DE1764119B1 - Brennelementlade und entladegeraet fuer einen kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelementlade- und
-entladegerät für einen Kernreaktor, bei dem die
Spaltzone in einem Reaktortank angeordnet und
durch eine erste Kühlflüssigkeit, wie Schwerwasser,
gekühlt ist und der Reaktortank in einer zweiten
Flüssigkeit, wie Leichtwasser, die ein offenes
Schwimmbad füllt, untergetaucht ist.

Bei der Entladung derartiger Kernreaktoren, die
zur Lieferung eines sehr hohen Neutronenflusses be-

Fig. 2 eine Einzelheit des an den Reaktortank angeschlossenen Lade- und Entladegeräts im senkrechten Schnitt,

Fig. 3 und 4 senkrechte Schnitte des unteren und oberen Teils des Lade- und Entladegeräts, die in der in den F i g. 3 und 4 durch die Linie III-IV angegebenen Höhe aneinander anschließen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der mit dem

Nähe ihres unteren Endes und zum anderen in ihrem mittleren Bereich derart strömungsmäßig verbunden ist, daß der Abstand zwischen den zwei Verbindungsöffnungen mindestens so groß wie die Länge eines 5 Brennelements ist, so daß das Brennelement durch natürlichen Umlauf der ersten Kühlflüssigkeit gekühlt wird, die zusätzlich den aus der rohrförmigen Kammer und dem in die zweite, das Schwimmbad füllende Flüssigkeit eintauchenden Wärmeaustauschers gestimmt sind, treten zahlreiche Probleme auf. Man io bildeten Strömungskreis füllt, muß eine Beengung der Zonen in der Nähe oder Vorteilhafte Weiterbildung des die Erfindung auf-

oberhalb der Spaltzone durch feste Einrichtungen, weisenden Gerätes sind in den Unteransprüchen gewelche das Anbringen von Experimentieranordnun- kennzeichnet.

gen behindern würden, vermeiden. Die verbrauchten In der folgenden Beschreibung wird ein Ausfüh-

Brennelemente geben eine hohe Restleistung ab und 15 rungsbeispiel des die Erfindung aufweisenden Gerätes strahlen stark, so daß man sie beim Entladen und an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Hierin Weitertransport kühlen und hinter einer genügend zeigt

dicken Abschirmung gegen die Neutronen- und Fig. 1 einen Aufriß, teilweise im Schnitt, eines

y-Strahlung halten muß. Es muß unbedingt vermie- Kernreaktors und des Lade- und Entladegeräts in den werden, daß ein erhebliches Volumen der ersten 20 einer Stellung vor dem Anschluß an den Reaktor-Flüssigkeit in die Masse der zweiten Flüssigkeit ge- tank,
langt, und zwar entweder wegen des Wertes der
ersten Flüssigkeit oder ihrer Kontaminierung, wodurch die gesamte Masse der zweiten Flüssigkeit verunreinigt werden könnte, oder auch aus beiden Grün- 25
den gleichzeitig. Dieses letztgenannte Problem stellt
sich mit besonderer Schärfe bei Kernreaktoren mit
sehr hohem Neutronenfluß, in denen die erste Flüssigkeit, deren freie Oberfläche zur Atmosphäre hin

offen ist, Leichtwasser ist. Bei einem gegenwärtig in 30 Lade- und Entladegerät verbundenen Kreisläufe, der Planung befindlichen Kernreaktor gibt beispiels- Der in Fig. 1 gezeigte Kernreaktor umfaßt ein

