DE1764119C - Brennelementlade und entladegerat fur 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 bestimmt sind, treten zahlreiche Probleme auf. Man muß eine Beengung der Zonen in der Nähe oder oberhalb der Spaltzone durch feste Einrichtungen, welche das Anbringen von Experimentieranordnungen behindern würden, vermeiden. Die verbrauchten Brennelemente geben eine hohe Restleistung ab und strahlen stark, so daß man sie beim Entladen und Weitertransport kühlen und hinter einer genügend dicken Abschirmung gegen die Neutronen- und ^-Strahlung halten s.iuß. Es muß unbedingt vermieden werden, daß ein erhebliches Volumen der ersten Flüssigkeit in die Masse der zweiten Flüssigkeit gelangt, und zwar entweder wegen des Wertes der ersten Flüssigkeit oder ihrer Kontaminierung, wodurch die gesamte Masse der zweiten Flüssigkeit verunreinigt werden könnte, oder auch rus beiden Gründen 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 der Planung befindlichen Ke.nreak jr gibt beispielsweise die den Reaktorkern hildende Brennstoffanordnung noch 24 Stunden nach Ausschaltung des Reaktors und während sie untergetaucht ist eine Leistung von etwa 17OkW und eine solche Strahlung ab, daß sie unter einer mindestens 3,50 m Wasser entsprechenden Abschirmung gehalten werden muß. Außerdem enthält das Schwerwasscr nach längerem Betrieb des Kernreaktors etwa 25 Curie Tritium pro Liter, was die Menge Schwerwasser, die man bei jeder Hantierung in das das Schwimmbad füllende Leichtwasser entweichen lassen kann, auf etwa 100 g begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Lade- und Entladegerät zu schaffen, das den praktischen Anforderungen besser als die bisherigen Geräte entspricht, insbesondere eine große Sicherheit bei der Kühlung der zu entladenden Brennelemente bei gleichzeitig einfachem Aufbau aufweist.

Mit dem Ausdruck »Entladegerät« ist dabei, wie üblich, ein beweglicher Behälter bezeichnet, der mit dichten Verschluövorrichtungen versehen ist und dessen allgemeine Form derjenigen des Oberführungsgerüls angenähert ist, das zur Aufnahme und zum Transfer eines oder mehrerer Brennelemente bestimmt und mit den dafür notwendigen Zusatzeinrichtungen versehen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Brcnnelementlade- und -entladegerät vorgeschlagen, das eine rohrförmige Kammer, die an ihrem unteren Ende mit einem Absperrschieber und einer Kupplungsvorrichtung zum dichten Abschluß an eine ebenfalls mit einem Absperrschieber versehene öffnung des Reaktortanks und an ihrem oberen Ende mit einer Vorrichtung zur vertikalen Verschiebung eines Greifers der rohrförmigen Kammer versehen ist sowie einen Wärmeaustauscher aufweist, der mit der rohrförmigen Kammer einmal in der Nähe ihres unteren Endes und zum anderen in ihrem mittleren Bereich derart sirömungsmäßtg verbunden ist, daß der Abstand zwischen den zwei Verbindungsöffnungen mindestens so groß wie die Länge eines Brennelements ist, so daß das Brennelement durch natürlichen Umlauf der ersten Kühlflüssigkeit gekühlt wird, die zu-.ätzlich den aus der rohrförmigen Kammer und dem in die zweite, das Schwimmbad füllende Flüssigkeit eintauchenden Wärmeaustauschers gebildeten Strömungskreis füllt.

Vorteilhafte Weiterbildung des die Erfindung aufweisenden Gerätes sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der folgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel des die Erfindung aufweisenden Gerätes an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigt

F i g, 1 einen Aufriß, teilweise im Schnitt, eines Kernreaktors und des Lade- und Entladegeräts in

ao einer Stellung vor dem Anschluß an den Reaktortank,

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

F i g. 3 und 4 senkrechte Schnitte des unteren und oberen Teils des Lac'e- und Entladegeräts, die in der in den F i g. 3 und 4 durch die Linie TII-IV angegebenen Höhe aneinander anschließen,

F i g. 5 eine schematische Darstellung der mit dem Lade- und Entladegerät verbundenen Kreisläufe.

