DE1108339B - Gasgekuehlter Kernreaktor mit Graphitkern - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

A 30487 Vinc/21g

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIET:

8. OKTOBER 1958

8. JUNI 1961

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasgekühlten Kernreaktor mit einem Graphitkern, der Graphitbausteine in vertikalen Stapeln und horizontalen Schichten enthält, die in horizontaler Richtung einen hinreichenden gegenseitigen Abstand aufweisen, um das Wigner-Wachstrum zu berücksichtigen. Die Bausteine sind durchbohrt, so daß Kühlmittelkanäle und Kanäle zur Einführung von Brennstoffelementen und Kontrollstäben entstehen. Der Graphit, der in dem Kern einem Neutronenbeschuß ausgesetzt wird, zeigt eine charakteristische Eigenschaft, die als Wigner-Wachstum bezeichnet wird und eine Zunahme der Abmessungen des Graphits bewirkt. Der Größenzuwachs eines einzelnen Graphitbausteines hängt von dem Neutronenfluß sowie von der Temperatur und von der Richtung des Kornes in dem Graphitbaustein ab, so daß der Zuwachs in dem gesamten Kern verschieden groß ist. Das Wigner-Wachstum ergibt eine Gesamtzunahme des Graphitvolumens während der Lebensdauer des Reaktors. Um dieses Wachstum zu berücksichtigen, werden Spalte, sogenannte Wigner-Spalte zwischen den Bausteinen und dem Gerüst des Kernes vorgesehen. Das Wigner-Wachstum hängt, wie erwähnt, von der Kornrichtung ab. Es ist am kleinsten in der Richtung des Kornes und am größten in der senkrecht dazu liegenden Richtung. Bei den bisher üblichen Anordnungen, welche das Wigner-Wachstum berücksichtigen, sind die Graphitbausteine so angeordnet, daß ihre Kornrichtung vertikal verläuft und das maximale Wachstum in waagerechter Richtung erfolgt. Die Bausteine, die in waagerechter Richtung einen gegenseitigen Abstand aufweisen, werden von Platten festgehalten, die ein kleines waagerechtes Wachstum aufweisen und aneinanderstoßend zwischen den Stapeln der Bausteine liegen.

Eine solche Anordnung bewirkt nun eine teilweise, aber keine vollständige Berücksichtigung des Wigner-Wachstums, und, da wie oben erwähnt, das Wachstum von der Temperatur und dem Neutronenfluß abhängt, ist es im unteren Teil des Kernes am größten. Es hat sich herausgestellt, daß hierdurch die Gefahr besteht, daß im unteren Teil des Kernes eine radiale Ausbeulung oder Verformung eintritt. Dies hat den Nachteil, daß die Brennstoffkanäle und die Kanäle der Steuerstäbe von der geradlinigen Form besonders im äußeren Teil des Kernes abweichen. Dies kann den Betrieb gefährden.

Das Hauptziel der Erfindung ist es daher, eine Anordnung, in der die Zunahme der Abmessungen sich im wesentlichen allmählich und stetig ändert, zu schaffen.

Dieses Ziel wird bei dem eingangs genannten

Gasgekühlter Kernreaktor mit Graphitkern

Anmelder:

A. E. I.-John Thompson Nuclear Energy

Company Limited,
Aldwych, London (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 9. Oktober 1957

William George Edgar Wood,
Stretford, Manchester, Lancashire,

und Peter Barrington Thomas,

Yarm-on-Tees, Yorkshire (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

Reaktor dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß der Graphitkern einen zentralen, das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereich und einen ringförmigen, das Wigner-Wachstum nicht berücksichtigenden Bereich aufweist, der sich um den das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereich im oberen Teil des Kerns erstreckt.

Vorzugsweise ist die horizontale Abmessung des das Wigner-Wachstum nicht berücksichtigenden Bereichs oben am Kern am größten und nimmt allmählich oder in aufeinanderfolgenden Stufen bis zu einer Stelle etwa zur Mitte des Reaktors ab, wo sie zu Ende ist.