weise die den Reaktorkern bildende Brennstoffan- Schwimmbad 10, das von einer massiven Betonabordnung noch 24 Stunden nach Ausschaltung des Re- schirmung 12, die innen mit einer Abdichtungshülle aktors und während sie untergetaucht ist eine Lei- ausgekleidet ist, begrenzt und mit einer Leichtwasserstung von etwa 17OkW und eine solche Strahlung 35 masse etwa 12 m hoch gefüllt ist. Tn der Wassermasse ab, daß sie unter einer mindestens 3,50 m Wasser trägt ein Gerüst 16 in der Nähe des Bodens einen entsprechenden Abschirmung gehalten werden muß. Reaktortank 18 zur Aufnahme der Spaltzone. Dieser Außerdem enthält das Schwerwasser nach längerem Tank besitzt einen ausgebuchteten unteren Teil, der Betrieb des Kernreaktors etwa 25 Curie Tritium pro sich in einem senkrechten Kamin 20 fortsetzt, der in Liter, was die Menge Schwerwasser, die man bei 40 seinem oberen Teil mit einem dichtschließenden Abjeder Hantierung in das das Schwimmbad füllende Sperrschieber 22 (Fig. 1 und 2) und außerhalb der Leichtwasser entweichen lassen kann, auf etwa 100 g Hantierungszeiten mit einem Sicherheitsdeckel 24 begrenzt. versehen ist. Der Tank ist mit einer im oberen Teil

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein des ausgebuchteten Bereichs mündenden Schwerwas-Lade- und Entladegerät zu schaffen, das den prak- 45 serzuleitung 26 und einer Schwerwasserrückleitung tischen Anforderungen besser als die bisherigen Ge- 28 versehen, durch welche das Schwerwasser nach rate entspricht, insbesondere eine große Sicherheit Durchlaufen eines Haarnadelkreislaufs, welcher die bei der Kühlung der zu entladenden Brennelemente Kühlung einer den Reaktorkern bildenden Brennbei gleichzeitig einfachem Aufbau aufweist. Stoffanordnung dient und schematisch durch die

Mit dem Ausdruck »Entladegerät« ist dabei, wie 50 Pfeile / angegeben ist, in einen äußeren Kühlkreisüblich, ein beweglicher Behälter bezeichnet, der mit lauf zurückkehrt.

dichten Verschlußvorrichtungen versehen ist und Das in F i g. 1 bis 4 gezeigte Entladegerät A wird

dessen allgemeine Form derjenigen des Überfüh- von einem Laufkran 30 (F i g. 1) getragen, welcher rungsgeräts angenähert ist, das zur Aufnahme und seine Verschiebung oberhalb der freien Oberfläche zum Transfer eines oder mehrerer Brennelemente be- 55 und sein Absenken auf den Kamin 20 des Reaktorstimmt und mit den dafür notwendigen Zusatzein- tanks oder seine Ablage in einem nicht gezeigten, mit richtungen versehen ist. dem Schwimmbad in Verbindung stehenden Lager-

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß tank ermöglicht. F i g. 2 zeigt, wie das Entladegerät A ein Brennelementlade- und -entladegerät vorge- an das obere Ende des Kamins des Reaktortanks, schlagen, das eine rohrförmige Kammer, die an ihrem 60 das sich etwa 6 m unterhalb der Oberfläche der unteren Ende mit einem Absperrschieber und einer Leichtwassermasse befindet, angeschlossen ist; Dieses Kupplungsvorrichtung zum dichten Abschluß an eine Entladegerät A besteht im wesentlichen aus einer ebenfalls mit einem Absperrschieber versehene rohrförmigen Kammer, die an ihrem unteren Ende Öffnung des Reaktortanks und an ihrem oberen mit einer Kupplungseinrichtung zum Anschluß an Ende mit einer Vorrichtung zur vertikalen Verschie- 65 den Kamin, an ihrem oberen Ende mit einem Anbung eines Greifers der rohrförmigen Kammer ver- triebsmechanismus 34 für einen Greifer 40 zur Hansehen ist sowie einen Wärmeaustauscher aufweist, tierung des Brennelements und mit einem außerhalb der mit der rohrförmigen Kammer einmal in der des unteren Teils der Kammer 32 angeordneten

ORIGINAL INSPECTED

Wärmeaustauscher 36 versehen ist. Diese verschiedenen Teile werden nacheinander beschrieben.

