DE1539831B2

DE1539831B2 - Vorrichtung zum Abfuhren von Spalt gasen aus Atomkernreaktoren

Info

Publication number: DE1539831B2
Application number: DE19661539831
Authority: DE
Inventors: Didier Paris Ferrari Gior gio 6800 Mannheim Costes
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1965-11-23
Filing date: 1966-11-16
Publication date: 1971-01-28
Also published as: LU52389A1; DE1539831A1; FR90719E; ES333626A1; GB1097160A; BE688188A; CH464369A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abführen von Spaltgasen, die beim Betrieb eines Atomkernreaktors in den Brennstoffelementen gebildet werden, welche in dem zur Aufnahme des Kühlmittels des Reaktors dienenden Behälter angeordnet sind, wobei jedes Brennstoffelement oder jede Anordnung von Biennstoffelementen ein Abführungsrohr mit einer Verschlußvorrichtung aufweist und für eine Mehrzahl von Brennstoffelementen oder Brennstoffelementanordnungen eine die Abführungsrohre mit einer Spaltgasaufnahmevorrichtung verbindende Verbindungsleitung vorgesehen ist, die mit einer außerhalb des Reaktorbehälters angeordneten Verschlußvorrichtung versehen ist, wobei ferner eine an die Verbindungsleitung zwischen deren Verschlußvorrichtung und den Brennstoffelementen anschließbare Druckgasquelle, welche Gas unter einem höheren Druck als der des Kühlmittels, liefert, vorgesehen ist.

Eine solche Vorrichtung zum Abführen von Spaltgasen aus den im Atomkernreaktor eingesetzten Kernbrennstoffelementen ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 095 410 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung werden die während des Reaktorbetriebs entstehenden Spaltgase durch einen ständig durch die Spaltstoffkanäle strömenden Teilstrom des Kühlmittels aufgenommen und zur Spaltgasaufnahmevorrichtung (= Reiniger) abgeführt. Als Kühlmittel kommen nur leicht zu reinigende Gase in Betracht, nicht jedoch die in der Regel korrosiv wirkenden flüssigen Kühlmittel, wie z. B. Wasser oder Flüssig-Natrium. Die bekannte Vorrichtung kann also bei flüssigkeitsgekühlten Hochtemperaturreaktoren nicht angewendet werden. Außerdem benötigt die bekannte Vorrichtung eine umfangreiche Reinigungsanlage mit zusätzlichem Leitungsnetz, in der die mitgeführten Spaltgase aus dem Teilgasstrom extrahiert werden können. Das Einleiten von Druckgas in die Spaltstoffkanäle, nach vorher erfolgtem Absperren der Spaltgasaufnahmevorrichtung durch die Verschlußvorrichtung, erfolgt hier zu dem Zweck, alle am Eingang der Spaltstoffkanäle vorgesehenen Verschlußorgane gleichzeitig zu schließen.

Aus den USA.-Patentschriften 3146173 und 3141829 ist an sich auch schon eine Steckverbindung zwischen einem Spaltgassammelraum im Kernbrennstoffelement und einer die Spaltgase zu einem Abscheider führenden Verbindungsleitung bekannt. Dabei wird beim Aufsetzen des Kernbrennstoffelements auf einen Zentrierbolzen, der eine in axialer Richtung verlaufende, an die Spaltgassammelleitung anschließende Bohrung enthält, der im Kernbrennstoffelement vorgesehene zentrale Spaltgassammelraum mit dieser Spaltgassammelleitung verbunden. Dieses Kernbrennstoffelement, bei dem über die Steckverbindung eine Verbindung mit der Spaltgassammelleitung geschaffen wird, ist jedoch nur in gekühlten Atomkernreaktoren einsetzbar, da zum Abführen der Spaltgase aus dem zentralen Spaltgassammelraum ebenfalls das Kühlgas verwendet wird, welches durch einen im oberen Teil des Kernbrennstoffelementes vorgesehenen, porösen Block in den Spaltgassammelraum eindringt und auf diese Weise für eine dauernde Spülung im Kernbrennstoffelement sorgt. Damit das Kühlgas in den zentralen Sammelraum eindringen kann, muß der Druck in diesem Sammelraum stets geringer als der Druck des Kühlgases sein. Dieses bekannte Kernbrennstoffelement mit seiner Steckverbindung ist also für flüssigkeitsgekühlte Atomkernreaktoren nicht anwendbar, da bei diesen Reaktoren das Eindringen von Kühl-

■ medium in das Kernbrennstoff element wegen der Korrosivität des Kühlmittels geradezu vermieden werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zum Abführen von Spaltgasen aus Atomkernreaktoren zu schaffen, die nicht nur bei gasgekühlten Kernreaktoren, sondern insbesondere auch bei flüssigkeitsgekühlten Kernreaktoren anwendbar ist, bei

