DE1230502B - Experimentier-Bestrahlungsring fuer Schwimmbecken-Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21g

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1230 502

Aktenzeichen: C 24090 VIII c/21 g

Anmeldetag: 10. Mai 1961

Auslegetag: 15. Dezember 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Experimentier-Bestrahlungsring für Schwimmbecken-Kernreaktoren, der nach Wunsch an den Reaktorkern herangeführt und von ihm entfernt werden kann, der ein die zu bestrahlende Probe aufnehmendes, etwa parallel zur Längsachse des Reaktorkernes gerichtetes Rohr aufweist, das aus einem außerhalb des Schwimmbeckens angeordneten und einem in das Schwimmbecken eintauchenden Teil besteht.

Materialien oder Anordnungen, die einer mehr oder weniger starken und lang andauernden Bestrahlung ausgesetzt werden sollen, werden üblicherweise im Neutronenfluß von Kernreaktoren untersucht.

Allgemein werden für diese Art Experimente spezielle Experimentierkanäle im Innern der Reaktoren vorgesehen, die vertikal oder horizontal, radial oder tangential usw. liegen. Die in diese Experimentierkanäle im allgemeinen fest eingebauten Bestrahlungsvorrichtungen bzw. -kreise sind also an feste Temperatur-, Druck- und Strahlungsbedingungen und vor allem an bestimmte Abmessungen gebunden, was eine unbequeme Einschränkung und Unbeweglichkeit für die Planung von Experimenten bedeutet, und insbesondere ist es im allgemeinen unmöglich, Organe mit beträchtlichen Abmessungen zu untersuchen, selbst wenn eine gewisse Beweglichkeit der Bestrahlungsvorrichtung innerhalb des Kanals gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Experimentier-Betrahlungsring zu schaffen, der die Bewegungsmöglichkeiten innerhalb der Wasserschicht eines Schwimmbad-Reaktors und gleichzeitig die durch das Wasser gegebene Strahlungsabschirmung ausnutzt. Dabei soll eine in jeder Hinsicht möglichst bewegliche Anordnung geschaffen werden, die es insbesondere auch erlaubt, die zu untersuchenden Proben ganz nahe an den Reaktorkern heranzuführen oder zusätzliche Meßanordnungen anzubringen. Hierbei müssen gewisse Probleme auf einfache Weise gelöst werden, z. B. solche, die mit der Handhabung (insbesondere Vermeidung von Vibrationen oder Erschütterungen), der Kühlung, dem schnellen Ersatz eines mechanischen Teiles usw. zusammenhängen und die Korrosionsgefahr möglichst geringgehaiten werden.

Dieses Ziel wird bei dem eingangs genannten Experimentier-Bestrahlungsring dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß das Rohr von einer gegenüber den Wänden des Schwimmbeckens beweglichen Halterung getragenes, wärmegeschütztes Druckrohr ist, daß der Ring einen mit dem Druckrohr verbundenen, Elemente zum Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem Schwimmbeckenwasser enthaltenden Experimentier-Bestrahlungsring für
Schwimmbecken-Kernreaktoren

Anmelder:

Commissariat ä l'finergie Atomique, Paris
Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Victor Raievski, Chatenay-Malabry, Seine
(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:
_ao Frankreich vom 20. Mai 1960 (827 833)

Strömungskreis aufweist, daß der äußere Teil des Ringes mit dem eingetauchten Teil über biegsame Leitungen verbunden ist und daß eine feststehende Anlage zur Regulierung des Druckes sowie gegebenenfalls zur Messung der Radioaktivität der Kühlflüssigkeit vorhanden ist.

Bekannt sind hydraulisch arbeitende schnelle Bestrahlungseinrichtungen für Kurzzeitbestrahlungen, die bei Schwimmbad-Reaktoren verwendet werden, mit denen Bestrahlungsproben an irgendeine von Brennelementen nicht besetzte Position des Kerns befördert werden können. Mit derartigen Vorrichtungen können Bestrahlungsproben mit bestimmten, relativ kleinen Abmessungen zwar in verschieden definierte Stellungen gebracht werden, jedoch sind derartige Beförderungseinrichtungen unter anderem nicht zur Einregulierung besonderer Versuchsbedingungen oder zur Aufnahme von Gegenständen unterschiedlicher Größe geeignet, während die Vorrichtung gemäß der Erfindung relativ zum Reaktorkern vollkommen beweglich ist und für die Untersuchung auch größerer Objekte unter speziellen Bedingungen eingesetzt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsfonn kann die Verbindung zwischen dem feststehenden, aus dem Wasser herausragenden Teil und dem bewegbaren, eingetauchten Teil leicht gelöst werden, so daß dieser letztere Teil bequem ausgewechselt und speziellen Anforderungen angepaßt werden kann.