Die rohrförmige Kammer besitzt einen solchen Durchmesser, daß das Brennelement 38 und der zu seiner Handhabung dienende Greifer 40 darin gleiten können, jedoch die darin enthaltene Masse Schwerwasser genügend klein ist, um zu vermeiden, daß das Brennelement 38 sich in der Nähe des kritischen Zustande befindet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht diese Kammer aus zwei durch Flansche 42 und 44 und Bolzen zusammengehaltenen Teilen.

Der Unterteil 46 der Kammer ist aus einer Leichtmetallegierung hergestellt, um die vom Brennelement ausgesandten Neutronen nur gering zu absorbieren, während der Oberteil 48 aus einer Leichtmetallegierung oder rostfreiem Stahl bestehen kann. Es ist vorgesehen, daß beim Entladevorgang mindestens der Unterteil mit Schwerwasser gefüllt ist, welches eine doppelte Aufgabe erfüllt, nämlich sowohl die Kühlung des im Entladegerät befindlichen Brennelements wie auch eine gewisse Abschirmung gegen seine Strahlung. Der Oberteil der Kammer kann teilweise aus dem Wasser herausgehoben sein, nachdem das Brennelement 38 durch Lagerung den Hauptteil seiner Aktivität verloren hat.

Der Unterteil 46 der Kammer endet in einer Kupplungsnase 50 (F i g. 2 und 3), der ein Absperrschieber 52 vorgeschaltet ist. Die Kupplungsnase besitzt eine in Form einer Kugelkalotte ausgebildete Außenwand, die in einen am oberen Ende des Kamins 20 entsprechend ausgebildeten Kupplungssitz 54 paßt, der vom eigentlichen Kamin 20 durch einen Absperrschieber 22 ähnlich dem vom Entladegerät getragenen Absperrschieber getrennt ist.

Die Kupplungsnase 50 ist mit zwei Ringdichtungen 57 versehen, die eine Sperre bilden, und mit einer aufblasbaren Dichtung 58, die von einem in den F i g. 2 bis 4 nicht gezeigten pneumatischen Kreis gesteuert wird. Die Absperrschieber 52 und 22 sind beide als Zweiplattenschieber ausgebildet, so daß ihr Steuermechanismus isoliert ist von den beiden Räumen, die sie in geschlossenem Zustand voneinander trennen. Durch diese Ausbildung vermeidet man die Notwendigkeit einer Spülung des Schiebermechanismus. Diese Ausbildung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und man kann auch Einplatten-Absperrschieber verwenden.

Die Kupplungsnase ist mit einer in ihren oberen Teil mündenden Zuleitung 60 für ein Medium versehen. Der Kupplungssitz 54 ist seinerseits mit einer Prüfleitung 63, die bei eingesetzter Kupplungsnase zwischen den beiden Ringdichtungen 57 mündet und zur Überprüfung ihrer Abdichtung dient, und mit einer so nahe des Absperrschiebers 22 wie möglich mündenden Absaugleitung 62 versehen. Die Aufgabe dieser Leitungen ergibt sich aus der weiter unten folgenden Beschreibung der Arbeitsweise.

Der Oberteil 48 setzt sich zusammen aus einem die mechanische Festigkeit verleihenden Rohr von gleichem Durchmesser wie der Unterteil, das eine Reihe von öffnungen 64 für den Durchtritt von Leichtwasser besitzt, und einem dichten Mittelrohr 66, durch welche das biegsame Element zur Steuerung eines zur Hantierung des Brennelements 38 dienenden, im Unterteil 46 verschiebbaren und in den Reaktortank einführbaren Greifers 40 läuft. Bei der gezeigten Ausführungsform besteht dieses Element aus einer Kette 68, jedoch kann man auch ein Kabel oder ein Band benutzen. Zwischen dem dichten Mittelrohr und dem die mechanische Festigkeit sichernden Außenrohr läuft eine Rohrleitung 70, die durch den Flansch 42 geführt ist und in den Unterteil mündet. Diese Rohrleitung ist mit einem Mehrwegventil 72 versehen, wodurch sie entweder mit einer Evakuierungsleitung 74 oder einer Leitung 76 verbunden werden kann, die zu einem zum Schwerwasserhauptkreis des Kernreaktors gehörenden Ausdehnungsgefäß führt.