ίο denen als Kühlmittel beispielsweise Wasser, geschmolzenes Metall oder.eine organische Flüssigkeit verwendet wird, eine Vorrichtung, die also das Eindringen des Kühlmittels in das Kernbrennstoffelement und in den Spaltgassammelraum verhindert und damit die Behandlung der aus den Kernbrennstoff elementen abgeführten Spaltgase erleichtert, die weiterhin die Kontaminierung des Kühlmittelkreislaufs herabsetzt oder sogar ganz beseitigt und die die Ursachen für eine Verringerung der Reaktivität im Betrieb verhindert.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise das Abführungsrohr einen Spaltgassammelraum über eine dichte Steckverbindung mit der Verbindungsleitung verbindet und daß die im Betrieb normalerweise geschlossene Verschlußvorrichtung für die Spaltgasabführung von Hand zu öffnen ist und automatisch schließt, wenn der Druck in der Verbindungsleitung auf oder unter den Mittelwert der Drücke des Kühlmediums stromauf- und stromabwärts von den Brennstoffelementen abfällt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Dauerspülung des Kernbrennelements durch das Kühlmittel zum Zwecke der Abführung der Spaltgase nicht mehr erforderlich. Auf diese Weise gelangen ausschließlich Spaltgase zur Spaltgassammeivorrichtung, so daß die Behandlung der Spaltgase ganz wesentlich erleichtert wird.

Die Erfindung umfaßt ferner weitere Merkmale, die vorzugsweise in Verbindung mit den obigen, jedoch auch unabhängig davon angewandt werden können. Alle diese Merkmale finden sich in den nachstehenden Unteransprüchen und werden durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angeführten Ausführungsform näher erläutert. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnungen. Hierin zeigt

F i g. 1 eine sehr schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spül- und Abführvorrichtung und eines zugehörigen Brennstoffelements,

F i g. 2 einen Ausschnitt einer abgewandelten Ausführungsform des oberen Teils des Brennstoffelements, F i g. 3 eine ganz schematische Darstellung der im Kreis hergestellten Verbindungen bei normalen Betrieb des Kernreaktors und Abführung der Spaltgase, F i g. 4 und 5 ähnlich F i g. 3 die in der Vorrichtung hergestellten Verbindungen beim Ersetzen eines Brennstoffelements, '

F i g. 6 den unteren Teil einer Anordnung und einen Teil des Unterzugs eines Kernreaktors, der mit einer abgewandelten erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen ist.

Die als Beispiel in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung ist für einen Kernreaktor bestimmt, der durch einen Kreislauf eines flüssigen Metalls (z. B. Natrium) in einem Be} älter, dessen oberer Teil von einem inerten Gaspolster (ζ. B. Argon) eingenommen wird, gekühlt wird. Diese Vorrichtung setzt sich zusammen aus einem Teil A, der aus einer Mehrzahl von jeweils zu einem

Brennstoffelement 2? gehörenden Kreisen besteht, und einem einer Mehrzahl von Brennstoffelementen öde.r sogar allen Brennstoffelementen des Reaktors gemeinsamen Teil C.

Das gezeigte Brennstoffelement B besitzt eine sogenannte umgekehrte Geometrie, d. h., daß das aus dem flüssigen Metall bestehende Kühlmedium entsprechend den Pfeilen / in den durch die Masse des Brennstoffmaterials geführten Rohren strömt. Dieses Brennstoffelement setzt sich zusammen aus einer Hülle 10, z. B. aus rostfreiem Stahl, die an ihrem unteren Ende in einem Fuß 12 endet, der im wesentlichen dicht in einen Zentrierunterzug 14 eingesetzt ist, der einen Kühlmitteleinlaßhauptkanal 16 abgrenzt. Der obere, einen großen Durchmesser besitzende Teil der Hülle 10 wird zwischen zwei Verschlüssen 18 und 20 von einer Masse aus spaltbarem und/oder Brütermaterial 24 und 26 und einem porösen Stopfen 28 (z. B. aus einem keramischen Oxid geeigneter Porosität oder gesintertem Metall) ausgefüllt.

Die spaltbaren und Brütermaterialien liegen vorzugsweise in Form von durch Rütteln in der Hülle verdich- \) teten Oxidpulvern (UO₂, PuO₂, ThO₂ ...) vor. Das Kühlmittel strömt durch die Brennstoffmasse in den parallelen Rohren 32, die durch die Verschlüsse 18 und 20 geführt und an diesen dicht verschweißt sind. An der Innenseite des porösen Stopfens 28 ist ein Hohlraum 34 zur Sammlung der von den spaltbaren und Brütermaterialien kommenden Spaltgase vorgesehen. Infolge der Anordnung des Hohlraums 34 auf der kältesten Seite des Elementes wird die Diffusionszeit so groß wie möglich und infolgedessen die Aktivität der abgegebenen Gase so gering wie möglich, und letztere sind ferner auf permanente Gase und sehr leicht flüchtige Dämpfe beschränkt.