Der in F i g. 1 gezeigte Kernreaktor umfaßt ein Schwimmbad 10, das von einer massiven Betonabschirmung 12, die innen mit einer Abdichtungshülle ausgekleidet ist, begrenzt und mit einer Leichtwassermasse etwa 12 m hoch gefüllt ist. In der Wassermasse trägt ein Gerüst 16 in der Nähe des Bodens einen Reaktoitank 18 zur Aufnahme der Spaltzone. Dieser Tank besitzt einen ausgebuchteteti unteren "ieil, der sich in einem senkrechten -Kamin 20 fortsetzt, der in seinem oberen Teil mit einem dichtschließcnden Absperrschieber 22 (Fig. 1 und 2) und außerhalb der Hantierungs/eiten mit einem Sicherheitsdeckel 24 versehen ist. Der Tank ist mit einer im oberen Teil des ausgebuchteten Bereichs mündenden Schwerwasserzuleitung 26 und einer Schwerwasserrückleitung 28 versehen, durch welche das Schwerwasser nach Durchlaufen eines Haarnadelkreislaufs, welcher die Kühlung einer den Reaktorkern bildenden Brennstoffanordnung dient und schematisch durch die Pfeile / angegeben ist, in einen äußeren Kühlkreislauf zurückkehrt

Das in F i g. 1 bis 4 gezeigte Entladegerät A wird von einem Laufkran 30 (Fig. 1) getragen, welcher seine Verschiebung oberhalb der freien Oberfläche und sein Absenken auf den Kamin 20 des Reaktortanks oder seine Ablage i;i einem nicht gezeigten, mit dem Schwimmbad in Verbindung stehenden Lagertank ermöglicht. F i g. 2 zeigt, wie das Enttadegerät Λ an das obere linde des Kamins des Reaktortanks, das sich etwa 6 m unterhalb der Oberfläche der Leichtwassermasse befindet, angeschlossen ist. Dieses Entladegerät A besteht im wesentlichen aus einer rohrförmigen Kammer, die an ihrem unteren Ende mit einer Kupplungseinrichtung zum Anschluß an

den Kamin, an ihrem oberen Ende mit einem Antriebsmechanismus 34 für einen Greifer 40 zur Hantierung des Brennelements und mit einem außerhalb des unteren Teils der Kammer 32 angeordneten

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

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

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

Der Unterteil 46 der Kammer endet in einer Kupplungsnase 50 (F 1 g. 2 und 3), der ein Absperrschieber 52 vorgeschaltet ist. Die Kupplungsnase besitzt eine in Form einer Kugelkalotte ausgebildete Außenwand, «lic 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 .lingdichtungen 57 versehen, die eine Sperre bilden, und mit einer aufblasbaren Dichtung 58, die von einem in den F i;,. 2 bis 4 niehl gezeigten pneumatischen Kreis gesteuert wird. Die Absperrschieber 52 und 22 sind Rcide als Zweiplattenschieber ausgebildet, so daß ihr St.uennechanisnius 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 Einplatt":ii-Absperrschicber verwe"den.

Die Kupplungsnase ist mit einer in ihren oberen Teil mündenden Zuleitung 60 für ein Medium versehen. Der Kupplungssilz 54 ist seinerseits tnit einer Prüfleitung 63, die bei eingesetzter Kuppluncsncje /.wischer, den beiden Ringdichiungen 57 mündet und zur Oberprüfung ihrer Abdichtung dient, und mit einer so nahe des Absperrschiebers 22 wie möglich mündenden Absaugleitung62 versehe·!. Die A.tgubc dieser Leitungen ergib; sich aus der weiter unten folgenden Beschreibung ^rJer 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 Leichtwawer besitzt, und einem dichten Mittelrohr 66, durch we'che das biegsame Element zur Steuerung eines zur Haitticrung des Brennelements 38 dienenden, im Unterteil 46 verschiebbaren und in den Reaktortank eiriührbaren Greifers 40 läuft. Bei der gezeigten Ausführungsform besteht dieses Element aus einer Kette 68, jedoch kann man auch em K a lid oder ein Band benutzen. Zwischen dem dichten Mittelrohr und dem die mechanische Festigkeil 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 Schwerwafserhauptkreis des Kernreaktors gehörenden Ausdehnungsgefäß führt.

Der Betätigungsmechanismus 24 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 Schwerv^sserniveaus im Inneren des Entladegeräts. Das Gehäuse 80 ist an einem Chassis 82 befestigt, das von dem das Entladegcrät haltenden Laufkran getragen wird.

Der Unterteil 46 der rohrförmigen Kammer ist mn 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.l bis 4 gezeigten Entladegeräts nacheinander beschrieben. Diese Beschreibung bezieht sich auf F ι g. 5, die schematisch den Kernreaktor, das Entladegerät A und die zu diep.sn gehörenden Kreise, mit Ausnahme des H^uptkühlkreises 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 absink!. Die Dichtheit des Absperrschiebers 22 wird überprüft, indem man durch die Leitung 63 Helium unter Druck in den Raum zwischen dem dichten Sicherungsdeckcl 24 und dem Absperrschieber 22 einführt und sich überzeugt, daß der Druck nicht nachläßt. Der Siclic-ungsdeckel 24 wird dann abgenommen, und Leichtwasser füllt den Kupplunp.ssitz 54 des Kamins oberhalb des Absperrschiebers 22.

Das heliumgefüllte Entladefeerät 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 geKernreaktors 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

schlossen, und der Totraum wird getrocknet, in dem io Zeit aushält, entleert man das im Entladegerät ent-

man mit einem Heißluftstrom spült, der von einem haltene Schwerwasser und ersetzt es durch Leicht-

Gebläse 100, einem Lufterhitzer 102 und durch ein wasser. Dieses durch Tritium verunreinigte Wasser

mit der Leitung 60 verbundenes Ventil 104 züge- wird in einem Abwassertank entleert, und es werden

führt und durch die nunmehr über ein Ventil 106 mit weitere Spülungen durchgeführt, bis der Tritium-

einem Abzugskamin verbundene Spülleitung 62 abge- »5 gehalt des leichten Spülwassers zu vernachlässigen ist.

führt wird. Nach dem Trocknen wird das Ventil 104 Dann wird das Entladegerät letztmalig mit Leicht

wasser gefüllt und über einen Lagerkorb in einem Schwimmbad gebracht, wo man das Brennelement ablegt. Das Entladegerät ist dann erneut verfügbar.

ίο Wegen der erforderlichen Aufbewahrungszeit des bestrahlten Brennelements im Entladegerät ist es im allgemeinen erforderlich, zwei gleiche Entladegeräte zur Verfugung zu halten, vor allem, wenn eine häufige Erneuerung der Brennelemente vorgesehen ist.

as Das gleiche, mit einem Spezialgreifer ausgestattete Entladepprät kann zum Herausheben eines im Reaktortank angeordneten absorbierenden Trimmstabes dienen. Das Einsetzen eines neuen Brennelements kann mit Hilfe eines Ladegerät.¹ erfolgen, das ähnlich

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.

Dei Ilauplkteis 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 Mehrweg- 30 wie das Entladegerät gebaut ist. jedoch keinen ventil 72 in einer solchen Stellung gehalten, daß das' Wärmeaustauscher zu besitzen braucht. Dieses nieim Entladegerät enthaltene Helium durch die Leitung mais kontaminierte Ladegerät kann vor der Auf-76 in das Ausdehnungsgefäß entweichen kann, und nähme des neuen Brennelements aus dem Schwimmanschließend geschlossen. bad herausgehoben und vollständig getrocknet wer-Das Kettenrad 78 wird anschließend betätigt, um 35 den. Das Einsetzen eines neuen Brennelements kann den Greifer 40 abzusenken. Dieser greift das Brenn- auch mit Hilfe eines einfachen Laufkrans erfolgen, element 38 und heißt es im Entladegerät bis in die nachdem das Leichtwasserniveau im Schwimmbad in F i g. 3 gezeigte Stellung. Unter der Wirkung der
vom Brennelement entwickelten Wärme setzt dann
ein Schwerwasserkreislauf durch natürliche Konvek- 40
tion entsprechend den Pfeilen /' der Fig. 3 ein. Dieser Kreislauf benötigt keinerlei Antriebsmittel, das
von außen versorgt werden müßte, so daß keinerlei

1. Brennelementlade- und -entladegerät für einen Kernreaktor, bei dem die Spaltzone in einem Reaktortank angeordnet und durch eine erste Kühlflüssigkeit, wie Schwerwasser, e.ekühlt 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 Absnerrschie-

genügend abgesenkt wurde, um den trockenen Zugang zum Kamin des Reaktortanks zu ermöglichen.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   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 (F i g. 3) werden die Absperrschieber 52 und 22 geschlossen. Das den Totraum füllende Schwerwasser wird durch öffnen des Ventils 110 (Fig. 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 ber (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 rohrförmieen Kammer

   ιιικΙ dem in die /weile, eins Schwimmbad füllende: Flüssigkeit eintauchenden Wärmeaustauscher (36) gebildeten Strömungskreis füllt.
2. 2. 'Jrennclcmcntlacle- und -cnlladcpcriit nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Absperrschieber (52, 22) als Zwei· plattenschieber ausgebildet ist, bei dem der Sleiiermeclianismiis des Absperrschiebers zwischen den beiden Halten isoliert angeordnet ist.
3. 3. Brennelcnicntladc- und -cntladegcräl nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, ilal.i «lic rohrförmige Kammer einen Unterteil (46) Bus einer Leichtmetallegierung mit einem den Durchtritt <lcs Brennelements (38) und ils Greifers (40) ermöglichenden Innendurchmessers unc einen Oberteil (4H) aus rostfreiem Stahl aufweist der eine dichte Durchführung von geringeren Durchmesser als der Unterteil für das biegsame Steuerelement (ΙΊ8) des Greifers (40) umgrenzt.
4. 4. Brennelcnicntladc- und -cntladcgcrät nacl Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß de Wärme uistaiischer (36) aus einem Bündel senk rechlei Rohre (86) besteht, die über zwei Summet leitungen (85. 87) mit dem Unterteil der rohr förmigen Kunimu an den zwei Vcrbmdunns ölTnungen verbunden sind, welche den Ort de Brennelements im Unterteil in senkrechter Rieh lung einschließen.

   Hierzu 2 Blatt Zcidinunucn 109

   1 Γ; C -i