DE1237702B - Moderatoraufbau fuer einen Atomreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES W/Hrt^m- PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 21g-21/20

Nummer: 1237 702

Aktenzeichen: U9102VIIIc/21g

J 237 702 Anmeldetag: 10.Juli 1962

Auslegetag: 30. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Moderatoraufbau für einen Atomkernreaktor, bestehend aus einer Anordnung von durch eine äußere Ummantelung unter radialer Spannung zu einem Bündel zusammengefaßten, axiale Durchtrittsbohrungen aufweisenden Moderatorstäben mit nicht ebenen äußeren Längsseiten, wobei die Stäbe mit ihren Durchtrittsbohrungen gegenüber entsprechenden Durchtritten in einer die Ummantelung abschließenden Deckplatte ausgefluchtet sind.

Der Moderatoraufbau von graphitmoderierten, gasgekühlten Reaktoren weist gewöhnlich die Form eines Stapels aus Graphitblöcken, durch die in vertikaler Richtung eine Vielzahl ausgefluchteter Kanäle verlaufen, in denen der Brennstoff angeordnet ist, ein *5 gasförmiges Kühlmittel strömt und die neutronenabsorbierenden Regelstäbe sich befinden. Solche — Moderatorkonstruktionen sind gewöhnlich sehr groß und werden von unten durch ein mit Öffnung versehenes Metallgitter (gewöhnlich aus Stahl) gehalten.

Um zu gewährleisten, daß von außen kommende, seitliche Kräfte keine Fehlfluchtung der den Moderatoraufbau durchdringenden Kanäle zur Folge haben, muß die Konstruktion in einer dichten Pakkung gehalten werden. Bis jetzt wurde dies dadurch bewirkt, daß der Umfang des Reaktorkerns mit mehreren, federnd vorgespannten Bändern (die ebenfalls gewöhnlicherweise aus Stahl hergestellt sind) umgeben wurde, wodurch radial nach innen gerichtete Kräfte auf den Kern ausgeübt wurden.

Reaktoren der bezeichneten Art werden bei Raumtemperaturen zusammengesetzt, jedoch bei wesentlich höheren Temperaturen betrieben. Infolge des Unterschiedes zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Moderatormaterialien, wie z. B. Graphit, und der Konstruktionsmaterialien, wie z. B. Stahl, dehnt sich das Konstruktionsmaterial mehr als das Moderatormaterial aus. Daher wird eine Fehlfluchtung des Moderatoraufbaus und damit der diesen in vertikaler Richtung durchdringenden Kanäle in bezug auf die öffnungen in dem Metallgitter, das den Kern von unten stützt, bewirkt. Außerdem neigt die die Peripherie einfassende Stützkonstruktion dazu, sich vom Kern abzulösen. Bei bekannten Reaktoren wurde dieses Ablösen durch die obenerwähnten, mit Federn vorgespannten Haltebändern ausgeglichen.

Darüber hinaus schrumpft Graphit, wenn er bei hohen Temperaturen von schnellen Neutronen bestrahlt wird, zusammen, wohingegen Stahl unter gleichen Bedingungen im wesentlichen keine Abmessungsänderungen zeigt. Deshalb müssen zusätzliche Moderatoraufbau für einen Atomreaktor

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Arthur Paul Fraas, Knoxville, Tenn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 11. Juli 1961 (123 318)

unterschiedliche Dimensionsänderungen durch die obenerwähnten vorgespannten Haltebänder ausgeglichen werden und die Fehlfluchtung des Kerns relativ zu dem Stützgitter wird noch mehr verstärkt.

Das Problem der Fehlfluchtung zwischen dem Kern und seinem Stützgitter wurde in der Vergangenheit durch komplizierte Einrichtungen verhindert, wie z. B. durch kleine Platten, die auf Kugellagern gleiten oder eine Gitterkonstruktion, die mit dem Kern bei Betriebstemperatur des Reaktors in Flucht ist. Diese Lösungen sind jedoch einerseits kompliziert und teuer, und andererseits existiert eine genaue Fluchtung nur bei Betriebstemperatur und für eine bestimmte Phase der Lebensdauer des Reaktors, während bei allen anderen Temperaturen und Zeiten eine Fehlfluchtung vorliegt.

Die um den Umfang gelegten, federnd vorgespannten Haltebänder, die bisher verwendet wurden, um den Moderatoraufbau dicht gepackt zu halten, haben sich ebenfalls als mangelhaft erwiesen. Diese Federn sind im Bereich hoher Temperaturen angeordnet und hohen Zugspannungen ausgesetzt und neigen daher dazu, ihre Elastizität zu verlieren. Auf diese Weise nehmen die radial nach innen gerichteten Kräfte, die den Kern zusammenhalten, mit der Zeit ab. Daher ist diese Einrichtung für den Hochtemperaturbetrieb, der bei Reaktoren mit keramischen Brennstoff erforderlich ist, nicht besonders geeignet.

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Es ist weiter bereits eine radial wirkende Halteeinrichtung für eine Graphitmoderator-Bauteilgruppe bekannt, bei der eine Anzahl von Keilen vorgesehen ist, die die radial wirkenden Haltekräfte zwischen einer Graphitmoderator-Bauteilgruppe und dem dieselbe aufnehmenden Behälter hervorrufen (deutsche Auslegeschrift 1 100 829). Das Problem, das der Erfindung zugrunde liegt, nämlich in Moderatoranordnungen der beschriebenen Art bei jeder Betriebstemperatur trotz unterschiedlicher radialer Ausdehnung der Ummantelung bzw. der damit verbundenen Abschlußdeckplatte einerseits sowie der radialen Ausdehnung des Bündels von Moderatorstäben andererseits die Durchbohrung der letztgenannten stets mit den Durchtritten in der Deckplatte ausgefluchtet zu halten, damit nicht das Einschieben von Stäben aus neutronenabsorbierendem Material blockiert wird, kann mit dieser bekannten Anordnung nicht gelöst werden.

Eine weitere Anordnung, um eine minimale Störung der Geometrie in Reaktoren der beschriebenen Art zu vermeiden, dient dazu, das sogenannte Wigner-Wachstum zu kompensieren (französische Patentschrift 1 213 002). Hierzu wird vorgeschlagen, Material aus den Seiten der einzelnen Moderatorblöcke ^5 mit Ausnahme an den Enden derselben auszunehmen. Durch das Wigner-Wachstum ist die Ausdehnung im Mittelteil des Reaktors größer als an den Enden, so daß der Reaktorkern dazu neigt, eine in der Mitte gebauchte Form anzunehmen. Durch die 3<> Ausnehmungen in der Mitte der Graphitblöcke wird diese Anisotropie des Wigner-Wachstums kompensiert. Auch diese bekannte Anordnung löst die Halterungs- und Anordnungsschwierigkeiten, die durch die Graphitschrumpfung und durch die größere Temperaturabhängigkeit der Ausdehnung des Behältermaterials im Vergleich zu dem Moderatormaterial bedingt sind, nicht. Die Erfindung zielt auf Lösung der Probleme, die mit der Schrumpfung des Graphits und nicht mit dessen Ausdehnung zusammenhängen. Wie bekannt, tritt die Graphitschrumpfung hauptsächlich in Reaktoren auf, die bei Temperaturen über der Anlaßtemperatur von Graphit betrieben werden, während das Wigner-Wachstum bei Temperaturen eine Rolle spielt, die niedriger als die Anlaßtemperatur des Graphits sind.

Die Erfindung bezweckt deshalb ganz allgemein einen Kernreaktor herzustellen, der nicht durch die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten von Kern- und Konstruktionsmaterial beeinflußt ist, wobei auf spannungsbelastete Metallfedern für den seitlichen Halt verzichtet werden soll. Außerdem bezweckt die Erfindung eine Reaktorkonstruktion, deren Fluchtung relativ zu einem Stützgitter nicht durch Temperaturänderungen und Abmessungsänderungen infolge radioaktiver Bestrahlung beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei dem eingangs genannten Moderatoraufbau dadurch, daß erfindungsgemäß jeder Moderatorstab mit leichter Krümmung hergestellt und in dem Bündel durch Anlage an umgebenden Nachbarstäben bzw. der Ummantelung im Sinne einer Streckung belastet ist. Hierdurch erzeugt der Moderator durch seine vorgespannten Elemente selbst die seitlichen Haltekräfte. Graphit ist für einen solchen Aufbau besonders geeignet, da er einen kleinen Elastizitätsmodul aufweist und seine Festigkeit bis zu Temperaturen über 1925° C beibehält.

Obgleich der notwendige seitliche Druck mit einer Konstruktion erreicht werden kann, bei der nur ein Teil der Moderatorblöcke vorgespannt ist, werden vorzugsweise aus weiter unten näher erläuterten Gründen alle Blöcke in dem Moderatoraufbau vorgespannt. Darüber hinaus wird vorzugsweise, wie ebenfalls unten ausgeführt, jeder Block beim Zusammenfügen an seiner der Peripherie des Moderatoraufbaus nahen Seite auf Zug und auf seiner anderen Seite, die der Kernmitte nahe ist, auf Druck beansprucht.

Konstruktionen nach der Erfindung sind in vieler Hinsicht bekannten Konstruktionen überlegen. Erstens wird keine Anforderung an hochbelastbares Federmaterial gestellt, um den für das Zusammenhalten des Moderatoraufbaus erforderlichen Seitendruck zu erzeugen. Zweitens sind die Auswirkungen unterschiedlicher Ausdehnungen eliminiert. Im Hinblick auf die unterschiedliche thermische Ausdehnung »schwillt« der Moderatoraufbau, der sich in vorgespanntem Zustand befindet, in radialer Richtung mit dem umgebenden Konstruktionsmaterial. Auf diese Weise dehnt sich die gesamte Konstruktion in radialer Richtung, als wäre sie insgesamt aus dem Behältermaterial zusammengesetzt. In gleicher Weise werden unterschiedliche Abmessungsänderungen infolge radioaktiver Bestrahlung ausgeglichen.

Wenn alle Blöcke des Moderatoraufbaus in derselben Richtung und in demselben Maße vorgespannt sind, wie es vorzugsweise erfolgt, wird das Anschwellen des Aufbaus in radialer Richtung gleichmäßig zwischen den Blöcken verteilt. Auf diese Weise bleiben die Kanäle des Aufbaus mit den Öffnungen eines Stützgitters unabhängig von den verschiedenen Dimensionsänderungen in Flucht.

Wenn die Blöcke aus Graphit bestehen und so vorgespannt sind, daß sie auf der äußeren Seite auf Zug und auf der entgegengesetzten, inneren Seite auf Druck beansprucht werden, hat dies vorteilhafterweise eine Zunahme der Lebensdauer des Graphits zur Folge. Wie oben erwähnt, schrumpft Graphit unter dem Einfluß der Bestrahlung durch schnelle Neutronen bei hohen Temperaturen. In einem begrenzten Reaktor ändert sich der Fluß schneller Neutronen in radialer Richtung. Die größte Intensität ist in der Mitte des Kerns und die geringste an der Peripherie. Daher wird jeder Block in dem Kern von einem in transversaler Richtung unterschiedlichen Neutronenfluß durchströmt. Da das Maß der Schrumpfung der Größe des schnellen Neutronenflusses proportional ist, erzeugt ein in Querrichtung unterschiedlicher Fluß eine unterschiedliche Schrumpfung innerhalb der Moderatorblöcke. Jeder Block schrumpft weniger auf seiner peripheren Seite als auf seiner der Mitte des Kerns näher gelegenen Seite. Daraus resultiert eine innere Spannung jedes Blockes, die mit der Zeit zunimmt, bis der Block bricht. Wenn die Blöcke vorgespannt sind und in der beschriebenen Art gemäß der Erfindung angeordnet sind, bewirkt der unterschiedliche Neutronenfluß lediglich eine Entspannung der Vorspannung. Auf diese Weise wird eine bedeutende Vergrößerung der Lebensdauer des Graphits erreicht.

Der Unterschied in der Flußdichte schneller Neutronen ist in einem Reaktor am größten an der Peripherie des Reaktorkerns. Deshalb werden vorzugsweise die Moderatorblöcke, die in Zonen des Kerns angeordnet werden, in denen die Unterschiede der

Flußdichte schneller Neutronen auftreten (gewöhnlich die Kernperipherie) mehr vorgespannt als die Blöcke, die in anderen Zonen angeordnet werden.

Der oben beschriebene Kern aus vorgespannten Moderatorblöcken kann auf irgendeine geeignete Weise zusammengesetzt werden. Ein geeignetes Verfahren besteht darin, jeden Block mit einer leichten Krümmung herzustellen, deren Größe hinreichend ist, um das erforderliche Maß der Spannung beim Strekken zu erzeugen. Diese gekrümmten Blöcke werden in einem Stapel zusammengesetzt. Der Stapel wird dann in einen dicht gepackten Zustand in einer Weise zusammengespannt, die ähnlich dem Eindrücken der Kolbenringe in die Nuten eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor ist. Die gekrümmten Blöcke werden dabei gestreckt und in einem vorgespannten Zustand eingesetzt.

Alternativ kann eine Anzahl von gekrümmten Blöcken in einer Gruppe angeordnet werden, welche in einer Presse gestreckt wird. Die Blöcke werden dabei mit einem wärmeempfindlichen Kitt mit vorzugsweise niederem Aschegehalt, wie z. B. Methylmethacrylat, zusammengekittet. Alle Blöcke des Reaktors werden auf diese Weise zu zusammengekitteten Blockbündeln geformt und diese Bündel in eine feste Hülse eingesetzt, die die Umfassung des Reaktorkerns bildet. Nach dem Zusammensetzen wird die Temperatur des Kerns auf einen Punkt erhöht, der hinreichend ist, um den Kitt zu verdampfen oder zu zersetzen, wodurch die Blöcke freigegeben werden und gegeneinander sowie gegen die Umfassungshülse stoßen und die Konstruktion mit einem seitlichen Druck vorspannen.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Reaktorkern mit einem Moderatoraufbau gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt einen schematischen Grundriß dieses Reaktorkerns;

F i g. 3 zeigt einen Grundriß einer Gruppe von Blöcken aus dem Reaktorkern;

F i g. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Moderatorblocks aus dieser Gruppe.

In den Zeichnungen ist ein Moderatoraufbau gemäß dieser Erfindung dargestellt. Wie aus den F i g. 1 bis 4 zu ersehen ist, sind eine Vielzahl langer, sechskantiger Graphitblöcke 1 in Lagen auf einer mit Öffnungen versehenen Stützplatte 2 aus Stahl aufeinandergestapelt. Jeder Block wird in vertikaler Richtung von einem Kanal 3 mit kreisförmigem Querschnitt durchsetzt. Die Blöcke sind vertikal in Flucht angeordnet und werden in dieser Anordnung durch Führungsringe 4 und Aussparungen 5 gehalten, so daß sie eine Reihe kontinuierlicher Kanäle bilden, die vertikal durch den ganzen Moderatoraufbau verlaufen. Jeder dieser Kanäle ist während des Betriebs des Reaktors mit einer Öffnung 6 in der Stützplatte 2 in Flucht. Den gesamten Aufbau umgibt ein zylindrischer Stahlmantel 7, der dadurch gebildet ist, daß zwei Enden einer Stahlplatte zusammengeschweißt werden und der Zylinder so bearbeitet wird, daß er den gewünschten Innendurchmesser aufweist. Jeder Block des Aufbaus ist aus Gründen der besseren Erläuterung in einem entspannten, gekrümmten Zustand dargestellt. Es wird jedoch betont, daß während des Betriebs des Reaktors die Blöcke in einem gestreckten, gespannten Zustand sind. Unter diesen

Bedingungen verläuft die äußere Oberfläche der Hülse? mit der Kante der Stützplatte2 in einer Flucht, und die Kanäle 1 sind genau über den Öffnungen 6 angeordnet, wie oben beschrieben wurde. In den F i g. 2 und 3 ist ein sehematischer Grundriß des Reaktorkerns und ein Grundriß einer einzelnen Gruppe von Blöcken aus dem Kern dargestellt, wobei in dem Reaktor eine bevorzugte Anordnung der Moderatorblocke gezeigt wird. Wie in F i g. 2 ίο dargestellt, ist der Kern in eine Vielzahl hexagonaler Bereiche 8 unterteilt, von denen jeder aus einer Gruppe 9 von Blöcken besteht, wie in F i g. 3 gezeigt ist. Jede Gruppe besteht aus neunzehn gekrümmten Blöcken 1, die, wie oben beschrieben wurde, in einem gestreckten Zustand miteinander verklebt werden. Alle Blöcke in jeder Gruppe werden vor dem Zusammensetzen des Moderatoraufbaus in derselben Richtung gekrümmt. Die Pfeile in F i g. 2 zeigen die Richtung der konvexen Oberflächen der Blöcke vor deren Verbindung miteinander an.

Auf diese Weise wird auf jeden Block in einer Gruppe 9, wenn er gestreckt wird, auf der Seite, die vor dem Zusammenfügen des Aufbaus konkav war, eine Zugspannung und auf der Seite, die konvex war, eine Druckspannung ausgeübt. Die Buchstaben T und C in F i g. 3 deuten die Flächen, die unter Zug bzw. unter Druck stehen, für einen bestimmten Block der Gruppe 9 an.

Die Gruppen, die auf diese Weise gebildet werden, werden in einem Bereich 8 des Reaktorkerns so eingesetzt, daß die Seiten der Blöcke, die auf Druck belastet werden, in Richtung der in F i g. 2 dargestellten Pfeile orientiert sind. Die Temperatur des Kerns wird dann erhöht, um den Kitt zu zersetzen, wodurch die einzelnen Blöcke frei werden und eine laterale Kraft auf seitlich angrenzende Blöcke ausüben. Deshalb wird eine laterale Kraft, die letzlich von der umgebenden Hülse 7 herrührt, auf den Moderatoraufbau ausgeübt. Es wird betont, daß vorzugsweise die Blöcke in dem Kern so orientiert sind, daß sie auf der Seite, die in Richtung der Peripherie des Reaktors weist, auf Zug und an der anderen Seite auf Druck beansprucht werden.
Um die Lebensdauer der Graphitblöcke in der Randzone des Reaktorkerns zu verlängern, werden die Blöcke in den Randgruppen, wie z. B. der Gruppe A in F i g. 2, stärker unter Spannung gesetzt als die Blöcke in der Innenzone. Diese Differenz kann aus der Tabelle unten ersehen werden. Während des Reaktorbetriebs befindet sich der Moderatoraufbau in einem gespannten Zustand und nicht, wie in F i g. 1 dargestellt ist, in dem entspannten Zustand. Wie leicht ersehen werden kann, sind die unterschiedlichen Dimensionsänderungen automatisch durch den selbsttragenden Aufbau gegeben. Wenn z. B. die Stahlkonstruktion (d. h. die Hülse 7 und die Platte 2) sich bei einer Temperaturerhöhung mehr ausdehnen als der Graphitmoderatoraufbau, wird dieser Moderatoraufbau, der sich in einem vorgespannten Zustand befindet, sich so ausdehnen, daß er die Differenz ausgleicht. Es wird betont, daß die Kanäle 3 in den Blöcken 1 immer etwa in Flucht mit den Öffnungen 6 in der Stützplatte 2 bleiben. Darüber hinaus werden unterschiedliche Abmessungsänderungen infolge radioaktiver Strahlung in ähnlicher Weise ausgeglichen.

Die unten aufgeführte Tabelle gibt die Dimensionen für die Komponenten eines typischen Reaktor-

Claims (4)

kerns, wie er in den Zeichnungen dargestellt ist, wieder. Diese Abmessungen werden lediglich beispielsweise aufgeführt, und die Erfindung soll sich nicht auf das Beispiel beschränken. Die Wahl der Abmessungen hängt von Faktoren, wie beispielsweise der Gesamtgröße des Reaktors, dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, der Festigkeit und den elastischen Eigenschaften des Moderatormaterials und der betriebsmäßigen Vorgeschichte des Reaktors ab. Korngröße Durchmesser 4,572 m Höhe 3,048 m Material lg Moderator Graphit Konstruktionsmaterial Stahl Moderatorblöcke Material Graphit Länge 1,524 m Querschnitt hexagonal Durchmesser (von Fläche zu Fläche) 6,35 cm Stärke der Krümmung innere Zone 0,1524 cm äußere Zone 0,3048 cm Größe des Mittelkanals 3,81 cm Äußere Hülse Material Stahl Durchmesser äußerer 4,674 m innerer 4,572 m Höhe 3,048 m Stärke 5,08 cm Durchmesser des Moderatoraufbaus in unbelastetem, gekrümmtem Zustand 4,749 m Seitliche Belastung des Moderatoraufbaus bei Raumtemperatur 34,29 g/cm2 Seitliche Belastung des Moderator- aufbaus bei 30,8 g/cm2 Viele andere Ausführungsformen fallen unter diese Erfindung. Zum Beispiel ist der hexagonale Querschnitt der dargestellten Moderatorblöcke nicht wesentlich. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Moderatorblöcke mit achteckigem, kreisförmigem und quadratischem Querschnitt in gleicher Weise geeignet. Darüber hinaus ist es klar, daß die Erfindung auf jede Reaktorkonstruktion mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Moderatormaterials und des Konstruktionsmaterials oder bei unterschiedlichen Abmessungsänderungen, die durch die radioaktive Strahlung bedingt sind, angewandt werden kann. Daher ist die Erfindung auch nicht auf die Verwendung von Graphit und Stahl beschränkt. Patentansprüche:

1. Moderatoraufbau für einen Atomkernreaktor, bestehend aus einer Anordnung von durch eine äußere Ummantelung unter radialer Spannung zu einem Bündel zusammengefaßten, axiale Durchtrittsbohrungen aufweisenden Moderatorstäben, mit nicht ebenen äußeren Längsseiten, wobei die Stäbe mit ihren Durchtrittsbohrungen gegenüber entsprechenden Durchtritten in einer die Ummantelung abschließenden Deckplatte ausgefluchtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Moderatorstab mit leichter Krümmung hergestellt und in dem Bündel durch Anlage an umgebenden Nachbarstäben bzw. der Ummantelung im Sinne einer Streckung belastet ist.

2. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe hinsichtlich ihrer Krümmungsmittelpunkte vom Mittelpunkt des Bündels weggerichtet orientiert sind.

3. Aufbau nach Ansprudh 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe in an sich bekannter Weise Polygonalquerschnitt aufweisen.

4. Verfahren zur Herstellung eines Aufbaues nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch Vorspannung des Bündels außerhalb der Ummantelung im Sinne einer Streckung der gekrümmten Stäbe unter Verleimung derselben durch ein dazwischen eingebrachtes Bindemittel, durch Einbringung des verleimten Bündels in die Ummantelung sowie durch nachfolgendes Erhitzen des Bündels bis zu einer Temperatur, bei der sich das Bindemittel zersetzt oder verdampft.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1100 829;
österreichische Patentschrift Nr. 213 517;
französische Patentschrift Nr. 1213 002;
USA.-Patentschrift Nr. 2 990 351.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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