DE1564974B2 - Kern eine mit einer Flüssigkeit gekühlten Kernreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kern eines mit einer Flüssigkeit gekühlten Kernreaktors mit in diesem vorgesehenen Kühlmittelkanälen, die sich an ihren Kühlmitteleinlaßenden in eine Kühlmitteleinlaßkammer hinein öffnen, und mit Brennstoff in den Kanälen, über welchen das Kühlmittel strömt.

Der Brennstoff in den Kanälen kann aus Stäben bestehen, welche von druckbeständigen Hüllen gebildet werden, die Brennstoff enthalten. Dieser Brennstoff kann weiterhin von der Art sein, bei welcher Spaltproduktgase im Verlauf der Bestrahlung im Kern freigegeben werden. Bei einem Material dieser Art läßt man gewöhnlich innerhalb der Hülle einen Hohlraum frei, der als Speicher für Spaltproduktgase dienen kann, so daß der Aufbau eines Innendruckes verlangsamt wird. Wenn auch eine Hohlform des Brennstoffs einen brauchbaren Hohlraum frei läßt, so erfordert doch eine ausreichende Menge an Hohlraum im allgemeinen einen Speicherraum an einem Ende der Stäbe. Mit Speicherräumen am Ende versehene Stäbe können in den Kanälen mit ihren Speicherenden zu den Einlaßenden der Kanäle hin angeordnet sein; eine derartige An-Ordnung ist vorteilhaft, wenn die Stäbe am Einlaßende des Kerns freitragend gelagert werden sollen, da das Ausspreizen der freien Enden infolge des Biegens der mit Brennstoff gefüllten Längen der Stäbe nicht unnötig durch die zusätzliche Speicherlänge vergrößert wird. In der FR-PS 1 269 842 ist ein Kernreaktorkern der eingangs genannten Gattung beschrieben, bei dem Spaltproduktgas-Speicherräume (in Form von Filtern) in der Nähe der Einlaßenden der Kanäle vorgesehen sind.

Die Erfindung geht von der Erwägung aus, daß bei einem plötzlichen Speicherausfall in größerem Umfang am Einlaßende die daraus resultierende Stoßwelle von freigegebenem Gas in die Einlaßkammer zurückgeschlagen und sich in die benachbarten Kanäle verteilen könnte, mit der Folge, daß in mehr als einem Kanal ein Fehlen an Kühlmittel auftritt. In einem Schnellreaktor läßt ein solches Fehlen das Neutronenflußspektrum zunehmen mit der Folge eines Reaktivitätsanwachsens, und zwar um so mehr, je mehr Kanäle in Mitleidenschaft gezogen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kern eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Kernreaktors zu schaffen, bei dem ein Kühlmittelausfall auf

einen Kanal beschränkt bleibt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Brennstoff in an sich bekannter Weise im Bereich der Einlaßenden der Kanäle mit einem Speicherraum für Spaltproduktgas versehen ist und daß in jedem Brennstoff enthaltenden Kanal zwischen dem Speicherraum und der Einlaßkammer eine Sperrvorrichtung vorgesehen ist, welche einer Rückwärtsströmung einen wesentlich größeren Strömungswiderstand als dem der Strömung nach den Auslaßenden der Kanäle hin entgegensetzt.

Die Sperrvorrichtungen haben dabei nur einen solchen Widerstand gegen eine Rückwärtsströmung aufzubringen, daß sichergestellt ist, daß die freigegebene Gasblase dazu gebracht wird, sich in Richtung der Vorwärtsströmung zu bewegen und nicht zurück in die Einlaßkammer. Aus diesem Grund braucht die absolute Verhinderung einer Rückströmung nicht notwendig zu sein, wobei es besser sein kann, an Stelle von Rückschlagventilen auf hydraulische Gegenstrombremsvorrichtungen zurückzugreifen, die ohne Verwendung beweglicher Teile einer Strömung in umgekehrter Richtung einen Widerstand entgegensetzen, der mehrfach größer ist als der Widerstand in Vorwärtsrichtung. Bei Verwendung von hydraulischen Gegenstrombremsen ermöglicht das Fehlen von beweglichen Teilen das Anbringen der in Frage stehenden Vorrichtungen dort, wo der Wartung keine Bedeutung zukommt, beispielsweise im permanenten Aufbau des Reaktorkerns. Dementsprechend besteht ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung darin, daß ein Kernträgeraufbau eines flüssigkeitsgekühlten Kernreaktors in jedem der Verbindungsteile, durch welche das Kühlmittel von einer Einlaßkammer nach Brennstoff enthaltenden Kanälen strömt, eine hydraulische Gegenstrombremsanordnung in Zwischenordnung aufweist, um so einer Rückströmung nach der Einlaßkammer entgegenzuwirken.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsbeispiele, die bei natriumgekühlten Schnellreaktorkernen anwendbar sind, beschrieben, wobei mehrere Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen wiedergegeben sind, und zwar zeigt

