DE1169045B

DE1169045B - Atomic nuclear reactor with a cylindrical core structure and a spherical pressure vessel

Info

Publication number: DE1169045B
Application number: DEU7312A
Authority: DE
Inventors: Gordon Brown
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1959-07-20
Filing date: 1960-07-12
Publication date: 1964-04-30
Also published as: ES259743A1; NL253698A; GB893668A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: G 21 Boarding school Class: G 21

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20 German class: 21 g - 21/20

Nummer: 1169 045Number: 1169 045

Aktenzeichen: U 7312 VIII c / 21 gFile number: U 7312 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 12. Juli 1960 Filing date: July 12, 1960

Auslegetag: 30. April 1964Opening day: April 30, 1964

Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomkernreaktor mit aufrecht stehendem, zylindrischem Kernaufbau, der von vertikalen Brenstofikanälen durchsetzt und in einem im wesentlichen kugelförmigen Druckbehälter eingeschlossen ist, so daß ein Ringraum von D-förmigem Querschnitt zwischen den Seiten des Kerns und der Behälterwand entsteht, wobei die Behälterwand von Leitungen zum Führen von Kühlmittel nach dem Reaktorkern und von diesem weg durchdrungen ist und wobei die Zuführungsleitung die Behälterwand im Bereich des Ringraumes mit D-förmigem Querschnitt durchsetzt und das Kühlmittel einer Verteilerleitung am unteren Kernende zugeführt und die Abführungsleitung an eine Sammelleitung am oberen Kernende angeschlossen ist.The invention relates to an atomic nuclear reactor with an upright, cylindrical core structure, which is interspersed with vertical fuel channels and in a substantially spherical shape Pressure vessel is enclosed, so that an annular space of D-shaped cross-section between the Sides of the core and the container wall arises, with the container wall of lines for guiding is penetrated by coolant to the reactor core and away from it and wherein the feed line penetrates the container wall in the area of the annular space with a D-shaped cross section and the coolant is fed to a distribution line at the lower end of the core and the discharge line to a manifold is connected to the upper end of the core.

Einer der Faktoren bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit einer Kernreaktor-Kraftanlage ist die Instandhaltung und Wartung. Die augenblickliche Lage ist so, daß die Ausführung einer vollständigen und voll selbständigen Wartung der Anlage nicht beabsichtigt ist; jedoch werden fortlaufend Anstrengungen, die sich diesem Ziel widmen, unternommen, und es ist anerkannt, daß die Wartung durch eine Schutzabschirmung, welche die unmittelbare Kernstrahlung (entweder im Betriebs- oder im Abschaltzustand) auf ein erträgliches Maß vermindert, sowie durch eine Sicherheitsabschirmung, welche die Neutronenbestrahlung von Teilen der Anlage vermindert, die andernfalls eine Aktivierung verursachen würden, die unter Umständen nachhaltig und durchdringend sein kann (beispielsweise Kobalt in Strahlenteilen), erleichtert werden kann.One of the factors in assessing the economics of a nuclear reactor power plant is that Maintenance. The current situation is such that the execution of a complete and fully independent maintenance of the system is not intended; however, ongoing efforts dedicated to this end, and it is recognized that maintenance by a Protective shielding, which prevents the direct nuclear radiation (either in the operating or in the switched-off state) reduced to a bearable level, as well as by a safety shield, which the neutron radiation reduced by parts of the system that would otherwise cause activation, which may be sustainable and pervasive under certain circumstances (for example cobalt in radiation parts), facilitates can be.

Ein Kernreaktor der im vorstehenden umrissenen Art ist bereits bekannt. Derartige Reaktoren haben Druckbehälter, die im nachfolgenden mit »nichtzylindrisch« bezeichnet werden, um sie von den herkömmlichen Reaktordruckbehältern mit zylindrischen Seitenwänden und kuppeiförmigem Abschluß zu unterscheiden, wie sie beispielsweise bei Calder-Hall-Reaktoren verwendet werden.A nuclear reactor of the type outlined above is already known. Have such reactors Pressure vessels, which are referred to as »non-cylindrical« in the following, to distinguish them from the conventional Reactor pressure vessels with cylindrical side walls and dome-shaped closure differ, for example in the case of Calder Hall reactors be used.

