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Verfahren und Vorrichtung zum Beschicken von Kernreaktoren Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Be- und Entladen von Kernreaktoren und auf eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Der Verbauch oder Abbrand des Brennstoffes bei fortschreitender Spaltung
während des Reaktorbetriebes macht es erforderlich, den Brennstoff periodisch durch
frischen Brennstoff zu ersetzen, um den Reaktor betriebsfähig zu erhalten. Beim
Entfernen eines verbrauchten Brennelements aus dem Reaktorkern ergibt sich dabei
das Problem, das Zerfallen des zu entfernenden Elements während des Transports zur
Ablagestelle durch die Entwicklung von Wärme aus dem Zerfall von Spaltprodukten
zu verhindern. Es ist daher ein zusätzliches Kühlsystem erforderlich, um die Kühlung
des zu entfernenden Elements vom Zeitpunkt des Auswechselns an weiter fortzuführen.
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Der Erfindungsvorschlag zeigt hierzu einen Weg. Das Verfahren nach
der Erfindung zum Be- -und Entladen von Kernreaktoren ist durch folgende Verfahrensschritte
gekennzeichnet: a) Absenken eines entweder vor dem Einbringen oder durch Absenken
in die Kühlflüssigkeit des Reaktordruckgefäßes mit Flüssigkeit gefüllten, oben offenen
Behälters mittels einer Greifervorrichtung in das-Reaktordruckgefäß bis unterhalb
des Kühlmittelspiegels und Ausrichten und Aufsetzen des Behälters auf das obere
Ende einer Brennelementuntereinheit der Kernreaktorzelle eines Brennstoffkanals;
b) Ausklinken der Greifervorrichtung am Behälter, Verschwenken und Absenken der
Greifervorrichtung auf die zu entladendeBrennelementuntereinheit und Überführung
dieser Untereinheit in den Behälter; c) Ausklinken der Greifervorrichtung an der
Brennelementuntereinheit, Einklinken der Greifervorrichtung am Behälter, Anheben
des Behälters mit Brennelementuntereinheit und Überführen nach einer Ablagestelle.
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Es ist wesentlich für den Erfindungsgegenstand, daß das zu entfernende
Brennelement, sobald es aus der Zellkonstruktion genügend frei ist, in den abgesenkten
Behälter, der möglichst nahe am Ausbauort stationiert ist, gebracht wird. Die besseren
Handhabungsmöglichkeiten, die durch das Eintauchen in die Behälterflüssigkeit gegeben
sind, stehen daher sofort zur Verfügung, und es ergeben sich Vorteile gegenüber
einem älteren Vorschlag (der bei Reaktorzellen anwendbar ist, die bis unter die
freie Oberfläche der Reaktorkühlflüssigkeit in einem Behälter eingetaucht sind),
gemäß dem die entfernten Elemente nach einer Ablagestelle gebracht werden, die an
anderer Stelle in dem Reaktorbehälter unter der Flüssigkeitsoberfläche liegt, ohne
daß die freie Oberfläche der Flüssigkeit berührt wird. Nach vorliegender Erfindung
ist es dagegen nicht unbedingt erforderlich, unter der Flüssigkeitsoberfläche zu
ärbeiten; das Brennelement in dem Behälter kann ohne Gefahr in den Raum über der
Flüssigkeitsoberfläche gehoben, durch die Wandung des -Reaktorbehälters geführt
und beispielsweise in das Innere einer Lademaschine gebracht werden. Wenn das Brennelement
für eine gewisse Zeitspanne im abgeschlossenen Inneren einer solchen Maschine bleiben
soll, ist es ratsam, die Wärmeabgabe des das Brennelement enthaltenden Behälters
durch Strahlung dadurch zu unterstützen, daß ein übliches System zum Zirkulieren
eines gasförmigen Kühlmittels über diesen Behälter vorgesehen wird.