Dieser Hohlraum 34 ist durch ein Abführungsrohr 36, das dicht durch den Verschluß 18 geführt ist, mit dem Fuß der Hülle 10 verbunden, in der das Rohr durch Flügel 38 zentriert ist. Um diesem Rohr eine gewisse axiale Elastizität zu verleihen, braucht man es nur über einen Teil seiner Länge schraubenförmig auszubilden, da es nur einer mäßigen Temperatur (der Eintrittstemperatur des Natriums) ausgesetzt ist. Wenn x ι sich das Brennstoffelement B an seinem Platz in dem "'■' Unterzug 14 befindet, ist auf diese Weise zwischen dem Endabschnitt des Rohrs 36 und einem Sitz 42 eine im wesentlichen dichte Berührung hergestellt, wobei der Sitz 42 den Endabschnitt des mit dem Unterzug 14 durch Stege 46 fest verbundenen Rohrs 44 bildet. Der Sitz 42 weist nur einen geringen Durchmesser (3 bis 6 mm) auf und kann daher aus einem gegen Natrium beständigen Material hergestellt werden. Er kann gegebenenfalls mit Hilfe der Wartungshaube ausgebaut werden.

Das Rohr 44 ist durch die Wand des den Reaktoreore enthaltenden Behälters 48 geführt und unter Zwischenschaltung eines U-Rohrs (Siphon) 50 zur Leckfeststellung und eines (bei normalem Betrieb des Reaktors offenen) Ventils 52 zum Zurückhalten des Natriums mit einer Sammelleitung 54 verbunden. In diese Sammelleitung münden einige oder gegebenenfalls alle der den anderen Brennstoffelementen zugehörigen Leitungen 44.

Die Gesamtanordnung von Rohren 44, Siphons 50 Und Ventilen 52 stellt zusammen mit den Vorrichtungen zur Messung des in den Rohren 44 herrschenden Drucks, die samt ihrer Funktion im folgenden beschrieben werden, den nicht gemeinsamen Teil A dar.

Der mehreren oder allen Brennstoffelementen gemeinsame Teil C beginnt mit der Sammelleitung 54. Dieser gemeinsame Teil umfaßt ausgehend von der Sammelleitung 54 ein (im Betrieb des Reaktors normalerweise geschlossenes) Ventil 58, ein Rückschlagventil 60 und eine Anlage 62 zum Auffangen und gegebenenfalls Behandeln der Spaltgase.

Ein parallel zum Ventil 58 und Rückschlagventil 60 angeordneter Hilfspumpenkreis umfaßt in Reihe hintereinander angeordnet ein normalerweise geschlossenes Abschlußventil 64, eine Pumpe 66, ein zweites ebenfalls normalerweise geschlossenes Abschlußventil 68 und ein Rückschlagventil 70. Die Pumpe 66 dient dazu, die gasförmigen Produkte aus den Brennstoffelementen anzusaugen und der Anlage 62 zuzuführen. Da jedoch die Gefahr besteht, daß Natrium durch einige Sitze 42 hindurchleckt, muß die Pumpe 66 mit einem Gas-Flüssig-Fest-Stoffgemisch (Oxide und Salze des Natriums) arbeiten können. Eine Membranpumpe

ao scheint hierfür die günstigste Lösung zu bieten.

Schließlich ist ein Inertgasspeicher 74 vorgesehen, der mit der Sammelleitung 54 durch eine Leitung 72 verbunden ist, die mit einem normalerweise geschlossenen Ventil 76 und einem Rückschlagventil 78 versehen ist. Das Inertgas ist mit einem sehr hohen Druck verfügbar, damit man es gegebenenfalls zum Durchblasen aller Rohre 44 benutzen kann. Dennoch muß aus später aufgezeigten Gründen die Möglichkeit der Regelung des Abgabedrucks des Speichers 74 bestehen.

Das Neutralgas ist vorteilhafterweise das gleiche wie das in den Gaspolstern oberhalb der Kühlflüssigkeit benutzte. Die Ventile 76 und 58 sind durch einen Verriegelungsmechanismus (schematisch strichpunktiert gezeigt) gekoppelt, der ihre gleichzeitige Öffnung verhindert.

Mit dem gemeinsamen Teil C der Vorrichtung sind Vorrichtungen zur Messung der Drückep\ und/>2 des Natriums im Behälter stromabwärts und stromaufwärts von den Anordnungen und zur Berechnung des mittleren Drucks

Pm =

P%+P2

verbunden. Diese Vorrichtungen umfassen Übertragungselemente, die durch die Leiter 80 und 82 mit einem Kreis 84 zur Ermittlung des Druckmittelwertes verbunden sind.

Mit der Gesamtheit der Brennstoffelemente ist ferner ein stromabwärts von den Siphons 50 angeordnetes Druckmeß- und Übertragungsgerät verbunden, das durch einen Leiter 85 ein dem Druck ρ in den Brennstoffelementen entsprechendes Sigal an einen Kreis 86 liefert, der ebenfalls mit dem Kreis 84 durch einen Leiter 88 verbunden ist. Im Kreis 86 wird der in den Brennstoffelementen, wie B, und der Leitung 44 herrschende Druck ρ mit dem Druck p_m des Natriums verglichen.

Der Vergleichskreis (Komparatorkreis) 86 ist über in der Figur schematisch gestrichelt gezeichnete Stellvorrichtungen mit den Ventilen 58 und 76 verbunden, die von ihm entweder automatisch oder nach Erhalt eines Signals von einer Bedienungsperson, das in F i g. 1 schematisch mit dem Pfeil 90 angegeben ist, betätigt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besorgt dieser Komparator insbesondere die automatische Schließung des Ventils 58 (wenn dieses zuvor offen war), sobald der Wert des Drucks ρ unter-

halb eines Werts p_m + Ap absinkt, wobei Ap im fol-.genden definiert ist.

