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Kernreaktor Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit mehreren
parallel angeordneten, von einem Kühlmittel beaufschlagten Brennelementen, bei dem
der Kühlmitteldurchsatz für jedes Brennelement bzw. jede Brennelementeinhitm mittels
je einem Regulierorgan entsprechend der während deseaktorbetriebs sich ändernden-
relativen Brennelement leistung einstellbar ist.
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Zur Erzielung eines guten thermischen Wirkungsgrades derartiger Anlagen
ist anzustreben, daß die Kühlmittelaustrittstemperaturen am Ausgang der einzelnen
Brennelementkdhlkanäle möglichst einheitlich hoch liegen.
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Es ist ein Reaktor bekannt, bei dem mittels unterschiedlich eingestellter,
festeingebauter Drosseln die Durchflußmengen fUr die.
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einzelnen Brennelemente dem Leistungsverlauf über den Reaktorkernquerschnitt
angepaßt werden. Die Durchflußmenge kann aber bei diesen unveränderlichen Drosseln
den während der Standzeit auftretenden relativen Leistungsänderungen einzelner Brennelemente
bzw. Brennelementzonen nicht angeglichen werden.
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Es ist ferner ein Reaktor bekannt, bei dem die Durchsatzregelung für
die einzelnen Brennelemente mittels individuell verstellbarer Drosseln auf der Kdhlmitteleintrittsseite
erfolgt. Diese Methode erfprdert jedoch einen erheblichen baulichen Aufwand mit
einer Vielzahl von Bedienungselementen, wmddurchfUhrungen, Dichtungen etc.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Kernreaktor
mit einer Kühlmitteldurchsatzregulierung zu schaffen, die die eingangs gestellte
Forderung erfüllt Q die sich mit möglichst wenigen, konstruktiv einfachen und erprobten
Bauelemee k @erwirklichen list. Vor allem soll die Regeleinrichtung sehr betriebssicher
sein und auch in Gegenwart hoher Temperaturen oder aggresiver Medien wie z.B. bei
flüssigmetall-gekühlten Reaktoren eingesetzt werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin daß die Verstelleinrichtungen
der Regulierorgane innerhalb des Reaktors an eine gemeinsame Antriebsvorrichtung
angeschlossen sind, und daß die mittels der Antriebsvorrichtung einstellbaren Kühlmitteldurchtrittsöffnungen
der Regulierorgane im Sinne einer gleichbleibenden, vom Abbrandzustand und von der
Position der einzelnen Brennelemente unabhängigen Kiihlmitte: 1-Teera.tur an den
Bretllnelementausgängen aufeinander abgestimmt sind. Dadurch kann durch
das
Betätigen von nur einem Antriebselement, das z.B. mit einem gemeinsamen Träger fUr
die Stellglieder der Regulierorgane gekoppelt ist, die geforderte Durchflußverteilung,
bei der sich gleichbleibende, maximale Austrittstemperaturen ergeben, eingestellt
werden. Sind bei einem Reaktor sowohl Zonen mit zunehmender als auch solche mit
abnehmender Leistung vorgesehen, so sind die Stellglieder gegenüber den zugehörigen
Durchlaßöffnungen der Regulierorgane so verschiebbar, daß sich bei ihrer gemeinsamen
Betätigung bei den Brennelementen, deren relative Leistung mit dem Abbrand zunimmt,
eine der Leistungszunahme entsprechende Vergrößerung der Durchlaßöffnungen ergibt,
wShrend bei den Brennelementen, deren relative Leistung mit dem Abbrand abnimmt,
eine der Leistungsabnahme entsprechende Verkleinerung der Durchlaßöffnungen eintritt.
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Unter relativer Leistung ist hierbei die Leistung des Einzelelements
bezogen auf die Gesamtleistung des Reaktors bzw. ein diesem Quotienten proportionaler
Wert zu verstehen. Dabei ist die Gesamt leistung, nach deren Größe sich auch der
Gesamtk(ihlmitteldurchsatz richtet, in bekannter Weise durch die .seelluno der Regelstäbe
vorgegeben.