Der Betätigungsmechanismus 34 des Greifers besteht aus einem Kettenrad 78, das von einem nicht gezeigten Motor angetrieben und in einem dichten Gehäuse 80 eingeschlossen ist, das einerseits mit dem Mittelrohr 66 und andererseits mit einem Kettenkasten 83 in Verbindung steht. Die Kette 68 läuft über das Kettenrad 78 und fällt frei in den Kettenkasten 83. Ein senkrechtes, mit einem durchsichtigen Fenster versehenes Schaurohr 84 ermöglicht die Feststellung des Schwerwasserniveaus im Inneren des Entladegeräts. Das Gehäuse 80 ist an einem Chassis 82 befestigt, das von dem das Entladegerät haltenden Laufkran getragen wird.

Der Unterteil 46 der rohrförmigen Kammer ist mit einem Wärmeaustauscher versehen (F i g. 3 und 5). Dieser Wärmeaustauscher besitzt ein Bündel paralleler Rohre 86, die an ihrem oberen Ende mit einem Zulaufsammeirohr 85 und an ihrem unteren Ende mit einem Rücklaufsammelrohr 87 verbunden sind. Diese Sammelrohre sind an Stutzen befestigt, welche am Unterteil 46 an solchen Stellen vorgesehen sind, daß das Brennelement, wenn es im Entladegerät seine durch den Anschlag des Greifers 40 gegen eine Schulter 89 festgelegte höchste Stellung einnimmt, sich zwischen ihnen befindet.

Zur weiteren Erläuterung werden im folgenden die Arbeitsgänge bei der Entladung eines im Reaktorkern enthaltenen Brennelements mit Hilfe des in Fig. 1 bis 4 gezeigten Entladegeräts nacheinander beschrieben. Diese Beschreibung bezieht sich auf F i g. 5, die schematisch den Kernreaktor, das Entladegerät A und die zu diesen gehörenden Kreise, mit Ausnahme des Hauptkühlkreises des Kernreaktors, zeigt.

Vor dem Entladen des Kernreaktors wird dieser 24 Stunden lang stillgesetzt, und der in seinem Kühlkreislauf durch den Umlauf des Schwerwassers herrschende Druck wird verringert, bis das statische Niveau des Schwerwassers unter die Höhe der Schieberplatten des Absperrschiebers 22 absinkt. Die Dichtheit des Absperrschiebers 22 wird überprüft, indem man durch die Leitung 63 Helium unter Druck in den Raum zwischen dem dichten Sicherungsdeckel 24 und dem Absperrschieber 22 einführt und sich überzeugt, daß der Druck nicht nachläßt. Der Sicherungsdeckel 24 wird dann abgenommen, und Leichtwasser füllt den Kupplungssitz 54 des Kamins oberhalb des Absperrschiebers 22.

Das heliumgefüllte Entladegerät wird dann über den Kamin 20 gebracht, und seine Kupplungsnase 50 wird in den Kupplungssitz 54 eingesetzt. Durch Öffnung des Ventils 92 wird eine Druckluftquelle 90 mit der zur Sperre führenden Leitung 63 und durch Öffnung des Ventils 88 dieselbe Druckluftquelle 90 über die Rohrleitung 59 mit der aufblasbaren Dichtung 58 verbunden, um die Dichtung der Verbindung herzustellen. Die Dichtheit der Kupplung zeigt sich

daran, daß in dem das Ventil 92 enthaltenden Kreis keine Leckverluste auftreten.

Das Ventil 94 wird geöffnet, um die Leitung 60 und den zwischen den Absperrschiebern 52 und 22 liegenden Totraum mit dem Ausdehnungsgefäß des Hauptkreises zu verbinden, und das Ventil 96 wird geöffnet, um die Spülleitung 62 mit einem Behälter 98 zur Aufnahme von Leichtwasser zu verbinden. Anschließend werden die Ventile 94 und 96 geschlossen, und der Totraum wird getrocknet, in dem man mit einem Heißluftstrom spült, der von einem Gebläse 100, einem Lufterhitzer 102 und durch ein mit der Leitung 60 verbundenes Ventil 104 zugeführt und durch die nunmehr über ein Ventil 106 mit einem Abzugskamin verbundene Spülleitung 62 abgeführt wird. Nach dem Trocknen wird das Ventil 104 geschlossen und der Totraum durch Öffnen eines Ventils 108 mit Helium gefüllt, wobei das Ventil 106 bis zur vollständigen Durchspülung und Füllung mit Helium offen bleibt.

Nachdem der Totraum mit reinem Helium gefüllt ist, werden die Absperrschieber 52 und 22 gleichzeitig geöffnet, indem man ihre durch in dichten Rohren 109 geführte Kabel gespeiste Elektromotoren einschaltet.

Der Hauptkreis des Kernreaktors wird unter höheren Druck gesetzt, um den Anstieg des Schwerwasserniveaus im Entladegerät bis in dessen Oberteil zu bewirken, wo man es im Schaurohr 84 beobachtet. Während der Niveauerhöhung wird das Mehrwegventil 72 in einer solchen Stellung gehalten, daß das im Entladegerät enthaltene Helium durch die Leitung 76 in das Ausdehnungsgefäß entweichen kann, und anschließend geschlossen.

Das Kettenrad 78 wird anschließend betätigt, um den Greifer 40 abzusenken. Dieser greift das Brennelement 38 und heißt es im Entladegerät bis in die in Fig. 3 gezeigte Stellung. Unter der Wirkung der vom Brennelement entwickelten Wärme setzt dann ein Schwerwasserkreislauf durch natürliche Konvektion entsprechend den Pfeilen/' der Fig. 3 ein. Dieser Kreislauf benötigt keinerlei Antriebsmittel, das von außen versorgt werden müßte, so daß keinerlei Betriebsstörung zu befürchten ist. Diese Bedingung ist in jedem Fall einzuhalten, da das bestrahlte Brennelement, wenn es nicht in strömendes Wasser eintaucht, sich außerordentlich rasch erhitzt und im Fall eines Versagens des Kühlkreislaufs innerhalb sehr kurzer Zeit schmelzen würde.

Nach Hochziehen des Brennelements in seine Endstellung (Fi g. 3) werden die Absperrschieber 52 und 22 geschlossen. Das den Totraum füllende Schwerwasser wird durch Öffnen des Ventils 110 (F i g. 5) wiedergewonnen, während der Oberteil des Entladegeräts über das Mehrwegeventil 72 mit dem Ausdehnungsgefäß verbunden bleibt. Das Schwerwasser läuft in einen unter dem Kernreaktor angeordneten Lagertank 112 ab und wird durch Helium vom Ausdehnungsgefäß ersetzt. Die Ventile 110 und 72 werden dann geschlossen.

Das Entladegerät wird dann abgehoben und auf einen (nicht gezeigten) Lagerbock gesetzt, der ähnlich geformt und ausgebildet ist wie der Kupplungssitz 54 des Kamins 20. Der Totraum unter dem Absperrschieber 52 wird nach einem gleichen Verfahren, wie oben beschrieben, entleert und mit Helium gefüllt. Dann wird der Absperrschieber 52 sowie ein den Lagerbock mit dem Hauptkühlkreislauf des Kernreaktors verbindendes Ventil geöffnet, um das das Entladegerät füllende Schwerwasser mit sehr geringer Geschwindigkeit zu erneuern. Der Schwerwasserüberlauf strömt durch die weiterhin mit dem Ausdehnungsgefäß verbundene Leitung 76 zum Oberteil des Entladegeräts.

Nach einer genügenden Abklingzeit (in der Größenordnung von 40 Tagen), so daß das Brennelement ein Trockenlegen für eine genügend lange Zeit aushält, entleert man das im Entladegerät enthaltene Schwerwasser und ersetzt es durch Leichtwasser. Dieses durch Tritium verunreinigte Wasser wird in einem Abwassertank entleert, und es werden weitere Spülungen durchgeführt, bis der Tritiumgehalt des leichten Spülwassers zu vernachlässigen ist. Dann wird das Entladegerät letztmalig mit Leichtwasser gefüllt und über einen Lagerkorb in einem Schwimmbad gebracht, wo man das Brennelement ablegt. Das Entladegerät ist dann erneut verfügbar. Wegen der erforderlichen Aufbewahrungszeit des bestrahlten Brennelements im Entladegerät ist es im allgemeinen erforderlich, zwei gleiche Entladegeräte zur Verfügung zu halten, vor allem, wenn eine häufige Erneuerung der Brennelemente vorgesehen ist.

Das gleiche, mit einem Spezialgreifer ausgestattete Entladegerät kann zum Herausheben eines im Reaktortank angeordneten absorbierenden Trimmstabes dienen. Das Einsetzen eines neuen Brennelements kann mit Hilfe eines Ladegeräts erfolgen, das ähnlich wie das Entladegerät gebaut ist, jedoch keinen Wärmeaustauscher zu besitzen braucht. Dieses niemals kontaminierte Ladegerät kann vor der Aufnahme des neuen Brennelements aus dem Schwimmbad herausgehoben und vollständig getrocknet werden. Das Einsetzen eines neuen Brennelements kann auch mit Hilfe eines einfachen Laufkrans erfolgen, nachdem das Leichtwasserniveau im Schwimmbad genügend abgesenkt wurde, um den trockenen Zugang zum Kamin des Reaktortanks zu ermöglichen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennelementlade- und -entladegerät für einen Kernreaktor, bei dem die Spaltzone in einem Reaktortank angeordnet und durch eine erste Kühlflüssigkeit, wie Schwerwasser, gekühlt ist und der Reaktortank in einer zweiten Flüssigkeit, wie Leichtwasser, die ein offenes Schwimmbad füllt, untergetaucht ist, gekennzeichnet durch eine rohrförmige Kammer, die an ihrem unteren Ende mit einem Absperrschieber (52) und einem Kupplungselement (50) zum dichten Anschluß an eine ebenfalls mit einem Absperrschieber (22) versehene Öffnung des Reaktortanks (18, 20) und an ihrem oberen Ende mit einer Vorrichtung zur vertikalen Verschiebung eines Greifers (40) in der rohrförmigen Kammer versehen ist, sowie durch einen Wärmeaustauscher (36), der mit der rohrförmigen Kammer einmal in der Nähe ihres unteren Endes und zum anderen in ihrem mittleren Bereich derart strömungsmäßig verbunden ist, daß der Abstand zwischen den zwei Verbindungsöffnungen mindestens so groß wie die Länge eines Brennelements (38) ist, so daß das Brennelement (38) durch natürlichen Kreislauf der ersten Kühlflüssigkeit gekühlt wird, die zusätzlich den aus der rohrförmigen Kammer

und dem in die zweite, das Schwimmbad füllende Flüssigkeit eintauchenden Wärmeaustauscher (36) gebildeten Strömungskreis füllt.

2. Brennelementlade- und -entladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Absperrschieber (52, 22) als Zweiplattenschieber ausgebildet ist, bei dem der Steuermechanismus des Absperrschiebers zwischen den beiden Platten isoliert angeordnet ist.

3. Brennelementlade- und -entladegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Kammer einen Unterteil (46) aus einer Leichtmetallegierung mit einem den Durchtritt des Brennelements (38) und des Grei-

fers (40) ermöglichenden Innendurchmessers und einen Oberteil (48) aus rostfreiem Stahl aufweist, der eine dichte Durchführung von geringerem Durchmesser als der Unterteil für das biegsame Steuerelement (68) des Greifers (40) umgrenzt.

4. Brennelementlade- und -entladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (36) aus einem Bündel senkrechter Rohre (86) besteht, die über zwei Sammelleitungen (85, 87) mit dem Unterteil der rohrförmigen Kammer an den zwei Verbindungsöffnungen verbunden sind, welche den Ort des Brennelements im Unterteil in senkrechter Richtung einschließen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 109519/230