DE1564982C3 - Moderatoraufbau für Atomkernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Moderatoraufbau für Atomkernreaktoren, welcher aus Bauteilgruppen aus prismatischen Graphitblöcken durch Aufeinandersetzen derselben zu Säulen und paralleles Nebeneinanderanordnen dieser Säulen zu Schichten aufgebaut ist, wobei die Graphitblöcke zweierlei getrennte, zueinander parallele Kanalarten aufweisen, nämlich Brennstoffkanäle zur Aufnahme der Kernbrennstoffelemente und Kühlkanäle zur Abfuhr der erzeugten Spaltungswärme, wobei die beiden Kanalarten in den Graphitblöcken so angeordnet sind, daß beim Aufeinandersetzen der Blöcke sowohl die Brennstoff- als auch die Kühlkanäle jeweils fluchtende, zueinander parallele, ganz durch den Moderatoraufbau verlaufende Brenn

stoff- und Kühlkanäle bilden.

In der US-PS 3 085958 ist ein gasgekühlter Atomkernreaktor beschrieben, bei dem im Graphitaufbau Hohlräume vorhanden sind, die als Wärmeisolierungsräume wirksam sind, um die Temperatur des Graphits höher zu halten als diejenige des durch die Brennelemente hindurchströmenden Kühlmittels und dadurch eine übermäßige Speicherung von Wignerenergie im Graphit zu vermeiden.

Bei einem Atomkernreaktor nach der US-PS 3 102 089 wird der Kern durch einen Strom von Gas gekühlt, welches den gesamten, den Kern umgebenden Raum füllt.

Ein Graphit-Moderatoraufbau aus Blöcken mit Durchgangslöchern, von denen einige Brennstoff enthalten und andere Kühlmittel führen, ist auch durch Nucleonics, März 1956, S. 37, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Graphit durch eine Kühlmittelströmung zu kühlen, die, nachdem sie durch den Moderator hindurchgelangt und erhitzt worden ist, nicht den Kernhalteaufbau durchströmt, so daß die Gefahr des Abgebens von Wärme an diesen Halteaufbau vermieden wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeder Brennstoffelement-Kanal wenigstens einen radialen Durchlaß in der Nähe desjenigen Endes des Brennstoffelement-Kanals aufweist, an welchem während des Reaktorbetriebes Kühlmittel in den Brennstoffelement-Kanal eingelassen wird, um an den darin enthaltenen Brennstoffelementen entlangzustreichen, daß die radialen Durchlässe der Brennstoffelement-Kanäle in an sich bekannter Weise mit einem gemeinsamen Hohl- oder Sammelraum verbunden sind, daß dieser Hohl- oder Sammelraum im Kernaufbau angeordnet ist und sich durch den Kernaufbau hindurch in einer quer zur Richtung der Brennstoffelement-Kanäle verlaufenden Richtung erstreckt und daß die Moderator-Kühlmitteldurchgänge ebenfalls mit dem gleichen Hohl- oder Sammelraum verbunden sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die den Aufbau bildenden Graphitblöcke Längsbohrungen als Brennelementkanäle aufweisen, wobei die Moderator-Kühlmitteldurchgänge zwischen den nebeneinander befindlichen Flächen der parallelen Säule der Graphitblöcke gebildet werden und an der Peripherie des Endblocks in jeder Säule von Blöcken ein Umfangskanal vorgesehen ist, der mit den radialen Durchlässen der Brennelementkanäle verbunden ist, und wobei die Umfangskanäle durch den Aufbau hindurch untereinander verbunden sind, um den gemeinsamen Hohl- oder Sammelraum zu bilden.

Auf diese Weise kommt das Kühlmittel nicht in Kontakt mit dem unteren Halteaufbau für den Kern, und dadurch werden Wärmeausdehnungsprobleme beseitigt, da der Halteaufbau für den Kern nur von dem Kühlmittel berührt wird, welches direkt in die Brennstoffkanäle mit Reaktoreinlaßtemperatur eingeleitet wird.

Das Kühlmittel, welches die Moderatorkühlkanäle passiert, leistet einen bedeutenden Beitrag zur Kühlmittelströmung durch die Brennstoffkanäle hindurch, und das Einbringen des gemeinsamen Gassammelraumes, welcher das Kühlmittel aus den Moderatorkühlmitteldurchgängen sammelt, bevor das Kühlmittel die Brennstoffkanäle durch die radialen Durchlässe in den Brennstoffkanälen passiert, verhindert ein Aufhören der Kühlmittelströmung in den anstroßenden Brennstoffkanälen, wenn die Brennelemente aus irgendeinem

Brennstoffkanal entfernt werden.

