DE1128931B - Brennstoffzelle fuer Kernreaktor - Google Patents

Brennstoffzelle fuer Kernreaktor

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DE1128931B
DE1128931B DEC18836A DEC0018836A DE1128931B DE 1128931 B DE1128931 B DE 1128931B DE C18836 A DEC18836 A DE C18836A DE C0018836 A DEC0018836 A DE C0018836A DE 1128931 B DE1128931 B DE 1128931B
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Jean Ahinzelin
Leon Le Flem
Engheim Les Bains
Jacques Robert
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
C18836Vfflc/21g
ANMELDETAG: 21. APRIL 1959
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 3. MAI 1962
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für einen Kernreaktor mit senkrechten Kanälen.
Kernreaktoren enthalten bekanntlich normalerweise einen aktiven Kern aus spaltbarer Materie und einen flüssigen oder festen Moderator zur Bremsung der Neutronen; dieser Reaktorkern wird von einem Reflektor und von einer thermischen und biologischen Abschirmung umschlossen.
Die spaltbare Materie und der Moderator können im Reaktorkern in verschiedener Weise verteilt sein. Bei der derzeit gebräuchlichsten Anordnung befindet sich die spaltbare Materie in Form von Brennelementen bzw. Brennstoffstäben in zur Achse des Reaktors parallelen, d. h. waagerecht oder senkrecht verlaufenden Kanälen, in denen ein Kühlmedium zirkuliert. Das flüssige oder gasförmige Kühlmedium streicht an den Wänden der Brennelemente vorbei und dient beim Arbeiten des Reaktors dazu, die durch die Kernreaktionen freigesetzten Wärmemengen zu einem Verbraucher abzuführen.
Bei einer solchen sehr gebräuchlichen Anlage bezeichnet man mit »Zellen« die in den einzelnen Kanälen des Reaktors befindlichen oder diese Kanäle bildenden Einrichtungen. Diese Zellen erfüllen verschiedene Funktionen: Sie ermöglichen die Einführung und die Halterung der Brennelemente, die den aktiven Teil des Reaktors bilden. Weiterhin dienen sie zur Führung des Kühlmediums, und außerdem gewährleisten sie gegebenenfalls die Halterung und das Arbeiten von verschiedenen Steuer- oder Meßvorrichtungen, mit denen die einzelnen Kanäle bestückt sind.
Bei einem bekannten Siedewasserreaktor, der mit D2O als Kühlmittel arbeitet, bestehen die Brennstoffzellen aus langen Rohren, in denen in einem gewissen Abstand voneinander die den eigentlichen Kernbrennstoff enthaltenden Platten so angeordnet sind, daß sie sich frei nach oben und unten ausdehnen können. Der Fuß der Zelle durchsetzt eine durchbrochene Lagerplatte und besitzt Öffnungen zum Eintritt der Kühlflüssigkeit. Da die Brennstoffzellen bei dieser bekannten Anordnung oben und unten fest gehaltert sind, besteht die Gefahr, daß bei außergewöhnlichen Deformationen der den Kernbrennstoff enthaltenden Elemente hohe Spannungen auftreten, die zu einem Ausknicken der Zelle und damit zu deren Beschädigung führen können.
Bei einem anderen bekannten Reaktor sind im Reaktorkern senkrechte Kanäle vorgesehen, die mit einer Anzahl von übereinanderliegenden und sich aufeinander abstützenden Brennelementen beschickt werden. Das Laden eines Kanals und das Auswechseln der Füllung ist daher verhältnismäßig zeitraubend. Da die Brennstoffzelle für Kernreaktor
Anmelder: Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris
Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6
ίο Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 3. Mai 1958 (Nr. 764 697)
Jean Ahinzelin, Paris,
1S Leon Ie Flem, Engheim les Bains, Seine-et-Oise, und Jacques Robert, Paris (Frankreich), sind als Erfinder genannt worden
2
einzelnen Brennstoffstäbe aufeinander ruhen, addieren sich alle Expansionen.
Es ist ferner bekannt, im oberen Teil einer Brennstoffzelle ein Schwebestoffilter vorzusehen. Bei der bekannten Anordnung soll das Schwebestoffilter einen möglichst geringen Druckabfall verursachen, und es ist außerdem ein Umgehungskanal vorgesehen^ der freigegeben wird, wenn der Druckabfall am Filter eine bestimmte Größe überschreitet.
