DE1237227B

DE1237227B - Kernreaktor mit horizontalen Druckrohren

Info

Publication number: DE1237227B
Application number: DEC26886A
Authority: DE
Inventors: Lucien Alfille; Claude Gewiss; Jean Ropers
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1961-05-02
Filing date: 1962-05-02
Publication date: 1967-03-23
Also published as: LU41608A1; NL277876A; GB987705A; FR1295973A; CH391124A; US3197379A; BE616801A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutschem.: 21g-21/20

Nummer: 1237 227

Aktenzeichen: C 26886 VIII c/21 g

Anmeldetag: 2. Mai 1962

Auslegetag: 23. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit horizontalen Druckrohren, in denen Brennstoffelemente aufnehmende und von einem Kühlmittel durchströmte Führungsrohre angeordnet sind, wobei zwischen den Druckrohren und den Führungsrohren eine Wärmeisolation aus schraubenförmig auf die Führungsrohre aufgewickelten metallischen Bändern eingefügt ist.

Bei Kernreaktoren mit flüssigem Moderator und unter Druck stehendem Gas als Kühlmittel für die Brennstoffelemente ist es eine geläufige Technik, die Brennstoffelemente in Druckrohren anzuordnen, die von dem Kühlgas durchströmt werden. Zur Halterung der Brennstoffelemente und insbesondere zu ihrer Führung während der Beschickung des Reaktors mit neuem Brennstoff sind dabei im Inneren der Druckrohre Führungsrohre vorgesehen, die entsprechend den britischen Patentschriften 754183, 775 602 aus metallischen Werkstoffen bestehen können. Eine zweite Aufgabe der Führungsrohre besteht darin, eine Zirkulation des Kühlgases in den Druckrohren herbeizuführen.

Da die Festigkeit der meisten Werkstoffe bei höheren Temperaturen absinkt, geht das Bestreben dahin, die von den Brennstoffelementen abgegebene Wärme von den Druckrohren fernzuhalten, und man sieht entsprechend der französischen Patentschrift 1233 087 eine Wärmeisolation für die Druckrohre vor, indem man die Führungsrohre mit geschichteten Folien umgibt.

Nach einer anderen bekannten Anordnung besteht die Wärmeisolierung der Druckrohre aus einer ruhenden Gasfüllung in dem Ringraum zwischen Druckrohr und Führungsrohr mit Hilfe eines Füllmaterials geringer Wärmeleitfähigkeit. Da das Füllmaterial jedoch nur eine geringe Festigkeit gegen Druckbeanspruchungen aufweist, ist es bei einem solchen Aufbau erforderlich, besondere Einrichtungen zur Zentrierung der Führungsrohre in den Druckrohren anzubringen.

Eine andere Möglichkeit zur Erzielung einer Wärmeisolation zwischen zwei Rohren ist in der französischen Patentschrift 1234 321 beschrieben, gemäß der zwischen die thermisch gegeneinander zu isolierenden Teile eine oder mehrere Lagen aus gefalteten Folien eingebracht werden.

An ein Druckrohr der eingangs geschilderten Art werden nun vier Forderungen gestellt, die einander zumindest teilweise widersprechen, so daß die bisher bekannten Ausführungen durchweg Kompromißlösungen darstellen, die in einem oder mehreren Punkten unbefriedigend sind. Verlangt werden im einzelnen

Kernreaktor mit horizontalen Druckrohren

Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Lucien Alfille, Orsay, Seine-et-Oise;

Claude Gewiss, Paris;

Jean Ropers, Vanves, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 2. Mai 1961 (860 477)

1. eine gute thermische Isolation,

2. eine möglichst geringe Neutronenabsorption,

3. eine gute Korrosionsfestigkeit gegenüber dem Kühlmittel,

4. eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit gegenüber dem Gewicht des Brennstoffes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kernreaktor anzugeben, dessen Druckrohre so ausgebildet sind, daß keine der obigen Forderungen zugunsten der anderen nur teilweise erfüllt, sondern daß ihnen sämtlich in vollendeter Weise Rechnung getragen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bänder in mehreren Lagen übereinandergewickelt sind, daß die Bänder in an sich bekannter Weise in mindestens zwei Richtungen derart abgewinkelt sind, daß sie voneinander getrennte Kühlmittelräume einschließen und daß sie in den heißen inneren Zonen aus Stahl und in den kühleren Zonen außen und am Kühhnitteleintritt aus einem Material mit geringer Neutronenabsorption, insbesondere auf Zirkonbasis, bestehen.

Die Lösung gemäß der Erfindung macht sich dabei die beispielsweise auf den Seiten 485 und 496 bis 498 der Zeitschrift »II Calore« vom Oktober 1956 beschriebene geringe Neutronenabsorption des Zirkons und die mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Stahl zunutze und genügt den Anforderungen, die an Druckrohre von Kernreaktoren gestellt werden, einerseits durch eine passende Materialauswahl, die die thermischen Eigenschaften und

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die Neutronenabsorption des Druckrohres beeinflußt, und andererseits durch die Struktur, die durch die doppelte Faltung der die Wärmeisolation bildenden Metallbänder dem Ganzen bei geringer Masse und damit geringer Neutronenabsorption ein beträchtliches Volumen verleiht, das im Zusammenwirken mit der Festlegung des Kühlmittels in getrennte Säulen (so daß der Wärmeübergang senkrecht dazu durch Wärmeleitung und nicht durch Konvektion erfolgt) zu einer guten Wärmeisolation des Druckrohres gegenüber dem Brennstoff führt. Die Korrosionsfestigkeit gegenüber dem Kühlmittel ist durch das verwendete Material gegeben, während zu der mechanischen Festigkeit Materialeigenschaften und Gesamtstruktur gemeinsam beitragen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile werden im folgenden an Hand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Dabei zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Ansicht, aus der die Aufbringung einer metallischen Struktur auf das Führungsrohr ersichtlich ist,

F i g. 2 eine Schnittansicht, aus der ein besonders geschichteter Aufbau der Strukturen ersichtlich ist,

F i g. 3 einen Schnitt durch ein Ende eines Führungsrohres, das in einem Druckrohr eines Kernreaktors angeordnet ist.

In Kernreaktoren müssen häufig zwei Strömungsmittel thermisch voneinander isoliert werden. Bei Kernreaktoren mit einem flüssigen Moderator (beispielsweise mit schwerem Wasser) wird der Moderator von dem die Druckrohre durchströmenden und zur Kühlung der Brennstoffelemente bestimmten Kühlmedium thermisch isoliert.

Die Druckrohre können den mechanischen und nuklearen Beanspruchungen um so leichter widerstehen, je mehr ihre Temperatur der Umgebungstemperatur angenähert ist. Wenn schweres Wasser als Moderator Verwendung findet, so ist zu berücksichtigen, daß die Moderatoreigenschaften dieser Flüssigkeit sich verschlechtern, wenn die Temperatur steigt. Um die Menge des hauptsächlich in den Wärmetauschern stehenden schweren. Wassers zu vermindern, ist man daher bestrebt, eine übermäßige Erhitzung der Moderatorflüsigkeit zu verhindern. Diese und andere Überlegungen führen dazu, die Druckrohre und die in Berührung mit den Brennstoffelementen stehende Kühlflüssigkeit thermisch voneinander zu isolieren.

Die mechanischen Verhältnisse zwingen dazu, eine Führungsanordnung so auszubilden, daß sie unter Betriebsbedingungen verhältnismäßig starr ist. Diese Starrheit kann entweder durch das eigentliche Führungsrohr erreicht werden oder durch eine Kombination dieses Führungsrohres mit der es umgebenden thermischen Isolation. Die Verwendung eines Materials mit sehr guten mechanischen Eigenschaften unter Betriebsbedingungen gestattet es, die Stärke des Führungsrohres zu vermindern. Dieser Verminderung entspricht ein Neutronengewinn, der wiederum einen günstigen Einfluß auf den Durchmesser des Druckrohres, auf die Sicherheit und den Wirkungsgrad des Reaktors hat. Gemäß der Erfindung ist es dank der Verwendung eines metallischen Isoliermaterials, das bei einer geringen Dichte einen verhältnismäßig großen Trägheitsquerschnitt aufweist, möglich, die Stärke des zentralen rohrförmigen Elementes des zusammengesetzten Führungsrohres wesentlich zu vermindern; die mechanische Verstärkung dieses Elementes wird dabei durch die Anordnung und durch die Art der Verbindung zwischen dem rohrförmigen Element und seiner thermischen Isolation erreicht.

Bei der Verminderung der Stärke des zentralen rohrförmgien Elementes empfiehlt es sich jedoch, den mechanischen Beanspruchungen in Längsrichtung Rechnung zu tragen, die beim Einschieben und

ίο Herausziehen der Brennstoffelemente auftreten.

Bei dem zusammengesetzten Führungsrohr gemäß der Erfindung wird das zentrale rohrförmige Element auf einer ganzen Länge oder einem wesentlichen Teil dieser Länge durch die thermische Isolation gehalten, die an der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Elementes befestigt ist. Dies ist ein wesentlicher Grund für die mögliche Verminderung der Stärke des zentralen rohrförmigen Elementes. Weiterhin ist die notwendige Druckfestigkeit dieses Isoliermaterials (pro Oberflächeneinheit) geringer als die Druckfestigkeit, die gesonderte Halterungen aufweisen müßten. Strukturen aus dünnen Metallfolien, die zweckmäßig gefaltet sind und gefaltet gehalten werden, weisen zugleich eine hinreichende Druckfestigkeit für den vorgesehenen Anwendungsfall auf und teilen auch genügend die Gasströmung, in der sie angeordnet sind, um auf diese Weise eine wirksame thermische Isolation zu bilden.
Die thermische Isolation ist um so besser, je mehr die Gasfüllung in eine große Zahl von unabhängigen Zellen durch die einzelnen Falten der metallischen Folien unterteilt wird. Immerhin muß man der metallischen Leitfähigkeit der Folien Rechnung tragen; aus diesem Grund ist es vorteilhaft, möglichst dünne Folien zu verwenden.

Es sei bemerkt, daß die Verwendung dünner Folien zu einer geringen spezifischen Masse der Isolations-Struktur führt; dies stellt bei der Verwendung in einem Kernreaktor einen wesentlichen Faktor dar.

Tatsächlich entspricht dieser geringen spezifischen Masse trotz eines verhältnismäßig großen Neutronen-Absorptionsquerschnittes der verwendeten Legierung (beispielsweise nichtrostender Stahl) ein geringer Neutronenverlust in der gesamten Isolation.

Ein vorteilhafter Kompromiß zwischen der Dünne der Folien, der thermischen Isolation, der Druckfestigkeit und den gewünschten Neutroneneigenschaften wird mit Hilfe zickzackförmig gefalteter Strukturen erreicht, die eine auf eine Ebene abwickelbare Oberfläche bilden, bei der die oberen und unteren Kanten der Zickzacklinien in zwei parallelen Ebenen liegen.

Gemäß der Erfindung muß jedoch nicht unbedingt eine derartige Struktur Verwendung finden; in den Rahmen der Erfindung fallen vielmehr alle metallischen Strukturen, die zugleich eine geringe spezifische Masse, eine hohe Druckfestigkeit, einen niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten (in Richtung der Wandstärke der Struktur) aufweisen und das in der Struktur vorhandene Gasvolumen hinreichend aufteilen; all diese Strukturen eignen sich zum Aufbau des zusammengesetzten Führungsrohres gemäß der Erfindung, sofern sie sich schraubenförmig um das zentrale rohrförmige Element herum aufwickeln lassen.

In F i g. 1 ist die Art ersichtlich, in der das zusammengesetzte Führungsrohr gemäß der Erfindung aufgebaut wird. In dieser Figur ist mit 1 das zentrale

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rohrförmige Element bezeichnet, das wenigstens in des rohrförmigen Elementes gegebenenfalls auch seinem mittleren Teil aus einem Material mit einem möglich ist, dieses Element aus einem leicht schweißgeringen wirksamen Neutronen-Absorptionsquer- baren Material mit nur mittelmäßigen Neutronenschnitt besteht, beispielsweise aus Magnesiumoxyd. eigenschaften herzustellen. Um die Biegefestigkeit der Auf dieses rohrförmige Element 1 werden vorgefer- 5 Anordnung zu erhöhen, wird vorteilhaft eine tigte Bänder 2 schraubenförmig aufgewickelt, die aus Schweißverbindung der übereinanderliegenden Bänzickzackförmigen oder ähnlichen metallischen Struk- der und eventuell der aneinandergrenzenden Ränder türen bestehen. Diese Strukturen sind aus dünnen des jeweils eine Schicht bildenden Bandes vorFolien einer Legierung hergestellt, die geeignete gesehen.

mechanische, thermische und Neutroneneigenschaften io In F i g. 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel aufweist. Die Breite dieser Bänder wird in Abhängig- veranschaulicht, bei dem die unterschiedlichen therkeit vom Durchmesser des rohrförmigen Elementes 1 mischen Bedingungen der Strukturen 2 zur Vermingewählt; die Breite ist um so geringer, je kleiner der derung der Neutronengesamtabsorption der Isolation Durchmesser des rohrförmigen Elementes 1 ist. Diese ausgenutzt sind.

Bemessung ist notwendig, um eine zu starke Defor- 15 Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 ist ange-

mation der Struktur beim Aufbringen auf das rohr- nommen, daß das Kühlmedium am rechten Ende des

förmige Element zu verhindern. Tatsächlich ist es zentralen· rohrförmigen Elementes einströmt und am

nicht immer möglich, Strukturen zu erhalten, die in linken Ende ausströmt. Unter diesen Bedingungen ist

ihrer geometrischen Form auf einen Zylinder mit be- das Kühlmedium im rechten Teil des rohrförmigen

liebigem Durchmesser glatt aufbringbar sind. 20 Elementes 1 noch verhältnismäßig kalt; es erhitzt

Die Steigung der Schraubenwicklung wird etwa sich zunehmend beim Durchströmen dieses Elemen-

so groß wie die Breite des Bandes gewählt. Letzteres tes und ist dann im linken Teil ziemlich heiß. Das

wird so aufgewickelt, daß es vollständig oder doch ganze rechte Ende des rohrförmigen Elementes 1

nahezu völlig die äußere Oberfläche des zu isolieren- wird vorteilhaft mit einer ersten Lage 2_la aus Zirkon

den Teiles des zentralen rohrförmigen Elementes 25 oder einer Zirkonlegierung bedeckt, während das

bedeckt. heiße linke Ende des rohrförmigen Elementes 1 von

Nachdem eine erste Lage dieser Bandstruktur auf einer ersten Strukturschicht 2_1& aus nichtrostendem das rohrförmige Element aufgewickelt ist, wird eine Stahl umgeben ist. Die Verbindungsstelle zwischen zweite Lage aufgebracht, die durch ein in umge- dem Zirkonband und dem Band aus nichtrostendem kehrter Richtung gewickeltes Band gebildet wird. In 30 Stahl ist so gewählt, daß das Zirkon bei der Temperadieser Weise werden mehrere Lagen aufgebracht, bis tür an der betreffenden Stelle des zentralen rohrförschließlich der gewünschte Außendurchmesser der migen Elementes noch eine hinreichende Widerthermischen Isolation erreicht ist. Bei einem ersten Standsfähigkeit, insbesondere gegenüber einem Kor-Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Bän- rosionsangriff, aufweist. Die Verbindung selbst kann der an den beiden Enden des zusammengesetzten 35 in einfacher Weise durch schachtelartiges Ineinander-Rohres mit Hilfe von ringförmigen Kragen 3 be- schichten der beiden aneinandergrenzenden Strukturfestigt (vgl. Fig. 2). bänder erfolgen. Die zweite Lage der Struktur wird

Wie bereits erwähnt, wird bei der Wahl der für in der gleichen Weise wie die erste aufgebaut; die

die Strukturen 2 verwendeten Materialien zweck- Verbindung zwischen dem Zirkonband 2._2a und dem

mäßig die Temperatur berücksichtigt, der diese Struk- 40 Band 2₂₆ aus nichtrostendem Stahl befindet sich je-

turen beim Betrieb des Reaktors ausgesetzt sind. doch in dieser zweiten Lage näher an dem heißen

Diese Temperatur hängt von der geometrischen Lage Ende des rohrförmigen Elementes 1. Bei dem dar-

der Struktur längs des Druckrohres und von der gestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß

Entfernung vom zentralen rohrförmigen Element 1 sich bei der Temperatur der äußeren Oberfläche der

ab. In den heißen Zonen verwendet man zweckmäßig 45 zweiten Schicht Zirkon in mechanischer Hinsicht

Materialien, wie z. B. nichtrostenden Stahl, um eine gut verhält; es ist unter diesen Umständen möglich,

Korrosion durch das Kühlmedium zu verhindern. die dritte Schicht 2_m vollständig aus Zirkon aufzu-

In den verhältnismäßig kühlen Zonen werden vor- bauen. Bei einer derartigen Ausführung wird an der

teilhaft Materialien mit einer geringeren Neutronen- Außenseite des zusammengesetzten Führungsrohres

absorption, wie beispielsweise Zirkon oder seine Le- 5° jegliche Unregelmäßigkeit, hervorgerufen durch die

gierungen, vorgesehen. Verbindung zweier aus unterschiedlichen Materialien

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem aufgebauter Schichtteile, vermieden. Um die ganze

eine besonders hohe Steifigkeit der Führungsanord- Anordnung der überemandergeschichteten Strukturen

nung, insbesondere bei einem verhältnismäßig dün- zusammenzuhalten, genügt es, das letzte Band zu nen zentralen rohrförmigen Element angestrebt ist, 55 befestigen, das an seinen beiden Enden beispielsweise

wird zweckmäßig das erste Band der Struktur an zahl- mit Hilfe von metallischen ringförmigen Befesti-

reichen Stellen auf dem zentralen rohrförmigen EIe- gungskragen 3 versehen ist. Man kann jedoch auch

ment befestigt und die übrigen Bänder untereinander die ganze Anordnung mit einem glatten Zirkonband

verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise schraubenförmig mit oder ohne Kreuzung von Windurch eine Punktschweißung oder durch Einkerbungen 60 düngen umwickeln.

erreicht werden. Wenn sich eine Schweißung auf In F i g. 3 ist das Ende des zusammengesetzten dem zentralen rohrförmigen Element als unmöglich Führungsrohres an der Austrittsstelle aus dem Modeerweist, so wird dieses Element zweckmäßig an seinen rator (der hier als schweres Wasser angenommen beiden Enden durch Rohrteile verlängert, die aus ist) dargestellt.

einem Material bestehen, das sich mit dem für das 65 Die Moderatorflüssigkeit befindet sich in einem

erste Band der Struktur verwendeten Material ver- Stahlbehälter 4. Ein zweiter Behälter 5 ist vorge-

schweißen läßt. In diesem Zusammenhang sei be- sehen, um das schwere Wasser und das leichte

merkt, daß es mit Rücksicht auf die geringe Stärke Wasser regelmäßig zu trennen. Zwischen den Wan-

den 5 und 6 befindet sich leichtes Wasser, das als Abschirmung dient. Mit dem Bezugszeichen la ist der mittlere Teil eines Druckrohres bezeichnet; dieser mittlere Teil kann beispielsweise aus einer Zirkonlegierung bestehen. An diesen Teil schließt sich ein Teil 7 & aus nichtrostendem Stahl an, der aus dem Moderatorbehälter herausragt und mit den Wänden 4, 5 und 6 verschweißt ist. Das zusammengesetzte Führungsrohr wird vorgefertigt in das Druckrohr eingesetzt. Es enthält das zentrale rohrförmige Element la, das vorteilhaft, wie bereits erwähnt, aus Magnesiumoxyd besteht. Am Ende des rohrförmigen Elementes la ist ein Teil Ib aus nichtrostendem Stahl vorgesehen, der sich auf einem mit dem Druckrohr verbundenen Ring 8 abstützt. Das zusammengesetzte Führungsrohr ist auf dem Ring 8 befestigt. Durch das Ende des in F i g. 3 dargestellten Druckrohres werden die Brennstoffelemente herausgezogen, wobei sie sich von rechts nach links bewegen. Hieraus ergibt sich eine Druckbeanspruchung, die das zusammengesetzte Führungsrohr auf den Ring 8 ausübt. Das andere nicht dargestellte Ende des zusammengesetzten Führungsrohres ist im Druckrohr frei beweglich. Es enthält vorteilhaft gleichfalls ein Endstück aus nichtrostendem Stahl. Da dieses Ende frei ist, ergeben sich keine zusätzlichen Beanspruchungen infolge der unterschiedlichen Ausdehnungen des verhältnismäßig kühl gehaltenen Druckrohres und des zentralen rohrförmigen Elementes.

Es dürfte klar sein, daß die isolierenden metallischen Strukturen vollständig in dem Kühlmedium liegen und daher korrosionsbeständig sein müssen. Die Erfindung beschränkt sich keineswegs auf die in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele; es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen im einzelnen möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims

Patentanspruch:

Kernreaktor mit horizontalen Druckrohren, in denen Brennstoffelemente aufnehmende und von einem Kühlmittel durchströmte Führungsrohre angeordnet sind, wobei zwischen den Druckrohren und den Führungsrohren eine Wärmeisolation aus schraubenförmig auf die Führungsrohre aufgewickelten metallischen Bändern eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder in mehreren Lagen übereinandergewickelt sind, daß die Bänder in an sich bekannter Weise in mindestens zwei Richtungen derart abgewinkelt sind, daß sie voneinander getrennte Kühlmittelräume einschließen und daß sie in den heißen inneren Zonen aus Stahl und in den kühleren Zonen außen und am Kühlmitteleintritt aus seinem Material mit geringer Neutronenabsorption, insbesondere auf Zirkonbasis, bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1233 087,
1234321;

britische Patenschriften Nr. 754183,775 602;
»II Calore«, Oktober 1956, S. 485,496 bis 498.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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