^; Die Regelung der Durchflußmenge durch die Rohre 32 kann auf verschiedene Weise geschehen. Das in F i g. 1 gezeigte Brennstoffelement besitzt Rohre, die über den Verschluß 20 vorstehen und auf die geeignete (durch Versuche bestimmte) Abmessung eingedrückt sind, um den geeigneten Druckabfall zu erhalten. Diese Maßnahme kann in der Kälte an den aus rostfreiem Stahl bestehenden Rohren vorgenommen werden.

Bei einer in F i g. 2 gezeigten abgewandelten Ausführungsform besitzt das Brennstoffelement ein an der Hülle 10 oberhalb der Verschlußplatte 20 befestigtes durchbrochenes Gitter 92, und die Regelung der Durchflußmenge erfolgt mittels entsprechend weit eingeschraubter Stellschrauben 94. Auf diese Weise kann man das Element für jede beliebige Stellung im Core justieren, jedoch ist diese Lösung offensichtlich nur dann möglich, wenn der Druckverlust infolge des Gitters nicht übermäßig groß ist, d. h., wenn der Abstand von einem Kanal zum nächsten in dem Netzwerk nicht zu gering ist.

Betriebsablauf

Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung liefert eine "Lösung für alle Probleme, die beim normalen oder gestörten Betrieb des Reaktors auftreten können, insbesondere die folgenden:

1. Gefahr, daß beim Austausch einer Gasabführ- : vorrichtung Natrium in die Gasaufnahmevorrich-. tung62 gerät;

j 2. Gefahr einer Kontaminierung des Primärkreislaufs durch die gasförmigen Spaltprodukte;

3. Überprüfung des ordnungsgemäßen Zustands der Anlage vor dem Anlaufen;

4. Gefahr des Eintritts von Natrium in ein neues Brennstoffelement beim Austausch;

: 5. Feststellung und Lokalisierung von Fehlern im Betrieb;

6. Schutz der Gasaufnahmevorrichtung 62 im Fall eines schweren Unfalls;

7. Regelung des Drucks ρ auf einen bestimmten Wert.

Im folgenden ist angegeben, wie diese Lösungen bei den verschieden zu berücksichtigenden Betriebsbedingungen erreicht werden.

Normalbetrieb und Abführung der Spaltprodukte

Hier ist zu beachten, daß beim normalen Betrieb der Druck/? zwischen einem Wert p_m + Ap (wobei Ap genügend groß ist, daß nur eine geringe Gefahr des Eintritts von Natrium in die Rohre 36 und 44 besteht) und einem Wert p_m + 3Ap gehalten wird (wobei der Wert 3 Ap so gewählt ist, daß die Ventile 76 und 58 identische Öffnungsbereiche aufweisen, wie im folgenden erläutert).

Die durch den porösen Stopfen 28 gelangenden Spaltgase werden im Hohlraum 34 gesammelt und gelangen in das Abführrohr 36, das vom Brennstoffelement getragen wird und in im wesentlichen dichter Verbindung mit dem konischen, von dem Unterzug 14 getragenen Sitz 42 steht. Die Spaltgase nehmen dann den in F i g. 3 ausgezogen gezeichneten Teil der Vorrichtung ein.

Zur Erfüllung der Bedingung Nr. 6 darf die Abführung der angesammelten Gase nicht automatisch sondern nur unter der Wirkung eines Steuerbefehls einer Bedienungsperson erfolgen. Diese wird tätig, wenn der Komparator 36 anzeigt, daß infolge einer Ansammlung von Gas in den Hohlräumen 34 der Brennstoffelemente der Druck/? den Wertp_m + 3 Ap erreicht, und öffnet dann das Ventil 58, um die Abführung des Gases zu bewirken. Dieses entweicht nach dem in F i g. 3 gestrichelt gezeichneten Kreis. Das Ventil 58 ist so eingerichtet, daß es sich automatisch schließt, sobald der Druck ρ unter einem bestimmten ίο Wert, beispielsweise p_m + Ap absinkt. Die Aufrechterhaltung des Überdrucks Ap ist notwendig, um die Gefahr von Natriumlecks in die Leitungen 44 und von da in die Anlage 62 zu verringern.

^X5 Ersatz eines Brennstoffelements (Fig. 4 und 5)

Vor dem Ersatz irgendeines der Brennstoffelemente öffnet man die Ventile 64 und 68 der Pumpe 66 und setzt mit Hilfe dieser Pumpe alle Brennstoffelemente B und ihre zugehörigen Kreise A unter Unterdruck, um den größtmöglichen Teil der freigesetzten oder freisetzbaren Spaltgase zur Gasaufnahmevorrichtung 62 abzuführen (F i g. 4). Infolge der herabgesetzten Temperatur, bei der diese Maßnahme vorgenommen wird (die Wartungstemperatur liegt praktisch stets zwischen 150 und 200° C), werden anschließend nur noch sehr geringe Mengen Spaltgase abgegeben.

