DE1110335B - Graphitmoderatoraufbau fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

U4207Vmc/21g

ANMBLDETAGt 13. NOVEMBER 1956

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT:

6, JULI 1961

Die Erfindung bezieht sich auf einen Graphitmoderatoraufbau für Kernreaktoren, bestehend aus Stapeln aufrecht stehender prismatischer Blöcke, deren Kristallhauptachsenrichtung parallel zu den Blockachsen orientiert ist, mit in Achsrichtung durch die Blöcke hindurchlaufenden und einem derartigen seitlichen Abstand der einzelnen Stapel voneinander, daß ein Anwachsen der einzelnen Blöcke senkrecht zu ihren Achsen stattfinden kann.

Bekannte Moderatoranlageteile bestehen aus Stapein aufrecht stehender prismatischer Blöcke, durch welche Brennstoffelementkanäle bzw, Kühlkanäle hindurchgehen. Die Kristallhauptachsenrichtung dieser prismatischen Blöcke sind parallel zu den Blockachsen orientiert. Die Blöcke können nicht zusammengekittet werden, und der Anlageteil muß durch von außen angewendete Preßkraft starr gehalten werden. Bestehen die Blöcke aus Graphit, so taucht eine Schwierigkeit insofern auf, als der Graphit sich unter Strahlungseinwirkung anisotropisch ausdehnt bzw. wächst (was als »Wigner-Wachstum« bezeichnet wird), wobei das Wachstum in Längsrichtung der Körnung bzw. der Kristallhauptachsenrichtung des Graphits normalerweise wesentlich geringer ist als das Wachstum quer zur Körnung. In charakteristischen Fällen beträgt das Wachstum quer zur Körnung das Fünffache des Wachstums in Längsrichtung der Körnung. Wenn die Blöcke so hergestellt und zusammengebaut werden, daß die Körnung in den Blöcken im gesamten Moderatoranlageteil zufällig bzw. ziellos gerichtet ist, so erfolgt das Wachstum des Anlageteils ebenfalls zufällig, und bei beträchtlicher Strahlungseinwirkung geht die Kontinuität der Brennstoffelementkanäle verloren, und Unregelmäßigkeiten treten derart auf, daß der Anlageteil in einigen Teilen lose sitzt, in anderen Teilen jedoch unzulässig gepreßt wird. Werden die Blöcke aber so hergestellt und zusammengebaut, daß die Körnung im gesamten Anlageteil in einer Richtung liegt, dann nehmen die Gesamtausdehnungen des Anlageteils anisotropisch zu. Als typisches Beispiel konnte die Höhe um l^fl/o zunehmen, während das Wachstum in den Querrichtungen 5% betrug.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Graphitmoderatoraufbaues für Kernreaktoren, der bei einheitlicher Strahlungseinwirkung im wesentlichen isotropisch wächst, wobei das Wachstum durch Wachstum in Längsrichtung der Körnung des Graphits vor sich geht.

Dies wird bei den eingangs genannten Graphitmoderatoraufbau für Kernreaktoren dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die Endflächen der in jedem Stapel benachbarten Blöcke durch Ziegel in Rich-Graphitmoderatoraufbau für Kernreaktoren

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt, Siegen, Oranienstr. 14

Everett Long, London, und James Wilfred Ashley,

Abinger Hamer, Dorking, Surrey (Großbritannien), sind als Erfinder genannt worden

tung der Blockachsen zentriert sind und daß die Kristallhauptachsenrichtung dieser Ziegel senkrecht zu den Blockachsen verläuft.

Einem weiteren Merkmal der Erfindung zufolge sind die Ziegel in zwei aus einzelnen zueinander parallelen Reihen bestehenden, übereinanderliegenden Schichten angeordnet, und die Reihen jeder Schicht weisen Abstände voneinander auf, während sich die Ziegel in den einzelnen Reihen jeder Schicht berühren, und die Reihen in der einen Schicht sind im rechten Winkel zu den Reihen in der anderen Schicht angeordnet.

Der Abstand zwischen den Seitenflächen der Blöcke variiert gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in Abhängigkeit von der mittleren Strahlungsintensität in den einzelnen Zonen während des Reaktorbetriebes. Die Durchmesser der Kühlmittelkanäle in den einzelnen Zonen des Kerns variieren in Abhängigkeit von der mittleren Wärmeerzeugung in den einzelnen Zonen.

