DE1123411B - Moderatoraufbau fuer einen Kernreaktor mit vertikalen Kanaelen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C 15880 VIII c/21g

ANMELDETAG :

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDKR AUSLEGESCHRIFT:

2. DEZEMBER 1957

8. FEBRUAR 1962

Die Erfindung bezieht sich auf einen Moderatoraufbau für einen Kernreaktor mit vertikalen Kanälen, bestehend aus prismatischen, übereinanderliegenden Blöcken aus Moderatormaterial als Bauelemente des Aufbaus, die zu vertikalen, parallel nebeneinanderliegenden Säulen aufgestapelt sind, die ihrerseits über die gesamte Aufbauhöhe voneinander unabhängig sind und in ihrer Gesamtheit den Moderator bilden. Die den Moderator bildenden Blöcke sind etwa parallelepipedisch und haben einen praktisch quadratischen Querschnitt. Die Länge dieser Blöcke ist erheblich größer als ihre Breite (z. B. das Drei- bis Achtfache). Die Blöcke werden auf der Strangpresse hergestellt.

Dieser Stapel bildet praktisch den einzigen festen Teil im Zentrum des Meilers, er muß daher folgende mechanische und geometrische Eigenschaften aufweisen:

Stabilität und mechanische Festigkeit; Kontinuität der Innenfläche der Kanäle, in welchen das Kühlmittel strömt und in welchen sich die Teile aus spaltbarem Stoff befinden, um eine sichere Kühlung dieser Teile sowie ein bequemes Füllen und Entleeren zu ermöglichen (insbesondere dürfen kein Spiel und keine Verschiebungen auftreten, welche Undichtigkeiten, Querschnittsverengungen oder Verklemmungen hervorrufen würden);

Kontinuität der Innenfläche der anderen in dem Stapel vorgesehenen Hohlräume zur Unterbringung der für den Betrieb des Meilers erforderlichen Apparate zur Regelung, Kontrolle, Sicherheit usw;

Aufrechterhaltung dieser verschiedenen Eigenschaften während einer für die Amortisierung der Anordnung hinreichenden Zeit. In dem Sonderfall von Atommeilern mit Graphitmoderator wird die Fähigkeit dieses Werkstoffs zur Verwirklichung dieser Bedingungen durch folgende Tatsachen stark beeinträchtigt, welche an die Eigenschaften des Graphits und an den Betrieb des Meilers gebunden sind:

Der verwendete, auf der Strangpresse geformte Graphit ist ein anisotroper Werkstoff, dessen bevorzugte Achse die Preßachse (Längsrichtung) ist. So ist insbesondere sein Wärmedehnungskoeffizient im allgemeinen in dieser Richtung erheblich kleiner als in einer senkrechten Richtung.

In dem aktiven Teil des Meilers entsteht während des Betriebes eine starke Wärmeentwicklung, welche den Graphit auf eine erheblich über der Raumtemperatur liegende Betriebstemperatur bringt. Bei der Ab-Moderatoraufbau für einen Kernreaktor mit vertikalen Kanälen

Anmelder: Comissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr. phil. W. P. Radt, Patentanwalt, Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 3. Dezember 1956 (Nr. 726 882)

Roland Louis Roche und Roger Martin, Paris, sind als Erfinder genannt worden

stellung des Meilers kühlt sich der Graphit auf die Raumtemperatur ab, wodurch der Stapel einer Folge von Erwärmungen und Abkühlungen ausgesetzt wird, welche den Betriebsperioden und den Stillstandsperioden entspricht und den thermischen Zyklus bildet, während welchem sich die Abmessungen der Graphitstäbe pseudoperiodisch verändern.

Bei einem arbeitenden Meiler ist der im Innern des Meilers liegende Graphit allen Kernstrahlungen ausgesetzt. Ein Teil derselben, insbesondere die schnellen Neutronen, bewirkt positive oder negative Dehnungen (Zusammenziehungen) des Graphits, deren Werte erheblich größer als die von den Temperaturen herrührenden sind, da sie einige Prozente erreichen können. Diese als Wignereffekt bekannten Verformungen sind ebenfalls anisotrop und haben in den auf der Strangpresse hergestellten Blöcken Querdehnungen und Längszusammenziehungen zur Folge, welche an allen Stellen des Stapels verschieden und im allgemeinen im Zentrum größer als am Umfang sind.

Es ist bereits bekannt, den den Moderator bildenden Blockstapel aus waagerecht übereinanderliegenden Schichten aufzubauen, und zwar entweder mit zueinander parallelen Schichten oder mit zueinander gekreuzten Schichten.