F i g. 1 im Längsschnitt eine von mehreren Halterungen, mit denen in einem Kernträgeraufbau die Lage der Brennstoffeinheiten des Reaktorkerns festgelegt ist,

Fig.2 eine teilweise, aber im übrigen ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform, wobei der Schnitt entlang der Linie IT in F i g. 3 verläuft,

F i g. 3 einen Querschnitt entsprechend der Linie HI-III in Fig.2,

Fig.4 einen teilweisen Längsschnitt einer weiteren Trägeranordnung mit zwei hintereinanderliegenden Gegenstrombremseinrichtungen, während

F i g. 5 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform wiedergibt, bei der ein mechanisches Rückschlagventil verwendet wird.

Wie in F i g. 1 dargestellt, weist der Kernträgeraufbau eine untere Platte 11 und eine obere Platte 12 auf, zwischen denen eine Einlaßkammer 13 gebildet wird, in die zur Kühlung des Kerns Kühlmittel, z. B. Natrium, gepumpt wird. Rohre 14, die die beiden Platten 11 und 12 an den Stellen des Aufbaus verbinden, wo eine Brennstoffeinheit aufgenommen bzw. angeordnet werden soll, sind mit vier symmetrisch angeordneten, schlitzförmigen Öffnungen 15 zum Einlassen von Kühlmittel aus der Einlaßkammer 13 versehen. Um oberhalb der oberen Platte 12 einen Rohransatz zur Aufnahme einer Brennstoffeinheit (oder auch mehrerer Brennstoffeinheiten) zu bilden, ist im Rohr 14 ein zweites Rohr 16 befestigt, welches unterhalb einer Schulter 17, die abdichtend auf einer konischen Kante 18 des Rohres 14 sitzt, in diesem eine Gleitpassung bildet und mit den Öffnungen 15 fluchtende schlitzförmige Öffnungen aufweist. Das zweite Rohr 16 endet an seinem oberen Ende in einem Lagerkragen 19, wobei innerhalb des Rohres ein eine zylindrische Stütz- bzw. Lauffläche 22 aufweisender Becher 21 mittels eines Kreuzarmes 20

ίο gehalten ist. Eine in das durch das zweite aufrecht stehende Rohr 16 gebildete Ansatzstück bzw. Ansatzrohr eingesetzte Brennstoffeinheit ist, obwohl in der Figur nicht dargestellt, mit Lauf- bzw. Lagerflächen versehen, die mit den soeben beschriebenen Stützflächen in Wirkverbindung stehen, so daß die Brennstoffeinheit eine frei tragende Lagerung erhält. -;?■<■.

Bezüglich der Brennstoffeinheiten genügt es im vorliegenden Fall, darauf hinzuweisen, daß jede ein rohrförmiges, sechseckiges Gehäuse aufweist, an dessen unterem Ende das vorbeschriebene Endfitting befestigt ist, wobei in dem Gehäuse Brennstoffstäbe in parallelen Reihen in einem dreieckförmigen Gitter angeordnet sind, jeder dieser Stäbe weist einen dichten, druckbeständigen Metallmantel auf, in dem eine Länge, die nahezu der halben Stablänge entspricht, frei von Brennmaterial gelassen ist, um einen Speicherraum für Spaltproduktgase zu bilden, wobei dieser Speicherraum in allen Fällen im Bereich des obenerwähnten Endfittings liegt.

In den Teil des Rohres 16 oberhalb der Schulter 17 ist eine hydraulische Sperrvorrichtung 23 eingesetzt, welche im Prinzip der in der USA.-Patentschrift 1 329 559 beschriebenen klappenförmigen Leitung (Valvularleitung) entspricht. Im vorliegenden Fall weist die Vorrichtung 23 insbesondere mindestens einen ringförmigen Bauteil auf, welcher eine schöpflöffelförmige Fläche in Richtung der Vorwärtsströmung bietet; wie dargestellt, ist ein Einsatzstück 24 aus mehreren miteinander verbundenen kegelstumpfförmigen Abschnitten zusammengesetzt, so daß es derart profiliert ist, daß es in axialer Reihenfolge mehrere derartige Flächen in Form von ringförmigen Schaufeln 25 bildet, die von der Einlaßkammer 13 weggerichtet sind. Das Einsatzstück 24 kann aus Metallblech hergestellt oder gegössen sein, wobei die erstere Möglichkeit in der Figur dargestellt ist. Mit den Schaufeln 25 sind jeweils kegelstumpfförmige Ablenker bzw. Leitbleche 26 verbunden, die hochkant an den Schaufeln angeordnet sind, so daß sie dazu neigen, eine Rückwärtsströmung in die Schaufein abzulenken. Jedes dieser Leitbleche 26 wird durch drei Platten 27 gehalten, die symmetrisch zueinander angeordnet sind und in Ebenen liegen, die durch die Achse des Einsatzstückes verlaufen.

Es ist erkennbar, daß die Vorrichtung 23 der Vorwärtsströmung des Kühlmittels von der Einlaßkammer 13 durch die Öffnungen 15 und die Rohre 14 und 16 zu dem Kanal, der durch das rohrförmige sechseckige Gehäuse einer in das Ansatzstück des Rohres 16 eingesetzten Brennstoffeinheit gebildet wird, nur wenig Widerstand entgegensetzt. Für den Fall jedoch, daß infolge eines plötzlichen Ausstoßens von Spaltproduktgasen aus dem angrenzenden Speicherraum in der Brennstoffeinheit die Neigung zu einer Rückwärtsströmung auftritt, wird das Kühlmittel in der Vorrichtung 23 zu einer Wirbelbewegung umgelenkt werden, so daß der sich einer Rückwärtsströmung entgegenstellende Widerstand beträchtlich ist. Dieser Widerstand ist ausreichend, um zu gewährleisten, daß jede Rückströmung

von Gas nicht die Einlaßkammer erreicht.

Um die Leitbleche 26 beim Umlenken der Rückwärtsströmung in die Schaufeln 25 zu unterstützen, kann die Anordnung so getroffen werden, daß durch eine derartige Strömung radial auf diese Schaufeln gerichtete Strahlen erzeugt werden. Zu diesem Zweck kann eine hohle Säule in Form eines rohrförmigen Bolzens 28, durch den das zweite Rohr 16 im Rohr 14 festgehalten wird. Ringe von düsenförmigen Öffnungen in Höhe der Leitbleche 26 und eine Einlaßöffnung für die Rückwärtsströmung irgendwo zwischen dem Becher 21 und der Gegenstrombremsvorrichtung 23 aufweisen. Der Kühlmittelnebenweg vom Becher 21 nach der Unterseite der unteren Platte 11 des Trägeraufbaus ist zum Zweck eines »hydraulischen Niederhaltens« der Vorrichtung durch einen feinen Kanal 29 im hohlen Bolzen 28 geführt, so daß die radiale Düsenanordnung leicht angebracht werden kann.

Die in den F i g. 2 und 3 dargestellte Sperrvorrichtung 23a hat die Form eines Einsatzstückes 24b, welches z.B. drei Flügel oder Schaufeln 31 aufweist, die spiralförmig radial nach außen von einem gedachten zylindrischen Ansatz der Innenwand des Rohres 16 unterhalb der Schulter verlaufen, um zwischen sich Auslaufkammern 32 zu bilden. Diese Flügel sind an der Wand des Rohres 16 und an einem Strömungsumlenkkörper 33 befestigt, der an einem weiteren, den Bolzen 28 umgebenden Rohr 34 angebracht ist. Dieses weitere Rohr 34 und der Umlenkkörper 33 verschließen das stromabwärts gelegene Ende des zylindrischen Ansatzes, so daß die normale Strömung aus diesem Ansatz in die Auslaufkammern 32 gelenkt wird, wo sie eine Bewegung in Umfangsrichtung erhält.

Die Auslaufkammern 32 weisen weitere Leitschaufeln 36 auf, deren Funktion es ist, die Bewegung in Umfangsrichtung in eine axiale Bewegung in der gleichen Richtung wie vorher umzuwandeln.