Durch die Erfindung soll eine Brennstoffzelle für einen Kernreaktor mit senkrechten Kanälen angegeben werden, die mit geringstmöglichem Aufwand eine größtmögliche Anzahl von Funktionen zu erfüllen in der Lage ist und die auch bei starken Deformationen der Brennelemente nicht beschädigt werden kann. Dabei sind einmal Mittel vorgesehen, die verhindern, daß die Zelle selbst Spannungen ausgesetzt wird; andere Mittel dienen dazu, daß die Brennelemente im Inneren ein gewisses Spiel haben, das das Auftreten von Spannungen verhindert.
Eine Brennstoffzelle für einen Kernreaktor mit senkrechten Kanälen, die einen rohrförmigen Mantel und ein oberes und unteres Lagerstück umfaßt, welche im Betrieb in entsprechenden Lagerungen im Reaktor ruhen, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der an dem oberen Lagerstück befestigte Teil der Zelle mit dem unteren Teil der Zelle, der in das untere Lagerstück ausläuft, über elastische Mittel verbunden ist, die Längenänderungen der sich im Betrieb zwischen zwei festen- Lagern im Reaktor erstreckenden Zelle aufzunehmen in der Lage sind. Die im Inneren
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der Zelle übereinander angeordneten Brennstoffstäbe, die am einen Ende an dem rohrförmigen Mantel gehaltert und am anderen Ende frei beweglich, gelagert sind, sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung an dem axial frei beweglichen Ende mit einem mittigen Führungszapfen versehen, der in einer entsprechenden Führung des festgehaltenen Endes des benachbarten Brennstoffstabes gleitend gelagert ist. Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung, die für einen
sehen den Boden 1 und die Bodenplatte 2 eingeführt. Es ist ersichtlich, daß die oben summarisch beschriebene Zelle einen Kanal des Reaktors bildet.
Ein kleiner Teil des schweren Wassers (etwa 10 %) 5 steigt weiter in den mittleren Teil 8 der Zelle empor und wird wieder dem Hauptkreislauf zugeführt, nachdem es eine Vorrichtung zur Feststellung von Mantelfehlern durchlaufen hat.
Oberhalb des Mittelteiles 8 der Zelle befindet sich
fiüssigkeitsgekühlten Reaktor bestimmt ist, sind die io schließlich ein Stopfen 14 und ein Kopf 15, die sich Brennstoffzellen, deren"unteres Ende Öffnungen zum vollständig innerhalb eines biologischen Zwischen-Eintritt der Kühlflüssigkeit aufweist, gekennzeichnet schirmes 13 oder Röhrenblocks befinden. Der Stopfen durch die Kombinatiott eines im oberen Teil der Zelle 14 ermöglicht das dichte Herausführen des abgezweigangeordneten Strömungswiderstandes, der einen ein ten schweren Wassers und der Kabel für die ver-Sieden verhindernden Druckabfall erzeugt, mit einem 15 schiedenen Meßgeräte sowie durch den Kopf 15 die nachgeschalteten Blasenabscheider in Form eines wen- Lagerung der Zelle auf einer den Röhrenblock 13 bedelförmigen Kanals. Im oberen Teil des Mantels der deckenden Metallplatte 16. Der Stopfen 14 enthält Zelle können ferner öffnungen vorgesehen sein, durch außerdem eine in Fig. 3 dargestellte elastische Verbindie die Kühlflüssigkeit austreten kann, wobei der Man- dungsanordnung, die dazu bestimmt ist, Längenändetel von einem Ablenkrohr umgeben ist, das mit dem 20 rungen der Zellenanordnung zwischen der Lagerung Mantel einen ringförmigen Kanal bildet, der bei den 15, 16 und der unteren Halterung 3, 4 aufzunehmen. Öffnungen beginnt und unterhalb des Flüssigkeitsspie- Der maximale Durchmesser der Zelle beträgt bei-
gels im Reaktor endet. spielsweise ungefähr 80 mm, die Gesamtlänge 4 m
Die Erfindung soll nun an Hand eines speziellen und das Gewicht etwa 50 kg; jede Zelle enthält vier Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeich- 25 Uranstäbe mit einem Gesamtgewicht von ungefähr nungen näher erläutert werden. 7 kg. Der Reaktor enthält 100 Zellen gemäß der Er-
Fig. 1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt findung, von denen jede 1,5 bis 2· 105 kcal/h abgeben gehaltene Seitenansicht einer Zelle gemäß der Erfin- kann.
