DE1224846B

DE1224846B - Neutronen streuender Abschlussstopfen fuer Kuehlkanaele eines Kernreaktors

Info

Publication number: DE1224846B
Application number: DEU9655A
Authority: DE
Inventors: Donald Wilfred Lawson
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1962-03-20
Filing date: 1963-03-20
Publication date: 1966-09-15
Also published as: US3239424A; FR1354394A; BE629730A; GB957814A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21 c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1224 846

Aktenzeichen: U 9655 VIII c/21 g

Anmeldetag: 20. März 1963

Auslegetag: 15. September 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Neutronen streuenden Abschlußstopfen für durch eine Neutronenabschirmung führende Kühlkanäle eines Kernreaktors mit einem langgestreckten Körper im Kühlkanal, wobei der Körper mit radial vorspringenden, eine Anzahl von schraubenförmigen Strömungswegen für das Kühlmittel entlang den Stopfen bildenden Rippen versehen ist.

Ein solcher Abschlußstopfen kommt bei Kernreaktoren zur Anwendung, um einen Schutz gegen gefährliche Neutronen zu liefern, welche vom Reaktorkern emittiert werden. Die britische Patentschrift 880 489 zeigt einen Kernreaktor, bei welchem der Reaktorkern in einem Druckbehälter enthalten ist, wobei eine Neutronen-Abschirmung zwischen dem Kern und den Wandungen des Behälters vorgesehen ist. Die Neutronen-Abschirmung weist Ausnehmungen auf, um den Durchfluß des Reaktorkühlmittels durch die Abschirmung und die Ausnehmungen zu ermöglichen, die mit einem Neutronenstreustopfen ausgefüllt sind, welcher einen in Längsrichtung in der Ausnehmung liegenden langgestreckten Körper und eine Anzahl von radial bis an die Wand der Ausnehmung verlaufenden Rippen aufweist und eine Anzahl von schraubenförmigen Strömungswegen für das Reaktorkühlmittel begrenzt. Der Stopfen besteht aus einem Material mit hoherNeutronenstreucharakteristik, z.B. korrosionsbeständigem Stahl, und in die Ausnehmung strömende Neutronen treffen auf die Rippen auf und werden in die umgebende Neutronenabschinnung zerstreut, während der Kühlmittelstrom durch die Abschirmung nicht behindert ist.

Es wurde jedoch festgestellt, daß das in die schraubenförmigen Strömungswege strömende Kühlmittel eine Erhöhung der auf den Stopfen ausgeübten Drehkräfte bewirkt, so daß der Stopfen eine Neigung zum Drehen zeigt, und es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Neutronen-Streustopfen zu schaffen, in dem diese Neigung nicht mehr besteht.

Dies wird bei dem eingangs genannten Abschlußstopfen dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die schraubenförmigen Rippen am Ausgang des Stopfens flache, nicht schraubenförmige Fortsätze aufweisen, die parallel zur Achse des Stopfens liegen, so daß das die schraubenförmigen Strömungswege verlassende Kühlmittel ein Drehmoment auf den Stopfen erzeugt, das dem auf den Stopfen durch das in die schraubenförmigen Strömungswege einströmende Kühlmittel erzeugten Drehmoment entgegenwirkt.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Neigung der Abschlußstopfen, eine Rotationsbewegung durchzuführen, vermieden wird.

Neutronen streuender Abschlußstopfen für
Kühlkanäle eines Kernreaktors

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

Donald Wilfred Lawson, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 20. März· 1962 (10 642)

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispiejsweise wiedergebenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigen

Fig. IA und IB eine Teilansicht eines Längsmittelschnittes des oberen Teiles eines Kernreaktors, Fig. 2 einen Schnitt entlang der LinieH-II in Fig. IAund

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Strömungsweges.

