DE1102300B - Anordnung von Moderatorbloecken in einem Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von an- bzw. übereinandergesetzten Moderatorblöcken in Form von Barren und/oder Klötzen, die den Moderatorkern eines Atomkernreaktors bilden, Kühlmittelkanäle zur Aufnahme des von dem Kühlmittel umströmten Brennstoffelemente begrenzen und Halteeinrichtungen zum Zentrieren in bezug auf die Achse der Kühlmittelkanäle aufweisen, wobei an Stellen, an denen die Moderatorblöcke in Richtung der Kühlmittelkanäle aneinanderstoßen, Zwischenstücke aus dem Moderatormaterial mit einer koaxial zur Achse eines Kühlmittelkanals verlaufenden Bohrung angeordnet sind, die an entsprechenden Stirnflächenbereichen der Moderatorblöcke eng anliegen.

Kernreaktoren mit einem festen Moderator, z. B. aus Graphit, weisen gewöhnlich einen Kernkörper auf, der aus übereinandergeschichteten Blöcken des Moderatormaterials besteht, die als Barren und/oder prismatische Klötze geformt sind. Der gesamte Aufbau ist von Kanälen durchsetzt, in denen sich das spaltbare Brennstoffmaterial befindet und in denen ein Kühlmittel umläuft.

Bei einer bekannten Anordnung sind zwischen den einzelnen Moderatorblöcken an den Stellen, an denen diese in Richtung der Achse der Kühlmittelkanäle aneinandergrenzen, jeweils zwei Zwischenstücke vorgesehen. Die Zwischenstücke sind dabei mit radial verlaufenden Nuten und Rippen versehen, die mit entsprechend geformten Nuten und Rippen (Leisten) der angrenzenden Moderatorblöcke bzw. Zwischenplatten im Eingriff stehen. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß das Kühlmittel durch die Zwischenräume zwischen den Nuten und Rippen aus dem Kühlmittelkanal abfließen kann. Ein Abfluß des Kühlmitttels an diesen Stellen ist jedoch deshalb besonders bedenklich, weil dadurch an den Abflußbereichen hohe Temperaturgradienten auftreten, die die Spannung im Material erhöhen. Die abfließende Kühlmittelmenge ist ziemlich groß, weil die Nuten und Rippen mit einem gewissen, relativ großen Spiel ineinandergreifen müssen, um ein Verklemmen und das Auftreten von Spannungen durch Wärmewirkung und durch den Wigner effekt zu vermeiden. Außerdem läßt sich auch die Tiefe der Nuten nicht genau gleich der Höhe der Rippen machen, da sonst die Gefahr besteht, daß das Gewicht der Moderatorblöcke eventuell nur über die Rippen übertragen wird. Ferner ist es in bezug auf die Abdichtung noch ungünstig, daß zwischen zwei aneinandergrenzenden Moderatorblöcken jeweils zwei Zwischenstücke vorgesehen sind, so daß die abfließende Menge des Kühl Strömungsmittels dadurch vergrößert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die diese Nachteile vermeidet.

Anordnung von Moderatorblöcken
in einem Kernreaktor

Anmelder:

Commissariat a l'Energie Atomique,
Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität:
Frankreich, vom 15. März 1958

Georges Lehesle, Paris,
und Pierre Rouge, Gifsur-Yvette, Seine-et-Oise

(Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

Dies wird bei der eingangs genannten Anordnung dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß jedes Zwischenstück über seine ganze Fläche plane und parallele Stirnflächen aufweist, daß'es die Halteeinrichtungen der Blöcke außen ganz umschließt oder zentral ganz in sie eingreift und daß die Achse des kleinsten Wigner-Wachstums des Zwischenstückes normal zu dessen Stirnflächen" liegt. Bei einer solchen Ausbildung der Moderatorblockanordnung hat jede Verbindungsstelle wegen des Fehlens der direkten Verbindung zwischen dem Brennstoffkanal und dem Außenraum der Moderatorblöcke einen sehr hohen Strömungswiderstand, der keine wesentliche Leckströmung zustande kommen läßt.

Eine besondere Ausführungsart ist derart ausgebildet, daß zwei senkrecht aufeinanderstellend miteinander verbundene quaderförmige Blöcke, bei denen die Achsen des kleinsten Wigner-Wachstums senkrecht bzw. waagerecht liegen, je einen zylindrischen Vorsprung mit senkrecht zueinander und parallel zu den Vorzugsachsen des Wigner-Wachstums verlaufenden, ineinandergreifenden Leisten und Nuten aufweisen und daß das Zwischenstück ein mit gleichen Ouerschnittsaußenabmessungen wie die Blöcke ausgeführte, eine Bohrung aufweisende Platte ist, deren Bohrung den gleichen Durchmesser aufweist wie die Vorsprünge der Blöcke und deren Stirnflächen sich

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im wesentlichen senkrecht zu der Achse des kleinsten Wigner-Wachstums des Zwischenstückes erstrecken.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsart ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei senkrecht aufeinanderstehend miteinander verbundene quaderförmige Blöcke, deren Achse des kleinsten Wigner-Wachstums bei dem einen im wesentlichen parallel zu den vertikalen Kanten, bei dem anderen im wesentlichen horizontal und parallel zu zwei seiner Flächen liegt, an ihren einander zugewandten Enden eine zentrale Ausdrehung aufweisen, bis zu der sich ineinandergreifende Leisten und Nuten erstrecken, die im wesentlichen parallel zu den horizontalen Kanten liegen, und daß das Zwischenstück eine Ringplatte ist, deren Außendurchmesser gleich dem der Ausdrehung und deren Achse im wesentlichen parallel zur Achse des kleinsten Wigner-Wachstums der Platte ist.

Um ein Verklemmen der Leisten und Nuten zu vermeiden, ist es ganz allgemein von Vorteil, die Nuten so verlaufen zu lassen, daß ihre radiale Er-Streckung normal zu wenigstens der in der Ebene der Stirnflächen liegenden Achse maximalen Wigner-Wachstums liegt.

Bei den Anordnungen gemäß der Erfindung kann eine Leckströmung nur zustande kommen, wenn aneinandergrenzende, übereinanderliegende Moderatorblöcke nicht in Fluchtung sind. Die durch Schrägstellen gebildeten Spalte sind jedoch verhältnismäßig Hein, so daß sie keine wesentlichen Störungen in dem Kühlmittelumlauf verursachen.

Das gemäß der Erfindung zu verwendende Zwischenstück wird im folgenden allgemein Ring genannt. Es hat entweder die Form einer mit einem Loch versehenen Scheibe mit einem äußeren Querschnitt, der ungefähr dem inneren Querschnitt einer Ausnehmung entspricht, die sich im Zentrum der Verbindungsorgane zweier miteinander verbundener Moderatorblöcke befindet, und weist eine Bohrung auf, die zu dem durch die Blöcke hindurchführenden Kanal gleichachsig ist und auch den gleichen Durchmesser wie dieser Kanal hat, dessen Dichtigkeit sie sichert, oder es hat die Form eines etwa plattenförmigen Quaders geringer Höhe, dessen Querschnitt gleich dem Querschnitt der übereinander angeordneten Barren oder Klötze ist und der eine Bohrung hat, deren Durchmesser gleich dem Außendurchmesser eines zylindrischen Vorsprunges der Blöcke ist, der die Organe zur mechanischen Verbindung der Blöcke trägt.

Die Dichtigkeit wird stets dadurch erzielt, daß die ebenen Stirnflächen des Ringes, die senkrecht zu der Richtung des kleinsten Wigner-Effektes liegen — die im allgemeinen mit der Strangpreßrichtung des ursprünglichen Graphitbarrens übereinstimmt —-, fest gegen die entsprechenden Stirnflächen der benachbarten Blöcke drücken.

Die neue Anordnungsart von Moderatorblöcken gemaß der vorliegenden Erfindung bringt den technischen Vorteil mit sich, daß sämtliche Spalte, die auf Grund von Montagespielen zwischen den Verbindungsorganen der Blöcke bestehen müssen, abgeschlossen werden und daß gegenüber anderen, den gleichen Zweck verfolgenden Lösungen, wie sie bis jetzt bekanntgeworden sind, der durch den Abfall bei der Bearbeitung der Moderatorteile bedingte Materialverbrauch stark verringert wird.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele dargestellt, die Anwendungsformen der Erfindung veranschauliehen. Die dargestellten Ausführungen sind nur die Erfindung selbst in keiner Weise einschränkende Bei-

spiele. Sämtliche Äquivalente können ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es zeigt

Fig. 1 eine »auseinandergezogene« schematische Darstellung der Verbindungsstelle zwischen zwei Moderatorklötzen,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines rohen Blockes aus Moderatormaterial, aus dem z. B. der »Ring« der Verbindungsstelle herausgearbeitet wird,

Fig. 3 eine stark übertriebene Schemadarstellung der Verbindung gemäß Fig. 1, die die Materialverformungen durch die Bestrahlung innerhalb des Kernreaktors veranschaulicht; die auf den Wigner-Effekt zurückzuführenden Deformationen, die an sich in einer Größenordnung von 3 bis 4% liegen, wurden der Verständlichkeit wegen stark übertrieben,

Fig. 4 eine auseinandergezogene Darstellung einer Verbindung zwischen einem längeren Barren und einem Klotz,

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung durch die Achse mehrerer übereinandergesetzter Moderatorblöcke.

In einem Moderatorkernkörper eines Atomreaktors sind beispielsweise gemäß Fig. 1 als Quader ausgeführte Klötze 1 bzw. 2 aufeinandergesetzt. Die Klötze 1 und 2 weisen je eine zylindrische Bohrung 3 bzw. 4 auf, diese Bohrungen sind koaxial und mit gleichem Durchmesser ausgeführt. Sie dienen zur Aufnähme des (nicht dargestellten) spaltbaren Materials, das in diesen Kanälen von einem Kühlmittel umströmt wird.

Die Klötze 1 und 2 sind aus einem rohen Moderatorblock zurechtgeschnitten, beispielsweise einem Graphitbarren, der im Strangpreß verfahren erzeugt wurde und durch Einwirkung radioaktiver Strahlung in seinen Achsenrichtungen unterschiedliche Maßänderungen erfährt.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, hat ein solcher Rohblock in der Richtung seiner Vorschubachse beim Strangpressen — die durch Längsschraffur angeordnet ist —■ eine Achse 5 des kleinsten Wigner-Effektes und zwei senkrecht zu dieser Achse liegende Achsen 6 und 7, in denen die Verformung, insbesondere die Ausdehnung, bei radioaktiver Bestrahlung am höchsten ist.

Die Achse 5 des kleinsten Wigner-Effektes ist mit einem liegenden S bezeichnet, die senkrecht dazu liegenden Achsen 6 und 7 — in denen der Wigner-Effekt am größten ist — tragen zu ihrer Bezeichnung ein -\—Zeichen.

Die beiden gemäß Fig. 1 miteinander zu verbindenden Klötze 1 und 2 werden genau senkrecht aufeinandergesetzt. Ihre Achsen des geringsten Wigner-Effektes liegen horizontal, sie sind aber gegenüber der entsprechenden Achse des benachbarten Klotzes um 90° gedreht, so daß sie senkrecht zueinander sind. Jeder Klotz hat einen zylindrischen Zentriervorsprung 8 bzw. 9, der mit angearbeiteten bzw. eingearbeiteten Faßleisten 10 bzw. 11 und um 90° versetzten Nuten 12 bzw. 13 versehen ist. Die Nuten 12 und 13 liegen parallel zu den Achsen des geringsten Wigner-Effektes. Gemäß der Erfindung ordnet man beim Zusammenbau zwischen den Klötzen 1 und 2 ein ringähnliches Zwischenstück 14 an, das aus einer rechtwinkeligen Platte aus Graphit besteht, deren Außenabmessungen den Außenabmessungen der Klötze 1 und 2 entsprechen. Das Zwischenstück 14 ist mit einer zentralen Bohrung 15 versehen, deren Durchmesser gleich dem Durchmesser der zylindrischen Vorsprünge 8 und 9 der Klötze 1 und 2 ist. Dieses ringförmige Zwischenstück 14 ist in der Weise aus einem Graphitbarren

herausgeschnitten, daß seine ebenen und parallelen Stirnflächen 16 und 17 senkrecht zur S tr angpreß richtung des Rohblockes, also auch senkrecht zur Achse des kleinsten Wigner-Effektes liegen.

Die Größe der tragenden Stirnflächen des ringförmigen Zwischenstückes 14 wird auf Grund der zu übertragenden Kräfte ermittelt. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß ein Teil dieser Kräfte auch unmittelbar von den Vorsprüngen 8 und 9 bzw. den Leisten und Nuten übertragen werden kann.

Unter der Einwirkung der radioaktiven Strahlung verformen sich die einzelnen Teile der Anordnung gemäß der Erfindung, aber die Zentrierung des Ganzen bleibt jederzeit erhalten.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, hat die Bohrung ig 15 des ringförmigen Zwischenstückes 14 immer eine zylindrische bzw. im Querschnitt eine Kreisform 15', weil sich das Material in der waagerechten Ebene isotrop ausdehnt. Die beiden Zentrierungsvorsprünge 8 und 9 jedoch nehmen bei einer Deformierung die eljip- ao tischen Formen 8' und 9' an, da in der Ebene der Darstellung gemäß Fig. 3 zwei senkrecht aufeinanderstellende Achsen mit ungleichem Wigner-Effekt vorhanden sind. Man sieht aus dieser Fig. 3, daß die auch bei unterschiedlicher Verformung der einzelnen Teile frei bleibende Mittelöffnung ein Kreiszylinder mit gleichbleibendem Durchmesser ist, der dem Durchmesser des ursprünglichen Kanals (3 bzw. 4 der Fig. 1) stets entspricht, und daß auch die Zentrierung des Ganzen deswegen bestehenbleibt, weil an jeder Verbindungssteile der Vorsprünge 8 und 9 zwei Körper elliptischer Dehnung mit senkrecht zueinander liegenden Hauptachsen dieser Ellipsen aneinanderstoßen.

Schließlich ist gemäß der Erfindung die Dichtigkeit der Verbindung stets durch die satte Auflage zwischen den Flächen 16 und 17 des ringförmigen Zwischenstückes 14 einerseits und den glatten Stirnflächen 18 und 19 der beiden Klötze 1 und 2 andererseits gesichert.

Bei einer anderen Ausführungsform, die in der Fig. 4 dargestellt ist, sieht man einen Teil einer aus Klötzen und langgestreckten Barren zusammengesetzten Anordnung, wobei der Klotz mit 20 und der lange Barren mit 21 bezeichnet ist.

Die beiden Teile sind wiederum mit koaxialen Bohrungen 22 und 23 versehen, die zur Aufnahme der Brennstoffelemente und als Kühlmittelkanäle dienen.

Der Klotz 20 ist derart bearbeitet, daß die Achse seines kleinsten Wigner-Effektes parallel zu zwei seiner Seitenflächen, nämlich den Flächen 24 und 25, und senkrecht zur Achse der Kanalbohrung 22 verläuft. Der langgestreckte Barren 21 ist in der Weise bearbeitet, daß die Achse seines kleinsten Wigner-Effektes parallel zur Achse der Kanalbohrung 23 verläuft.

Die beiden Blöcke sind auf ihren einander zugewandten Stirnflächen mit Paßleisten 26 bzw. 27 und entsprechenden Nuten 28 bzw. 29 versehen, die jeweils parallel zu den Seiten der Blöcke oder waagerechten Kanten verlaufen, also rechtwinkelig zueinander liegen. Die Verbindungsorgane gehen von den äußeren Flächen aus und reichen bis an eine zentrale Ausdrehung 30 bzw. 31 heran. Diese beiden Ausdrehungen 30 bzw. 31 haben jedoch nicht genau den gleichen Durchmesser. Der Durchmesser der Ausdrehung 30, die in dem Klotz 20 liegt und sich unter der Einwirkung der Bestrahlung oval verziehen kann, ist ein wenig größer als die der Ausdrehung 31, die in den langgestreckten Barren 21 eingearbeitet ist und stets kreisrund bleibt.

Gemäß der Erfindung fügt man beim Zusammenbau in die beiden Ausdrehungen 30 und 31 eine ringförmige Dichtungsscheibe 32 ein, die aus Graphit besteht und einen Innendurchmesser aufweist, der dem Durchmesser der Kanäle 22 und 23 entspricht, während der Außendurchmesser gleich dem Durchmesser der Ausdrehung 31 ist, die in den Moderatorbarren 21 eingearbeitet wurde. Dieser als Zwischenstück ausgebildete Ring 32 ist in der Weise aus dem Graphitmaterial herausgearbeitet, daß seine Ringachse parallel zu der Strangpreßrichtung, also parallel zur Achse des kleinsten Wigner-Effektes liegt.

Die Zentrierung der Verbindung wird ständig durch die ineinandergreifenden Leisten und Nuten aufrechterhalten, während die Abdichtung durch die satte Berührung zwischen den ebenen Stirnflächen 33 und 34 des Ringes 32 und den ebenen Bodenflächen 35 und 36 der Ausdrehungen 30 und 31 erzielt wird.

Der Ring 32 ist stets genau in die Ausdrehung 31 des Barrens 21 eingepaßt, weil diese beiden Teile gleichlaufende Strangpreßachsen aufweisen itnd sich infolgedessen in genau gleicher Weise ausdehnen. Im Gegensatz hierzu greift aber der Rest des Ringes 32 in das Innere der Ausdrehung 30 des Klotzes 20 mit Spiel ein, da diese Ausdrehung sich oval verformt, während die Verformung des Ringes 32 nach beiden Achsenrichtungen in gleicher Weise erfolgt.

Die Fig. 5 zeigt in schematischer Form eine Anordnung von vier Blöcken aus festem Moderator, die nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufeinandergesetzt sind. Diese Anordnung entspricht einer Kombination der Anordnungen der Moderatorelemente, wie sie in den Fig. 1 und 4 dargestellt sind. Man erkennt in der Fig. 5 jeweils von unten nach oben zunächst einen langgestreckten Barren 37, dann zwei kürzere Klötze 38 und 39 und schließlich wieder einen langgestreckten Barren 40.

Die Baukörper sind gemäß der Erfindung unter Einfügen ringförmiger Zwischenstücke zusammengebaut, wobei diese Zwischenstücke 41, 42 und 43 einmal als innerhalb von Ausdrehungen liegende Ringe 41 und 42 und ein andermal als die zentralen Vorsprünge der Bauelemente umfassende ringartige Platten 43 ausgeführt sind. In der Zeichnung sind jeweils die Wigner-Achsen mit ihren entsprechenden Kennzeichnungen eingezeichnet, soweit sie in der jeweiligen Schnittebene liegen. Die Bezeichnung der dritten Achse, die senkrecht zur Zeichnungsebene steht, läßt sich ohne weiteres gedanklich ergänzen.

Es dürfte klar sein, daß nicht nur die in der Zeichnung dargestellten Anordnungen, sondern auch eine ganze Reihe anderer Anordnungen möglich sind, bei denen in gleicher Weise eine einwandfreie Zentrierung und eine sichere Abdichtung der durchgehenden Kanäle erzielt werden kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung von an- bzw. übereinandergesetzten Moderatorblöcken in Form von Barren und/oder Klötzen, die den Moderatorkern eines Atomkernreaktors bilden, Kühlmittelkanäle zur Aufnahme der von dem Kühlmittel umströmten Brennstoffelemente begrenzen und Halteeinrichtungen zum Zentrieren in bezug auf die Achse der Kühlmittelkanäle aufweisen, wobei an Stellen, an denen die Moderatorblöcke in Richtung der Kühlmittelkanäle aneinanderstoßen, Zwischenstücke aus dem Moderatormaterial mit einer koaxial zur Achse eines Kühlmittelkanals verlaufenden Bohrung angeordnet sind, die an entsprechenden Stirnflächen

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bereichen der Moderatorblöcke eng anliegen, da durch gekennzeichnet, daß jedes Zwischenstück über seine ganze Fläche plane und parallele Stirnflächen aufweist, daß es die Halteeinrichtungen der Blöcke außen ganz umschließt oder zentral ganz in sie eingreift und daß die Achse des kleinsten Wigner-Effektes des Zwischenstückes normal zu dessen Stirnflächen liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei senkrecht aufeinanderstehend miteinander verbundene quaderförmige Blöcke, bei denen die Achsen des kleinsten Wigner-Wachstums senkrecht bzw. waagerecht liegen, je einen zylindrischen Vorsprung mit senkrecht zueinander und parallel zu den Vorzugsachsen des Wigner-Wachstums verlaufenden, ineinandergreifenden Leisten und Nuten aufweisen und daß das Zwischenstück eine mit gleichen Querschnitts-Außenabmessungen wie die Blöcke ausgeführte, eine Bohrung aufweisende Platte ist, deren Bohrung den gleichen Durchmesser aufweist wie die Vorsprünge der Blöcke und deren Stirnflächen sich im wesentlichen senkrecht zu deT Achse des kleinsten Wigner-Wachstums des Zwischenstückes erstrecken.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei senkrecht aufeinanderstellend miteinander verbundene quaderförmige Blöcke, deren Achse des kleinsten Wigner-Wachstums bei dem einen im wesentlichen parallel zu den vertikalen Kanten, bei dem anderen im wesentlichen horizontal und parallel zu zwei seiner Flächen liegt, an ihren einander zugewandten Enden eine zentrale Ausdrehung aufweisen, bis zu der sich ineinandergreifende Leisten und Nuten erstrecken, die im wesentlichen parallel zu den horizontalen Kanten· liegen, und daß das Zwischenstück eine Ringplatte ist, deren Außendurchmesser gleich dem der Ausdrehung und deren Achse im wesentlichen parallel zur Achse des kleinsten Wigner-Wachstums der Platte ist.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten so verlaufen, daß ihre radiale Erstreckung normal zu wenigstens der in der Ebene der Stirnflächen liegenden Achse maximalen Wigner-Wachstums liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 784 291.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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