen Einschnittes 71 liegt in einem Winkel 73 bezüglich der Längsachse des Zylinders. Im Mantel des Zylinders ist ein Längsschlitz 74 und im Kern des Zylinders ist eine teilweise mit einem Gewinde 76 versehene Längsbohrung 75 ausgebil- io det.
Ein Verschlussmechanismus 90 mit einem geneigten V-förmigen Vorsprung 91 und Sperrzähnen 92 ist in Fig. 14 zu sehen.
Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Probenkapsel 80 für Überwachungszwecke. Die Kapsel 80 besteht aus is ein langgestreckten an seinen Enden mit Verschlüssen 81, 83 versehenen Rohr 82. Der Verschluss 81 besteht aus einem einerends im Durchmesser abgesetzten, im wesentlichen vollen Zylinder, der mit diesem einen Ende in das Rohr 62 dichtend eingesetzt werden kann. Der Verschluss 81 weist am anderen 20 Ende einen V-förmigen Einschnitt 84 auf, der bezüglich der Querschnittsebene der Kapsel geneigt liegt.
Wie besonders aus den Fig. 10 und 11 hervorgeht, besitzt der Stopfen 81 eine zentrale Längsausnehmung 100 mit Randschlitzen 101 für die Einführung eines Werkzeuges für den Ein- 25 und Ausbau der Kapsel in bzw. aus dem Halterohr. Die Querschnittsform des V-förmigen Einschnittes 84 kann am Scheitel abgerundet (Fig. 12) oder mit einer Längsnut 102 (Fig. 13) versehen sein, um einen messerscharfen Kontakt der miteinander vereinten Teile auszuschliessen, wie später noch beschrieben 30 wird. Der andere Endverschluss 83 für das Rohr 82 ist ebenfalls ein im wesentlichen voller Stopfen mit einerends abgesetztem Durchmesser zur Einführung in das Rohr 82. Am anderen Ende des Stopfens 83 ist ein V-förmiger, zur Längsachse des Stopfens geneigt liegender Vorsprung 85 ausgebildet. Die Form 35 des Vorsprungs 85 ist komplementär zur Form des Einschnittes 84 des anderen Stopfens 81 und auch zum V-förmigen Einschnitt des Stopfens 50. Somit können mehrere Probenkapseln nahezu fugenlos aneinandergereiht werden, wie dies die Fig. 14 ersichtlich macht. 40
In der in Fig. 14 dargestellten Betriebsstellung ist eine Über-wachungs-Probenkapsel 80 in ein Halterohr 41 eingesetzt. Der Endverschluss 83 der als erste in das Rohr 41 eingeführten Kapsel 80 greift in den V-förmigen Einschnitt 71 des Endverschlusses 50 des Halterohres 41 ein. Weitere Probenkapseln werden so « in das Halterohr 41 eingeführt, dass sie jeweils mit ihrem V-förmigen Vorsprung in den V-förmigen Einschnitt der bereits im Halterohr befindlichen Kapsel eingreifen. Die Sperrzähne 92 des Verschlussmechanismus 90 greifen um den Innenflansch 48 des Halterohres 41 ein, und ein V-förmiger Vorsprung 91 des so Verschlusses 90 dringt in den V-förmigen Einschnitt 84 der obersten Probenkapsel ein. Der Verschlussmechanismus 90 ist axial vorgespannt, um die Kapseln 80 unter Druck zu halten. Die Vorspannung kann durch Hebel, Schrauben, Nocken oder dergleichen aufgebracht werden, die sich gegen das Rohr 41 abstützen, das Zusammenwirken der schrägen V-förmigen Einschnitte und Vorsprünge an den Enden der Proben-Kapseln und an den Endverschlüssen des Halterohres 41 schliesst andere Seitenverschiebungen als parallel zu den Scheitellinien des V-Querschnittes aus, verkeilt jedoch die Seiten der zusammengesetzten Kapseln gegenüber dem Halterohr an den Enden der V-Scheitel.
Die Stützen 42,43,44, welche das Halterohr 41 tragen (Fig. 1) können am Wärmeschild 31 befestigt sein. Die Endstützen 42,44 sind, wie erwähnt, bezüglich des Querschnittes des Halterohres radial und tangential von steifer Struktur, jedoch in Längsrichtung des Halterohres relativ weich und nachgiebig. Die mittlere Stütze 43 ist hingegen in allen Richtungen von steifer Struktur. Die orthotropische Charakteristik dieser Stützanordnung dient zum Widerstehen gegen Verstellkräfte und Stösse, jedoch im besonderen zum Ausgleich von Wärmedehnungen des Wärmeschildes, ohne auf das Halterohr Veränderungen zu übertragen. Diese Stützen wurden als zweckmässige Konstruktionen befunden, doch sind verschiedene Abwandlungen möglich, die das Halterohr auch gegen wärmebedingte Einflüsse seitens des Wärmeschildes schützen können. Die Stützen können am Wärmeschild oder an anderen Bauteilen des Reaktors mittels Schrauben oder durch Anschweissen und dergleichen befestigt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Rohrabschnitte 82 der Probenkapsel, welche die Reaktormaterialproben aufnehmen, von einem durchbrochenen Rohrabschnitt 33,34 des Halterohres umschlossen; ebenso umschliessen es die Stopfen 81, 83, die sich an den zylindrischen Bauteilen 45 bzw. 60 der Stützen 42,43,44 abstützen. Der obere Rohrabschnitt umhüllt den Verschlussmechanismus 90. Die beschriebene Anordnung (Fig. 14) zum Aufnehmen von zwei Probenkapseln soll natürlich nicht den Umfang der Erfindung beschränken.
Das Reaktorkühlmittel strömt in das Halterohr 41 durch die Durchbrechungen 51 ein und aus. Der Schlitz 74 im unteren Stopfen 50 gestattet die Abfuhr vom Kühlmittel mit radioaktiven Verunreinigungen bei der Entnahme des Halterohres aus dem Reaktor. Das Gewinde 76 ermöglicht die Anbringung eines Werkzeuges.
Ein Fachmann kann verschiedene Varianten am Erfindungsgegenstand anbringen, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten, beispielsweise an der Orientierung der Kapseln, an der Form des Endstopfens und des Verschlussmechanismus, der Anzahl der Kapseln und der Stützen. Unter anderem kann der Endstopfen statt eines V-förmigen Einschnittes einen V-förmigen Vorsprung aufweisen, und der Verschluss könnte entsprechend komplementär ausgebildet sein.
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6 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
- 638 063 2PATENTANSPRÜCHE1. Überwachungsprobenanordnung für die Aufnahme und Halterung zu bestrahlender Substanzen innerhalb eines Kernreaktors, gekennzeichnet durch ein mit Durchbrechungen (51) einerends mit einem Endstopfen (50) und andernends mit 5 einem Verschlussmechanismus (90) sowie mit Stützen (42,43, 44) zum Befestigen am Reaktor versehenes Halterohr (41), eine Anzahl von länglichen Probenkapseln (80), von denen jede an ihren Enden ein Passstück (81,83') mit einerseits einem V-förmigen Einschnitt (84), bzw. anderseits einem V-förmigen Vor- io sprung (85) aufweist, wobei diese Probenkapseln im Halterohr aneinanderstossend mit jeweils ineinandergreifenden Einschnitt und Vorsprung ausgerichtet sind, ferner durch Vorrichtungen (71,91) zum Angreifen des Endstopfens (50) und des Verschlussmechanismus (90) an dem Ende der jeweils benach- 15 barten Probenkapsel und Vorrichtungen zur Belastung des Endstopfens und/oder des Verschlussmechanismus, um die Probekapseln einzuspannen.
- 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Scheitellinien der V-förmigen Einschnitte (84) und 20 Vorsprünge (85) bezüglich einer Querebene normal zur Probenkapselachse unter einem Winkel geneigt verlaufen.
- 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Angreifen des Endstopfens (50) an der benachbarten Probenkapsel (80) einen endseitigen 25 V-förmigen Einschnitt (71) und die Vorrichtungen zum Angreifen des Verschlussmechanismus (90) zum gleichen Zwecke einen V-förmigen Vorsprung (91) aufweisen.
- 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen zum Angreifen des Endstop- 30 fens (50) an der benachbarten Probenkapsel (80) einen endseitigen V-förmigen Vorsprung und die Vorrichtungen zum Angreifen des Verschlussmechanismus zum gleichen Zwecke einen V-förmigen Einschnitt aufweisen.
- 5. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, 35 dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (42,43,44) zum Befestigen des Halterohres (41 ) senkrecht zur Längsrichtung des Halterohres starr, jedoch wenigstens eine (43) davon auch in Längsrichtung des Halterohres starr ausgebildet sind.
- 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, 40 dass die in allen Richtungen starre Stütze (43) in der Längsmitte des Halterohres (41) angeordnet ist.
- 7. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechungen (51) am Halterohr (41) sowohl über dessen Umfang als auch über des- 45 sen Längserstreckung mit gegenseitigem Abstand angebracht sind.50
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