Dadurch, daß die Anordnung so getroffen ist, daß die Ziegel ihre Körnung in der Richtung der Reihen haben, wird der gesamte Anlageteil unter Strahlungseinwirkung isotropisch wachsen, wobei das Wachstum nur durch Wachstum in Längsrichtung der Körnung des Graphits vor sich geht.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben werden, und zwar zeigt

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Fig. 1 auseinandergezogen dargestellt die Enden zweier Graphitblöcke in benachbarten Schichten, welche durch zwei Ziegel getrennt sind,

Fig. 2 eine Draufsicht auf vier benachbarte Graphitblöcke einer einzelnen Schicht,

Fig. 2 a in vergrößerter Darstellung eine Ansicht eines Teiles von Fig. 2, welche die relativen Stellungen der Ziegel und Blöcke wiedergibt,

Fig. 3 eine isometrische Ansicht eines Teiles eines Graphitanlageteilstückes, während

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen veränderten Graphitblock wiedergibt.

Wie sich allgemein aus Fig. 1 ergibt, zeigt diese einen aufrecht stehenden prismatischen Block 140, welcher einem Block einer unteren Schicht gleichartiger Blöcke entspricht, während sich über diesem ein aufrecht stehender prismatischer Block 141 erstreckt, welcher ein Block der nächstoberen Schicht gleichartiger Blöcke ist. Die Längsachse der Blöcke ist durch die gestrichelte Linie 142 angedeutet. In dem vollständigen Graphitanlageteil sind die Achsen 142 in einem Rechteckgitter angeordnet. Senkrechte axiale Kühlmittelkanäle 143 sind vorgesehen. Die Blöcke 140 und 141 haben in der durch die Pfeile 144 angedeuteten Richtung ein minimales Wigner-Wachstum (d. h. in der Richtung der Körnung im Graphit). Zwei Deckplatten oder Ziegel 145, 146 haben Mittellöcher 147, 148, die mit den Kühlmittelkanälen 143 fluchten und eine etwas größere Abmessung als diese aufweisen, und sie trennen jeweils die Endfläche 149 des Blockes 140 und die Endfläche 150 des benachbarten Blockes 141 voneinander. Die Richtung des minimalen Wigner-Wachstums in den Ziegeln ist ebenfalls durch die Pfeile 144 angedeutet, und es ist ersichtlich, daß alle Pfeile 144 auf der einen oder der anderen von drei Koordinatenachsen liegen. Die Hauptfiächen 151, 152, 153, 154 der Ziegel verlaufen parallel zu den Flächen 149 und 150. Die Flächen 149, 150, 151, 152, 153 und 154 sind mit Zwischenverbindungs-Keilen 155 und -Keilnuten 156 versehen, welche parallel zu den zusätzlichen Koordinatenachsen verlaufen, wie dies durch die Pfeile 144 auf den Ziegeln angedeutet ist.

Im einzelnen ergibt sich aus Fig. 1 folgendes: Die Blöcke 140, 141 haben einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenabmessung von 196,85 mm und einer Länge von 762 mm. Die Keile und Keilnuten 155, 156 in den Blöcken 140, 141 sind rechtwinklig zueinander angeordnet, aber um 2° + 2V2" relativ zu den Blockseiten verdreht bzw. verwunden. Kleine Abschnitte oder Ausschnitte 157 sind vorgesehen, die einen Winkel von etwa 2° haben und sich an den Endkanten der Blöcke befinden. Die Abmessung der Keile 155 auf den Blöcken 140 und 141 beträgt 25,25 · 4,57 mm, und die Abmessung der Keilnuten 156 beträgt 25,42 · 6,12 mm mit einer Toleranz von 0,025 mm bei allen Abmessungen. Die Abmessungen der Ziegel 145 und 146 betragen 203,2 mm in Richtung der Pfeile 144 und 196,85 mm in der anderen Richtung, wodurch ein gitterähnlicher Schacht von 203,2 mm für die Brennstoffelemente, die in den Kanälen 143 sitzen, geschaffen wird. Die zugelassene Größe für das Wigner-Wachstum ist bei den obenerwähnten Abmessungen gleich 6,35 mm. Der Abstand zwischen den Seitenflächen der Blöcke 140,141 variiert in den einzelnen Zonen des Kerns in Abhängigkeit von der mittleren Strahlungsintensität.in den einzelnen Zonen während des Reaktorbetriebes. Die Durchmesser der Kühlmittelkanäle variieren in den einzelnen Zonen des Kernes in Abhängigkeit von der mittleren Wärmeerzeugung in den einzelnen Zonen. Vorteilhaft folgt man bei der Herstellung der Ziegel der Gesetzmäßigkeit, daß die Keile oder Federn so angefertigt werden, daß sie bis zu derjenigen Seitenfläche des Ziegels reichen, welche ein Minimumwachstum hat und daß die Keilnuten in die anderen Seitenflächen eingeschnitten werden, d. h., Keile werden parallel zur 196,8-mm-Abmessung und Keilnuten parallel zur 203,2-mm-Abmessung vorgesehen. Dadurch kann der Anlageteil mit den üblichen Toleranzen zwischen den Keilen und den Keilnuten zusammengebaut werden, welche sich während der Lebensdauer des Reaktors im Sinne einer Lockerung und nicht eines Festwerdens oder Verklemmens verhalten. Die beiden Ziegel 145, 146 sind identisch. Sie werden jedoch mit einer Verdrehung von 90° relativ zueinander zusammengebaut. Die Blöcke 140, 141 sind ebenfalls identisch, jedoch sind im Anlageteil die Blöcke in der einen Schicht auf dem Kopf stehend relativ zu den Blöcken in der angrenzenden Schicht angeordnet.

