DE1214335B - Stopfen fuer die Durchlaesse eines Kernreaktors - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20

Nummer: 1214 335

Aktenzeichen: U 6466 VIII c/21 j

Anmeldetag: 29. August 1959

Auslegetag: 14. April 1966

Die Erfindung bezieht sich auf Stopfen für die Durchlässe eines Kernreaktors mit einem moderierenden Kernaufbau, der von einem Reflektor für thermische Neutronen umgeben ist, wobei der Kern und der Reflektor von Brennstoffelementkanälen durchsetzt sind, ferner mit einem neutronenabsorbierenden Aufbau, der dicht außerhalb des Reflektors vorgesehen und von den Durchlässen durchsetzt ist, die mit den Brennstoffelementkanälen fluchten, wobei der aus neutronenstreuendem Material bestehende Stopfen aus dem jeweiligen Durchlaß herausnehmbar ist und nicht geradlinige Kühlmittelströmungswege aufweist.

In flüssigkeitsgekühlten, festen, beispielsweise mit Graphit moderierten, Energieerzeugungsreaktoren, bei denen man bestrebt ist, die Kosten der Energiegewinnung zu senken, werden hohe Betriebstemperaturen und hohe Brennstoffbeanspruchungen als wesentlich angesehen. Hohe Temperaturen und hoher Neutronenfluß, der von einer hohen Brennstoffbeanspruchung herrührt, kann den Moderatoraufbau so stark beeinträchtigen, daß er ausgewechselt werden muß, und zu diesem Zweck ist es erwünscht, eine innere Neutronenabschirmung mit hohen Neutronenabsorbierungseigenschaften zwischen dem Moderatoraufbau und einem Zugangsbereich des Druckbehälters, der den Moderatoraufbau enthält, vorzusehen. Die Neutronenabschirmung vermindert die Anhäufung von Radioaktivität in der Stahlkonstruktion des Zugangsbereichs und ermöglicht außerdem den Aus·» tausch des· Moderatoraufbaus, und zwar entweder durch Abnehmen der Umkleidung oder als Ganzes nach Abschalten des Reaktors und Abnehmen eines Teiles des Druckbehälter, wobei die innere Neutronenabschirmung zum Schutz von Personen dient, die mit dem Abnehmen des letzteren beschäftigt sind. Die übliche biologische Abschirmung, die den Druckbehälter umgibt, wird natürlich weiterhin vorgesehen, aber das Vorhandensein der inneren Neutronenabschirmung ermöglicht es, die Stärke der biologisehen Abschirmung in der Nähe des Zugangsbereichs wegen der zusätzlichen Neutronenabsorbierungsfähigkeit der inneren Neutronenabschirmung zu vermindern.

Wo jedoch das Laden und Entladen im Zugangsbereich erfolgt, muß die innere Neutronenabschirmung durch Kanäle unterbrochen werden, die das Einsetzen von Brennstoffelementen in Brennstoffelementkanäle des Moderatoraufbaus sowie das Herausnehmen von Brennstoffelementen aus diesen zulassen, und ferner durch Kanäle, die die Steuerung und die Betätigung voß Abschaltstäben ermöglichen.

Stopfen für die Durchlässe eines Kernreaktors

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

Everett Long,

William Rodwell, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 1. September 1958 (28 077)

Bei Konstruktionen, bei denen das Kühlmittel von einem Sammelraum außerhalb der inneren Neutronenabschirmung abgeleitet wird, müssen notwendigerweise Kanäle vorgesehen werden, damit das Kühlmittel in den Sammelraum gelangt. Die Durchlässe für die Brennstoffelemente in der inneren Neutronenabschirmung ermöglichen zweckmäßigerweise eine Kühlmittelströmung während der Entnahme von ausgebrannten bzw. bestrahlten Brennstoffelementen, was zur Kühlung der Elemente und auch der Neutronenabschirmung dient. Wenn jedoch kein Einsetzen oder keine Entnahme von Brennstoffelementen stattfindet, so muß die Neutronenabschirmung, wenn der Reaktor in Betrieb ist, weiterhin Durchlässe für das Kühlmittel vorsehen, damit es den Sammelraum erreicht, während sie gleichzeitig verhindern muß, daß Neutronen die Abschirmung durchdringen.