Der das Wigner-Wachstum berücksichtigende Bereich kann praktisch in eine obere zentrale Zone, in der das Wigner-Wachstum verhältnismäßig wenig berücksichtigt wird, und in eine untere Zone unterteilt werden, die sich im wesentlichen bis zur äußeren Oberfläche des Kerns erstreckt und in der das Wigner-Wachstum wesentlich stärker berücksichtigt wird.

Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes werden einige Ausführungsbeispiele an Hand von Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das den im voraus geschätzten Umriß eines äußeren Brennstoffkanals nach

109 6W341

etwa 20 Jahren Betriebsdauer des Reaktors in einem Reaktorkern zeigt, bei dem die Berücksichtigung des Wigner-Wachstums gleichförmig ist;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das den im voraus geschätzten Umriß eines ähnlichen Kanals unter ahnliehen Bedingungen in einer Reäktoranordnung gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Reaktorkern gemäß der Erfindung, der die Verteilung der Bereiche innerhalb des-Kernes zeigt;

Fig. 4 ist eine auseinandergezogene Ansicht, die die Anordnung der Graphitbausteine in einem das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereich' zeigt;

Fig. 5 ist eine ähnliche Ansicht, die die Anordnung der Graphitbausteine in einem das Wigner-Wachstum nicht berücksichtigenden Bereich darstellt.

In Fig. 1 zeigt die Linie 1 den im voraus geschätzten Umriß eines äußeren Brennstoff- oder Regelstabkanals in dem Kern des Reaktors nach einer Betriebsdauer von 20 Jahren nahe am Ende seiner Lebensdauer. Der Kern des Reaktors besteht aus Graphitbausteinen, die aufeinandergestapelt und in waagerechter Richtung durch Wigner-Spalte derart getrennt sind, daß nach dieser Zeitspanne sich nur diejenigen Spalten geschlossen haben, die im Bereich eines maximalen Wigner-Wachstums liegen.

Der sich ergebende Umriß würde Schwierigkeiten bei der Bewegung der Brennstoffelemente und der Kontrollstäbe innerhalb der Kanäle mit sich bringen. Außerdem wurden infolge der großen Wigner-Spalten, die bei dieser Konstruktion notwendig sind, die Leerstellen in dem Kern sowohl am Anfang als auch nach einer Reihe von Jahren noch verhältnismäßig groß sein.

In Fig. 2 zeigt die Linie 2 den ungefähren Umriß eines äußeren Kanals in dem Kern eines Reaktors, der sich nahe am Ende der Betriebsdauer befindet und in der in Fig. 3 dargestellten Weise aufgebaut ist.

Nach Fig. 3, die einen Längsschnitt durch den Reaktorkern zeigt, besteht der Kern 3 aus einer Anzahl von Graphitbausteinen, deren Achsen vertikal angeordnet sind und die in waagerechter Richtung durch Wigner-Spalte getrennt sind. Die strichpunktierte Linie 4 zeigt den Umriß des Moderators. Der Kern, der den Moderator und den Reflektor enthält, ist in drei Bereiche unterteilt. In dem Bereiche, d. h. dem Bereich, in dem die höchste Neutronendichte und die tiefste Temperatur auftreten, sind die Wigner-Spalte zwischen den Bausteinen verhältnismäßig groß, und die Berücksichtigung ist daher verhältnismäßig stark. In dem Bereich β, in dem der Neutronenfluß weniger hoch ist und die Temperaturen höher liegen als in der Zone A, sind die Wigner-Spalte zwischen den Bausteinen verhältnismäßig kleiner, und es findet daher eine kleinere Berücksichtigung statt. In dem Bereich C, in dem der Neutronenfluß am niedrigsten ist und die Temperaturen am höchsten liegen, sind keine Wigner-Spalte zwischen den Bausteinen vorhanden, und es tritt hier eine verhältnismäßig kleine oder ganz vernachlässigbare Berücksichtigung auf.

Während der Lebensdauer des Reaktors bewirkt der Neutronenfluß ein Wachstum der Graphitbausteine und hat zur Folge, daß sich einige, jedoch nicht alle Wigner-Spalte schließen. Die Bereiche sind so angeordnet, daß die Änderung des Umrisses eines Kanals möglichst klein gehalten wird, so daß in den Kanälen mit Leichtigkeit weitergearbeitet werden kann, ohne daß die Kanäle einen zu großen Durchmesser erhalten müssen.