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Neben den obengenannten wesentlichen Kennzeichen umfaßt die Vorrichtung gemäß der Erfindung weitere zusätzliche, bevorzugt vorzusehende Merkmale, die aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen.

Wie insbesondere aus der folgenden Beispielsbeschreibung zu ersehen ist, machen diese Vorrichtungen den Meßring durch die Einfachheit der Ausführung geeignet für die verschiedenen Betätigungsvorgänge des Auseinandernehmens, Transportes, Entladens und Beschickens in einem heißen Laboratorium.

Die Erfindung ist an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

F i g. 1 zeigt einen vertikalen Teilquerschnitt des eingetauchten Bereiches;

F i g. 2 zeigt eine Ansicht des gesamten über der Wasseroberfläche befindlichen Bereiches, die die Verbindungen mit dem eingetauchten Bereich erkennen läßt.

Gemäß F i g. 1 umfaßt der eingetauchte Bereich des Ringes ein Rohrl (Druckrohr), das zur Aufnahme des zu bestrahlenden Elementes 2 dient. Dieses kann beliebig beschaffen sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es eine Brennstoffstange mit einer Umhüllung, deren Verhalten bei großen Neutronenflüssen untersucht werden soll. Die Stärke des Rohres 1 ergibt sich als Kompromiß zwischen der mechanischen Widerstandsfähigkeit einerseits und der Neütronendurchlässigkeit anderseits. Hierzu besteht das Druckrohr 1 in dem die Kernbrennstoffstange umgebenden Bereich z. B. aus einer Zirkonlegierung und in den anderen Bereichen aus nichtrostendem Stahl. Die mechanische Widerstandsfähigkeit ist als Funktion des inneren Druckes und der Wärmebeanspruchung berechnet.

Das Rohrl umfaßt am oberen Bereich einen Stopfen 3, der mittels eines Stabes 4 die Probe 2 hält. Das Rohr 1 ist in der Höhe der Probe 2 teilweise von einem Neutronenreflektor 5 umgeben. Dieser kann aus irgendeinem geeigneten Material, z. B. aus Graphit oder Beryllium, bestehen. Er dient dazu, beim Annähern des Ringes an den die Neutronenquelle bildenden Reaktorkern einen Bereich um das zu bestrahlende Element zu schaffen, in dem der Neutronenfluß konstant und gleichmäßig stark ist.

Parallel zu dem Druckrohr 1 ist ein zweites Rohr 6 angeordnet, das aus zwei Bereichen besteht, die im folgenden mit den Bezugszeichen 7 und 8 versehen sind. Der obere Bereich weist einen Stopfen 9 auf, ähnlich dem Stopfen 3 im Rohr 1, und ist an einem Stab 10 befestigt, der wiederum ein Filter 11 im Innern des Rohres 7 hält. Dieses Filter dient im wesentlichen dazu, Staub, Tröpfchen, Nebel und Aerosole, die von dem Strömungsmittel mitgerissen werden können, festzuhalten. Der untere Bereich 8 des Rohres 6 ist mit einem Strömungsmesser versehen, der z. B. die Bauart einer Drossel 12 hat, die vorher geeicht und mit einem nicht dargestellten Differentialdruckmesser verbunden ist, an dem sich direkt die Stromstärke des Strömungsmittels in dem Kreis ablesen läßt. Die Rohrhälfte 7 umfaßt am unteren Bereich ein gebogenes Ende, das in ein rohrförmiges Element 13 ausläuft, welches mittels eines Flansches 14 an ein Ventil 15' angesetzt ist. Dieses Ventil 15, ein sogenanntes Nebenstromventil, soll die Temperatur des Strömungsmittels regeln, indem es die in dem Ring strömende Menge zwischen einem Wärmetauscher 16 und dem übrigen Kreis des eigentlichen Ringes verteilt. Dieses Ventil umfaßt einen drehbaren oder bewegbaren Hahn und eine in den Figuren nicht dargestellte Regelvorrichtung, die zur Steuerung der Stellung des Hahnes dient.

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Wärmetauscher 16 ist so hoch wie möglich über der Probe 2 angeordnet, um die größtmögliche Strömung des

ίο Strömungsmittels durch natürliche Konvektion zu begünstigen, wobei das Wasser des Schwimmbeckens als Kühhnittel dient und die Anordnung analog einem Thermosiphon arbeitet.