Es ist natürlich möglich, die Durchlässe in der Neutronenabschirmung zum Beschicken und Entnehmen der Brennstoffelemente mit massiven abschirmenden Stopfen zu verschließen, die neutronenabsorbierende Eigenschaften haben, wie es bei den Beschickungsrohren in gegenwärtigen äußeren biologischen Abschirmungen üblich ist, und versetzte Kanäle in der Neutronenabschirmung vorzusehen, damit das Kühlmittel in den Sammelraum fließt. Diese Lösung erhöht jedoch den Druckverlust des Kühlmittels an der Neutronenabschirmung, was hohe Kosten an Ptimpenenergie mit sich bringt und außerdem zu einer übermäßigen Abmessung der Neu-

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tronenabschirmung zur Aufnahme der versetzten Kanäle führt.

Es ist z.B. bekannt, einen Reaktorkern vorzusehen, der eine Neutronenabschirmung in unmittelbarer Nähe des Kerns aufweist, und weiter ist es bekannt, die Neutronenabschirmung mit Durchlässen zu durchsetzen, die mit Brennstoffelementkanälen im Kern fluchten. Darüber hinaus ist es auch bekannt, die Durchlässe gegen eine Kühlmittelströmung durch einen Stopfen aus einem neutronenstreuenden Material zu verschließen und Haltestreben für den Brennstoff in die Brennstoffkanäle einzusetzen, ohne daß die Kühlmittelströmung ernsthaft behindert wird, indem man die Streben aus schraubenförmig gewundenem Plattenmaterial herstellt.

Zweck der Erfindung ist es, einen Stopfen mit einer Abschirmung für die Brennstoffelementkanäle zu schaffen, der während des Beschickens und Entladens abnehmbar ist, aber, wenn er sich an Ort und Stelle befindet, die Kühlmittelströmung durch die Durchlässe ohne wesentlichen Druckabfall an der Neutronenabschirmung ermöglicht.

Ein Stopfen für die Durchlässe eines Kernreaktors der eingangs genannten Gattung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Stopfen festgelegten Kühlmittelströmungswege durch tiefe, an sich bekannte schraubenförmige, mehrgängige Rippen mit großer Ganghöhe gebildet sind, die sich in an sich bekannter Weise über den Gesamtquerschnitt der Durchlässe erstrecken und die durch die Gesamtdicke des neutronenabsorbierenden Aufbaus hindurchreichen.

Durch die Erfindung werden Stopfen für Kernreaktoren geschaffen, die wegen der mehrgängigen tiefen Rippen Kühlmittelströmungswege mit großem Querschnitt durch die Neutronenabschirmung hindurch, mit geringer Ablenkung der Kühlmittelströmung und geringem Druckverlust ergeben, während eine Vielzahl von Neutronenstreuflächen geboten wird.

Dort, wo die Neutronenabschirmung sich innen in dem Druckbehälter eines flüssigkeitsgekühlten moderierten Kernreaktors befindet und die Durchlässe zum Einsetzen und Entnehmen von Brennstoffelementen verwendet werden, ist jeder Stopfen zweckmäßigerweise mit einem Brennstoffelement oder einer gekuppelten Säule von Brennstoffelementen verbunden, derart, daß er in einen Durchlaß beim Beschicken eingesetzt und aus diesem beim Entnehmen entfernt werden kann.

Jeder Stopfen kann mit einem Verschlußstopfen verbunden werden, der ein Beschickungsrohr in einer äußeren biologischen Abschirmung des Reaktors abdichten kann.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlicher an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Teilseitenansicht einer Neutronenabschirmung, eines Durchlasses in einem Teil einer Neutronenabschirmung für einen Kernreaktor und einen Stopfen für den Durchlaß,

Fig. 2 eine Teilseitenansicht im Mittelschnitt des in Fig. 1 dargestellten Stopfens in größerem Maßstab als in F i g. 1,

F i g. 3 einen Querschnitt nach der Linie ΠΙ-ΙΠ der F i g. 2, während

F i g. 4 eine schematische Seitenansicht eines Stopfens in bezug auf andere Teile, mit denen er verbunden ist, in einem kleineren Maßstab als in Fig. 1 wiedergibt.