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Weitere Einzelheiten und AusfUhrungsmöglichkeiten der Erfindung werden
anhand der Zeichnungen näher erläutert: Bs zeigt Die Figur 1 ein Diagramm, bei dem
bei einer bestimmten Gesamtleistung die Leistung der Einzelelemente dber dem Kernquerschnitt
vor und nach einem Abbrandzyklus aufgetragen ist, die Figur 2 einen rohrförmigen
Kulissenschieber als Regulierorgan, die Figuren 3a, 3b und 3c je eine Schaltstufe
fUr drei parallel geschaltete Regulierorgane fUr Teil-Beladung des Reaktorkerns,
wobei nach jedem Abbrandzyklus 1/3 aller Brennelemente ausgewechselt werden.
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In Figur 1 sind Uber dem Kernradius r zwei Kurven LA und LE aufgetragen.
Dabei stellt LA die Leistungsverteilung zu Beginn und LE die Leistungsverteilung
am Ende eines Abbrandzyklus dar. Die Gesamtleistung sei in beiden Fällen gleich,
Um zu Beginn des Abbrandzyklus (Kurve LA) an allen Austrittsöffnungen der einzelnen
Brennelement-Kühlkanäle gleich höhe Kühlmitteltemperaturen zu erzielen, müssen die
Drosselöffnungen der Regulierorgane vom Kernzentrum zu den Kernrandzonen hin abnehmen.
Um jedoch sowohl während als auch am Ende des Abbrandszyklus (Kurve LE) diese Anfangstemperatur
bzw. Temperaturverteilung am ausgang der Brennelementkühlkanäle aufrechtzuerhalten,
müssen die Drosselöffnungen mit zunehmender Abbrand der Brennelemente im Bereich
des Kernzentrums verkleinert rt und im Rereich der Kernrandzonen vergrößert worden.
Dies kann bei gleichen Verstellwegen durch unterschiedliche Auslegung der Verstellweg-Durchsatz-Charakteristiken
der Regulierorgane erreicht werden.
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Das Regulierorgan gemäß Figur 2 ist fUr einen natriumgek(ihlten Kernreaktor
gedacht In der Austrittsöffnung eines KUhlmittelfUhrungskanals 1, in dem das zugehörige
Brennelement 2 angeordnet ist, ist ein entlang der Kanalachse verschieblicher, rohrförmiger
Einsatz 3 vorgesehen.
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Dieser Einsatz 3 ist mit einer Führungsplatte 4 verbunden, die mit
einem Antrieb 22 bekannter Bauart gekoppelt ist. Im Innern des Einsatzes 3 sind
drei konzentrische, ringförmige und axial gegeneinander versetzte Kulissen 5, 6,
7 eingebaut, die mittels radialer Stege 8, 9, 10, 11 mit dem Einsatz 3 bzw. untereinander
verbunden sind.
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Diesen drei Xulissen 5,6,7 ist ein feststehendes, dreistufiges Rohr
12 zugeordnet, das an seinen Wandungen 13, 14, 15 Öffnungen besitzt, die bei einer
Verschiebung der FUhrungsplatte 4 ganz oder teilweise, abgedeckt werden, In dem
Einsatz 3 sind Längsschlitze 16 eingelassen, durch die radiale Stege 17 greifen.
Diese Stege 17 verbinden das Stufenrohr 12 mit einer Halteplatte 18. An dieser Ralteplatte
sind außerdem noch AbdeckschUrzen 23 angebracht, die die Längsschlitze 16 abdecken.
In dem gezeigten Reispiel würden beim Absenken der Führungsplatte 4 die öffnungen
19, 20, 21 zunehmend abgedeckt entsprechend einer mit dem Abbrand abnehmenden Leistung
des Brennelements 2. Mit derselben Einrichtung kann der KUhlzitteldurchsatz jedoch
auch bei zunehmender Brennelementleistung einreguliert werden. In diesem Fall ist
das Stufenrohr 12 bezogen auf.die gezeichnete Stellung, in die Ausgangsstellung
anzuheben und Uber die Platte 18 an den Antrieb 22 anzukoppeln, während die Platte
4 festzusetzen ist. Auf diese Weise ergibt sich beim Absenken der Platte 18 eine
der Leistungszunahme entsprechende Vergrößerung der freien Öffnungsquerschnitte
und damit des KUhlmitteldurchsatzes.