Wie in F i g. 1A, 1B und 2 dargestellt, besteht ein Neutronenstreustopfen 1, der in Längsrichtung in einem vertikal durch eine Neutronenabschirmung 3 und einen Kern 4 eines Kernreaktors 5 verlaufenden Kühlkanal 2 liegt, aus einem langgestreckten Körper mit drei radial verlaufenden Rippen 6, die um die Achse des Stopfens so gewunden sind, daß sie schraubenförmige Strömungswege 7 für den Kühlmittelstrom entlang dem Stopfen begrenzen. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Kanal 2 ist durch den Pfeil 30 dargestellt. Die Rippen 6 haben obere und untere flache, nicht schraubenförmige Fortsätze 6 a, 6b, die parallel zur Achse des Stopfens 1 liegen und Strömungswege 7 b, Ί α begrenzen, die das Kühlmittel aus und in die schraubenförmigen Strömungswege 7

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leiten. Die Fortsätze 6 α dienen dazu, den Strom des aus den schraubenförmigen Strömungswegen 7 ausströmenden Kühlmittels so abzulenken, daß, wie im folgenden erläutert, Kräfte entgegengesetzt den auf den Stopfen durch das in den schraubenförmigen Strömungswegen7 strömende Kühlmittel übertragenen Drehkräften erzeugt werden.

Der Reaktor 5, der von bekannter Bauart ist, erzeugt Dampf und wird durch in einem Röhrenkessel 14 enthaltenes schweres Wasser 13 moderiert, der ein Gitter von Calandria-Röhren 15 hat, in deren jedem ein Kanal 2 liegt. Der obere Bereich des Röhrenkessels 14 ist durch eine Wand 16 so abgeteilt, daß _ ein Raum 17 begrenzt wird, der mit schwerem Wasser gefüllt ist und als Neutronenreflektor oberhalb des Kerns 4 dient.

Der Kanal 2 hat einen im Kern 4 liegenden unteren Teil 2 α aus einer Zirkon-Legierung und einen in der Neutronenabschirmung 3 Hegenden oberen Teil 2 b aus kohlenstoffarmem Stahl. Die Teile 2 α, ao 2 b sind an einem ihrer Enden mit Flanschen 18, 19 versehen, zwischen denen eine Dichtung 20 liegt. Die Flanschenden 18, 19 zusammen mit einem die Längenunterschiede durch thermische Ausdehnung der Teile 2 a, 2 b kompensierenden Kompensationsring 37 aus korrosionsbeständigem Stahl sind durch in an den unteren Enden der Teile 2 b sitzende Ringe 22 eingeschraubte Bolzen 21 miteinander verspannt. Der Reaktor wird mit bündelartigen Brennstoffelementen 23, die UO₂-Tabletten in korrosionsbeständigen Stahlhüllen enthalten, betrieben. Jedes Bündel 23 wird durch einen Mittelhalter 24 abgestützt, der an seinem oberen Ende eine Speichenabstützung 25 aufweist, welche auf dem Ring 37 im Kanal 2 aufliegt, in dem das Brennstoffelement 23 eingesetzt ist. Jedes Bündel 23 wird durch den Hubkopf 26 am Halter 24 in den Reaktorkern 4 eingesetzt und aus diesem herausgenommen.

Die Neutronenabschirmung 3 weist einen Tank 27 aus kohlenstoffarmem Flußstahl auf, der mit leichtem Wasser gefüllt und mit einer Borstahlplatte 38, mit z. B. 6,35 mm Dicke, abgeschirmt ist. Der Flußstahl des Tanks 27 mit einer Stärke von 25 mm für die Bodenplatte und 50 mm für die Deckelplatte dient als unelastisches Streumedium für Neutronen mit hoher Energie und als Gammastrahlen-Abschirmmedium. Das leichte Wasser mit einer Füllhöhe von etwa 2,3 m dient als Neutronenbrems- und Absorbermedium und als Gamma-Abschirrnmedium. Das leichte Wasser zirkuliert durch außenliegende Wärmeaustauscher zur Abführung der in der Abschirmung 3 erzeugten Wärme. Eine zusätzliche Gamma-Abschirmung wird durch 100 mm dicke Flansche 28 aus Flußstahl gebildet, die an den Kanälen 2 angeschweißt sind.

Der Neutronenstreustopf en 1 besteht aus korrosionsbeständigem Stahl, der eine hohe Neutronen-Streucharakteristik aufweist. Die Rippen 6 und ihre Vorsprünge 6 a, 6 b verlaufen bis zur Wand des Kanals 2, so daß der Stopfen dicht im Kanal sitzt und der Stopfen sitzt auf der Speicherabstützung 25 des Brennelementes 23 auf. Das untere Ende des Stopfens 1 ist mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Hubkopfes 26 des Brennelementes 23 versehen und weist einen Paßstift 31 auf, der sich in eine Bohrung 32 des Kopfes 26 am Ankerstab 24 einschiebt. Der Stopfen 1 ist mit einem Hubkopf 29 versehen.