dung, die in einem Schwerwasserreaktor installiert ist, Der in Fig. 2 dargestellte Fuß 4 der Zelle ruht mit
der jedoch nicht in seiner Gesamtheit dargestellt ist; 30 seinem konischen Ende 3 in der Bodenplatte 2 und Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Unterteil läßt durch eine Mittelbohrung das schwere Wasser zur
der Zelle in einem vergrößerten Maßstab; Kühlung der Brennstoff stäbe eintreten. Um ein eventu-
Fig. 3 zeigt einem ebenfalls vergrößerten Längs- elles Festfressen der Zellen in der Bodenplatte 2 zu
schnitt durch den Mittelteil der Zelle, und verhindern, ist der Fuß 4 der Zelle vorher anodisch
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch den oberen 35 oxydiert worden. Dieser Teil der Zelle besteht wie alle
Teil dieser Zelle. in schwerem Wasser arbeitenden Zellen aus Alumi-
In den Zeichnungen sind nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente dargestellt, gleiche Teile tragen gleiche Bezugszeichen.
Die in den Zeichnungen dargestellte Zelle ist für einen Kernreaktor mit vertikalen Kanälen bestimmt, der durch schweres Wasser moderiert und gekühlt wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird das schwere Wasser in bekannter Weise unter Druck zwischen dem
Boden 1 der nicht dargestellten Reaktorwanne und 45 Oberfläche an das Rohr 17 der Zelle anlegen, was eine einer perforierten Bodenplatte 2 eingeführt. lokale Unterbindung der Kühlung und einen Bruch der
In den Öffnungen 3 der Bodenplatte 2 ruhen die Ummantelung zur Folge haben könnte. Füße 4 der entsprechenden Zellen. Das schwere Was- Jeder Brennstoffstab 6 wird durch drei Zapfen oder
ser dringt dort ein, steigt auf die Höhe des Brenn- Bolzen 19 an Ort und Stelle gehalten, die in einem elementfußes 5 und umspült anschließend die Wände 50 Winkelabstand von 120° das Rohr 17 der Zelle durchder verschiedenen ummantelten Brennstoffstäbe 6. setzen und die durch einen Ring 20 gehalten werden.
Nach dem letzten Brennstoffstab der Zelle steigt das der um das Rohr geklemmt ist. Diese Anordnung ist schwere Wasser über einen Hut 7 und gelangt in den so getroffen, daß die Brennstoffstäbe 6 auf den Bolzen Mittelteil 8 der Zelle, wo sich verschiedene Vorrich- 19 ruhen und sich nach oben frei ausdehnen können, tungen befinden, die in Verbindung mit Fig. 3 näher 55 Die Brennstoffstäbe werden außerdem im Rohr 17 beschrieben werden. Die Hauptmenge des Wassers durch Zapfen 21 zentriert, die sich oben an jedem strömt außerhalb der Zelle, jedoch innerhalb eines
Ablenkrohres 9 zurück, das es in die Wanne des Reaktors unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 10 zurückführt.
Über dem Spiegel 10 des schweren Wassers befindet sich eine Heliumatmosphäre 11, anschließend folgt die obere Decke 12 der Wanne und schließlich eine biologische Zwischenabschirmung 13, die beispielsweise aus Beton bestehen kann.
Das auf seinem Weg längs den Brennstoffstäben 6 65 ein Sieden zu verhindern, und andererseits dazu, den aufgeheizte schwere Wasser wird in bekannter Weise nötigen Druck für die Zirkulation des Wassers durch aus dem Reaktor abgezogen und einem Wärmeaus- eine Vorrichtung zur Feststellung von Mantelfehlern tauscher zugeführt, dort abgekühlt und wieder zwi- zu gewährleisten»
nium kernphysikalischer Qualität, d. h., es enthält weniger als ein Millionstel von Neutronen absorbierenden Verunreinigungen.
Das Zellenrohr 17, ebenfalls aus Aluminium höchster Reinheit bestehend, trägt innen sechs Rippen 18 von 2 bis 3 mm Höhe. Diese Rippen verhindern, daß sich die Uranstäbe 6, die sich im Betrieb des Reaktors verformen können, mit einem größeren Teil ihrer
Brennstoffstab befinden und in einem entsprechenden Sitz 22 gleiten können, der in dem Boden des unmittelbar darüberliegenden Brennstoffstabes vorgesehen ist. Fig. 2 zeigt ferner einen Strömungswiderstand 23 und eine Entgasungsanordnung 24. Die Verengung 23, die einen zusätzlichen Druckabfall erzeugt, dient einerseits dazu, das die Brennstoffstäbe 6 umströmende schwere Wasser dynamisch unter Druck zu setzen, um
Die stromabwärts vom Strömungswiderstand 23, also oberhalb von diesem gelegene Entgasungsvorrichtung 24 enthält einen Blasenabscheider 25 in Form eines wendelförmigen Kanals, in dem die bei der Entspannung des durch den Strömungswiderstand 23 strömenden schweren Wassers unter der Wirkung der Zentrifugalkraft entstehenden Gasblasen abgeschieden werden.
Das Innere der Verengung 23 und der Entgasungsvorrichtung 24 wird durch ein Rohr 26 zum Abzweigen von schwerem Wasser zur Feststellung von Mantelrissen durchsetzt. Das Rohr 26 besitzt zwei Austrittsöffnungen 27 für das schwere Wasser. Löcher 28 und
29 (Fig. 3) dienen zum Druckausgleich für das Helium im Inneren und Äußeren der Zelle und des Ablenkrohres 9.
Das Ablenkrohr 9 (Fig. 2) verhindert, daß das die Zelle durch die Öffnungen 27 verlassende Wasser den Wasserspiegel 10 zu stark aufrührt, was die Reaktivität des Meilers verändern könnte. Das Ablenkrohr 9 ist mit in der Zeichnung nicht dargestellten Bohrungen versehen, die gewährleisten, daß der Druckabfall zwischen dem Ende der Entgasungsvorrichtung 24 und dem Flüssigkeitsspiegel 10 in der Wanne nicht zu groß wird. In der Praxis nimmt das schwere Wasser in der Zelle ein Niveau ein, das gerade diesem Druckabfall entspricht; das Wasser soll jedoch nicht durch die Druckausgleichsöffnungen 28 und 29 für das Helium entweichen.
In Fig. 2 ist ferner das Ende eines Thermoelementes
30 dargestellt, das zur Messung der Temperatur des schweren Wassers bestimmt ist. Die Lötstelle des Thermoelementes befindet sich soweit wie möglich in dem das schwere Wasser führenden Kanal, in der Praxis 1 bis 2 cm oberhalb des Endes der Entgasung«- einrichtung 24. Dieses Thermoelement 30, beispielsweise aus Kupfer-Konstantan, befindet sich in einem Mantel aus Edelstahl.
In Fig. 3 ist eine Federbuchse 31 dargestellt, durch die die Zelle gemäß der Erfindung gegen die Bodenplatte 2 gedrückt wird und die zum Ausgleich von Längenänderungen dient.
Zwischen der Federbuchse 31 und dem Kopf 15 der Zelle befindet sich der Stopfen 14, der vollständig in dem mit Röhren durchsetzten Block 13 des Reaktors liegt, wenn die Zelle eingesetzt ist. Der Stopfen 14 besteht aus einer Rohrhülse 32, die mit Schwerbeton und Blei gefüllt ist; letzteres dient zur Abschirmung von Gammastrahlen, die bei der Absorption von Neutronen im Beton entstehen können.
Wie die Fig. 4 zeigt, ist der Stopfen 14 von zwei Rohren durchsetzt, dem Abzweigrohr 26 für das schwere Wasser und einem Rohr 34, das zum Entleeren des Abzweigrohres 26 vor der Demontage der Zelle bestimmt ist. Außerdem enthält der Stopfen 14 ein Rohr 33 (Fig. 3) für die Zuleitungsdrähte des Thermoelementes 30 (in Fig. 4 nicht dargestellt). Die Rohre 26 und 34 münden oben in einem Dreiwegehahn 35; das untere Ende 36 des Rohres 34 mündet oberhalb des Spiegels 10 des schweren Wassers in der Wanne.
Der Kopf 15 der Zelle weist zwei waagerecht liegende ebene Flansche 37 und 38 auf; der eine Flansch dient zur Lagerung der Zelle auf dem Deckblech 16 des von Rohren durchsetzten Blockes 13 des Reaktors, der andere Flansch dient zur Befestigung der Zelle.
Außerdem weist dieser Kopf 15 einen senkrechten zylindrischen Teil 39, der zum Zentrieren der Zelle in einer Muffe 40 dient, ferner den Dreiwegehahn 35 und ein Gewindestück 41 auf, das im Betrieb zum Anschluß des Abzweigrohres 26 und bei der Demontage der Zelle zur Befestigung eines Hebekopfes dient.
Die Zellen hängen alle senkrecht in der Wanne. Die Zellen werden jeweils durch ihren Fuß 4, der in der Bodenplatte 2 in der Wanne ruht, und durch den zylindrischen Teil 39 des Zellenkopfes 15 zentriert, der beim Einsetzen der Zelle in die Muffe 40 gleitet, die ihrerseits durch Schrauben auf dem Rohrblock 13 befestigt ist. Die Zelle selbst wird an dem Rohrblock durch einen Bundring 42 festgeklemmt.
Die Abdichtung zwischen der Heliumatmosphäre 11 und dem Raum 43 oberhalb des Reaktors wird durch einen durch den Kopf der Zelle eingeklemmten Dichtungsring 44 (aus Perbunan) gewährleistet. Wenn die Zelle in den Reaktor eingesetzt und noch nicht verschraubt ist, wird die Abdichtung durch einen zweiten Dichtungsring 45 bewirkt, der mit dem Kopf der Zelle in der Muffe 40 gleitet.
Beim normalen Betrieb wird das Abzweigrohr 26 für das schwere Wasser durch den Dreiwegehahn 35 zur Überwachung auf Mantelfehler mit einer äußeren Anlage verbunden, die nicht dargestellt ist.
Der Hahn 35 hat noch zwei weitere Stellungen, die für die Entladung des Reaktors vorgesehen sind.
So kann das Rohr 26 zur Überwachung auf Mantelfehler im Inneren der Zelle mit dem Rohr 34 verbunden werden; das Wasser im Rohr 26 zur Feststellung von Mantelfehlern entleert sich infolge des Hebereffektes in die Wanne.
Außerdem kann das Rohr, das außerhalb der Zelle nach der Vorrichtung zur Überwachung auf Mantelfehler führt, nämlich die nicht dargestellte Verlängerung des Rohres 26, mit dem Rohr 34 verbunden und dadurch entleert werden; anschließend kann es durch Einblasen von trockenem Helium getrocknet werden.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Brennstoffzelle für einen Kernreaktor mit senkrechten Kanälen, die einen rohrförmigen Mantel und ein oberes und unteres Lagerstück umfaßt, welche im Betrieb in entsprechenden Lagerungen im Reaktor ruhen, dadurch gekenn zeichnet, daß der an dem oberen Lagerstück (15) befestigte Teil der Zelle mit dem unteren Teil der Zelle, der in das untere Lagerstück (4) ausläuft, über elastische Mittel (31) verbunden ist, die Längenänderungen der sich im Betrieb zwischen zwei festen Lagern (16 bzw. 2) im Reaktor erstreckenden Zelle aufzunehmen in der Lage sind.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 mit einer Anzahl von in ihrem Inneren übereinander angeordneten Brennstoffstäben, die am einen Ende an dem rohrförmigen Mantel gehaltert und am anderen Ende axial frei beweglich gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich an dem axial frei beweglichen Ende der Brennstoffstäbe (6) ein mittiger Führungszapfen (21) befindet, der in einer entsprechenden Führung (22) des festgehaltenen Endes des benachbarten Brennstoffstabes gleitend gelagert ist.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2 für einen fiüssigkeitsgekühlten Reaktor, deren unteres Ende Öffnungen zum Eintritt der Kühlflüssigkeit aufweist, gekennzeichnet durch die Kombination eines im oberen Teil der Zelle angeordneten Strömungswiderstandes (23), der einen ein Sieden
verhindernden Druckabfall erzeugt, mit einem nachgeschalteten Blasenabscheider (25) in Form eines wendeiförmigen Kanals.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, die direkt in die Kühlflüssigkeit im Inneren des Reaktors eintaucht, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil des Mantels der Zelle Öffnungen (28) vorgesehen sind, durch die die Kühlflüssigkeit austreten kann, und daß der Mantel von einem Ablenkrohr (9), das mit dem Mantel einen ring-
förmigen Kanal bildet, umgeben ist, der bei den Öffnungen (28) beginnt und unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (10) im Reaktor endet.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1028 705;
britische Patentschriften Nr. 789257, 791011;
»Proceedings of the International Conference on
the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 3, 1955,
S. 158 bis 161.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
©20& 578/230 4.62
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