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Die Figur 3a zeigt schematisch drei Regulierorgane der in Fig. 2 gezeigten
Bauart mit je einer Kulisse 30 a,b,c und den zugehörigen Kulissenschiebern 31 a,b,c,
die ueber einen gemeinsamen Träger 4 mit einem Antriebsaggregat 22 gekoppelt sind,
während die Kulissen 30 a,b,c von einer festen Halteplatte 18 getragen werden. Im
Gegensatz zu Figur 2 weisen die Wandungen 32 a,b,c der Kulisse 30 a,b,c jeweils
in drei Ubereinander liegenden Ebenen Öffnungen 33, 34, 35 auf, entsprechend drei
Grundstufen der Regulierorgane. Die Kulissenschieber 31 a,b,c haben an ihren Wandungen
36a,b,c zwei Ubere'inander liegende Öffnungen 37, 38, die sich je nach Stellung
der Schieber 31 a,b,c ganz oder teilweise mit den Öffnungen der Kulissen 30 a,b,c
decken.
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Von den drei Brennelementen 2 a,b,c der Figur 3a, diö in einer Zone
mit abnehmender relativer Leistung liegen, sei das Brennelement 2a zu 2/3 abgebrannt,
das Brennelement 2b frisch eingesetzt
und das Brenneleuent 2c zu
1/3 abgebrannt. Dementsprechend gibt der Schieber 31 à die kleinste der Schieber
31 b die größte und der Schieber 31 c eine mittlere effektive Durchflußöffnung frei.
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Die Figur 3b zeigt dieselbe Anordnung vor dem zweiten Abbrandzyklus,
d.h. das Brennelement 2b ist zu 1/3 abgebrannt, das Brennelement 2c zu 2/3, während
das Brennelement 2a durch ein frisches Brennelement 2d ersetzt ist. Um den dadurch
bedingten veränderten Brennelementleistungen Rechnung zu tragen, sind der Träger,
und damit auch die Kulissenschieber um eine Stufe gegeniiber der Stellung in Figur
3a angehoben worden. Nunmehr gibt der Schieber 31a die größte Öffnung, der Schieber
31b eine mittlere und der Schieber 31c die kleinste Durchtrittsöffnung frei.
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Figur 3c zeigt die Stellung der Schieber vor dem dritten Abbrandzyklus.
Hier ist der Träger gegenüber Figur 3b um ein weitere Stufe angehoben und das Brennelement
2 c durch ein frisches Brennelement 2e ersetzt. Entsprechend gibt der Schieber 31c
die größte, der Schieber 31b die kleinste und der Schieber 31a eine mittlere Durchtrittsöffnung
fAr das Kühlmittel frei. Each den dritten Abbrandzyklus wird der Träger wieder in
seine Grundstellung entsprechend Figur 3a zurückgeführt.
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Nach demselben Prinzip lasten sich selbstverständlich 3uch fßr beliebige
andere Teilbeladungsmethoden entsprechende Anordnungen verwirklichen. Der Vorteil
besteht in jedem Fall darin, daß nach jeder Teilbeladung dei Kühlmitteldurchsatzmengen
für die Brennelemente der Leistungsverteilung angepaßt werden können, ohne daß hierzu
ein Auswchseln oder eine individuelle Einstellung der einzelnen Regulierorgane erforderlich
ist.
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Die Erfinfung ist selbstverständlich nicht auf das erläuterte Beispiel
beschränkt. So können anstelle von Kulissenschiebern
auch andere
Regulierorgane wie z.B. einstellbare Drosseln, Nadelventile, etc. verwendet werden.
Welche Art von Regulierorgan am zweckmäßigsten ist, richtet sich hauptsächlich nach
dem verwendeten Kiihimittel und den örtlichen Verhältnissen. Diese Gesichtspunkte
sind auch maßgebend dafUr, ob man die Regulierorgane an der KUhlmitteleintritts-
oder Austrittsseite anordnet. Außerdem ist es auch möglich, die gemeinsamen Betätigungsvorrichtung
z. B. als schwenkbaren Träger auszubilden, so daß sich die Verstellwege mit zunehmendem
Abstand von den Schsokpunkten vergrößern und damit auch bei gleichen oder annähernd
gleichen Drosselcharakteristiken der einzelnen Regulierorgane sich unterschiedliche
Durchsatzmengen ergeben.