Man schließt dann die Ventile 64 und 68 und

öffnet anschließend mittels des Steuersignals 90 das Ventil 76 (F i g. 5), um reines Argon in die Brennstoffelemente B zu schicken. Diese doppelte Maßnahme (Öffnen der Ventile 64 und 68, Erzeugen eines Unterdrucks, Einleiten von Argon) kann, falls erforderlich, mehrfach wiederholt werden. Durch Messung der Aktivität des von der Pumpe 66 angesaugten und zur Gasaufnahmevorrichtung 62 weitergeleiteten Gases kann man sich Gewähr verschaffen, daß dieser Arbeitsgang erst beendet wird, wenn die Kontaminierung auf einen tragbaren Wert abgesunken ist.

Dieser Reinigungsarbeitsgang kann während der zur Abnahme der Aktivität der Brennstoffelemente notwendigen Zeitdauer durchgeführt werden, so daß die Wartungsdauer nicht verlängert wird. . Nach Beendigung der Reinigung (Spülung) schließt man alle Ventile 52 und die Ventile 64 und 68. Mittels der Wartungshaube der Lademaschine hebt man das zu ersetzende Brennstoffelement B heraus. Das Natrium tritt dann in das Brennstoffelement (falls kein

. automatisches Rückschlagventil vorgesehen ist) und in das Rohr 44 ein. Selbst ohne ein Rückschlagventil wird jedoch dieser Eintritt durch den porösen Stopfen herabgesetzt, wodurch man in bestimmten Fällen die Brennstoffelementanordnung wieder verwenden kann.

Das in das Rohr 44 eingedrungene Natrium wird vom Ventil 52 abgesperrt. Eine Heizung des außerhalb des Behälters 48 liegenden Teils des Rohrs 44 muß vorgesehen sein, um ein Erstarren dieses Natriums zu verhindern. Diese Heizung ist jedoch wegen der geringen Abmessungen des Rohrs nicht schwierig.

Das in das Rohr 44 eindringende Natrium verdrängt das darin enthaltene Argon zum Behälter hin, jedoch besteht wegen der vorhergehenden Reinigung bzw. Spülung keine Gefahr einer Kontaminierung des Kühlmittelkreislaufs. Das neue Brennstoffelement wird dann eingesetzt. Um zu verhindern, daß es sich teilweise mit Natrium füllt, kann man das Rohr 36 durch ein Rückschlagventil oder einen Stopfen mit tiefer Schmelztemperatur (die zwischen der Wartungs-

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temperatur und der Eintrittstemperatur des Natriums sen, bis die schadhaften Brennstoffelemente abgetrennt

im Betrieb liegt) verschließen oder sich auf den porösen werden konnten.

Stopfen verlassen. Diese letztgenannte einfachere ,-^n η ■·

Lösung ist im allgemeinen ausreichend, da die Vo- Feststellung von Störungen

lumina des Rohrs 36 und des Gassammeihohlraums 34 5 Das oben beschriebene Verfahren zum Austausch

gering sind. von Brennstoffelementen bietet eine Lösung für die

Wenn sich das neue Brennstoffelement dann sehr ersten vier der oben aufgezählten Punkte. Die Festnahe bei seiner Endstellung in dem Unterzug 14 stellung von Störungen mit Hilfe des Siphons 50 befindet, öffnet man das entsprechende Ventil 52. erfordert, daß man während des Betriebs des Reaktors Nachdem der Druck ρ im Rohrnetz inzwischen auf 10 ρ < p₂ hält, damit im Fall eines Lecks das Natrium einen höheren Wert als der Druck des Natriums gegen in die Leitung 56 und nicht die Spaltprodukte in den das Ventil 52 eingestellt wurde, wird der Hauptteil Reaktorbehälter gelangen. Der zuvor durch Einleiten des Natriums in den Behälter 48 zurückgedrückt; nur eines Gases beim Austausch des entsprechenden eine kleine Natriummenge gelangt in die Leitung 56. Brennstoffelements geleerte Siphon 50 stellt einen Der Eintritt eines kleinen Volumens vom gleichen Gas 15 Auffangplatz für das Natrium dar, wo es sich vor dam wie das im Gaspolster eingeschlossene in den Behälter Eintritt in die Leitung 56 sammelt. Der Eintritt von 48 stört nicht. Natrium in diesen Bereich kann auf beliebige übliche

Das Brennstoffelement wird schließlich in seine Weise festgestellt werden, und man kann vorsehen,

Endstellung gebracht. Den dichten Sitz an der Be- daß dann ein Alarmsignal ausgelöst und das dem

rührungssteile kann man durch Messung der Gasleck- 20 schadhaften Brennstoffelement entsprechende Ventil 52

menge feststellen. Diese Routinemaßnahme ist für geschlossen wird.

jedes auszuwechselnde Brennstoffelement durchzu- Die Zwischenschaltung des normalerweise geschlos-

führen, wobei das Ventil 52 des gerade ausgetauschten senen Ventils 58 dient nicht nur zum Schutz der

Brennstoffelements offen ist. Vor dem Anlaufen des Gasaufnahmevorrichtung 62, sondern ermöglicht auch