Bei einer anderen Ausfuhrungsart gemäß der Erfindung ist bei dem Wärmetauscher ein Zwangskreislauf vorgesehen. In jedem Fall ist der Wärmetauscher derart bemessen, daß er sicherheitshalber als Thermosiphon arbeiten kann, wenn ein plötzlicher Defekt des Mechanismus, der im normalen Betrieb den Strö-

zo mungsmittelumlauf gewährleistet, auftritt.

Der zweite Auslaß des Ventils 15 ist mit einem Gebläse 17 mit horizontaler Achse verbunden. Es kann jedoch uneingeschränkt auch jede andere mechanische Gebläsevorrichtung verwendet sein, wobei die Wahl lediglich durch die Bedingungen geringer Abmessungen und einfacher Befestigungsmöglichkeit begrenzt sein sollten.

Die Mündung des Auslasses dieses Gebläses ist fest mit einem Flansch 18 verbunden, der wiederum an einem Rohrelement 19 von gleichem Durchmesser wie die Rohre 1 und 6 angesetzt ist und die Verbindung mit dem unteren Halbrohr 8 mittels eines Kniestückes 21 ermöglicht, das durch den Flansch 20 fest mit dem Rohr 19 verbunden ist.

Der Ring für den Strömungsmittelumlauf ist dann geschlossen, wenn die beiden Rohre 1 und 6 durch zwei Rohrstücke 22 und 23 im oberen bzw. unteren Bereich dieser Rohre verbindet.

Die Rohranordnung mit den Rohren 1, 7, 8, 22 und 23 ist mit einer Wärmeisolierung 24 umgeben, die die Wärmeverluste begrenzt und das Druckrohr auf einer passenden Temperatur hält, ohne ein schädliches Kochen des Schwimmbeckenwassers zu verursachen. Diese Isolierung 24 ist im allgemeinen durch eine sich nicht bewegende Strömungsmittelschicht gebildet, die sich in dem Ringraum zwischen dem Druckrohr 1 und dem koaxialen Rohr 25 befindet, welches außerdem als Führung für die Probe 2 dient. Das Rohr 25 kann außerdem von oben aus dem Rohr 1 herausgezogen werden, wenn die Probe sich in diesem verklemmen sollte.

Es sei bemerkt, daß der eingetauchte Bereich der Vorrichtung also gänzlich unabhängig ist und einen geschlossenen Kreis für das verwendete Strömungsmittel darstellt. Aus Gründen der Sicherheit bei den Versuchsbedingungen unter Bestrahlung stellt man die Elemente des Kreises, die in der Nähe des Reaktorkernes angeordnet sein sollen, derart her,-daß keine Stoffe verwendet sind, deren künstliche Radioaktivität zu Strahlenwirkungen führen könnte, die nicht verträglich sind mit der Unterhaltung des Gerätes. Insbesondere befindet sich der gesamte mechanische Teil, der in F i g. 1 längs der Flansche 14 und 20 dargestellt ist, außerhalb des für die Baustoffe nicht verträglichen Strahlungsbereiches.

Aus demselben Grunde muß eine sorgfältige Abdichtung jeder Verbindungsstelle des Kreises gewährleistet sein. Hierzu sind die Flanschverbindungen

durch Zwischenlegen von Ringdichtungen oder von verschweißten Lippendichtungen, die in gleicher Weise möglichst weit vom Reaktorkern entfernt sind, verbessert.

Um einen besseren Strahlenschutz dieser Organe und des vorerwähnten mechanischen Teiles zu erhalten, stellt man z. B. gegen die Rohre 7 und 8 einen Schirm 26 aus Blei oder irgendeinem anderen passenden Material. Beim Transport im heißen Laboratorium kann ein anderes, nicht dargestelltes Schutzelement an Stelle des Schirmes 26 treten, um die Isolierung des aktiven Teils des Ringes, der im wesentlichen das Druckrohr 1 umfaßt, zu gewährleisten.

Als Sicherheitsmaßnahme bei plötzlichem Defekt des Gebläsemechanismus läßt man das Strömungsmittel in dem Ring von unten nach oben in dem Druckrohr fließen, wie es durch die Pfeile F (F i g. 1) angedeutet ist, wodurch die natürliche Konvektion, die durch den Wärmetauscher 16 verursacht wird, erleichtert wird.

In F i g. 2 erkennt man den gesamten herausragenden Teil und den eigentlichen Ring, der durch die Bezugsziffer A gekennzeichnet ist. Der herausragende Teil steht fest und ist z. B. fest mit dem Reaktorbehälter verbunden, wobei er dem Ring gegenübergestellt ist, der im Innern des Reaktors beweglich ist. Die Verbindung zwischen den beiden Teilen ist durch nachgiebige Leitungen Πα und 27 b, die oberhalb der Wand 51 des Reaktors verlaufen, hergestellt. Die Leitung 27a ist z. B. an der Stelle 28 in der Mitte des Rohres 21 an den Ring angeschlossen, und die Leitung 27 b ihrerseits ist am oberen Ende des Stopfens 9 angeschlossen, der einen inneren Kanal 29 aufweist (Fig. 1), um den Durchtritt des Strömungsmittels zu gewährleisten. Die feststehende Anlage umfaßt "hauptsächlich einen geschlossenen Leitungskreis mit einem Wärmetauscher 30, mit Vorrichtungen 31 zum Messen der Radioaktivität und insbesondere mit einem Detektor für Umhüllungsbrüche, ein Gebläse 32 und einen Ausgleichsbehälter 33, in dem die Regelung des Druckes für den Ring A bzw. den untergetauchten Bereich ausgeführt wird.

Die nachgiebigen Leitungen 27 α und 27 & haben also eine doppelte Aufgabe. Einerseits gewährleisten sie den Hin- und Rücklauf des Strömungsmittels und andererseits ermöglichen sie Verschiebungen des Ringes A unter angemessener Sicherheit. Die Leitungen 27 a und 27 & sind über Verbindungen 34 und 35 bzw. abnehmbare Anschlüsse mit dem Ring verbunden, wobei je ein Absperrhahn 36 auf der einen Seite und ein Hahn 37 auf der anderen Seite für diese Anschlüsse ein Abnehmen ohne Entweichen des Strömungsmittels und das Abnehmen bzw. Entleeren des Ringes A ermöglichen (F i g. 1 und 2). Der Wärmetauseher 30 dient dazu, das Strömungsmittel für den Rest des Kreislaufes auf eine passende Temperatur zu bringen, um die Beschädigung der Meßgeräte zu verhüten. Der Detektor 31 für Umhüllungsbrüche dient zur Messung der Radioaktivität des Strömungsmittels. Das Gebläse 32 soll eine angemessene Stromstärke in dem untergetauchten Kreis aufrechterhalten, wenn die Druckdifferenz zwischen den Leitungen 27 α und 27 & nicht ausreicht, um eine genügende Stromstärke herzustellen, etwa auf Grund der Druckverluste beim Durchqueren des Wärmetauschers und der Meßvorrichtung für die Radioaktivität. Außerdem soll die Druckdifferenz im

wesentlichen als Funktion der Versuchsbedingungen veränderbar sein, und es ist nötig, eine Einrichtung zu verwenden, um das Strömungsmittel in Umlauf zu" versetzen, z. B. ein Gebläse 32 mit untergetauchtem Rotor, der durch einen Stromstärkenregler vervollständigt ist, z. B. durch eine in F i g. 2 nicht dargestellte Schaltdüse, die die wesentlichen Stromstärkenschwankungen auf Grund von Veränderungen der Versuchsbedingungen kompensiert.

Das Druckregelsystem weist dann folgende Einzelheiten auf: Den Ausgleichsbehälter 33 zum Ausschalten von Fehlern, die durch dynamische Druckerscheinungen hervorgerufen werden, ein Differentialmanometer 38 mit Kontakten, das den Ausgleichsbehälter mit einem Bezugsbehälter 39 verwendet, der mit Druckluft entsprechend dem Referenzdruck des Strömungsmittels in dem Ring^4 gefüllt ist, einen Handregler 40 zum Einregeln dieses Druckes mit einem geringstmöglichen absoluten

so Fehler, ein Auslaßelektroventil 41, ein Zuführungselektroventil 42, das an einen Vorratsbehälter 43 angeschlossen ist, ein Druckreduzierventil 44, das an eine Zuführungsleitung 45 angeschlossen ist, welche das verwendete Strömungsmittel liefert und das den Strömungsmittelvorratsbehälter 43 versorgt, und ein Reduzierventil 46, das mit einer Druckluftleitung 47 verbunden ist, die den Referenzbehälter 39 speist.

Die Elektroventile 41 und 42 werden von Relais 48 und 49 auf folgende Weise beeinflußt: Wenn der Druck im Druckausgleichsbehälter größer oder kleiner ist als der Referenzdruck, dann schließt das Differentialmanometer 38 die Kontakte der Relais 48 oder 49 und betätigt also das Einlaßelektroventil 42 oder das Auslaßelektroventil 41. Dieses Elektroventil 41 ist außerdem an eine Reinigungsleitung 50 angeschlossen, die andererseits das Strömungsmittel gänzlich aufnimmt, wenn man dieses durch ein anderes Strömungsmittel ersetzen will, oder wenn die radioaktive Verseuchung des Strömungsmittels so stark geworden ist, daß eine Gesamtreinigung des Kreises erforderlich ist. Hierzu schließt man das Ventil 51 des Kreises und öffnet das Elektroventil 41 nach Abschalten der automatischen Betätigungseinrichtung. Der Druck sinkt dann und verursacht das Öffnen des Elektroventils 42, das den Kreis mit nichtradioaktivem, frischem Strömungsmittel versorgt. Die Elektroventile 41 und 42 haben außerdem geeichte Druckverluste, so daß die zugeführte Menge immer etwas größer ist. Die automatische Konstanthaltung des Druckes ist auf diese Weise durch ein System mit zwei Schaltstellungen gewährleistet. Es kann jedoch auch jedes andere Regelsystem verwendet sein.
Außer diesen beschriebenen Hauptteilen umfaßt die Vorrichtung einen in den Figuren nicht dargestellten Tragteil, auf dem der Ring A angeordnet ist. Dieser Teil dient zur Übermittlung einer horizontalen Annäherungs- oder Rückholbewegung und zum Hinführen des Druckrohres gegen eine vertikale Wand, die den Umfang des Reaktorkernes bildet.

In den Ausführungsbeispielen sind lediglich Stoffe wie austenitische Stähle, Aluminium, Leichtmetalllegierungen und Zirkonverbindungen angeführt, die eine sehr geringe Korrosion gegenüber Wasser aufweisen. Die Dichtungen sind aus halogenierten organischen Stoffen, z. B. Polytetrafluoräthylen, hergestellt. Als Druckströmungsmittel ist Kohlendioxydgas mit einem Druck von 60 Atm und einer Temperatur

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von 300° C am Boden des Druckrohres vorgesehen. Die Gasleckverluste nach außen überschreiten für den gesamten eingetauchten Kreis 10 g pro Tag nicht.- Das in dem Ring angeordnete Filter ist dazu vorgesehen, Staubteilchen mit einem Durchmesser von mehr als einem Mikron abzufangen, die für das Gebläse schädlich sind, wobei kein wesentlicher Druckverlust auftritt. Das verwendete Filter hat eine konische Gestalt und ist genügend dünn, damit es in dem Rohr Platz hat. Schließlich kann die gesamte Anlage, insbesondere die Steuer- und Handhabungsanlage, fernbedient sein.

Claims (4)

Patentansprüche: 15

1. Experimentier-Bestrahlungsring für Schwimmbecken-Kernreaktoren, der nach Wunsch an den Reaktorkern herangeführt und von ihm entfernt werden kann, der ein die zu bestrahlende Probe aufnehmendes, etwa parallel zur Längsachse des Reaktorkernes gerichtetes Rohr aufweist, das aus einem außerhalb des Schwimmbeckens angeordneten und einem in das Schwimmbecken eintauchenden Teil besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr ein von einer gegenüber den Wänden des Schwimmbeckens beweglichen Halterung getragenes, wärmegeschütztes Druckrohr ist, daß der Ring einen mit dem Druckrohr verbundenen, Elemente zum Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem Schwimmbeckenwasser enthaltenden Strömungskreis aufweist, daß der äußere Teil des Ringes mit dem eingetauchten Teil über biegsame Leitungen verbunden ist und daß eine feststehende Anlage zur Regulierung des Druckes sowie gegebenenfalls zur Messung der Radioaktivität der Kühlflüssigkeit vorhanden ist.

2. Experimentier-Bestrahlungsring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingetauchte Teil einen geschlossenen Ring bildet, in dem die Temperatur- und Druckbedingungen für den Versuch herrschen, wobei der Umlauf des Strömungsmittels in einer Richtung stattfindet;, die eine natürliche Konvektion mit dem Wärmeaustauscher ermöglicht.

3. Experimentier-Bestrahlungsring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung und Regulierung der Versuchsbedingungen im Innern des eingetauchten Kreises mittels eines Kreises geschieht, der an den aus dem Wasser herausragenden Teil angeschlossen ist und im Nebenschluß zu dem eingetauchten Kreis liegt.

4. Experimentier-Bestrahlungsring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Wasser herausragende Teil feststeht, daß der eingetauchte Teil bewegbar ist und daß beide Teile durch nachgiebige, leicht abnehmbare Leitungen miteinander verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Nuclear Power, 1958, H. 29, S. 446;

Nuclear Power, August 1958, S. 304 bis 355;

Atomics, Mai 1957, S. 162 bis 167;

Proceedings of the Second United Nations, Int. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic Energy, VoI 10, 1958, S. 238 bis 246.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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