Es ist auch bereits bekannt, Abschirmungen an der Innenseite eines Reaktordruckbehälters vorzusehen. Es gehört auch bereits zum Stande der Technik, eine Neutronenabschirmung an der Innenseite eines Druckbehälters anzubringen, um eine Strahlungsaktivierung zu verhindern, sowie eine ebenfalls an der Innenseite des Behälters befindliche biologische Abschirmung vorzusehen, damit sie in kleineren Abmessungen gehalten werden kann und somit ihr Gesamtgewicht vermindert wird. Jedoch brachten alle bisherigen Vorschläge die Einrichtung eines im Umfang Atomkernreaktor mit zylindrischem Kernaufbau
und kugelförmigem DruckbehälterIt is also already known to provide shields on the inside of a reactor pressure vessel. It is also already part of the state of the art to attach a neutron shield to the inside of a pressure vessel to prevent radiation activation, and to provide a biological shield, which is also located on the inside of the container, so that it can be kept in smaller dimensions and thus reduce its overall weight will. However, all previous proposals have resulted in the establishment of an atomic nuclear reactor of the size with a cylindrical core structure
and spherical pressure vessel

Anmelder:Applicant:

United Kingdom Atomic Energy Authority,United Kingdom Atomic Energy Authority,

LondonLondon

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,Dipl.-Ing. E. Schubert, patent attorney,

Siegen, Oranienstr. 14Siegen, Oranienstr. 14th

Als Erfinder benannt:
Gordon Brown,
Everett Long, LondonNamed as inventor:
Gordon Brown,
Everett Long, London

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Großbritannien vom 20. Juli 1959 (24 927)Great Britain July 20, 1959 (24 927)

erweiterten Druckkessels mit sich, um die Abschirmungen anzupassen. Wo diese Umfangserweiterung eine Zunahme der Stärke des Druckbehälters mit sich bringt (wie beispielsweise bei einem nichtzylindrischen Behälter oder bei einem zylindrischen Behälter, dessen Durchmesser vergrößert werden muß), kann die Wirtschaftlichkeit der Anlage in hohem Maße ungünstig beeinflußt werden. Durch Anwendung der Anordnung gemäß der Erfindung wird der Hohlraum in einem nichtzylindrischen Behälter, der normalerweise frei ist, nunmehr nützlich ausgefüllt, und es wird ohne irgendeine Vergrößerung der Druckbehälterabmessungen einem vorteilhaften Zweck gedient. Koaxiale Rohrleitungen zum Leiten von Kühlmittel nach einem Reaktorbehälter und von einem solchen weg sind bereits bekannt. Wenn sie jedoch bei dem seitlich gelegenen Neutronenschirm verwendet werden, ermöglicht die koaxiale Anordnung von Rohrleitungen eine Abschirmung von geringer Höhe, verglichen mit der Höhe, die notwendig ist, wenn die Rohrleitungen voneinander im Abstand gehalten sind, wie im Druckbehälter gemäß der bekannten Anordnung. Die koaxiale Anordnung ermöglicht außerdem gerade, eckenfreie Rohrleitungen zwischen einem Druckbehälter und einem Wärmetauscher, während die Abschirmung die Rohrleitungen (und den Wärmetauscher) vor einer Aktivierung schützt.extended pressure vessel with it to adapt the shields. Where this scope expansion entails an increase in the strength of the pressure vessel (such as a non-cylindrical Container or a cylindrical container, the diameter of which must be increased), can the economic efficiency of the plant can be adversely affected to a large extent. By applying the Arrangement according to the invention the cavity in a non-cylindrical container, which is normally is now usefully filled in, and it is made without any enlargement of the pressure vessel dimensions served a beneficial purpose. Coaxial piping for conducting coolant after a reactor vessel and away from such are already known. However, if they do are used in the side neutron screen, enables the coaxial arrangement of Pipelines require a small amount of shielding compared to the height that is necessary if the Pipelines are kept at a distance from each other, as in the pressure vessel according to the known arrangement. The coaxial arrangement also allows straight, corner-free pipelines between one Pressure vessel and a heat exchanger, while the shielding the pipes (and the heat exchanger) protects against activation.