Bei der dargestellten Konstruktion, die beispielsweise bei einem gasgekühlten, mit Graphit moderierten Kernreaktor angewandt wird, ist in dem Reaktordruckbehälter (von dem ein Teil in Fi g. 4 dargestellt und mit 1 bezeichnet ist) eine obere innere Neutronenabschirmung vorgesehen, von der Teile in den Fig. 1 und 4 dargestellt und mit 2 bezeichnet sind

ίο und die auf einer Anzahl von Füßen ruht (von denen einer in F i g. 1 dargestellt und mit 3 bezeichnet ist), welche in einer Buchse 4 sitzen, die auf der Oberseite des Graphitmoderators ruht, von dem ein Teil in den Fig. 1 und 4 abgebildet und mit 5 bezeichnet ist. Jede Buchse 4 läßt eine gewisse Winkelbewegung des entsprechenden Fußes 3 zu.

Die Neutronenabschirmung 2 hat mehrere senkrechte Durchlässe 7 (Fig. 1 und 4), die axial mit dem entsprechenden Brennstoffelementkanal in den Moderator 5 fluchten, mit einem entsprechenden Zugangs- oder Beschickungsrohr in der oberen biologischen Abschirmung (von der ein Teil in Fig. 4 dargestellt und mit 6 bezeichnet ist). Um den Durchtritt von Neutronen entlang dem Durchlaß 7 zu verhindern, die aus dem Moderator 5 entweichen könnten, während eine praktisch unbehinderte Strömung von gasförmigem Kühlmittel entlang dem Durchlaß 7 zugelassen wird, ist ein Stopfen 8 vorgesehen, mit dem Zweck, eine Anzahl von Hindernissen der geradlinigen Neutronenbahn entgegenzusetzen, um sie dadurch zu zerstreuen und in der Neutronenabschirmung zu absorbieren, während gleichzeitig ein Kühlmittelströmungsweg geschaffen wird, der nicht so sehr gewunden ist, daß er einen merklichen Druckabfall in der Kühlmittelströmung verursacht. Zu diesem Zweck besteht der Stopfen 8 aus einem Mittelstab 9, der von einem Rohr 10 umgeben ist, welches mit mehreren schraubenförmigen Rippen 11, die ein Außenrohr 12 berühren, versehen ist. Zweckmäßigerweise sind bei einem typischen Ausführungsbeispiel von den Rippen 11 sechs in vier Windungen vorhanden. Sie können aus einem Stück mit dem Rohr 10 oder auch getrennt davon hergestellt und dann aufgeschweißt oder anderweitig in ihrer Lage auf dem Rohr befestigt werden. Vorzugsweise sind die Außenkanten der Rippen 11 nicht mit dem Außenrohr 12 verbunden, um Wärmeausdehnungen und -Schrumpfungen zu ermöglichen, wenn der Stopfen 8 einem heißen Kühlmittel ausgesetzt ist.

Der Durchlaß 7 in der Neutronenabschirmung 2 ist mit einem Rohr 13 ausgekleidet, das sich bis in den Fuß 3 erstreckt und in dem sich das Außenrohr 12 mit festem Gleitsitz befindet, damit kein Ringspalt entsteht, durch den Neutronen hindurchdringen könnten.