Die Erfindung wird nun an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen Teil des Kernaufbaus eines Atomkernreaktors,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie H-II in F i g. 1,

Fig.3 einen Teilschnitt nach der Linie III-III in F i g. 2,

F i g. 4 einen Längsschnitt, der im einzelnen eine Abänderung des in den F i g. 1, 2 und 3 dargestellten Aufbaus wiedergibt, während

F i g. 5 eine Draufsicht auf die in F i g. 4 dargestellte Abänderungsform wiedergibt.

Die Zeichnung veranschaulicht einen Teil des Graphitmoderatoraufbaus eines Atomkernreaktors. Der Gesamtaufbau hat eine geradzylindrische Form und enthält eine Bauteilgruppe aus prismatischen Graphitblöcken, die einen äußeren peripheren Reflektorbereich 1 aus starren Reflektorblöcken 2 und einen inneren Kernbereich 3 aus röhrenförmigen Kernblöcken 4 aufweist. Die Kernblöcke 4 haben jeweils eine Längsbohrung 5. Die Graphitblöcke 2 und 4 sind schichtweise in senkrechten Säulen auf einer unteren Tragplatte 6 angeordnet. Der untere Reflektorblock 2 in jeder Säule sitzt in einer Aussparung 7 in der Tragplatte 6. Die Kernblöcke 4 bilden senkrechte Brennstoffkanäle 8 zur Aufnahme von Brennstoffelementen, und die Zwischenräume zwischen den Kernblöcken bilden Moderatorkühlmittelkanäle 9, die durch den Aufbau parallel zu den Brennstoffkanälen 8 verlaufen. Jeder der Kernblökke 4 in den Säulen weist einen Paßzapfen 10 an seinem unteren Ende auf, der in eine Aussparung 11 im oberen Ende des nächstunteren Kernblockes 4 eingreift. Der Paßzapfen 10 am unteren Ende des unteren Kernblokkes 4 in jeder Säule greift in eine Aussparung 12 rund um eine Öffnung 13 in der unteren Tragplatte 6 ein.

In den Schichten sind die Reflektorblöcke 2 und die Kernblöcke 4 auf einem Viereckgitter angeordnet. Jeder der Kernblöcke 4 ist mit den vier benachbarten Kernblöcken 4 im Aufbau durch radiale Keiiverbindungsstücke 14 verbunden. Die Keilverbindungsstücke 14 bestehen aus Graphitstäberi mit rechteckigem Querschnitt, weiche in Längskeilnuten 15 in den Kernblökken 4 eingreifen. Die Keilverbindungsstücke 14 sind lasttragend, und jedes Paar der Kernblöcke 4 in nebeneinanderliegenden Säulen ist durch ein Keilverbindungsstück 14 verbunden. Die Keilverbindungsstücke 14 werden in Längsrichtung in den Keilnuten 15 der Kernblöcke durch Füllkeile 16 in ihrer Lage gehalten. Die Füllkeile 16 haben die Form von Graphitstäben mit rechteckigem Querschnitt und sind in den Keilnuten 15 zwischen den Keilverbindungsstücken 14 angebracht. Die Füllkeile 16 sind nicht lasttragend, wobei sie mit seitlichem Spiel in den Keilnuten 15 sitzen. Der Zwischenraum zwischen jeder Gruppe von vier nebeneinanderliegenden Kernblöcken 4 ist durch eine Säule von Zwischenraum-Graphitblöcken 17 und 18 ausgefüllt. Die Zwischenraum-Blöcke 17 haben rechteckigen Querschnitt mit einem einstückig angeformten Keilansatz 19 an jeder Fläche. Die Keilansätze 19 der Zwischenraum-Blöcke 17 greifen in Längskeilnuten 20 in den benachbarten Kernblöcken 4 ein. Die Zwischenraum-Blöcke 18 haben einen einfachen rechteckigen Querschnitt und sind abwechselnd mit den Zwischenraum-Blöcken 17 angeordnet, so daß die Zwischenblökke 17 in richtigem Abstand voneinander gehalten werden. Die Zwischenblöcke 17 und 18 sind an den Enden durch Graphitdübel 21 miteinander verbunden, welche in entsprechende Aussparungen 22 in den Stirnflächen der Zwischenraum-Blöcke 17 und 18 eingreifen.

Die Reflektorblöcke 2 sind auf die gleiche Weise miteinander und mit benachbarten Kernblöcken 4 durch Keilverbindungsstücke 14 verbunden, und die Zwischenräume in Längsrichtung zwischen benachbarten Reflektorblöcken 2 sind auch mit Zwischenraum-Blökken 17 und 18 gefüllt. Die äußeren Reflektorblöcke 2 sind durch Abdichtungskeile 23 verbunden, welche die Form von Graphitstäben mit rechteckigem Querschnitt haben, die sich über die volle Länge jeder Säule der äußeren Reflektorblöcke 2 erstrecken.

Wie in F i g. 3 dargestellt, haben die Kernblöcke 4 der unteren Schicht, welche auf der Tragplatte 6 ruhen, einen rechteckigen Querschnitt an ihren unteren Enden, so daß die unteren Enden dieser Kernblöcke 4 untereinander und mit den unteren Zwischenraumblöcken 18 so eng zusammenliegen, daß nur schmale Zwischenräume zwischen den benachbarten Flächen der Blöcke bestehen. Ein an der Peripherie verlaufender Kanal 24 wird rund um das untere Ende jedes der Kernblöcke 4 in der unteren Schicht gebildet. Die an der Peripherie verlaufenden Kanäle 24 um die Kernblöcke 4 herum in der unteren Schicht sind mit den Bohrungen 5 dieser Kernblöcke über radiale Durchlässe 25 verbunden. Die Kanäle 24 bilden in Kombination einen gemeinsamen Gas-Sammelraum 26, der sich über das untere Ende des inneren Kernbereiches 3 des Aufbaus hinweg erstreckt. Röhren 27, welche einen Teil eines Aufbaus zum Halten von Brennstoffelementen in jedem Kanal 8 bilden, erstrecken sich abwärts von den öffnungen in der unteren Tragplatte 6. Die Röhren haben Endflansche 28, welche in die Aussparungen 12 um die öffnungen 13 herum eingreifen. Die Röhren 27 weisen außerdem Gaseinlaßöffnungen 29 auf.

Der Gesamtaufbau wird von einem Haltezylinder 30 umgeben. Jeder der äußeren Reflektorblöcke 2 des Aufbaus ist an dem Haltezylinder 30 durch ein schwenkbar gelagertes Verbindungsglied 31 befestigt. Jedes der Verbindungsglieder 31 besteht aus zwei Teilen 32 und 33, die durch ein Schäkel 34 verbunden sind. Verbindungsstäbe 35 sind in Längslöchern 36 in den äußeren Reflektorblöcken 2 eingepaßt. Die Reflektorblöcke haben entsprechende Ausschnitte, um eine Verbindung der Glieder 31 mit den Verbindungsstäben 35 zu ermöglichen. Die Endstücke der Teile 32 der Verbindungsglieder 31 sind mit den Verbindungsstäben 35 über horizontale Drehzapfen 38 schwenkbar verbunden. Die Endstücke der Teile 33 der Verbindungsglieder 31 sind an Halterungen 39 schwenkbar gelagert, welche am Haltezylinder 30 angeschweißt sind. Blöcke 40 sind auf vertikalen Stiften 41 drehbar gelagert, die in den Halterungen 39 sitzen, wobei die Stifte 41 mit Distanzbuchsen 42 versehen sind. Die Endstücke der Teile 33 der Verbindungsglieder 31 sind auf den Blöcken 40 durch horizontale Drehzapfen 43 drehbar gelagert. Der Haltezylinder 30 sitzt auf einem Flansch 44, welcher die untere Trageplatte 6 umgibt. Eine Gasdichtung 45 ist zwischen dem Flansch 44 und der Tragplatte 6 angebracht. Die Gasdichtung 45 umfaßt eine Reihe von Platten 46, die an der Tragplatte 6 durch Schrauben 47 befestigt sind. Die Platten 46 stehen mit Platten 48 in Flächengleitkontakt, weiche durch Schrauben 49 mit einem Ringträger 50 verbunden sind, der am Flansch 44 durch Schrauben 51 befestigt ist.

Die Fig.4 und 5 zeigen eine Alternativform des Verbindungsgliedes, welches eine Platte 52 enthält.

Eine Hülse 53 ist in ein Loch 54 am inneren Ende der Platte 52 eingepaßt. Die Hülsen 53 passen auf die Verbindungsstäbe 35 in den äußeren Reflektorblöcken 2. Um eine leichte Schwenkbewegung der Platten 52 relativ zu den Verbindungsstäben 35 zu gestatten, weisen die Bohrungen 55 der Hülsen 53 eine gewölbte Form auf. Halterungen 56 sind mit dem Haltezylinder 30 verschweißt. Drehzapfenblöcke 57 sind an den Halterungen 56 durch Schrauben 58 befestigt. Die Schrauben 58 sitzen in Langlöchern 59 der Halterungen 56, so daß die Drehzapfenblöcke 57 radial auf den Halterungen 56 einstellbar sind. Eine radiale Einstellung der Drehzapfenblöcke 57 auf den Halterungen 56 ist mit Hilfe eines Gewindebolzens 61 möglich, der in einer Öse 60 an jedem der Drehzapfenblöcke 57 sitzt. Die Bolzen 61 sind durch Löcher 62 hindurch in den Ösen 60 der Drehzapfenblöcke 57 befestigt und in die Halterungen 56 eingeschraubt. Kontermuttern 64 auf den Bolzen 61 klemmen diese an den Ösen 60 fest. Die Bolzen 61 weisen einstückig angeformte Flansche 63 auf, und die Ösen 60 der Drehzapfenblöcke 57 sind zwischen den Flanschen 63 und den Kontermuttern 64 auf den Zapfen 61 eingeklemmt. Die Verbindungsplatten 52 weisen Gabelarme 65 auf, und ein Drehzapfen 66 zwischen den Armen 65 verbindet die Verbindungsplatten 52 schwenkbar mit den Drehzapfenblöcken 57.

In der in der Zeichnung dargestellten Anordnung erhalten die Kernblöcke 4 im Aufbau ihre Stabilität dadurch, daß sie miteinander und mit den äußeren Reflektorblöcken 2 durch die Anordnung der Graphitkeile 14 verkeilt werden. Die äußeren Reflektorblöcke 2 werden gegen radiale Bewegung nach außen durch die schwenkbar gelagerten Verbindungsglieder 31 gehalten, oder in den Fällen der F i g. 4 und 5 durch die Verbindungsplatten 52.

Die Verbindungsglieder 31 (F i g. 1 und 2) und die Verbindungsplatten 52 (F i g.4 und 5) sind schwenkbar gelagert, um sich in eine Richtung bewegen zu können, welche parallel zu den Längsachsen der Säulen der Kernblöcke 4 und der Reflektorblöcke 2 verläuft. Die Schwenkbarkeit der Verbindungsglieder 31 und der Verbindungsplatten 52 in dieser Art gestattet Bewegungen des Kernaufbaus relativ zum Haltezylinder 30 parallel zu den Säulen der Blöcke. Solche Bewegungen des Kernaufbaus relativ zum Haltezylinder können durch Unterschiede in der Wärmeausdehnung des Kernaufbaus und des Haltezylinders 30 in Richtung der Längsachsen der Säulen der Blöcke und auch aufgrund von Gesamtabmessungsveränderungen des Kernaufbaus relativ zum Haltezylinder 30 in der Richtung der Längsachsen der Säulen der Blöcke auftreten.

Die Verbindungsglieder 31 sind ebenfalls schwenkbar gelagert, um in den Ebenen der Schichten der Blökke.beweglich zu sein, d.h. im rechten Winkel zu den Längsachsen der Säulen. Die Verbindungsglieder 31 sind auch in der Länge durch die Schäkel 34 einstellbar. Diese Hilfsmittel gestatten einigen Spielraum beim Anbringen der Reflektorblöcke 2 während der Montage des Kernaufbaus.

Auf der anderen Seite weisen die in den F i g. 4 und 5 dargestellten Verbindungsplatten 52 eine solche Form auf, daß eine Bewegung in den Ebenen der Platten vermieden wird. Die die Verbindungsplatten 52 enthaltende Anordnung ist besonders für die Verwendung in geographischen Gebieten geeignet, welche Erdbeben ausgesetzt sind.

Beim Betrieb des Reaktors wird ein gasförmiges Kühlmittel, wie beispielsweise Kohlendioxyd, durch den Kernaufbau in zwei Teilen hindurchgeleitet.

Der erste Teil wird direkt in das untere Ende der Brennstoffkanäle 8 durch die Öffnungen 29 in die Röhren 27 gedrückt. Der zweite Teil wird durch die Moderatorkühlkanäle 9, welche sich zwischen den Säulen der Kernblöcke 4 befinden, geleitet Dieser Teil des Kühlmittels, welcher die Moderatorkühlkanäle 9 hinuntergeleitet wird, gelangt in den gemeinsamen Gashohlraum 26, welcher sich über das untere Ende des Kernaufbaus hinweg erstreckt, und von dem Hohlraum 26 gelangt das Kühlmittel durch die radialen Durchlässe 25 zu den unteren Kernblöcken 4, um sich mit dem ersten Teil des Kühlmittels zu vereinigen, welcher direkt in die Brennstoffkanäle 8 geleitet wird.

Bei einem typischen Reaktor nach obiger Bauart wird Kühlmittel dem Kernaufbau mit einer Einlaßtemperatur von 290⁰C zugeführt, und nach dem Passieren der Brennstoffkanäle 8 verläßt es den Kernaufbau mit einer Temperatur von 675°C Der Teil des Kühlmittels, welcher die Moderatorkühlkanäle 9 hinuntergeleitet wird, tritt ebenfalls mit einer Temperatur von 290⁰C in die Kanäle 9 ein.

Beim Passieren der Moderatorkühlkanäle 9 erhöht sich die Temperatur dieses Teils des Kühlmittels auf 380°C, und mit dieser Temperatur passiert er die radialen Durchlässe 25 in den untersten Kernblöcken 4, um sich mit der Strömung des Kühlmittels zu vereinigen, welches direkt in die Brennstoffkanäle 8 geleitet wurde.

Dadurch kommt derjenige Teil des Kühlmittels, welcher beim Passieren der Moderatorkühlkanäle 9 auf 380⁰C erhöht wurde, nicht in Kontakt mit der Tragplatte 6 für den Moderatorkernaufbau, und hierdurch werden thermische Ausdehnungsprobleme vermieden, da die Tragplatte 6 nur von dem Kühlmittelteil berührt wird, der direkt in die Brennstoffkanäle 8 mit einer Kühlmitteleinlaßtemperatur von 290⁰C geleitet wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Moderatoraufbau für Atomkernreaktoren, welcher aus Bauteilgruppen aus prismatischen Graphitblöcken durch Aufeinandersetzen derselben zu Säulen und paralleles Nebeneinanderanordnen dieser Säulen zu Schichten aufgebaut, ist, wobei die Graphitblöcke zweierlei getrennte, zueinander parallele Kanalarten aufweisen, nämlich Brennstoffkanäle zur Aufnahme der Kernbrennstoffelemente und Kühlkanäle zur Abfuhr der erzeugten Spaltungswärme, wobei die beiden Kanalarten in den Graphitblöcken so angeordnet sind, daß beim Aufeinandersetzen der Blöcke sowohl die Brennstoff- als auch die Kühlkanäle jeweils fluchtende, zueinander parallele, ganz durch den Moderatoraufbau verlaufende Brennstoff- und Kühlkanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstoffelement-Kanal (8) wenigstens einen radialen Durchlaß (25) in der Nähe desjenigen Endes des Brennstoffelement-Kanals (8) aufweist, an welchem während des Reaktorbetriebes Kühlmittel in den Brennstoffelement-Kanal (8) eingelassen wird, um an den darin enthaltenen Brennstoffelementen entlangzustreichen, daß die radialen Durchlässe (25) der Brennstoffelement-Kanäle (8) in an sich bekannter Weise mit einem gemeinsamen Hohl- oder Sammelraum (26) verbunden sind, daß dieser Hohloder Sammelraum (26) im Kernaufbau angeordnet ist und sich durch den Kernaufbau hindurch in einer quer zur Richtung der Brennstoffelement-Kanäle (8) verlaufenden Richtung erstreckt und daß die Moderator-Kühlmitteldurchgänge (9) ebenfalls mit dem gleichen Hohl- oder Sammelraum (26) verbunden sind.

2. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Aufbau bildenden Graphitblöcke (4) Längsbohrungen als Brennelementkanäle (8) aufweisen, daß die Moderator-Kühlmitteldurchgänge (9) zwischen den nebeneinander befindlichen Flächen der parallelen Säulen der Graphitblöcke (4) gebildet werden, daß an der Peripherie des Endblocks in jeder Säule von Blöcken (4) ein Umfangskanal (24) vorgesehen ist, der mit den radialen Durchlässen (25) der Brennelementkanäle (8) verbunden ist, und daß die Umfangskanäle (24) durch den Aufbau hindurch untereinander verbunden sind, um den gemeinsamen Hohl- oder Sammelraum (26) zu bilden.