Der erfindungsgemäße Atomkernreaktor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitung die Abführungsleitung in an sich bekannter Weise koaxialThe atomic nuclear reactor according to the invention is characterized in that the supply line the Discharge line coaxial in a manner known per se

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umgibt und daß ein Neutronenschirmungsaufbau in dem Ringraum mit D-förmigem Querschnitt zwischen dem Kern und den Kühlmittelzuführungsleitungen angeordnet ist.surrounds and that a neutron shield structure in the annulus of D-shaped cross-section between the core and the coolant supply lines is arranged.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to the drawing showing it for example be, namely shows

Fig. 1 eine teilweise Seitenansicht im Mittelschnitt, währendFig. 1 is a partial side view in central section, while

F i g. 2 einen Teil davon vergrößert wiedergibt.F i g. 2 shows part of it enlarged.

Gemäß der Zeichnung hat ein gasgekühlter Kernreaktor 1 einen kugelförmigen Druckbehälter 2, welcher einen aufrecht stehenden zylindrischen Kernaufbau 3 enthält und Kühlmittelleitungen 4 aufweist, die sich radial von den Öffnungen im Druckbehälter 2 her erstrecken, und zwar jede im Bereich eines Kugelabschnitts 20 von D-förmigem Querschnitt zwischen dem Kernaufbau 3 und dem Druckbehälter 2. Der Druckbehälter 2 enthält außerdem Abschirmungen 5, die zwischen dem Kernaufbau 3 und den Öffnungen für die Rohrleitungen 4 liegen. Gemäß F i g. 2 werden die Abschirmungen 5, von der Reaktorkernseite der Abschirmungen her beginnend, gebildet aus einer 3,175 mm dicken Borstahlplatte 34, einer 190,5 mm dicken Graphitschicht 35, einer weiteren Platte 34, einer 101,6 bis 215,9 mm dicken Graphitschicht 36 und aus weiteren Platten 34, die durch eine weitere Schicht 35 getrennt werden. Die Rohrleitungsseite der Abschirmung ist mit einer etwa 15 cm dicken Wärmeabschirmung 37 aus Flußstahl ver--3o kleidet. Die vom Kernaufbau 3 her kommenden Neutronen werden in den Graphitschichten 35, 36 gebremst und in den Borstahlplatten 34 absorbiert, so daß die wenigen, noch durch die Abschirmungen 5 entkommenden Neutronen keine unerträgliche Aktivität der Rohrleitungen 4 verursachen und die vorhandene Gammastrahlung bei abgeschaltetem Reaktor bis auf ein erträgliches Maß durch den Borstahl absorbiert wird. Jede Abschirmung 5 ist in der Lage, einen Fluß von thermischen Neutronen von 10¹³ Neutronen pro Quadratzentimeter und Sekunde auf der Reaktorkernseite der Abschirmung bis auf einen erträglichen Wert von 10³ Neutronen pro Quadratzentimeter und Sekunde auf der Rohrleitungsseite derselben zu reduzieren.According to the drawing, a gas-cooled nuclear reactor 1 has a spherical pressure vessel 2 which contains an upright cylindrical core structure 3 and coolant lines 4 which extend radially from the openings in the pressure vessel 2, each in the region of a spherical section 20 of D-shape Cross section between the core structure 3 and the pressure vessel 2. The pressure vessel 2 also contains shields 5, which lie between the core structure 3 and the openings for the pipelines 4. According to FIG. 2, the shields 5, starting from the reactor core side of the shields, are formed from a 3.175 mm thick boron steel plate 34, a 190.5 mm thick graphite layer 35, a further plate 34, a 101.6 to 215.9 mm thick graphite layer 36 and from further plates 34, which are separated by a further layer 35. The pipeline side of the shield is covered with a 15 cm thick heat shield 37 made of mild steel. The neutrons coming from the core structure 3 are slowed down in the graphite layers 35, 36 and absorbed in the boron steel plates 34, so that the few neutrons still escaping through the shields 5 do not cause any unbearable activity in the pipes 4 and the gamma radiation that is present when the reactor is switched off except for a tolerable amount is absorbed by the boron steel. Each shield 5 is able to reduce a flow of thermal neutrons of 10 ¹³ neutrons per square centimeter and second on the reactor core side of the shield to a tolerable value of 10 ³ neutrons per square centimeter and second on the pipe side of the same.