Bei der zweiten Bauart entstehen von der Anisotropie des Graphits herrührende Differentialdehnungen, die zu Verformungen führen. Diese beeinträchtigen die Durchflußkanäle so, daß eine Beherrschung des durchfließenden Kühlmittels nicht mehr möglich

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ist. Die Verformungen können ein Ausmaß anneh- sind. Außerdem verhindert diese Unterteilung des

men, bei dem der Graphitaufbau zusammenstürzt. Stapels in Säulen, daß sich die Verformungen in einer

Bei der Anordnung in parallelen Schichten fallen waagerechten Ebene zueinander addieren,

zwar die von der Anisotropie des Graphits herrüh- Die Stabilität einer jeden Säule wird durch die renden Schwierigkeiten fort. Stabil ist ein solcher 5 Anordnung in gekreuzten Schichten gewährleistet,

Stapel aber nicht. In beiden Fällen müssen daher, um welche hierfür sehr günstig ist, sowie durch die voll-

die Kriechbewegungen der Blöcke zu verhüten und ständige Verbindung eines jeden Blockes, welche

das Einstürzen des Aufbaues zu verhindern, auf den jede Bewegung und jede Kriechbewegung desselben

Stapel äußere Kräfte zur Einwirkung gebracht wer- gegenüber seinen Nachbarn verhindert, und zwar den. Dies kann beispielsweise durch einen den Mo- io ohne Zuhilfenahme äußerer Mechanismen,

derator allseitig umgebenden und ihn federnd ab- Eine derartige Befestigung der Blöcke gestattet die

stützenden gerüstartigen Panzer erfolgen. Ein solcher Aufrechterhaltung der Kontinuität der lotrechten Ka-

Panzer erfordert aber mit Rücksicht auf das große näle durch Verhinderung jeder merklichen Verschie-

Volumen des Moderatoraufbaues und die sehr erheb- bung zwischen den verschiedenen Bestandteilen ihrer

liehen Kräfte, die er aufzunehmen hat, einen außer- 15 Innenwände. Diese Kontinuität der Wände erleich-

ordentlichen Aufwand. tert die Handhabung der Brennelemente in den Ka-

Bei einem Graphitmoderatoraufbau für einen nälen und vermeidet jede Gefahr einer Undichtigkeit

Kernreaktor, der aus einer Anzahl in Abstand von- zwischen den Kanälen, da jeder Block seinen unmit-

einander befindlicher Säulen aus prismatischen Gra- telbaren oberen und unteren Nachbarn berührt,

phitblöcken mit minimalem Wigner-Wachstum in 20 Das in waagerechter Richtung zwischen den par-

Längsrichtung der Säulen und axial innerhalb der allelen Stäben ein und derselben Schicht vorhandene

Säulen verlaufenden Kanälen für die Brennstoff- Spiel gestattet ohne weiteres die Ausbildung der nor-

elemente besteht, ist zur Herabsetzung der Neutro- malen Differentialdehnungen, während die die Blöcke

nenleckströmung bereits vorgeschlagen worden, die verformenden erratischen Dehnungen (welche z. B.

prismatischen Graphitblöcke innerhalb der Säulen as von einer fehlerhaften Homogenität eines Blockes

um kleine Winkel gegeneinander um die Längsachse herrühren) von der Befestigung aufgenommen

zu verdrehen. werden.

Bei dem eingangs genannten Moderatoraufbau für Die von einer Stelle der aufgestapelten Anordeinen Kernreaktor mit vertikalen Kanälen wird eine nung zur anderen veränderliche Dehnung verformt stabile Anordnung dadurch erreicht, daß erfindungs- 30 die Querschnitte der Säulen nicht merklich und führt gemäß jede der Säulen mehrere Kanäle aufweist, die in der Achsrichtung dieser Säulen nur zu einer Verdie Säulen mit Spiel nebeneinander stehen, daß jede längerung und zu einer Krümmung, welche mit der der Säulen aus an sich bekannten, übereinanderlie- Aufrechterhaltung der Stabilität vereinbar bleiben, genden Schichten aus parallel nebeneinander liegen- ohne daß irgendeine Verbindung zwischen zwei den Moderatorblöcken besteht, daß sich in an sich 35 Nachbarsäulen vorgesehen werden muß. Da außerbekannter Weise die Blöcke in übereinanderliegenden dem im allgemeinen eine Zusammenziehung in der Schichten kreuzen, daß zwischen den Blöcken einer Längsrichtung (Wignereffekt) beobachtet wird, jeden Schicht ein Spiel vorhanden ist und daß zwi- nimmt der Querschnitt der Säulen ab, wodurch jede sehen jedem Block und der ihn tragenden Schicht Gefahr einer übermäßigen gegenseitigen Pressung der sowohl eine vertikale Verbindung als auch eine in 40 Säulen vermieden wird.