Reaktors öffnet man alle Ventile 52 und wiederholt die 25 die Reparatur schadhafter Bestandteile, ohne daß

Spülmaßnahmen, und zwar diesmal zur Verringerung man den ganzen Kreislauf verdoppeln muß.

der im Inneren der Brennstoffelemente B befindlichen Statt eines Lecks kann auch eine Verstopfung im

Natriummenge. Betrieb auftreten. Wenn man dem Rohr 44 einen

Anlauf genügenden Durchmesser (10 bis 12 mm) gibt, kann

30 man jedoch fast sicher sein, daß keine Verstopfung

Beim Anlaufen des Reaktors, wenn die Natrium- eintritt. Außerdem kann man sich bei jedem Heraus-

durchfiußmenge sehr gering ist, muß der Druck- auf nehmen des Brennstoffelements davon üDerzeugen, daß

einem geringen Wert gehalten werden (da p₂ wegen keine beginnende Verstopfung vorhanden ist, und

der geringen Druckverluste kaum höher als P₁ ist). gegebenenfalls ihre Beseitigung durch Durchblasen mit

Der Druck p₂ steigt jedoch mit der Natiiumdurchfluß- 35 Gas oder Ansaugen von Natrium versuchen. Eine

menge, und man muß im Verlauf des Anlaufvorgangs Verstopfung des Rohrs 36 des Brennstoffelements ist

die Brennstoffelemente unter Druck setzen, um kaum zu befürchten, da dieses Rohr durch den porösen

Natriumverluste zur Gasaufnahmevorrichtung 62 hin Stopfen geschützt ist und gleichzeitig mit dem Brenn-

zu vermeiden. stoffelement erneuert wird.

Man kann zu diesem Zweck die gleiche Regelung 40 Die Möglichkeit der Einleitung von Gas in die wie beim Austausch eines Brennstoffelements an- Brennstoffelemente kann auch außerhalb der Anlaufe wenden: Wenn der Druck- zu niedrig ist, beispielsweise und Brennstoffelementaustauschzeiten benutzt werden, kleiner als p_m—Ap, löst der Komparatorkreis 86 Das Einleiten von Gas ermöglicht eine Verdünnung ein Alarmsignal aus. Die Bedienungsperson öffnet der Spaltprodukte und eine vollständigere Abführung dann das Ventil 76, um Argon in die Brennstoff- 45 derseloen aus den Brennstoffelementen und damit eine elemente einzuleiten. Dieses Ventil 76 schließt sich bessere Arbeitsweise der Gasaufnahmevorrichtung 62, automatisch, sobald ρ einen vorbestimmten Wert wenn in dieser eine Behandlung und nicht nur eine erreicht, der auf p_m + Ap festgelegt werden kann, einfache Speicherung vorgenommen wird,
damit die Ventile 76 und 58 gleiche Öffnungsbereiche Die in Fig. 6 gezeigte abgewandelte Ausführungshaben. 50 form der Erfindung unterscneidet sich von der be-

Der gewählte Wert Ap ergibt sich aus einem schriebenen in zwei wesentlichen Punkten. Einerseits Kompromiß zwischen einander entsprechenden For- sind in dem die Brennstoffelemente im Inneren des derungen: Einerseits muß Ap genügend groß sein, um Reaktorbehälters tragenden Unterzug mehrere jeweils die in die Gesamtheit der Rohre 44 gelangenden mit einem Teil der Gesamtzahl der Brennstoffelemente Natriumleckmengen herabzusetzen, während anderer- 55 verbundene Untersammelleitungen vorgesehen und seits die von hohen Werten p—p_x hervorgerufenen nur diese mit aus dem Behälter herausführenden Spannungen am Kopf der Brennstoffelemente ver- Austrittsrohren versehen, so daß die Zahl der Ausmieden werden müssen. Schließlich ist es wünschens- trittsrohre gegenüber dem obigen Fall stark herabwert, die Öffnungsfolge des Ventils 58 zu begrenzen, gesetzt ist. Andererseits ist jedes Brennstoffelement was man besser mit hohen Werten Ap erreicht. 60 mit einem Rückschlagventil versehen, das sich außerhalb der Zeiten, wo das Element mit der Untersammel-Störungsfall leitung verbunden ist, automatisch schließt.

Diese Ausbildung ist insbesondere für die Reak-

Durch die Handsteuerung des Ventils 58 ist die toren zu bevorzugen, bei denen der Core aus zahl-

Gasaufnahmevorrichtung 62 gegen den Eintritt von 65 reichen Kernbrennstoffelementen zusammengesetzt ist,

Natrium geschützt. Wenn tatsächlich infolge eines die voneinander unabhängig betrieben werden können,

schweren Unfalls Brennstoffelemente zerstört wurden, Das Brennstoffelement B' kann beispielsweise von

hält die Bedienungsperson das Schutzventil 58 geschlos- der Art, wie das in der französischen Patentanmel-

dung 60129 vom 3.5.1966 des Patentinhabers beschriebene oder, von einem Typ, wie der in F i g. 1 gezeigte, sein. Das Brennstoffelement B' der F i g. 6 setzt sich zusammen aus einer Hülle 10', in der (nicht wiedergegebene) dünne Stäbe (Nadeln) aus in eine dichte Hülle eingeschlossenem spaltbaren und/oder Brütermaterial angeordnet sind. Die mit spaltbarem Material ausgestatteten Stäbe stehen entweder direkt oder über die mit Brütermaterial ausgestatteten Stäbe mit einem im unteren Teil der Hülle vorgesehenen Sammelhohlraum 104 in Verbindung.