Der Druckbehälter 2 wird von einer etwa 3 m dicken biologischen Betonabschirmung 6 eingeschlossen, um die Strahlung außerhalb der Abschirmung bei in Betrieb befindlichem Reaktor auf einen erträglichen Wert (etwa 5 biologische Röntgenäquivalente pro Jahr) zu reduzieren, wobei Öffnungen 7 durch die Abschirmung 6 für die Verbindung der Rohrleitungen 4 mit den außerhalb liegenden Wärmeaustauschern 29 vorgesehen sind. Der Reaktorkernaufbau 3 wird innerhalb des Druckbehälters 2 durch ein Gitter 8 getragen, auf welchem Träger 9 ruhen, die die Abschirmungen 5 tragen. Der Kernaufbau 3 besteht aus einem Graphitmoderator 10, der von einer Reihe lotrechter Kanäle 11 durchsetzt wird, welche Brennstoffelemente 21 enthalten, wobei das Be- 6u schicken der Kanäle 11 von einer Beschickungsfläche 12 aus durch Beschickungsrohre 13 erfolgt, welche die biologische Abschirmung 6 durchdringen, und wobei der Druckbehälter 1 und eine Kühlmittel-Sammelkammer 14 mit den oberen Enden der Brenn- 6g Stoffelementkanäle 11 verbunden sind. Die Beschickungsrohre 13 werden durch abnehmbare Verschlußstopfen 15 druckfest abgedichtet.The pressure vessel 2 is enclosed by an approximately 3 m thick biological concrete shield 6, to reduce the radiation outside the shield to a tolerable level when the reactor is in operation Reduce value (about 5 biological X-ray equivalents per year), with openings 7 through the shield 6 for the connection of the pipes 4 with the external heat exchangers 29 are provided. The reactor core structure 3 is inside the pressure vessel 2 by a Grid 8 carried, on which carrier 9 rest, which carry the shields 5. The core structure 3 consists from a graphite moderator 10, which is penetrated by a series of vertical channels 11, which Contain fuel elements 21, with the 6u sending of the channels 11 from a loading surface 12 from through feed pipes 13 which penetrate the biological shield 6, and wherein the pressure vessel 1 and a coolant plenum chamber 14 with the upper ends of the fuel 6g Fabric element channels 11 are connected. The feed pipes 13 are secured by removable plugs 15 sealed pressure-tight.

Jede Kühlmittelleitung 4 enthält zwei koaxial angeordnete Rohre 16, 17, wobei das Kühlmittel in den Druckbehälter 1 durch den ringförmigen Kanal zwischen den Rohren 16, 17 eintritt, durch die Öffnungen 18 im Gitter 8 hindurchgeht, über die Brennstoffelemente 21 innerhalb der Kanäle 11 im Kemaufbau 3 strömt und in die Endkammer 14 gelangt, um den Druckbehälter 1 durch eine Reihe von Rohren 19, die mit dem inneren koaxialen Rohr 16 vermittels einer ringförmigen Rohrverzweigung 31 verbunden sind, zu verlassen. Das Kühlmittel wird durch den Druckbehälter 2 und die Wärmeaustauscher 29 in Umlauf gebracht, und zwar vermittels Gebläsevorrichtungen, die sich in Gehäusen 30 befinden, welche an den unteren Enden der Wärmeaustauscher 29 befestigt sind.Each coolant line 4 contains two coaxially arranged tubes 16, 17, the coolant in the Pressure vessel 1 enters through the annular channel between the tubes 16, 17, through the openings 18 in the grid 8 passes through the fuel elements 21 within the channels 11 in the core structure 3 flows and enters the end chamber 14 to the pressure vessel 1 through a series of tubes 19, which are connected to the inner coaxial pipe 16 by means of an annular pipe branch 31 are to leave. The coolant is passed through the pressure vessel 2 and the heat exchanger 29 circulated by means of fan devices located in housings 30, which are attached to the lower ends of the heat exchangers 29.