In Fig. 2 sind die Koordinatenachsen 158 und 159 durch die strichpunktierten Linien angedeutet. Die Keile und Keilnuten 155 und 156 an den Enden der Blöcke 140 verlaufen parallel zu diesen Achsen, nehmen jedoch wegen der vorerwähnten 2° Verwindung der Blöcke eine Verwindungsstellung ein. Durch diese Verwindungsstellung wird sichergestellt, daß die Ma-

■ ximallänge des direkten Weges in horizontaler Ebene, entlang welchem die Neutronen strömen, bevor sie auf Graphit treffen, etwa 203,2 mm beträgt. Die Überlappung der Deckplatten relativ zu den Blöcken begrenzt den direkten senkrechten Weg überall auf etwa 762 mm, mit Ausnahme von kleinen Bereichen an den Ecken der Ziegel. Die Stellung der Graphitblöcke in der nächstunteren Schicht ist durch die Linie 161 angedeutet, welche ebenfalls der Stellung der Blöcke 141 in der nächsthöheren Schicht entspricht. Der Kühlmittelkanal 143 ist dargestellt. In vergrößertem Maßstab ist der durch den Kreis 162 umgrenzte Bereich in Fig. 2 a wiedergegeben. Die Ecken 163 der Blöcke 140 sind als dicke Linien dargestellt. Die Ecken 164 der darunterliegenden Blöcke sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Ecken 165 sind die der benachbarten Ziegel in der einen Schicht, während die Ecken 166 die der benachbarten Ziegel in der angrenzenden Ziegelschicht sind. Die Flächen 167 sind die aneinanderstoßenden oder sich gegenüberliegenden Seitenflächen der Ziegel. Die Richtung des Wigner-Wachstums ist durch die Pfeile 168 angedeutet. Es ergibt sich hieraus, daß, wenn sich die Ecken 163 und 164 infolge des Wigner-Wachstums vorbewegen, sich die eine Kante der Ecken über die aneinanderstoßenden Seitenflächen 167 der Ziegel schiebt. Um eine ungehinderte Ausdehnung sicherzustellen, sind die Aussparungen 157 vorgesehen (s. auch Fig. 1).

Senkrechte Steuerstablöcher sind, wo erforderlich, an einer Stelle, die durch den Kreis 162 (Fig. 2) angezeigt ist, vorgesehen. Die Ecken der Blöcke und Ziegel sind so weggeschnitten, daß diese Aussparungen entstehen, und zwar mit einem das Wigner-Wachstum berücksichtigenden Spielraum, so daß die Steuerstäbe einen freien Durchgang haben. Der leere Raum des gesamten Graphitanlageteils beträgt etwa 3«/o. . . . . .

Die physikalische Stabilität des Graphitgef üges wird zum größten Teil dadurch, daß die Flächen der Ziegel aneinanderstoßen, in Verbindung mit der Querverkeilung, wie sie durch die Keile und Keilnuten hervorgerufen wird, erzielt. Es sind Zugbänder 184 (Fig. 3) für jede Schicht rund um den vierundzwanzigsten Anlageteil vorgesehen.