Schichtebene liegende, radiale Gleitungen zulassende Diese neue Stapelmethode ist insbesondere für die

Verbindung besteht, welche eine Drehung des betref- Moderatorstapel großer Graphitmeiler geeignet, sie

fenden Blockes um die genannte vertikale Verbin- kann jedoch auch für den Stapel des Moderators

dung als Drehachse verhindert, eine Längsverfor- eines beliebigen Meilers verwendet werden, bei wel-

mung des Blockes aber zuläßt. 45 chem der Moderator aus einem anderen festen Werk-

Dabei kommt die vertikale Verbindung Vorzugs- stoff besteht, z. B. aus Berylliumoxyd,

weise durch eine ringförmige Hülse mit vertikaler Sie kann auch für den Stapel eines Reflektors für

Achse zustande, die in zylinderförmige und überein- beliebige Meiler verwendet werden (auch für Meiler

anderliegende Ausnehmungen der beiden zu verbin- mit schwerem Wasser, natürlichem Wasser usw.).

denden Blöcke eingesetzt ist und aus einem für Neu- 50 Sie gestattet ferner ganz allgemein eine zweck-

tronen durchlässigen Werkstoff besteht. Die in mäßige Aufstapelung von Blöcken aus Werkstoffen,

Schichtebene liegende, radiale Gleitungen zulassende, welche eine anisotrope und nicht homogene Dehnung

eine Drehung aber verhindernde Verbindung kann erfahren.

aus einer einem Gleitkeil entsprechenden Vorrich- Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme

tung bestehen. 55 auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Die Blöcke der untersten Schicht einer jeden Fig. 1 zeigt in einem lotrechten Schnitt längs der

Säule sind auf die gleiche Weise wie die Blöcke Linie I-I der Fig. 2 den aktiven Teil eines Atom-

untereinander mit einer die Säule tragenden festen, meilers mit lotrechten Kanälen mit einem aufgesta-

unverformbaren Platte verbunden. Die nicht am Um- pelten Moderator gemäß der Erfindung;

fang des Aufbaus hegenden vertikalen Säulen sollen 6n Fig. 2 ist ein waagerechter Schnitt des gleichen

vorzugsweise einen quadratischen horizontalen Quer- Meilers längs der Linie II-II der Fig. 1;

schnitt aufweisen. Fig. 3 zeigt in Seitenansicht eine Graphitsäule des

Die den Gegenstand der Erfindung bildende neue Atommeilers der Fig. 1;

Stapelanordnung des Moderators ermöglicht dank Fig. 4 zeigt die gleiche Säule in einem lotrechten

der Anordnung in nebeneinanderhegenden Säulen, 65 Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3;

zwischen welchen ein Spiel besteht, eine Aufstape- Fig. 5 und 6 zeigen die gleiche Säule in einem

lung des Moderators auf einer Unterlage, voraus- waagerechten Schnitt längs der Linie V-V bzw. VI-VI

gesetzt, daß die jede Säule tragenden Platten starr der Fig. 3;

Fig. 7 ist eine Ansicht eines Teils der Fig. 4 in größerem Maßstab;

Fig. 8 ist eine längs der Linie VIII-VIII der Fig. 6 geschnittene Teilansicht;

Fig. 9 (Draufsicht auf eine Schicht) und 10 (Endansicht der gleichen Schicht) zeigen die Verformungen einer Schicht von Blöcken in einer Zone, in welcher die Dehnungen etwa homogen verteilt sind;

Fig. 11 zeigt die Verformung einer Schicht von Blöcken in einer Zone, in welcher die Dehnungen nicht homogen verteilt sind;

Fig. 12 und 13 zeigen die Verformungen einer kompletten Säule, wobei Fig. 12 die Verformungen der Querschnitte und die Änderungen ihrer Höhe und Fig. 13 die Verformung der Achse der Säule zeigt, wobei in Wirklichkeit diese beiden Verformungen gleichzeitig auftreten.

In Fig. 9 bis 13 sind die Verformungen absichtlich übertrieben dargestellt, um sie in der Zeichnung sichtbar zu machen.

In Fig. 1 ist der Stahlboden 1 dargestellt, welcher eine gewisse Zahl von gußeisernen Platten 2 trägt, welche mit dem Boden starr verbunden sind und von denen jede eine Graphitsäule 3 trägt. Die meisten dieser Säulen haben einen quadratischen Querschnitt, obwohl gewisse von ihnen, welche am Umfang der Anordnung liegen, z. B. die Säule 4 (Fig. 2), kompliziertere Formen haben, um dem gesamten Stapel die Form eines Umdrehungszylinders mit lotrechter Achse zu geben. Jede Säule enthält eine gewisse Zahl von lotrechten zylindrischen Kanälen 5, welche an den beiden Enden der aktiven Masse münden und durch eine öffnung in der Gußeisenplatte verlängert werden. Diese Kanäle enthalten den spaltbaren Stoff und dienen für den Durchtritt des Kühlmittels.

Jede Graphitsäule wird durch die Übereinanderlagerung von Schichten 6 und 7 (Fig. 3) gebildet, deren jede ihrerseits bei dem beschriebenen Beispiel aus fünf parallelen Graphitblöcken besteht, welche einen geringen Abstand voneinander haben, welcher größenordnungsmäßig 2 bis 5 mm beträgt. Diese Blöcke sind in gekreuzten Schichten angeordnet, d. h., die Blöcke einer beliebigen Schicht liegen senkrecht zu denen der unmittelbar darunterliegenden Schicht. In Fig. 4 liegen z. B. die Blöcke 8, 9, 10, 11 und 12 der Schicht 6 senkrecht zu den Blöcken 13, 14, 15, 16 und 17 (Fig. 3) der Schicht 7.

Das Spiel zwischen den Säulen beträgt größenordnungsmäßig 5 bis 10 mm. Die Höhe dieser Säulen beträgt etwa 10 m. Die verwendeten Blöcke haben einen Querschnitt von 195 > 200 mm und eine Länge von 1 m.

Ein beliebiger, in Fig. 6 gestrichelt dargestellter Block 10 ist mit dem mittleren Block 15 der darunterliegenden Schicht 7 durch eine durch eine Muffe 18 (Fig. 6) gebildete, in der Achse seines mittleren Kanals 19 (Fig. 4 und 6) liegende Verbindung und mit dem Abschlußstab 13 der unteren Schicht 7 durch den Gleitkeil 20 verbunden.

Fig. 7 zeigt im einzelnen die Verbindung des Blockes 10 mit dem mittleren Block 15 der darunterliegenden Schicht 7 mittels der Muffe 18.

Fig. 8 zeigt den Gleitkeil 20, welcher das Ende des Graphitblockes 10 auf dem Stab 13 der darunterliegenden Schicht führt.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bestehen die Muffe 18 und der Keil 20 aus Graphit. Es können jedoch auch andere für Neutronen durchlässige Werkstoffe, wie Beryllium, Zirkonium, Berylliumoxyd usw., zur Herstellung der Muffen und Keile verwendet werden.

Die Befestigung auf der Gußeisenplatte 2 (Fig. 3 und 4) erfolgt in entsprechender Weise, wobei der einzige Unterschied in dem die Muffe und den Keil bildenden Werkstoff besteht, welche aus Stahl sein können, da diese Teile infolge ihrer Lage nicht für Neutronen durchlässig zu sein brauchen.

ίο Während des Betriebes des Meilers erleidet der den Moderator gemäß der Erfindung bildende Stapel Verformungen, wenn in ihm eine Kernkettenreaktion auftritt. Diese bewirkt eine anisotrope Dehnung, welche von einem Punkt zum anderen veränderlich und in der Mitte des Stapels am größten und an seinen Rändern Null ist.

In den Zonen, in welchen die Dehnungen etwa homogen verteilt sind (Fig. 9 und 10), führt die Anisotropie des Graphits zu einer Abnahme des Spiels zwischen den Stäben, da diese sich senkrecht zu ihrer Achse dehnen und sich parallel zu dieser zusammenziehen (Wignereffekt). Außerdem nehmen die Abmessungen einer Schicht von Stäben ab, da diese durch die Länge der Stäbe bestimmt werden.

Fig. 9 und 10 zeigen das Verhalten der Stäbe 21, 22, 23, 24 und 25, welche vor der Verformung voll ausgezogen und nach der Dehnung gestrichelt dargestellt sind.

In den Zonen, in welchen die Dehnungen nicht homogen verteilt sind, und wenn der Neutronenfluß, d. h. der Wignereffekt, z. B. von rechts nach links zunimmt, erleiden die Stäbe der unteren Schicht 26 (Fig. 11) in der Längsrichtung eine von rechts nach links zunehmende Zusammenziehung, welche sie verbiegt. In der Längsrichtung erfahren jedoch die Stäbe der unteren Schicht 27 eine zunehmende Dehnung, welche sie trapezförmig verformt. Das Ergebnis der Kombination dieser beiden Effekte ist deutlich in Fig. 11 sichtbar.

Fig. 12 und 13 geben ein Bild der Verformung einer vollständigen Säule.

In den Zonen, in welchen die Dehnungen in einer zu der Achse der Säulen senkrechten Ebene etwa konstant sind, erhält man eine Verlängerung der Säule sowie eine leichte hyperbolische Verformung infolge der Längszusammenziehung der Stäbe. Fig. 12 zeigt bei 29 dieses Aussehen der Säule 28 nach der der Verformung.

In den Zonen, in welchen die Dehnungen in einer zu der Achse der Säulen senkrechten Ebene nicht konstant sind, überlagert sich eine in Fig. 13 dargestellte und von einer Dehnung, welche links stärker als rechts ist, herrührende Krümmung der Achse dem vorhergehenden Effekt.

Der von rechts nach links zunehmende Wignereffekt verformt die ursprüngliche Säule 30, welche in die Lage 31 (Fig. 13) kommt. Die beiden oben unter Bezugnahme auf Fig. 12 und 13 beschriebenen Verformungen treten meist gleichzeitig auf und addieren sich zueinander.

Die obigen Verformungen nehmen mit der Betriebsdauer des Meilers zu, welche daher auf eine Zeit beschränkt ist, nach welcher eine der folgenden Erscheinungen auftreten:

a) Verschwinden des Spiels zwischen den Blöcken oder Stäben,

b) eine die Stabilität der Säule gefährdende Krümmung derselben.

In allen Fällen ist die so bestimmte Lebensdauer groß genug, um eine angemessene Amortisierung der Anordnung zu ermöglichen. Sie ist jedenfalls beträchtlich größer als die Lebensdauer der bisher bekannten Stapelarten.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Moderatoraufbau für einen Kernreaktor mit xo vertikalen Kanälen, bestehend aus prismatischen, übereinanderliegenden Blöcken aus Moderatormaterial als Bauelemente des Aufbaues, die zu vertikalen, parallel nebeneinanderliegenden Säulen aufgestapelt sind, die ihrerseits über die gesamte Aufbauhöhe voneinander unabhängig sind und in ihrer Gesamtheit den Moderatoraufbau bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Säulen mehrere Kanäle aufweist, daß die Säulen mit Spiel nebeneinander stehen, daß jede der Säulen aus an sich bekannten, übereinanderliegenden Schichten aus parallel nebeneinanderliegenden Moderatorblöcken besteht, daß sich in an sich bekannter Weise die Blöcke in übereinanderliegenden Schichten kreuzen, daß zwischen den as Blöcken einer jeden Schicht ein Spiel vorhanden ist und daß zwischen jedem Block und der ihn tragenden Schicht sowohl eine vertikale Verbindung als auch eine in Schichtebene hegende, radiale Gleitungen zulassende Verbindung besteht, welche eine Drehung des betreffenden Blockes um die genannte vertikale Verbindung als Drehachse verhindert, eine Längsverformung des Blockes aber zuläßt.

2. Moderatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Verbindung durch eine ringförmige Hülse mit vertikaler Achse zustande kommt, welche in zylinderförmige und übereinanderliegende Ausnehmungen der beiden zu verbindenden Blöcke eingesetzt ist und aus einem für Neutronen durchlässigen Werkstoff besteht.

3. Moderatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die nicht am Umfang des Aufbaues liegenden vertikalen Säulen einen quadratischen horizontalen Querschnitt aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschriften Nr. 2 708 656, 2 768 134;

»Atomics«, 5, S. 117, 1954;

»Nuclear Engineering«, 1, Einlage nach S. 14, April 1956;

»Le Journal de Physique et Ie Radium«, 12, S. 752, Juli/September 1951;

»The Journal of the British Nuclear Energy Conference«, 1, Nr. 3, S. 177 bis 183, Oktober 1956;

»Nucleonics«, 14, Nr. 9, S. 54 bis 65, 1956; Nr. 11, S. 54, 1956;

»Elektrotechnik und Maschinenbau«, 73, S. 198, 1956;

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsche Patente Nr. 1 042 775, 1 066 289.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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