Durch die Abschirmungen 5, die sich in dem Kugelabschnitt 20 von D-förmigem Querschnitt befinden, wird sichergestellt, daß die Rohre 4 nur einer vertretbaren Aktivierung ausgesetzt werden (etwa 10⁵ thermische Neutronen pro Quadratzentimeter und Sekunde, wie oben angeführt), wenn der Reaktor sich in Betrieb befindet, und nur einer vertretbaren Gammastrahlung (etwa 0,25 Tausendstel biologische Röntgenäquivalente pro Stunde für begrenzte Zeitabschnitte), wenn der Reaktor abgeschaltet ist.The shields 5, which are located in the spherical section 20 of D-shaped cross-section, ensure that the tubes 4 are only exposed to a reasonable activation (about 10 ⁵ thermal neutrons per square centimeter and second, as stated above) when the reactor is in operation, and only a reasonable amount of gamma radiation (about 0.25 thousandths of biological X-ray equivalents per hour for limited periods of time) when the reactor is switched off.

Die Wärmeaustauscher 29 befinden sich in biologischen Betonabschirmungen 22 (welche Verlängerungen der den Reaktordruckbehälter 2 enthaltenden Abschirmung 6 bilden) und werden durch radial angeordnete Säulen 23 getragen. Kugellager 25 zwischen den Säulen 23 und Konsolen 26, die mit dem Gehäuse der Wärmeaustauscher verschweißt sind, sind in einer Ebene angeordnet, die mit den Achsen der Rohre 4 zusammenfällt, um sowohl eine radiale Ausdehnung der Wärmeaustauscher 29 als auch eine Längsausdehnung der Rohre 4 zu ermöglichen. Der Druckbehälter 2 wird von radial angeordneten Säulen 27, Kugellagern 32 und Konsolen 33 in ähnlicher Weise wie die Wärmeaustauscher 29 getragen.The heat exchangers 29 are in biological Concrete shields 22 (which are extensions of the reactor pressure vessel 2 containing Form shield 6) and are supported by radially arranged columns 23. Ball bearing 25 between the columns 23 and brackets 26, which are welded to the housing of the heat exchanger arranged in a plane which coincides with the axes of the tubes 4 to both have a radial extension to enable the heat exchanger 29 as well as a longitudinal expansion of the tubes 4. Of the Pressure vessel 2 is supported by radially arranged columns 27, ball bearings 32 and brackets 33 in a similar manner Manner as the heat exchanger 29 is carried.

Wenn, wie es allgemein üblich und in den Zeichnungen dargestellt ist, der Reaktordruckbehälter und die Wärmeaustauscher längsseitig nebeneinander aufgestellt sind, ermöglicht die Erfindung die Verwendung kurzer, ecken- und kantenfreier Kühlmittelleitungen zwischen dem Druckbehälter und den Wärmeaustauschern. Die Neutronenströmung in Richtung der Rohre (ein üblicher Nachteil bei Rohren, die radial zum Reaktorkern angeordnet sind) stellen kein Problem dar, da die Abschirmungen 5 dafür sorgen, daß die meisten Neutronen vor Erreichen der Rohre absorbiert werden.If, as is common practice and shown in the drawings, the reactor pressure vessel and the heat exchangers are set up alongside one another, the invention enables the use short, corner and edge-free coolant lines between the pressure vessel and the Heat exchangers. The flow of neutrons towards the tubes (a common disadvantage with tubes that are arranged radially to the reactor core) do not pose a problem, since the shields 5 ensure that that most of the neutrons are absorbed before reaching the tubes.

Claims

Claim:

Atomic nuclear reactor with an upright, cylindrical core structure, that of vertical Fuel channels penetrated and enclosed in a substantially spherical pressure vessel so that an annular space of D-shaped cross-section between the sides of the core and the container wall arises, the container wall of lines for guiding Coolant is penetrated after the reactor core and away from it and wherein the supply line penetrates the container wall in the area of the annular space with a D-shaped cross section and the coolant is fed to a distribution line at the lower end of the core and the discharge

line is connected to a collecting line at the upper end of the core, characterized in that that the supply line is coaxial with the discharge line in a manner known per se surrounds and that a neutron shield structure in the annulus of D-shaped cross-section between the core and the coolant supply lines is arranged.

Considered publications:

Belgian Patent No. 561184; British Patent Nos. 785,945, 785,528;

Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, VoI 8, 1958, p. 429;

Atomics, January 1957, p. 6;

Schweizerische Bauzeitung, September 8, 1956, p. 541.

1 sheet of drawings