Das mit einer Anordnung nach Fig. 3 erzielte Ergebnis besteht darin, den Umfang des Kerns so wachsen zu lassen, daß er am Schluß den Umriß nach Fig. 2 hat, wobei sich eine möglichst kleine Verzerrung der Kernkanäle im Vergleich zur bekannten Anordnung ergibt, bei der der Kern ungleichmäßig nach Fig. 1 gewachsen ist.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der Graphitbausteine in einem das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereich. Die Graphitbausteine 5 enthalten je einen vertikalen Brennstoffkanal 6 und sind einzeln aufeinandergestapelt, wobei eine Abstandsplatte 7 zwischen ihnen liegt. Die Kornrichtungen des Graphits sind als Koordinatenrichtungen x, y und ζ durch Pfeile angedeutet worden. Wie man bemerkt, verläuft die Kornrichtung in den Graphitblöcken 5 vertikal, also in der z-Richtung, so daß diese Bausteine in der waagerechten Ebene in beiden Richtungen zu wachsen suchen. Eine Abstandplatte 7 besteht in Wirklichkeit aus zwei Teilplatten, die übereinandergelegt sind, aus einem Stück bestehen oder auch getrennt ausgeführt sein können. Die beiden Platten zeigen eine waagerechte Kornrichtung, jedoch stehen die Kornrichtungen der beiden Einzelplatten, wie sich aus den Pfeilen ergibt, senkrecht zueinander, wenn auch beide in der horizontalen Ebene liegen. Die obere Teilplatte 8 hat also ein sehr kleines Wachstum in der waagerechten ^-Richtung; daher ist ein sehr kleiner Spielraum möglich, so daß die Platte die Bausteine in der horizontalen x-Richtung festhält. In ähnlicher Weise hat die untere Platte 9 eine vemachlässigbare Ausdehnung in der horizontalen y-Richtung, so daß in dieser nur ein vernachlässigbarer Spielraum eingehalten zu werden braucht. Der Kern wird also in der horizontalen Ebene unbeweglich festgehalten. Entsprechend der üblichen Praxis ist die obere und untere Breitseite der Bausteine und Platten mit Rippen 10 und Nuten 11 versehen, die ineinanderpassen, um den Zusammenhalt der ganzen Anordnung zu unterstützen.

Fig. 5 zeigt die Anordnung der Bausteine und Platten in einem nicht das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereich. In diesem Bereich haben die Bausteine 5 das gleiche Aussehen wie in dem das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereich nach Fig. 4, jedoch sind die Teilplatten 8 und 9 durch eine einzige Platte 12 ersetzt, deren Kornrichtung vertikal ist. Infolgedessen zeigt die Platte in der horizontalen Ebene das gleiche Wachstum wie die Bausteine 5, so daß die gesamte Anordnung in diesem Bereich in der horizontalen Richtung zu wachsen sucht.

Gemäß Fig. 5 laufen Rippen 10' und Nuten 11' bis zum Brennstoffkanal 6 und endigen nicht in einem gewissen Abstand vor diesem, wie es bei den Rippen 10 und den Nuten 11 gemäß Fig. 4 der Fall ist.

Bei einer praktischen Ausführungsform des Kernes mit einem Radius von 6,7 m, mit einer Höhe von 9,1 m und mit Graphitbausteinen, deren quadratische Seitenlänge 20,3 cm beträgt, beläuft sich z. B. das Wigner-Wachstum im Bereich A auf 6,35 mm, im Bereich B auf 1,6 mm und im Bereich C auf Null.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gasgekühlter Kernreaktor mit einem Graphitkern, der Graphitbausteine in vertikalen Sta-

pein und horizontalen Schichten enthält, die in horizontaler Richtung einen hinreichenden gegenseitigen Abstand aufweisen, um das Wigner-Wachstum zu berücksichtigen, dadurch gekenn zeichnet, daß der Graphitkern einen zentralen, das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereich und einen ringförmigen, das Wigner-Wachstum nicht berücksichtigenden Bereich aufweist, der sich um den das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereich im oberen Teil des Kernes erstreckt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Bereiches das Wigner-Wachstum stärker als der obere Teil berücksichtigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen