DE1239785B - Fallstoss-Daempfungsvorrichtung im Kanal eines Kernreaktors - Google Patents

Description

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AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/20

Nummer: 1239 785

Aktenzeichen: C 36367 VIII c/21 g

1 239 785 Anmeldetag: 12.Juli 1965

Auslegetag: 3. Mai 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fallstoß-Dämpfungsvorrichtung zum Auffangen fallender Gegenstände mit mindestens einem geschlossenen, verformbaren Behälter, insbesondere zum Auffangen von Brennstoffelementen, in einem vertikalen Kanal 5 eines mit gasförmigem Kühlmedium gekühlten Kernreaktors, bei dem am unteren Ende des Kanals ein mit Durchlaßöffnungen für das Kühlmedium versehenes Auffanggefäß für die fallenden Gegenstände befestigt ist.

Bei Kernreaktoren, in denen für die Aufnahme der Brennstoffelemente vertikale Kanäle vorgesehen sind, muß Vorsorge dagegen getroffen werden, daß Elemente oder sonstige Bauteile, die sich bei der Beschickung der Kanäle ungewollt von ihrer Halterung lösen und in den Kanal stürzen, nicht mit solcher Wucht am Grunde des Kanals aufprallen, daß sie selbst Beschädigungen erleiden oder Beschädigungen an dem Kanal verursachen.

Diese Aufgabe stellt sich in besonderem Maße bei den in letzter Zeit aufkommenden Reaktoren mit die Kanäle von oben nach unten durchströmendem Kühlgas. Während nämlich ein im Reaktorkanal aufsteigendes Kühlgas in gewissem Umfang als Bremsmittel für den fallenden Gegenstand wirkt, führt eine umgekehrte Richtung des Kühlgasstromes im Gegenteil zu einer zusätzlichen Beschleunigung der Fallbewegung.

Wenn beispielsweise in einem solchen Reaktor,

dessen Brennstoffelemente auf Tragbügeln ruhen, die

ihrerseits fest mit Graphithülsen verbunden sind, die in dem Kanal senkrecht aufeinander gestapelt werden, eine Störung beim Beladen zur Entriegelung der Handhabungszange und zur Loslösung der Hülse führt, wird das Brennstoffelement mit großer Kraft nach unten geschleudert und nimmt dabei eine Geschwindigkeit an, die ausreicht, um den Bruch des Tragbügels zu bewirken, sobald die Hülse auf die Tragschulter einer im allgemeinen im unteren Ende des Kanals vorgesehenen »Blindpatrone« auftrifft. Das Brennstoffelement wird dann für sich allein in ein Auffanggefäß geschleudert, das dazu bestimmt ist, den Graphitabfall oder Abrieb (oder auch ein Brennstoffelement nach seinem zufälligen Loslassen) aufzunehmen. Das Auffanggefäß hat im allgemeinen zylindrische Form und besteht aus starrem Material, wie nichtoxydierbarem Stahl; es ist mit Durchtrittsschlitzen für das Kühlgas versehen. Das Hineinfallen des Brennstoffelements in dieses Auffanggefäß kann den Bruch dieses Gefäßes bewirken oder zumindest eine Deformation, die — wenn die Schlitze vertikal sind — zu einer Verringerung des Gasdurchsatzes Fallstoß-Dämpfungsvorrichtung im Kanal
eines Kernreaktors

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:
DipL-Ing. R. Beetz

und DipL-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Jacques Remoleur,

Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 24. Juli 1964 (982 848)

durch den Kanal bzw. einer gefährlichen Herabsetzung der Kühlung in den Kanal führen kann.

Eine Vorrichtung, mit der eine Entladung von Kernreaktoren erreicht werden kann, ohne daß für die entladenen Brennstoffelemente eine Bruchgefahr besteht, ist in der USA.-Patentschrift 2 689 629 beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus in Wasser schwimmenden luftgefüllten Gummibällen, die unter dem Aufschlag des in das Wasser fallenden Brennstoffelements zur Seite und nach unten gedrängt werden und dabei den Stoßimpuls auffangen. Eine derartige auf der Lagerung des stoßdämpfenden Materials in einer Flüssigkeit beruhende Vorrichtung ist jedoch für einen Einsatz im Inneren eines gasgekühlten Reaktors unbrauchbar.

Für diesen Zweck bestimmte Fallstoß-Dämpfer sind in den französischen Patentschriften 1286933 und 1296086 und der britischen Patentschrift 886 317 beschrieben. Alle diese Vorrichtungen arbeiten mit einer durch den Aufprall des abfallenden Brennstoffstabes bewirkten Verformung eines Festkörpers. Als verformbares Bauteil ist in der französischen Patentschrift 1286 933 eine Reihe von ringförmigen Scheiben angegeben, die entweder an dem Kanal oder an dem Brennstoffstab befestigt sind und in Zusammenwirken mit einem relativ dazu verschiebbaren konischen Bauteil verbogen werden und

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dabei die Energie der Fallbewegung in Verformungsarbeit umsetzen. Gemäß der französischen Patentschrift 1 296 086 ist in dem Kanal eine zylindrische Hülse angeordnet, in die ein an dem fallenden Stab angebrachter konischer Stempel eindringt, der die Hülse so stark aufweitet, daß sie sich in dem Kanal verklemmt. Nach der britischen Patentschrift 886 317 ist am Grund des Kanals ein Behälter angeordnet, in dem mehrere gewölbte Scheiben quer zur Fallrichtung liegen, die von dem auffallenden Stabende zusammengestaucht werden und durch ihre Verformung die Fallenergie vernichten.

Der wesentliche Nachteil all dieser Vorrichtungen liegt in der Verwendung fester Dämpfungselemente. Bei dem Aufprall des Stabes kommt es bei in sich zusammenhängenden Dämpfungsmitteln nämlich zu einem relativ starken Primärstoß, bis die Verformung der Dämpfungselemente beginnt. Dieser Primärstoß, der um so kräftiger ausfällt, auf je größere Fallenergie die Dämpfungsvorrichtung ausgelegt ist, kann durchaus so groß werden, daß eine erhebliche Bruchgefahr für den fallenden Stab verbleibt. Außerdem führt die bleibende Verformung der Dämpfungselemente zu einer Klemmverbindung zwischen dem Stab bzw. der Dämpfungsvorrichtung und der Kanalwand, wodurch der Wiederausbau von Stab und Vorrichtung stark erschwert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fallstoß-Dämpfungsvorrichtung anzugeben, die ein weiches Auffangen des fallenden Gegenstandes ohne schädlichen Primärstoß gewährleistet, eine leichte Entfernung des in den Kanal gestürzten Gegenstandes gestattet und ihrerseits ohne jedesmaligen Ausbau unbegrenzt oft eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der bzw. die geschlossenen, verformbaren Behälter Graphitpulver enthalten und im Bodenteil des Auffanggefäßes angeordnet sind, derart, daß ihre oberen Flächen unterhalb der Durchlaßöffnungen für das Kühlmedium liegen.

Die Erfindung macht sich also die Bremswirkung einer feinverteilten Substanz auf einen die einzelnen Teile verdrängenden festen Gegenstand zunutze, die von Anfang an weich und stoßfrei eingesetzt und mit keinerlei dauernden Kraftwirkungen zwischen Bremsmittel und gebremstem Gegenstand verbunden ist.

Die Dämpfungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann in ihrer Dämpfungswirkung noch verstärkt werden, wenn sie durch eine spezielle Aufhängevorrichtung des Auffanggefäßes ergänzt wird, die eine zusätzliche Dämpfung oder Energieabsorption ergeben kann. Es lassen sich auch die üblichen vertikalen Durchtrittsspalte durch horizontale Spalte ersetzen; auf diese Weise bleiben die Spalte im Fall einer plastischen Deformation des Sammelgefäßes offen und gestatten weiterhin das ungehinderte Hindurchströmen des wärmeübertragenden Gases.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nunmehr einige Ausführungsbeispiele näher beschrieben, die in der Zeichnung veranschaulicht sind; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den unteren Teil eines Kernreaktorkanals, der mit einer Dämpfungsvorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet ist,

Fig. 2 und 3 Längsschnitte durch zwei Vorrichtungen, die Varianten der Vorrichtung nach F i g. 1 darstellen,

Fig. 4 und 6 ähnlich den Fig. 2 und 3 jeweils obere Teile zweier Dämpfungsvorrichtungen, die zwei andere Varianten der Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellen,

Fig. 5 und 7 Querschnitte längs der Schnittlinien V-V der Fi g. 4 bzw. VH-VH der Fig. 6.

Die F i g. 1 zeigt das untere Ende eines vertikalen Kernreaktorkanals, durch den ein wärmeübertragendes Gas in der Richtung von oben nach unten strömt. Jeder dieser Kanäle 8 besteht aus übereinanderliegenden Bohrungen, die in eine senkrechte Kolonne von Moderatorblöcken 10 gebohrt sind, die ihrerseits mit den Blöcken der benachbarten Kolonnen durch Längskeile 12 verbunden sind. Jede Moderatorblockkolonne ruht unter Zwischenschaltung eines Ringkörpers 14 mit kugelzonenförmiger oberer Stirnfläche auf einer Stütz- oder Tragplatte 16. An dieser Tragplatte ist beispielsweise durch Schrauben 18, die gleichzeitig den Ringkörper 14 festhalten, der konische Eintrittsteil einer Gasführung 20 befestigt, welche das aus dem Kanal kommende wärmeübertragende Gas beispielsweise dem Wärmetauscher zuführt.

Die Gasführung 20 hat an ihrem oberen Ende eine Schulter 22, die leicht kegelig geneigt ist und auf der die untere Stirnfläche eines Bundes 24 des Auffanggefäßes 26 aufliegt. Dieses Auffanggefäß 26 ist in der Gasführung 20 durch Einfügen seines unteren Endteiles in eine umgekehrte Führungshaube 28 zentriert, die ihrerseits mit der Gasführung 20 über radiale Stege 30 fest verbunden ist. Eine in dem oberen Teil des Auffanggefäßes 26 vorgesehene innere Ringnut 32 gestattet es, das Auffanggefäß mit Hilfe eines nicht dargestellten Greifers zur Handhabung der Brennstoffelemente zu erfassen, ihn aus dem Reaktor herauszuheben und ihn gegebenenfalls durch einen anderen zu ersetzen.

Der Kanal 8 ist mit einem »Zug« von Brennstoffpatronen besetzt, wobei das unterste Element in diesem Kanal eine »blinde Patrone« 34 ist. Diese blinde Patrone besteht aus einer Graphithülse, deren äußerer Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser des Kanals und die, wenn sie in ihrer Betriebsstelle eingesetzt ist, auf der oberen Stirnfläche des Bundes 24 aufliegt. Auf dieser blinden Patrone ruht die unterste Brennstoffpatrone 36, die das eigentliche Brennstoffelement 38 enthält, das von einem an einer äußeren Hülse 42 befestigten Bügel 40 getragen wird und in der Hülse durch Zentrierstege 44 zentriert ist. Die gesamte bisher geschilderte Anordnung ist bekannt und wird deshalb nicht weiter in ihren Einzelheiten beschrieben.

Die Fallstoß-Dämpfungsvorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie in F i g. 1 veranschaulicht ist, besteht aus einem Behälter 46 mit sehr dünnen Wänden aus einem Material, wie beispielsweise nichtoxydierbarem Stahl, das genügend steif ist, um eine Deformation des im wesentlichen zylindrisch geformten Behälters während seiner Handhabung zu vermeiden. Der Behälter 46 ist mit einem pulverigen Material 48 gefüllt. Dieses Material 48 muß selbstverständlich günstige Eigenschaften gegenüber den Neutronen aufweisen; pulverisierter Graphit, der einen kleinen Neutroneneinfangquerschnitt aufweist und nicht aktiv wird, stellt in den meisten Fällen das günstigste Material dar. Der Behälter 46 hat einen Durchmesser und eine unterseitige Form, die der Form des zu seiner Aufnahme dienenden Teiles des Auffang-

Claims (2)

gefäßes 26 entspricht; seine obere Begrenzungsfläche liegt unterhalb der Kühlmitteldurehtrittsöffnungen, die so frei bleiben. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, in dem das Auffanggefäß 26 starr mit dem Kanal in Verbindung steht, besteht die Möglichkeit, daß die kinetische Energie, die ein Brennstoffelement bei seinem freien Fall durch den Kanal annimmt, nicht vollständig durch die Deformation des Behälters 46 aufgenommen und abgefangen werden kann. Nun sind die Durchtrittsschlitze 50 für das Kühlgas horizontal gelegt, infolgedessen wird jede Deformation des Auffanggefäßes im Sinne einer axialen Reckung diese Schlitze vergrößern und so die Kühlung des betreffenden Kanals (an Stelle sie zu verringern) durch erhöhten Umlauf des Gases längs der durch die Pfeile / angegebenen Strömungsbahnen verbessern. Die Notwendigkeit, horizontale Schlitze anwenden zu müssen, kann vermieden werden, wenn die mittels des Behälters 46 erreichbare Stoßdämpfung durch eine besondere Einbauart des Auffanggefäßes verbessert wird, indem die Befestigung des Auffanggefäßes zu der Dämpfung beiträgt. Derartige Befestigungsweisen des Auffanggefäßes sind in den F i g. 2 bis 7 dargestellt; sie haben den zusätzlichen Vorteil, jede Deformation des Auffanggefäßes stark zu begrenzen oder überhaupt zu unterdrücken; unerwünschte Deformationen könnten das Herausziehen und den Austausch des beschädigten Auffanggefäßes stark erschweren. Die Vorrichtung nach Fig. 2, in der Bauelemente oder Teile, die denjenigen der F i g. 1 entsprechen, mit dem gleichen Bezugszeichen, aber einem Strichindex versehen sind, weist ein Auffanggefäß 26' auf, in dem der verf ormbare Behälter 48' untergebracht ist. Unterhalb des oberen Bundes 24 ist an der seitlichen Wand des Auffanggefäßes eine Reihe von AbscherRingrippen 52 vorgesehen. Die unterste Ringrippe ruht auf der Schulter 22' der Gasführung 20. Beim Herabfallen eines Brennstoffelements werden eine oder mehrere der unteren Ringrippen abgeschert, wobei ein großer Teil der kinetischen Fallenergie des Brennstoffelements verbraucht und vernichtet wird. Diese Anordnung gestattet es, für den Durchgang des Kühlgases in der Auffanggefäßwand vertikale Spalte 50' beizubehalten. Die F i g. 3, in der bereits dargestellte Bauteile das gleiche Bezugszeichen, aber mit einem Doppelstrichindex tragen, zeigt eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 2. Die Abscher-Ringrippen 52" ruhen nicht mehr direkt auf der Schulter 22", sondern auf einem Zwischenringkörper 54, der zwischen das Auffanggefäß 26" und die Tragplatte eingeschaltet ist und einen unteren Innenbund 56 aufweist, der zwischen der untersten Ringrippe 52" und der Schulter 22" eingefügt ist. Ein durch Aufschrauben auf das obere Ende des Zwischenstückes 54 an diesem befestigten Innenbundring 58 bildet eine Schulter für den Angriff der Handhabungszange der Brennstoffelemente; es ist deshalb nicht notwendig, zum Erfassen des Auffanggefäßes in der inneren Wand dieses Auffanggefäßes eine Eingriffs-Ringnut vorzusehen. Die Variante nach F i g. 3 gestattet es, ein Blockieren oder Sperren der abgescherten Ringrippen im Inneren des Kanals zu vermeiden, da das Auffanggefäß 26" und das Zwischenstück 54, die gemeinsam aus dem Kanal herausgehoben werden, die Ringrippen bzw. ihre abgescherten Teile umschließen. Die F i g. 4 und 5 zeigen eine andere Variante, in der die durch die Befestigung des Auffanggefäßes zu erzielende Dämpfung nicht durch Abscheren von Ringrippen, sondern durch Riefenbildung in einem Körper aus weichem Material erzeugt wird. Das Auffanggefäß 26"' hat an seinem oberen Teil einen Kranz 60 von Längszähnen, der auf einer Buchse 62 aus weichem Material (beispielsweise Graphit) aufliegt. Die Buchse 62 ruht ihrerseits auf einem Innenbund 56"' auf, der zu einem Zwischenstück 54"' gehört, das dem Zwischenstück 54 in F i g. 3 im wesentlichen gleich ist. Beim Hineinfallen eines Brennstoffelements in das Auffanggefäß graben sich die Zähne des Zahnkranzes 60 in die Graphitbuchse 62 ein, wobei sie den Stoß dämpfen. Die F i g. 6 und 7 zeigen weiterhin eine andere Variante, bei der die Dämpfung mittels der Befestigungsvorrichtung des Auffanggefäßes 26IV durch Deformation des oberen Abschnittes 61 des Auffanggefäßes, jedoch ohne irgendeinen Bruch erfolgt. Der obere Teil 61 des Auffanggefäßes besteht aus einem kegelstumpfförmigen Mantel mit kleinem Kegelwinkel, in den mehrere Längsschlitze 62 vertikal und gleichmäßig am Umfang verteilt eingeschnitten sind. Bei einem sehr heftigen Auftreffstoß schiebt sich dieser Mantelteil in das innen entsprechend konische Zwischenstück 54IV ein, wobei sich die Schlitze 62 wegen des radialen Zusammendrückens des Mantelstückes 60 schließen. Andere Ausführungsformen der Erfindung wären natürlich möglich. So ist es beispielsweise klar, daß der mit pulverförmigem Material gefüllte Behälter, der im wesentlichen die Dämpfung gewährleistet, durch mehrere Behälter entsprechend kleinerer Höhe ersetzt werden kann, die übereinander gestapelt werden, um die erwünschte Stärke des Kissenmaterials zu erhalten. Eine derartige Maßnahme bringt den Vorteil, daß der Stoß sich nicht an einer einzigen Stelle auswirkt. Es dürfte klar sein, daß diese Variante, wie auch ganz allgemein alle Gestaltungsvarianten der gesamten oder eines Teiles der beschriebenen einzelnen Bauelemente, die als mechanische Äquivalente angesehen werden können, im Rahmen der vorliegenden Erfindung bleiben. Patentansprüche:

1. Fallstoß-Dämpfungsvorrichtung zum Auffangen fallender Gegenstände mit mindestens einem geschlossenen, verformbaren Behälter, insbesondere zum Auffangen von Brennstoffelementen, in einem vertikalen Kanal eines mit gasförmigem Kühlmedium gekühlten Kernreaktors, bei dem am unteren Ende des Kanals ein mit Durchlaßöffnungen für das Kühlmedium versehenes Auffanggefäß für die fallenden Gegenstände befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die geschlossenen, verformbaren Behälter (46) Graphitpulver (48) enthalten und im Bodenteil des Auffanggefäßes (26) angeordnet sind, derart, daß ihre oberen Flächen unterhalb der Durchlaßöffnungen (50,50') für das Kühlmedium liegen.

2. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßöffnungen in dem Auffanggefäß aus Schlitzen (50) bestehen, deren lange Abmessung horizontal liegt.