Der Sammelhohlraum 104 setzt sich in einem starren Abführrohr 36' fort, das einen axialen Kanal 102 von geringem Durchmesser besitzt. Trennwände 106 zentrieren das Rohr 36' im Fuß 103 der Hülle und tragen das Rohr und den Hohlraum. Am unteren Teil des starren Abführrohrs 36' ist ein im ganzen kegelförmig ausgebildeter Stempel 1G8 befestigt, dessen größter Durchmesser dem des Fußes 103 entspricht. Wie im folgenden beschrieben, dienen der Fuß 103 und der Stempel 1C8 zur Zentrierung des Brennstoffelements B' im Unterzug 14'. Im Stempel 108 ist ein Rückschlagventil angeordnet, das aus einer Kugel 110 und einem Sitz 112 besteht, gegen den die Kugel von einer Feder 114 gedrückt wird. Wenn das Brennstoffelement B' frei ist, ist dieses Kugelventil geschlossen.

Der Unterzug 14' besteht aus einem starren, durch Zwischenwände in mehrere übereinanderliegende Kästen unterteilten Tragwerk. Die Deckplatte 116 des Unterzugs und eine Trennwand 118, die durch mit Öffnungen 122 versehene Schachtrohre 120 verbunden sind, schließen einen EinlaCkasten 124 für das flüssige Kühlmittel (im allgemeinen flüssiges Natrium) ein. Dieses Kühlmittel gelangt vom Einlaßkasten 124 in die Brennstoffelemente B' und strömt in diesem aufsteigend gemäß dem durch die ausgezogen gezeichneten Pfeile /' angegebenen Weg. Der Innendurchmesser der Schachtrohre 120 ist so bemessen, daß der Stempel 108 darin mit einem geringen Spiel gleitet, das ausreicht, damit etwas Kühlmittel vom Einlaßkasten 124 zwischen der Wand des Schachtrohrs 120 und dem Stempel 108 hindurch zur Ableitung 126 gelangt, die durch eine Ablaßleitung 128 mit dem Niederdruckteil des Natriumkreislaufs verbunden ist. Daher wirkt trotz des aufsteigenden Kühlmittelkreislaufs keinerlei resultierende Druckkraft auf das Brennstoffelement. Die auf das eigentliche Brennstoffelement ausgeübten Kräfte sind mit den auf den Stempel 108 ausgeübten Kräften im Gleichgewicht, so daß das Brennstoffelement mit seinem ganzen Gewicht auf seiner im folgenden beschriebenen Tragvorrichtung ruht.

Die Tragvorrichtung weist eine Trennwand 136 auf, die die obere Wand eines Sammlerkastens 130 bildet, der ebenfalls einen Teil des Unterzugs 14' darstellt und durch Querwände 132 in einer Reihe von Untersammlern geteilt ist. -Die Trennwand 136 trägt gegenüber jedem Schachtrohr 120 ein Stützrohr 138, das einen axialen Abführungskanal 140 besitzt. Die Länge dieses Stützrohrs 138 ist genügend bemessen, daß sich sein oberes kegelförmig ausgebildetes Ende 142 bezüglich des Schachtrohrs geringfügig radial verschieben kann, wodurch eine gute Zentrierung der Auflagezonen erreicht wird. Auf dieses obere kegelförmige Ende 142 setzt sich der das Endstück des Brennstoffelements B' bildende Stempel 108 so, daß eine im wesentlichen dichte Verbindung hergestellt wird. Wenn das Brennstoffelement sich an- Ort und Stelle befindet und vom Stützrohr 138 getragen wird, hebt dessen Ende 142 die Kugel 110 von ihrem Sitz 112 und stellt die Verbindung zwischen den Kanälen 102 und 140 her. Wie ersichtlich, steht also jedes der Brennstoffelemente B' des Kernreaktors mit einem Untersammler in Verbindung, und jeder dieser Untersammler gehört zu mehreren Brennstoffelementen.

Der obere Teil jedes der im Kasten 130 ausgebildeten Untersammler steht durch eine mit nicht gezeigten

