DE1099098B - Moderatoraufbau fuer einen Kernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen Moderatoraufbau für einen Kernreaktor, der aus einer Anordnung einzelner, voneinander in Querrichtung durch Graphitabstandsstücke getrennter Säulen aus Graphitblöcken besteht, derart, daß die minimale Wachstumsgeschwindigkeit der Blöcke in Längsrichtung der Säulen und die minimale Wachstumsgeschwindigkeit der Abstandsstücke in einer zu den Achsen der Säulen senkrechten Ebene liegt.

Die strukturell bedingte Anisotropie der physikalischen Eigenschaften des natürlich vorkommenden wie des künstlichen Graphits ist bekannt. Bei der Verwendung von Graphit in Kernreaktor-Moderatoren spielt vor allem die Anisotropie des sogenannten Wigner-Wachstums eine bedeutsame Rolle; es ist in diesem Zusammenhang auch bekannt, daß bei im Strangpreßverfahren hergestellten Graphitblöcken die Richtung minimalen Wigner-Wachstums parallel zur Strangpreßachse liegt, während in allen dazu senkrechten Richtungen maximales Wigner-Wachstum auftritt.

Diese Erscheinung des anisotropen Wigner-Wachstums stellt beim Bau von Kernreaktoren mit aus Graphit bestehendem Moderator vor besondere Probleme. Man ist bestrebt, den Reaktorkern so auszubilden, daß der Reaktorkern unter der Wirkung des Wigner-Wachstums sich in allen Querrichtungen (d. h. in allen Richtungen quer zur Richtung der Brennstoffkanäle) einerseits frei ausdehnen kann, um schädliche Spannungen innerhalb des Reaktorkernes zu vermeiden, daß jedoch andererseits die mit dieser freien Ausdehnung verbundene Änderung der Gesamtabmessungen des Reaktorkerns in Querrichtung auf einen Minimalwert beschränkt wird. Gleichzeitig soll die Lage der Brennstoffkanäle innerhalb des Graphitmoderators weitgehend unverändert bleiben, damit Störungen des BeschickungsVorganges bzw. eine Erschwerung und Komplizierung des Beschickungsvorganges vermieden werden.

Es ist zu diesem Zweck bereits ein Moderatoraufbau bekannt, der aus einzelnen Graphitsäulen besteht, die von aufeinandergesetzten Zwischenblöcken aus Graphit umgeben sind. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Richtung maximalen Wigner-Wachstums für die Graphitsäulen in Richtung ihrer Längsachse liegt. Zwischen benachbarten Zwischenblöcken sowie zwischen den Säulen und den Zwischenblöcken ist dabei genügend Zwischenraum vorgesehen, um eine Ausdehnung des Graphits in Querrichtung zu gestatten. Die Art der Abstandshalterung der den Moderatoraufbau bildenden Graphitteile ist jedoch bei der bekannten Anordnung im einzelnen nicht ersichtlich.

Nach einem älteren, nicht zum Stande der Technik gehörenden Vorschlag ist ferner bereits vorgesehen, Moderatoraufbau für einen Kernreaktor

Anmelder:

The English Electric Company Limited,

London

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
ίο München 2, Kauüngerstr. 8

John Jeffrey Stubbs und Terence Ingham,
Whetstone, Leicestershire (Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

den Moderatoraufbau aus einzelnen, voneinander in Querrichtung durch Graphitabstandsblöcke getrennten Säulen aus Graphitblöcken aufzubauen. Die Graphitblöcke jeder einzelnen Säule haben dabei ihre Richtung maximalen Wigner-Wachstum in Richtung der Säulenachse. Als Abstandsstücke in Querrichtung sind stirnseitig zwischen den Graphitblöcken aufeinanderfolgender Lagen angeordnete Kachelformstücke vorgesehen, die in seitlicher Richtung fortlaufen, wobei die Kachelformstücke so ausgebildet sind, daß die Richtung ihres minimalen Wachstums in Ebenen senkrecht zu den Achsen der Säulen liegt.

Diese Anordnung nach dem älteren Vorschlag hat den Nachteil, daß durch die Ausbildung der als Abstandshalter in Querrichtung wirkenden Kachelformstücke als Zwischenstücke zwischen aufeinanderfolgenden Blöcken in Längsrichtung der Säule die Leckgefahr für das in den Brennstoffkanälen zirkulierende Kühlmittel erheblich vergrößert wird. Durch die Zwischenschaltung der Abstandsstücke an den Stirnseiten je zweier in Längsrichtung innerhalb der Säule aufeinanderfolgender Graphitblöcke entstehen zusätzliche Stoßstellen an aneinanderliegenden Stirnflächen, deren jede als mögliche Leckstelle für das Kühlmittel in Frage kommt.

LTm das obengenannte Ziel zu erreichen und die geschilderten Schwierigkeiten zu vermeiden, ist der eingangs genannte Moderatoraufbau erfindungsgemäß so ausgebildet, daß sich die Abstandsstücke durch Bohrungen quer durch die Blöcke erstrecken, derart, daß jeder einzelne Block an jedem der Abstandsstücke nur an einer Stelle anliegt.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik hat die Ausbildung gemäß der Erfindung den Vorteil, daß der Reaktorkern sich unter der Wirkung des Wigner-Wachstums in allen Querrichtungen frei ausdehnen

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kann, die damit verbundene Änderung der Gesamtab/ ebenfalls in Ebenen liegen, die senkrecht zur Längsmessungen des Reaktorkerns in der Querrichtung auf achse des Blockes verlaufen.

einen Minimalwert beschränkt bleibt und gleichzeitig Jeder Stab weist in der Mitte zwischen seinen die Mittelachsen der Blockreihen,· welche im wesent- Enden einen Absatz 16 auf und liegt mit Spielraum in liehen die Lage der Brennstoffkanäle festlegen, im 5 einer in dem Block vorgesehenen an ihrer einen Seite Verlauf des Wachstums praktisch unverändert bleiben. zylindrisch erweiterten Bohrung 17. Der Bohrungs-Gegenüber dem genannten älteren Vorschlag bringt durchmesser ist so groß, daß ein unterschiedliches die Ausbildung nach der Erfindung einerseits eben- Wachstum des Stabes und des Blockes in einer senkfalls den Vorteil einer geringeren Verschiebung der recht zur Stabachse verlaufenden Ebene ermöglicht Mittelachsen der einzelnen Säulen, Insbesondere aber io wird. Die Stäbe stehen an jedem Ende ein kurzes wird die Anzahl der als mögliche Leckstellen in Stück über die entsprechende Blockfläche vor. Jedes Frage kommenden aneinandergrenzenden Stirnflächen Stabende mit großem Durchmesser weist eine Verin Richtung der Säulenlängsachse bei der Ausbildung tiefung 18 auf.

gemäß der Erfindung nieht erhöht. Je zwei auf ein- Der Brennstoffkanal 11 ist "nach" links und unten in

anderfolgende Blöcke jeder einzelnen Säule liegen un- 15 Fig. 1 gegenüber der Längsachse des Blockes in jedem

mittelbar mit ihren Stirnflächen aneinander, so daß Falle um den halben gewünschten Abstand zwischen

keine zusätzlichen Stoßstellen entstehen. Die Ab- den Blöcken versetzt. Die Stäbe selbst sind symme-

standsstücke erstrecken sich bei der Anordnung ge- trisch um die quer zu ihnen verlaufenden Mittellinien

maß der Erfindung durch den Block hindurch, ohne der Brennstoffkanäle angeordnet. Eine schmale Ab-

daß die Brennstoffkanäle und der Kühlmittelkreislauf 20 schrägung 19, deren Breite etwa dem gewünschten

dadurch betroffen würde. -_; Abstand zwischen den Blöcken gleicht, ist an der von

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Er- dem Brennstoffkanal entfernten Kante des Blockes

findung ist vorgesehen; daß-jeder Block zwei getrennte ausgebildet.

Sätze von Abstandsstücken aufweist, die sich in rech- Bei dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Aufbau wertem Winkel zueinander "durch" den Block erstrecken 25 den zwei Grundtypen von Blöcken, im folgenden als und deren Enden so geformt sind, daß sie mit den Typ A bzw. B bezeichnet, zur Bildung des Reaktorgegenüberliegenden Endender Abstandsstücke von in kernes verwendet. Typ A ist genau der in Fig. 1 Querrichtung benachbarten Blöcken zusammenpassen. dargestellte Block, während Typ B dem in Fig. 1 dar-

Nach weiteren AusfüKrungsformen der Erfindung gestellten Block ähnelt, wobei jedoch der Brennstoffist vorgesehen, daß zur·Verminderung durchlaufenden 30 kanal und die Stäbe nach links und oben in Fig. 1 freien Zwischenraums im. Moderatoraufbau zwischen gegenüber der Längsachse des Blockes um dasselbe den Bloekreihen die "BlocKe" "gegeneinander versetzt Stück versetzt sind. Bei beiden Blöcken verläuft die oder gegeneinander verdreht sind. Abschrägung längs der vom Brennstoffkanal am

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung weitesten entfernten Kante.

ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungs- 35 Wie Fig. 3 zeigt, sind die Blöcke so zusammenge-

beispielen an Hand der Zeichnung. In dieser zeigt setzt, daß die Kanäle für die Brennstoffelemente in

Fig. 1 in isometrischer Ansicht eine Ausführungs- einem quadratischen Gitter angeordnet sind. Innerform eines Blockes nach der Erfindung, wobei Teile halb jeder Schicht von Blöcken sind jedoch die beweggebrochen sind, so daß Einzelheiten der Lager- nachbarten Blöcke längs jeder Gitterachse nach gegenstäbe sichtbar werden, - 40 überliegenden Seiten versetzt. Die Versetzung wird

Fig. 2 eines der Verbindungsrohre, welches die durch Wahl des entsprechenden Blocktyps und seine

axial aufeinander ausgerichteten Kühlmittelkanäle Anordnung in der richtigen Lage erzielt,

miteinander verbindet, " "Man sieht außerdem in Fig. 4, daß innerhalb jeder

' Fig. 3 in Endansicht einen Teil eines zusammen- Reihe axial benachbarte Blöcke nach gegenüberliegen-

gesetzen Reaktorkernes (mit waagerecht angeordneten 45 den Seiten der Brennstoffkanalachse versetzt sind.

Brennstoffkanälen) und Blöcken nach Fig. 1, Dies wird durch abwechselnde Wahl von Blöcken des

Fig. 4 einen waagerechten Schnitt nach Linie X-X Typs A und des Typs B erreicht. In einander abwe'ch-

in Fig. 3, selnden Schichten sind die Blöcke A um 180° um eine

Fig. 5 und 6 in Endansichten benachbarte Schichten senkrechte Achse und die Blöcke B um ihre Längsgemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. 50 achsen um 90° entgegen dem Uhrzeigersinne (Fig. 3) ¹ Wie Fig. 1 zeigt, weist ein als Ganzes mit 10 be- verdreht. In jedem Falle passen die Enden geringen zeichneter Graphitblock von quadratischem Quer- Durchmessers der Lagerstäbe in die Vertiefungen 18 schnitt einen in Längsrichtung verlaufenden Brenn- in den Enden großen Durchmessers der benachbarten stoffkanal 11 auf, der an jedem Ende mit einer Er- Lagerstäbe hinein.

Weiterung 12 versehen ist. Diese Erweiterung nimmt 55 Die Verbindungsrohre 13 werden in die Absätze 12 ein kurzes Graphitverbmdungsrohr 13 (Fig. 2) auf, ·'■"■'■ in den Enden der Blöcke während des Zusammendessen Innendurchmesser derselbe ist wie der Durch- baues eingesetzt, so daß sie einen Fortsatz der Brennmesser des Brennstoffkanäls. Sowohl der Block 10 als stoffkanäle zwischen den Blöcken bilden,
auch das Verbindungsrohr 13 sind in einer Richtung Aus dem Voranstehenden ersieht man, daß die parallel zur Längsachse stranggepreßt. Das geringste 60 Brennstoffkanäle zwar in einem quadratischen Gitter Wachstum findet daher in jedem Falle in Richtung ■' angeordnet sind, daß jedoch durch Versetzen der eiuder Pfeile MG statt. zelnen Blöcke in der beschriebenen Weise kein gerader

In den Block sind acht identische, aus Graphit be- Durchgang zwischen den Blöcken in einer der drei stehende Lagerstäbe eingepaßt, die parallel zur Stab- Hauptachsen des Kernes gebildet wird. Eine Neuachse stranggepreßt sind. Das geringste Wachstum 65 tronenströmung wird daher herabgesetzt, verglichen der Stäbe erfolgt wiederum in Richtung der Pfeile '^y- mit einer Anordnung, bei welcher, die Blöcke nicht JIiG. Vier dieser Stäbe (Bezugszeichen 14) verlaufen versetzt sind.

waagerecht durch den Block in Ebenen senkrecht zur Senkrechte Steuerstabkanäle 20 werden durch vor

Blockachse, während die anderen vier Stäbe (Bezugs- dem Zusammenbau erfolgendes Ausfräsen von Qua-

zeichen 15) lotrecht durch den Block verlaufen und 70 dranten aus den entsprechenden Kanten bestimmter

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Blöcke gebildet. Statt dessen können auch halbkreisförmige Vertiefungen in die Seiten entsprechender Blöcke eingefräst werden. In dem zusammengesetzten Kern sind die Steuerstabkanäle über die obere Fläche des Kernes mit regelmäßigen Gitterabständen verteilt.