Leichtes Wasser wird unter Druck in das obere Ende.des Kanals 2 eingeführt und wird durch die vom Bündel 23 abgegebene Wärme auf den Siedepunkt erhitzt. Der dadurch erzeugte Dampf strömt dann nach oben entlang den durch die Rippen 6 und ihre Fortsätze begrenzten Strömungswegen des Stopfens 1 und verläßt das obere Ende des Kanals 2, um im Gegenstrom durch einen gleichen Kanal in einem anderen Teil· des Reaktorkerns 4 zur Überhitzung zurückgeleitet zu werden. Der überhitzte Dampf wird dann zur üblichen Arbeitsleistung, z. B. zum Antrieb einer Turbine, herangezogen.

Die im Kanal 2 nach oben strömenden Neutronen treffen auf die Rippen 6 und werden auf die umgebende Neutronenabschirmung 3 gestreut, wo sie absorbiert werden.

Wie in F i g. 3 schematisch dargestellt, tritt der Strom des Kühlmediums entlang dem Stopfen 1 zuerst in den geraden Teil der Strömungsbahn 7 & ein und wird in die schraubenförmige Strömungsbahn 7 abgelenkt, wobei die Fortsätze 6 δ als Strömungsleitelemente dienen. Die Richtungsänderung des Stromes des Kühlmediums bewirkt zuerst eine durch einen Pfeil 33 dargestellte Drehkraft, die gegen jede der Rippen 6 wirkt und die ein Drehmoment auf den Stopfen ausübt. Wenn das Kühlmedium die schraubenförmige Strömungsbahn 7 verläßt, wird es durch Auftreffen auf die Fortsätze 6 a in axiale Richtung abgelenkt und die Richtungsänderung des Kühlmediums bewirkt eine zweite durch den Pfeil 34 dargestellte Drehkraft auf jeden der Fortsätze 6 a, wobei die zweite Drehkraft auf diese Weise entgegengesetzt der ersten Drehkraft wirkt.

Durch unterschiedliche Auftreffwinkel können die durch den Pfeil 33 dargestellten Drehkräfte in der Größe gegen die durch den Pfeil 34 dargestellten differieren und außerdem wirken noch die Massenkräfte des Stopfens. Die Differenz der Drehkräfte kann durch Änderung des Ablenkwinkels zwischen den Rippen 6 und ihren Fortsätzen 6 a, wie durch die gestrichelte Linie 35 angedeutet, geändert werden, d. h. es kann der wirksame Winkel, durch den der Strom des Kühlmediums abgelenkt wird, geändert werden.

Bei einigen Reaktoren, z. B. bei den in der britischen Patentschrift 897 446 beschriebenen, kann der Stopfen 1 mit dem Brennelement 23 verbunden nach oben verlaufen, um, z. B. mittels einer Kolbenringdichtung, gegen das Rohr 2 in einer lösbaren Verbindung abzudichten. Die Drehkräfte können, wenn sie nicht gemäß der Erfindung aufgehoben werden, eine unerwünschte Bewegung an den Dichtungen verursachen.

Claims

Patentanspruch:

Neutronen streuender Abschlußstopfen· für durch eine Neutronenabschirmung . führende Kühlkanäle eines Kernreaktors mit einem langgestreckten Körper im Kühlkanal, wobei der Körper mit radial vorspringenden, eine Anzahl von schraubenförmigen Strömungswegen für das Kühlmittel entlang den Stopfen bildenden Rippen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmigen Rippen am Ausgang . ■ des Stopfens (1) flache, nicht schraubenförmige Fortsätze (6 a) aufweisen, die parallel zur Achse des Stopfens (1) liegen, so daß das die schraubenförmigen Strömungswege (7) verlassende Kühl-

mittel (7 α) ein Drehmoment (34) auf den Stopfen erzeugt, das dem auf den Stopfen (1) durch das in die schraubenförmigen Strömungswege einströmende Kühlmittel (7 b) erzeugten Drehmoment (33) entgegenwirkt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 880 489, 897 446; »Atompraxis« 4, Heft 12,1958, S. 457; »Proceedings of the Second Int. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 8, S. 88.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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