Es ist ersichtlich, daß die Umfangsbewegung stromaufwärts an der Stelle anfängt, wo die Strömung in die Auslaufkammern eintritt, wobei Zentrifugaieinflüsse bzw. -kräfte das Strömen in die Auslaufkammern unterstützen werden, während bei einer Strömung in entgegengesetzter Richtung der die Strömung erzeugende Druck diesen Einfluß bzw. diese Kraft überwinden muß. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt sämtliche Durchfluß-Sperrvorrichtungen, die dieses Prinzip verwenden, und zwar unabhängig von der Anzahl der Wirbelkammern, ob eine oder viele.

Jede Sperrvorrichtung führt einen gewissen Strömungswiderstand in den Kreislauf ein, und es ist wünschenswert, einen Kompromiß zwischen geringem Strömungswiderstand in Vorwärtsrichtung und hohem Widerstand gegenüber einer Rückwärtsströmung zu schließen. Um das Optimum bei verschiedenen Fällen zu erhalten, ist es notwendig, den Abstand Q zu variieren, welcher dem kleinsten Abstand oder der Einschnürung zwischen benachbarten Flügeln entspricht. Ein guter Kompromiß wird erhalten, wenn die Geschwindigkeit durch diese Einschnürung bzw. engste Einlaufstelle hindurch um 50% größer ist als die Geschwindigkeit stromaufwärts und stromabwärts in der Sperrvorrichtung.

Ein Verfahren zur Herstellung der Sperrvorrichtung besteht darin, ein mit Axialschlitzen versehenes Rohr zu verwenden, um die Anlauf- bzw. Vorderkante 39, d. h. in normaler Vorwärtsstromrichtung die stromaufwärts gelegene Kante der Flügel zu bestimmen, und die Flügel an denjenigen Kanten der Schlitze festzuschweißen, die keine Vorderkanten bilden. Durch Veränderung der Weite der Axialschlitze kann die Größe der

ίο Einschnürung bzw. engsten Einlaufstelle auf das gewünschte Maß eingestellt werden.

Eine Leistungsverbesserung kann in einigen Fällen dadurch erreicht werden, daß die Anlaufkanten 39 von dem gedachten Zylinder aus radial nach außen versetzt werden, oder durch Beschränkung der axialen Aufwärtsströmung auf einen geringeren Querschnitt als den des gedachten Zylinders mittels eines Leitkörpers. Auf diese Weise wird eine radiale Tiefe erhalten, in welcher die Rückwärtsströmung die Form eines engen dralligen Spiralwirbels ohne eine axiale Bewegungskomponente annimmt. Eine andere Möglichkeit zur Leistungsverbesserung besteht darin, mehrere hintereinanderliegende Sperrvorrichtungen 23a, wie in F i g. 4 dargestellt, zu verwenden. Die die eine Sperrvorrichtung 23a außerhalb des gedachten zylindrischen Ansatzes verlassende Axialströmung tritt wieder beim Eintritt in eine folgende Sperrvorrichtung in den gedachten zylindrischen Ansatz ein.

Wenn auch andere Formen von hydraulischen Rückströmungs-Sperrvorrichtungen im Rahmen der Erfindung verwendbar sind, z. B. angepaßte Arten von der in der US-PS 1 839 616 beschriebenen Ausführungsform, so sind doch außerdem mechanische Anordnungen geeignet, um die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen. Beispielsweise können Kugel- oder Klappen-Rückschlagventile in entsprechenden Formen vorgesehen werden; diese Ausführungsformen liegen ausreichend innerhalb des üblichen Fachwissens auf dem Gebiet der Ventiltechnik, so daß es sich erübrigt, weiter darauf einzugehen.

Entsprechend F i g. 5 sind lange Nadeln 40, die an ihren unteren Enden in einer Mulde bzw. Senke 41 eines Ringes 42 abgestützt sind, so daß, wenn die Nadeln senkrecht stehen, sie ein ringförmiges Gitter oder einen ringförmigen Käfig bilden. Der Hohlraum des Ringes wird von einer Deckplatte 43 abgedeckt, so daß die Strömung gezwungen ist, durch das Gitter hindurchzudringen. Die oberen Enden der Nadeln greifen in eine ringförmige Rinne 44 der Deckplatte 43 ein, die an einer Fassung oder Halterung 21a sitzt, wobei die Breite dieser Rinne größer ist als der Durchmesser der oberen Enden der Nadeln, so daß die Nadeln eine begrenzte Möglichkeit haben, sich auseinanderzuspreizen bzw. voneinander weg zu bewegen. Durch die in Richtung der durchbrochenen Pfeillinie strömende Vorwärtsströmung werden die Nadeln auseinandergespreizt, so daß die Strömung durch das Gitter bzw. den Käfig hindurchtreten kann; eine Rückwärtsströmung führt die Nadeln zusammen, so daß sie gegeneinanderstoßen und sich der Rückwärtsströmung eine nahezu feste Sperre entgegenstellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kern eines mit einer Flüssigkeit gekühlten Kernreaktors mit in diesem vorgesehenen Kühlmittelkanälen, die sich an ihren Kühlmitteleinlaßenden in eine Kühlmitteleinlaßkammer hinein öffnen, und mit Brennstoff in den Kanälen, über welchen das Kühlmittel strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in an sich bekannter Weise im Bereich der Einlaßenden der Kanäle mit einem Speicherraum für Spaltproduktgase versehen ist und daß in jedem Brennstoff enthaltenden Kanal zwischen dem Speicherraum und der Einlaßkammer (13) eine Sperrvorrichtung (23) vorgesehen ist, welche einer Rückwärtsströmung einen wesentlich größeren Strömungswiderstand als dem der Strömung nach den Auslaßenden der Kanäle hin entgegensetzt.

2. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung eine hydraulische Gegenstrombremse (23,23a) ist.

3. Reaktorkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung in einem Rohr (16) angeordnet ist, welches in fester Verbindung mit der Einlaßkammer (13) steht, und daß mindestens eine becherförmige Fassung bzw. Hülse (21) zur Aufnahme eines Endes eines einen Kanal bildenden Gehäuses einer Brennstoffeinrichtung bildet.

4. Reaktorkern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr in seinem Inneren eine Säule (28) aufweist, derart, daß innerhalb des Rohres ein ringförmiger Strömungsraum gebildet wird, und daß die Sperrvorrichtung mindestens einen ringförmigen Bauteil (24) enthält, der einen Teil der radialen Weite des ringförmigen Strömungsraumes einnimmt und in Richtung der Vorwärtsströmung eine schaufel- bzw. schöpflöffelförmige Fläche (25) darbietet.

5. Reaktorkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von ringförmigen Bauteilen durch einen in das Rohr (16) eingesetzten Einsatz (24) gebildet wird und daß der Einsatz (24) mehrere ähnliche Abschnitte mit kegelstumpfförmigen Wänden aufweist, die alle in Richtung der Vorwärtsströmung konvergieren, wobei die Verbindungen derart sind, daß die schaufeiförmige Fläche (25) zwischen jedem Paar von benachbarten Abschnitten liegt, und daß kegelstumpfförmige Leitbleche (26) so im Abstand voneinander angeordnet sind, daß sie jeweils hochkant auf den Schaufelflächen-Verbindungsstellen stehen und im wesentlichen parallel zu den benachbarten konischen Wandabschnitten verlaufen.

6. Reaktorkern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohr in seinem Inneren eine Säule (24b) aufweist, die innerhalb des Rohres einen ringförmigen Strömungsraum bildet, daß die Sperrvorrichtung radial spiralig verlaufende Leitschaufeln (31) aufweist, die einen äußeren Teil des ringförmigen Strömungsraumes einnehmen, und daß Mittel (33) vorgesehen sind, um die Vorwärtsströmung zum Eintritt aus dem nicht mit Schaufeln versehenen Teil in den Schaufelteil bzw. Schaufelraum zu zwingen und sie dann aus dem einen Ende des Schaufelteils austreten zu lassen.

7. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung eine Gruppe von Elementen (40) aufweist, die gemeinsam ähnlich wieNein;^Gitter wirken, welches durch die Vorwärtsströmung ausdehnbar ist, um die Elemente (40) voneinander zu trennen, und durch die Rückströmung zusammenfällt, um die Elemente gegeneinander zur Anlage zu bringen.

8. Reaktorkern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung ein Rohr (16) ist, das fest mit der Einlaßkammer (13) in Verbindung steht und das mindestens eine Fassung bzw. Halterung (21a) zur Aufnahme eines Endes eines einen Kanal bildenden Gehäuses für eine Brennstoff-Bauteilgruppe aufweist, und daß die Elemente der Sperrvorrichtung in Rohrformation nebeneinander angeordnet sind, derart, daß die Vorwärtsströmung in den durch die Elementenanordnung begrenzten Raum eintritt.