Dadurch, daß Kühlmittelkanäle vorgesehen sind, welche durch Bohrungen in vollen Blöcken gebildet v/erden, werden das Leckaustreten und ein Neutronenfluß zwischen den Kanälen niedrig gehalten. Die dicht aufeinanderpassenden Endflächen der Graphitblöcke und der Ziegel lassen nur Räume entlang dem sehr geringen Spiel zwischen den Keilen und Keilnuten zu. Die Graphitblöcke sind an ihren Innendimensionen einem größeren Wigner-Wachstum ausgesetzt als außen, da die Einwirkung der Strahlung an der Innenfläche stärker ist. Bei dem einen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind zwecks Ausgleichs dieser Beanspruchungen die Blöcke in Längsrichtung mit inneren radialen Einschnitten 185 versehen, welche nicht bis zur Außenseite der Blöcke dringen. Ein weiterer Beanspruchungsausgleich könnte dadurch geschaffen werden, daß der gesamte Block durchgeschnitten wird, wie dies durch die gestrichelten Linien 186 angedeutet ist, was jedoch ein Leckaustreten zwischen den Kanälen zur Folge hat und die Starrheit bzw. Festigkeit des Zusammenbaus herabsetzt.

Fig. 3 zeigt den Druckbehälter 174, an welchem ein Wigner-Wachstums-Prüfstab befestigt ist. Der Prüfstab weist ein Fußstück 190 auf, das an einer Stange 191 befestigt ist, welche in einer dicht abschließenden Stopfbuchse innerhalb einer Buchse 192 beweglich ist, die am Druckbehälter 174 angeschweißt ist. Das Fußstück 190 legt sich gegen die eine Wand 176 des Reflektoranlageteils 175 an. Es sind Zugbänder 184 vorgesehen, welche in Verbindung mit Unterleg- oder Rückhalteplatten 187 wirksam sind. Zwischen den Reflektorgraphitblöcken befinden sich keine Zwischenräume, und es sind auch keine Ziegel (wie die Ziegel 145, 146) erforderlich, weil das Wigner-Wachstum in den Reflektorblöcken unerheblich ist.

Der Hauptgraphitanlageteil wird als durch die Blöcke 140, 141 gebildet dargestellt, welche durch die Ziegel 145, 146 getrennt sind. Die Stoßflächen 167 sind angedeutet. Die Pfeile 144 zeigen die Richtung des minimalen Wigner-Wachstums an, und dem Wachstum in Richtung der anderen Achsen wird durch Zwischenräume 188, 189 und 193 Rechnung getragen. Die Keile 155, die Keilnuten 156, die Brennstoffelement- und Kühlmittelkanäle 148 sowie die Steuerstablöcher sind ebenfalls dargestellt.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Graphitmoderatoraufbau für Kernreaktoren, bestehend aus Stapeln aufrecht stehender prismatischer Blöcke, deren Kristallhauptachsenrichtung parallel zu den Blockachsen orientiert ist, mit in Achsrichtung durch die Blöcke hindurchlaufenden Kühlkanälen und einem derartigen seitlichen Abstand der einzelnen Stapel voneinander, daß ein Anwachsen der einzelnen Blöcke senkrecht zu ihren Achsen stattfinden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen der in jedem Stapel benachbarten Blöcke durch Ziegel in Richtung der Blockachsen zentriert sind und daß die Kristallhauptachsenrichtung dieser Ziegel senkrecht zu den Blockachsen verläuft.

2. Graphitmoderatoraufbau nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Ziegel in zwei aus einzelnen zueinander parallelen Reihen bestehenden, übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind, daß die Reihen jeder Schicht Abstände voneinander aufweisen, während sich die Ziegel in den einzelnen Reihen jeder Schicht berühren, und daß die Reihen in der einen Schicht im rechten Winkel zu den Reihen in der anderen Schicht angeordnet sind.

3. Graphitmoderatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Seitenflächen der Blöcke in den einzelnen Zonen des Kerns in Abhängigkeit von der mittleren Strahlungsintensität in den einzelnen Zonen während des Reaktorbetriebes variiert.

4. Graphitmoderatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Kühlmittelkanäle in den einzelnen Zonen des Kernes in Abhängigkeit von der mittleren Wärmeerzeugung in den einzelnen Zonen variieren.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2708 656;

»Selected Reference Material on Atomic Energy«, Bd. »Reactor Handbook: Engineering«, London, 1955, S. 1001 bis 1003;

»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Bd. 7, New York 1956, S. 455 bis 478, 506;

»Atomics«, 5, S. 117, 1954.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 109 620/362 6.61