Jeder Stopfen 8 ist durch einen oberen Ansatz 14 des Außenrohr 12 und durch einen oberen Ansatz 15 (s. Fig. 1) des Stabes 9 mit einem biologischen Abschirmungs-Verschlußstopfen 16 (s. Fig.4) sowie durch eine untere Verlängerung 17 des Außenrohres 12 und einen unteren Ansatz 18 (s. Fig. 1) des Stabes 9 mit einer Säule gekuppelter Brennstoffelemente 19 verbunden, die schematisch in Fig. 4 dargestellt sind. Die Brennstoff elemente 19 können miteinander durch gegliederte oder Kardangelenke 20 verbunden werden, und es kann eine ähnliche Verbindung 21 zwischen der Säule der Brennstoffelemente 19 und dem Stopfen 8 oder, wie dargestellt,

■der Verlängerung 17 vorhanden sein. Der biologische Abschirmungs-Verschlußstopfen 16, der Stopfen 8 und die Säule von Brennstoffelementen 19, die insgesamt miteinander verbunden sind, können als komplette Einheit herausgezogen oder in die Gebrauchsstellung mit Hilfe der üblichen Beschickungsmaschine gebracht werden, die auf der Beschickungsbühne des Reaktors sitzt. Das Rohr 13 erstreckt sich aufwärts über einen heißen Sammelraum 22 (s. Fig. 4) zu einem Zugangs- oder Beschickungsrohr (nicht dargestellt), das normalerweise durch den Abschirmungs-Verschlußstopfen 16 dicht verschlossen wird, wobei das Kühlmittel in den Sammelraum 22 strömt, bevor es in eine (nicht dargestellte) Wärmeaustauschvorrichtung gelangt.

Die Neutronenabschirmung 2 besteht vorzugsweise aus wechselnden Schichten von Borstahl und Graphit.

Das gasförmige Kühlmittel hat einen verhältnismäßig unbehinderten Durchtritt nach oben in jedem Durchlaß 7 in der Neutronenabschirmung 2, wobei die schraubenförmigen Rippen 11 gleichsam eine stromlinienartige Strömung ermöglichen und dadurch einen nennenswerten Druckabfall an der Abschirmung 2 vermeiden, aber zugleich eine Anzahl von eine Streuung bewirkenden Hindernissen für die Neutronen ergeben, welche aufwärts durch den Durchlaß 7 auf ihrer charakteristischen geradlinigen Bahn zu strömen versuchen. Das Material, aus dem der Stab 9, das Rohr 10, die Rippen 11 und das Außenrohr 12 bestehen, braucht keine neutronenabsorbierenden Eigenschaften wie Borstahl zu besitzen, sondern kann aus rostfreiem Stahl bestehen, da seine Funktion, soweit sie Neutronen betrifft, in erster Linie darin besteht, sie zu zerstreuen. Wenn das Material des Stopfens 8 nicht die Eigenschaft hat, Neutronen zu absorbieren, so muß die Abschirmung 2 eine erhöhte Neutrone'nabsorptionsfähigkeit im Vergleich zu dem Fall haben, bei dem neutronenabsorbierende Abschirmverschlußstopfen in den Durchlässen verwendet werden. Dies erfolgt dadurch, daß die Neutronenabschirmung dicker gemacht wird.

Claims (2)

1. Patentanspruch:

   Stopfen für die Durchlässe eines Kernreaktors mit einem moderierenden Kernaufbau, der von einem Reflektor für thermische Neutronen umgeben ist, wobei der Kern und der Reflektor von Brennstoffelementkanälen durchsetzt sind, ferner mit einem neutronenabsorbierenden Aufbau, der dicht außerhalb des Reflektors vorgesehen und von den Durchlässen durchsetzt ist, die mit den Brennstoffelementkanälen fluchten, wobei der aus neutronenstreuendem Material bestehende Stopfen aus dem jeweiligen Durchlaß herausnehmbar ist und nicht geradlinige Kühlmittelströmungswege aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Stopfen (8) festgelegten Kühlmittelströmungswege durch tiefe, an sich bekannte schraubenlinienförmige, mehrgängige Rippen (11) mit großer Ganghöhe gebildet sind, die sich in an sich bekannter Weise über den Gesamtquerschnitt der Durchlässe (7) erstrecken und die durch die Gesamtdicke des neutronenabsorbierenden Aufbaus (2) hindurchreichen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschriften Nr. 796 047, 796 992;
   belgische Patentschrift Nr. 568 855;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 736 696;
   »Schiff und Hafen«, 1958, H.
2. 2, Bd. 10, S. 125.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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