Bei einer anderen, in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform werden Blöcke 40 verwendet, die den Blöcken 10 nach Fig. 1 mit der Ausnahme gleichen, daß der Kühlmittelkanal 41 in diesem Falle koaxial zur Mittellinie des Blockes angeordnet ist und die Stäbe 42 unter einem kleinen Winkel gegenüber den Blockwandungen eingesetzt sind. Dieser Winkel reicht gerade aus, um ein Kippen der Blöcke um einen Abstand herbeizuführen, der gleich dem halben Zwischenraum zwischen den Blöcken ist. Bei dieser Anordnung sind alle Blöcke identisch. Wie ein Vergleich der Fig. 5 und 6 zeigt, sind die Blöcke benachbarter Schichten in entgegengesetzte Richtungen verkippt. Dies wird dadurch erreicht, daß in jedem Kanal jeder zweite Block um 180° um die lotrechte Achse verdreht wird.

Der Zwischenraum zwischen zwei beliebigen benachbarten Blöcken ist gleich der Differenz zwischen dem erwarteten Wachstum der Blöcke und der Stäbe während der errechneten nutzbaren Lebensdauer des Kernes, da ihre Strangspreßrichtungen in verschiedenen Ebenen liegen. Während seiner nutzbaren Lebensdauer wächst der Kern daher mit einer Geschwindigkeit, die der geringsten Wachstumgeschwindigkeit in allen drei Ebenen gleicht. Nach der errechneten nutzbaren Lebensdauer, wenn die Zwischenräume verschwunden sind, wächst der Kern, sofern er weiterhin verwendet wird, in allen drei Ebenen mit der höchsten Wachstumsgeschwindigkeit.

Jede der Anordnungen kann selbstverständlich für Reaktoren verwendet werden, bei denen die Kühlmittelkanäle lotrecht und die Steuerstäbe waagerecht oder lotrecht angeordnet sind.

Querrichtung durch Graphitabstandsstücke getrennter Säulen aus Graphitblöcken besteht, derart, daß die minimale Wachstumsgeschwindigkeit der Blöcke in Längsrichtung der Säulen und die minimale Wachstumsgeschwindigkeit der Abstandsstücke in einer zu den Achsen der Säulen senkrechten Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abstandsstücke (14 bzw. 15) durch Bohrungen (17) quer durch die Blöcke erstrecken, derart, daß jeder einzelne Block an jedem der Abstandsstücke nur an einer Stelle (16) anliegt.

2. Moderatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Block (10 in Fig. 1) zwei getrennte Sätze von Abstandsstücken (14 bzw. 15) aufweist, die sich in rechtem Winkel zueinander durch den Block (10) erstrecken und deren Enden so geformt sind (14, 18 bzw. 15, 18), daß sie mit den gegenüberliegenden Enden der Abstandsstücke von in Querrichtung benachbarten Blöcken zusammenpassen.

3. Moderatoraufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung durchlaufenden, freien Zwischenraumes im Moderatoraufbau zwischen den Blockreihen die Blöcke gegeneinander versetzt sind.

4. Moderatoraufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung durchlaufenden, freien Zwischenraumes im Moderatoraufbau zwischen den Blockreihen die Blöcke gegeneinander verdreht sind.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Moderatoraufbau für einen Kernreaktor, der aus einer Anordnung einzelner, voneinander in

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschrift Nr. 1 130 109;

USA.-Patentschriften Nr. 2 782 158, 2 790 760;

»Chemical Engineering Progress Symposium Series«, VoI 50, Nr. 11,1954, Band »Nuclear Engineering Part I«, S. 41 bis 44;

»Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1956, Bd. 7, S. 428 bis 458 und 455 bis 478;

»Progress in Nuclear Energy«, Series V, VoI 1 »Metallurgy and Fuels«, 1956, S. 588/589.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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