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Die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung setzt eine Lademaschine
voraus, die mit einem linear auf den mit Flüssigkeit gefüllten Brennelementaufnahmebehälter
zu oder von ihm fort bewegbaren Greifer versehen ist. Der Greifer ist dabei auf
einer Bahn bewegbar, die exzentrisch, aber parallel zur Achse eines drehbaren Greiferführungsrohres
verläuft, mit dessen Hilfe der Greifer auf die Brennelementuntereinheit bzw. auf
den Behälter ausgerichtet werden kann. -
Der Greifer muß dabei so
ausgebildet sein, daß er einerseits das Ergreifen des besagten Behälters und andererseits
das Ergreifen des Brennelements gewährleistet.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
wird im nachfolgenden an Hand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert, und zwar zeigt bzw. zeigen F i g. 1 A, 1 B und 1 C schematische
Darstellungen der verschiedenen Betriebszustände derLademaschine beim Entladen einer
Brennelementuntereinheit, F i g. 2 einen Schnitt durch den Aufnahmebehälter in vergrößertem
Maßstab mit gewissen Einzelheiten anderer Bauteile, die in strichpunktierten Linien
angedeutet sind, F i g. 3 einen Längsschnitt durch den Greifer gemeinsam mit seinem
Betätigungsmechanismus, F i g. 4 im Schnitt eine schematische Darstellung eines
Kernreaktors vom Schnellreaktortyp, bei dem die Brennstoffversorgung gemäß dem Verfahren
nach der Erfindung vorgenommen wird, und F i g. 5 eine Einzelheit der F i g. 4,
und zwar eine Brennelementaufbewahrungseinrichtung im vergrößertem Maßstab.
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Wie aus der F i g. 4 ersichtlich ist, ist eine Betonwand 1 zum biologischen
Schutz, die innen eine zylindrische Reaktorkammer 2 begrenzt, in einem aufrecht
stehenden, von einer Kuppel begrenzten zylindrischen äußeren Behälter 3 enthalten,
der aus geschweißtem Stahlblech hergestellt und dessen Inneres in der oberen Hälfte
4 über der oberen Fläche oder Ladebühne 5 der biologischen Abschirmung zum Handhaben
der Reaktorbestandteile frei ist. Für allgemeine Bedienungszwecke ist über der Ladebühne
auf einer Laufschiene 7 ein beweglicher Kran mit einem Läufer 6 verschiebbar angeordnet.
Für speziellere Zwecke ist eine Lademaschine 8, einschließlich eines einen Eigenantrieb
aufweisenden Läufers 8 a auf Schienen über die Ladebühne bewegbar angeordnet, wie
bei 9 angedeutet ist. Ein nach oben offener Tank 10, der aus geschweißtem Stahlblech
hergestellt ist, ist in der Reaktorkammer 2 untergebracht, und er enthält ein Kühlmittel
aus flüssigem Metall, z. B. Natrium, in das der Reaktorkern ein-Qetaucht ist. Der
Tank bildet gemeinsam mit der Abdeckung, die sich aus der Abschirmung der Ladebühne
ergibt, einen Behälter, der den Reaktorkern völlig einschließt.
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Der Reaktorkern enthält eine Anzahl vertikaler Kanäle 11, von denen
nur einer in den F i g. 1 A bis 1 C gezeigt ist. Im Schnitt weist dieser Kanal 11
die Form eines Sechsecks auf, damit er drei zu einer Gruppe zusammengefaßte Brennelementuntereinheiten
aufnehmen kann, deren Ouerschnitt rhombisch ist. Diese Form ist in der F i g. 2
sichtbar, wo der Umriß einer solchen Untereinheit mit 12 bezeichnet ist;
die in den F i g. 1 A bis 1 C sichtbaren Untereinheiten sind mit 13 und 14 bezeichnet.
Eine Deckplatte 15, die über die Zellenkonstruktion hinausragt, weist eine öffnung
von entsprechender sechseckiger Form auf, um den Kanal 11 aufzunehmen. In der Mitte
der Ladebühnenabschirmung ist eine drehbare Abschirmvorrichtung angeordnet, die
aus einer inneren Abschirmung 16 besteht, die exzentrisch in einer äußeren Abschirmung
16a angeordnet ist. Die innere Abschirmung weist einen exzentrisch angeordneten
drehbaren Dichtungszapfen 17 mit einer Mittelbohrung auf, über den die Versorgung
der Brennelementzellen mit Hilfe einer Lademaschine stattfindet. Die Abschirmeinrichtung
reicht bis in die Kühlflüssigkeit, deren Oberfläche durch die unterbrochene Linie
18 dargestellt ist.
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Ein gerades Führungsrohr 19 ist in der Mittelbohrung, die durch den
Zapfen 17 führt, befestigt und erstreckt sich bis nahe der Zellenabdeckung 15. Innerhalb
des Führungsrohres wird ein Läufer 20 mittels Rollen in geraden U-förmigen Laufbahnen
21 (F i g. 2) geführt, die innerhalb des Führungsrohres angeordnet sind, so daß
der Läufer geradlinig auf die Brennelementzelle zu und von ihr fort bewegbar ist,
aber keine Drehung relativ zum Führungsrohr ausführen kann. Die Bewegungsrichtung
eines Greifers 22, der vom Läufer nach unten ragt, ist exzentrisch, aber parallel
zur Achse des Führungsrohres.
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Einzelheiten des Greifers 22 sind in der F i g. 3 gezeigt. Der Greifer
besitzt zwei Klauenplatten 23 und 24, die sich um einen gemeinsamen Zapfen 25 drehen
und Rücken gegen Rücken mit ihren Klauen in entgegengesetzten Richtungen angeordnet
sind. An den den Klauen entgegengesetzten Enden weisen diese Platten doppelte wellenförmige
Schlitze wie bei 26 auf, in die ein Führungsstift 27 hineinragt. Diese Schlitze
sind entgegengesetzt gerichtet, so daß durch Anheben des Führungsstiftes relativ
zu den Klauenplatten die Klauen zunächst derart gespreizt werden, daß sie eine Brennelementuntereinheit
28 a ergreifen können, was einer Stellung des Stiftes in der Mitte der Länge der
Schlitze entspricht; durch weiteres relatives Heben des Führungsstiftes können die
Klauen den Behälter 29 ergreifen, und zwar bei der Stellung des Stiftes an den oberen
Enden der Schlitze. Die Klauenplatte 23 ist in dem Zustand gezeichnet, in dem sie
die Untereinheit ergreift, während die Klauenplatte 24 in dem Zustand gezeigt ist,
in dem sie den Behälter 29 ergreift. In beiden Fällen ist ersichtlich, daß die Brennelementuntereinheit
28 oder der Behälter 29 durch Eingreifen der Klauen in entgegengesetzt gerichtete
Vertiefungen erfaßt wird.
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Der Mechanismus zum Heben des Betätigungsstiftes relativ zu den Klauenplatten
wird von einem Hebestab 30 gehalten, der drehbar ist und eine Vorrichtung
aus Gewinde und Mutter enthält, die mit 31 bezeichnet ist. Mit Hilfe dieser Vorrichtung
wird die Drehbewegung des Hebestabes in eine längsgerichtete hebende oder senkende
Bewegung verwandelt, die auf den Führungsstift 27 übertragen wird. Dabei wird der
geradlinig bewegbare Teil der Vorrichtung 31 an Drehbewegungen durch eine
aus Stift und Nut bestehende Anordnung 32 gehindert.
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Der Behälter 29 ist im Grunde ein oben offener Behälter, der so geformt
ist, daß eine Brennelementuntereinheit in ihrer vollen Höhe gut hineinpaßt. Der
Behälter weist an seinem unteren Ende jedoch gegenüberliegende parallele Platten
33 und 34 auf, die so an ihm befestigt sind, daß vier Seiten einer sechseckigen
Form entstehen, die in die Öffnung der Zellenabdeckplatte 15 paßt. Weiter ist in
diesem gleichen Teil die Form des Inneren so ausgebildet, daß die Innenwand 35 zwei
Seiten eines Rhombus bildet, die der Form, die durch die Hauptlänge des Behälters
bestimmt ist, entsprechen, aber entgegengesetzt gerichtet sind. Mit dieser Ausbildung
wird eine Vergrößerung des Fassungsvermögens des Behälters erreicht. Zum Zusammenwirken
mit dem Behälter 29 weist das Führungsrohr 19 einen inneren Vorsprung 36 auf, der
so angeordnet ist, daß er sich
über das obere Ende des Behälters
29 legt, wenn das Rohr relativ zum Behälter in die Stellung gedreht wird, in der
der Vorsprung 36 (s. F i g. 2) sichtbar ist.
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Im nachfolgenden wird der Ausbauvorgang einer Brennelementuntereinheit
unter Verwendung des vorhergehend beschriebenen Gerätes mit Hinweis auf die F i
g. 1 A bis 1 C erklärt. Zum Entfernen der Brennelementuntereinheit 13 aus dem Kanal
11 wird der Zapfen 17 so lange gedreht, bis der Greifer 22 sich in einer solchen
Stellung befindet, daß die aus der Wand 35 gebildete Führungsfläche des leeren Behälters
29, der zu der Zeit am Greifer hängt, auf die Untereinheit 13 ausgerichtet ist.
der Greifer wird dann gesenkt, um den Behälter mit der Öffnung in der Zellenabdeckplatte
15 in Deckung zu bringen. Wegen der nicht kreisförmigen, auf einanderpassenden Querschnitte
der Deckplattenöffnung und des unteren Teils des Behälters 29 ist der letztere gegen
Drehbewegungen gesichert und liegt auf den Oberteilen der Brennelementuntereinheiten
auf, wie in der F i g. 1 A gezeigt ist.
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Jetzt wird der Greifer betätigt, um den Behälter freizugeben; der
Zapfen 17 wird dann um 180° gedreht, um den Greifer auf die Untereinheit, die entfernt
werden soll, auszurichten. Durch diese Drehung wird der Vorsprung 36 über das obere
Ende des Behälters gebracht. Dann erfolgt das Senken des Greifers entlang dem Behälter
auf die Untereinheit, und die Untereinheit wird durch entsprechendes Einstellen
des Greifers erfaßt. Dieser Zustand ist in der F i g. 1 B gezeigt.
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Jetzt wird der Greifer gehoben, bis die an ihm befestigte Untereinheit
13 am Vorsprung 36 vorbei ist. Dann wird der Zapfen 17 wieder um 180° gedreht, um
die Untereinheit auf den Behälter 29 auszurichten. Während des Hebens der Untereinheit
13 liegt der Vorsprung 36 über dem oberen Ende des Behälters 29 und drückt diesen
gegen die Zelle, um das Mitanheben der anderen Untereinheiten (z. B. 14) zu verhindern.
Durch Senken des Greifers wird nun die Untereinheit, wie in F i g. 1 C gezeigt ist,
in den Behälter 29 eingeführt. Durch entsprechende Betätigung des Greifers wird
die Untereinheit freigegeben. Danach wird der Greifer an dem Behälter 29 angesetzt,
der zum Transport an eine Ablagestelle nunmehr bereitsteht.
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Als eine solche Ablagestelle dient ein drehbares Magazin, wie es in
der F i g. 5 dargestellt ist, das in einem Hohlraum 37 in der Ladebühnenabschirmung
untergebracht ist (F i g. 4). Das Magazin umfaßt einen oben offenen zylindrischen
Behälter 38, der in dem Hohlraum 37 hängt, eine Drehplatte 39, die auf Kugellagern
40 am Rand des Behälters 38 gelagert ist, und einen Ring von Aufbewahrungsröhren
41.
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Diese Aufbewahrungsröhren sind oben offen und werden von der Drehplatte
39 gehalten. Ein Abdeckgehäuse 42 über dem Hohlraum 37 weist Öffnungen 43 auf, durch
die der Behälter 29 mit einer Untereinheit geführt werden kann. Im oberen Teil des
Gehäuses 42 ist ein (nicht gezeichnetes) Verschlußventil angeordnet, das durch ein
Handrad 44 betätigt werden kann, um die Öffnungen zu schließen. Jede der Aufbewahrungsröhren
41 kann auf die Öffnungen im Abdeckgehäuse 42 mit Hilfe eines Anzeigemechanismus
ausgerichtet werden. Dieser Anzeigemechanismus enthält ein Zahnrad 45, das durch
ein Handrad 46 gedreht werden kann und in einen kreisrunden Zahnkranz auf der Oberfläche
der Drehplatte 39 eingreift.
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Sobald der Behälter 29 mit der Brennelementuntereinheit durch das
Führungsrohr 19 in eine (nicht gezeichnete) Kammer mit Bleiabschirmung in den oberen
Teil der Lademaschine 8 eingebracht ist (diese Kammer ist mit einer Einrichtung
versehen, um einen kühlenden Gasstrom aus Stickstoff über den Behälter 29 zirkulieren
zu lassen), wird die Lademaschine zum Magazin bewegt; der Behälter 29 mit der Untereinheit
wird dann in eine freie Aufbewahrungsröhre 41 abgesenkt.
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Da der Behälter 29 in das flüssige metallische Reaktorkühlmittel eingetaucht
wurde, bleibt die Brennelementuntereinheit während des Ausbaues und der Lagerung
im Abstellmagazin ständig in dem im Behälter 29 zurückgebliebenen Kühlmittel eingetaucht.
Die Untereinheit selbst besteht aus einer Anzahl paralleler, eingehüllter Stäbe
aus Kernbrennstoff deren Zerfallswärme durch das im Behälter 29 vorhandene flüssige
Metall, das die Stabzwischenräume ausfüllt, zur Behälterwandung abgeleitet wird.
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Um die entfernte Brennelementuntereinheit durch eine frische Untereinheit
zu ersetzen, wird das oben beschriebene Verfahren umgekehrt, wobei zu beachten ist,
daß die Untereinheit die richtige Einstellung haben muß, wenn sie sich dem Kanal
nähert, damit sie von der Wandung 35 des Behälters 29 freikommt. Wenn die neue Untereinheit
eingeführt wird, kann der Behälter 29 leer oder mit einer flüssigen Metallfüllung
versehen sein.