ίο Verschluß vorrichtungen versehene Leitung 44' mit einer Aufnahme- und Behandlungsvorrichtung für die Spaltgase ähnlich der obenerwähnten in Verbindung. Eine zweite Leitung 146 verbindet den unteren Teil jedes Untersammlers des Kastens 130, wo sich die eventuellen Leckmengen von flüssigem, mit Caesium und Jodsalzen beladenem Natrium sammeln, mit einer zweiten nicht gezeigten Aufnahmeeinrichtung. Schließlich kann durch eine mit dem oberen Teil jedes Untersammlers des Kastens 130 verbundene Leitung 148 Argon unter Druck dort eingeführt werden.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ergibt sich aus der obigen Beschreibung und wird daher hier nur noch kurz erläutert.
Beim Betrieb des Reaktors werden die Spaltgase auf dem in der Figur durch die gestrichelt gezeichneten Pfeile /" angegebenen Weg nach einem ähnlichen Verfahren, wie oben im einzelnen angegeben, abgeführt. Wenn ein Brennstoffelement B' ausgetauscht werden muß, wird der Reaktor stillgelegt. Der von den Gasen eingenommene Teil des entsprechenden Untersammlers des Kastens 130 wird durch einen Argonstrom gespült, der von der Leitung 148 her eingeführt und durch die Leitung 44' abgeführt wird und die Spaltgase mitnimmt. Die am Boden des Kastens 130 befindliche radioaktive Flüssigkeit wird durch die Leitung 146 herausgedrückt, indem man durch die Leitung 148 Argon unter Druck einleitet. Die Leitungen 44' und 146 werden anschließend verschlossen, und das Brennstoffelement B' wird herausgehoben. Dabei schließt sich das Kugelventil automatisch, sobald die Kugel 110 nicht mehr mit dem Rohr 138 in Berührung steht, und verhindert so den Eintritt von Natrium in den Kanal 102 und den Hohlraum 104. Anschließend wird im Untersammler ein geringer Argondruck aufrechterhalten, um den Eintritt von Natrium in den Kanal 140 zu verhindern.

Beim Einsetzen eines neuen Brennstoffelements wird, wie ersichtlich, im Betrieb eine ausgezeichnete Abdichtung der Verbindung zwischen dem Stempel 108 und dem Rohr 138 durch den Auflagedruck des Brennstoffelements B' erzielt, das mit seinem ganzen Gewicht auf das Rohr 138 drückt. Der Eintritt von flüssigem Kühlmittel in den Kanal 102 während des Einbaus eines neuen Brennstoffelements wird durch das Kugelventil verhindert. Selbst wenn letzteres beim Herausnehmen des Elements in der offenen Stellung blockiert sein sollte, treten dadurch keine besonderen Schwierigkeiten auf, da das Brennstoffelement anschließend zur Aufbereitung zerlegt wird.

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Claims

Patentansprüche :

1. Vorrichtung zum Abführen von Spaltgasen, die beim Betrieb eines Atomkernreaktors in den Brennstoffelementen gebildet werden, welche in dem zur Aufnahme des Kühlmittels des Reaktors dienenden Behälter angeordnet sind, wobei jedes Brennstoffelement oder jede Anordnung von Brennstoffelementen ein Abführungsrohr mit einer

Verschlußvorrichtung aufweist und für eine Mehrzahl von Brennstoffelementen oder Brennstoffelementanordnungen eine die Abführungsrohre mit einer Spaltgasaufnahmevorrichtung verbindende Verbindungsleitung vorgesehen ist, die mit einer außerhalb des Reaktorbehälters angeordneten Verschlußvorrichtung versehen ist, wobei ferner eine an die Verbindungsleitung zwischen deren Verschlußvorrichtung und den Brennstoffelementen anschließbare Druckgasquelle, welche Gas, unter einem höheren Druck als der des Kühlmittels, liefert, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Abführungsrohr (36, 44, 50 oder 102, 140) einen Spaltgassammelraum (34 oder 104) über eine dichte Steckverbindung mit der Verbindungsleitung (56 oder 44') verbindet und daß die im Betrieb normalerweise geschlossene Verschlußvorrichtung (58) für die Spaltgasabführung von Hand zu öffnen ist und automatisch schließt, wenn der Druck in der Verbindungsleitung auf oder unter den Mittelwert, der Drücke des Kühlmediums stromauf- und stromabwärts von den Brennstoffelementen abfällt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Mechanismus, der die gleichzeitige Öffnung des Ventils (58) und eines die Druckgasquelle von der Verbindungsleitung absperrenden Ventils (76) verhindert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abführungsrohr aus einem mit dem Brennstoffelement fest verbundenen Teil (36, 36') und einem mit der den Fuß des Brennstoffelements aufnehmenden Stützvorrichtung (14, 14') fest verbundenen Teil (138,42) besteht und diese Teile sich abdichtend berühren, wenn das Brennstoffelement an seinem Platz auf der Stützvorrichtung (14, 14') ruht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie für jedes Brennstoffelement einen in einem Stück mit dem Brennstoffelement ausgebildeten Spaltgassammelhohlraum aufweist, der starr mit einem in seinem unteren Teil mit einem Rückschlagventil (110) versehenen Abführungsrohr (36') verbunden ist, und ein in einen Sammlerkasten (130) mündendes und mit einer Spaltgasaufnahmevorrichtung (62) verbundenes festes Stützrohr (138) aufweist, wobei das Brennstoffelement (B) mittels des Abführungsrohrs auf dem Stützrohr unter Ausbildung einer dichten Verbindung ruht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abführungsrohr (36') mit einem automatisch schließenden Kugelventil (110, 112, 114) versehen ist und das Stützrohr (138) an seinem einen Ende (142) so ausgebildet ist, daß es das Ventil geöffnet hält, wenn das Brennstoffelement auf dem Stützrohr (138) ruht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen