DE1941203A1

DE1941203A1 - Kernreaktor

Info

Publication number: DE1941203A1
Application number: DE19691941203
Authority: DE
Inventors: Shaw James William Westgarth
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-08-14
Filing date: 1969-08-13
Publication date: 1970-04-23
Also published as: JPS545074B1; GB1273737A; CH499852A; FR2019343A7

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Telegramm-Adr.; Pafcdiub, Siegen

1941203 Postscheckkonten:

Köln 106931, Essen 203 62 Bankkonten: Deutsche Bank AG.,

Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner StraBe 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)

Poitfach 325

69 120 I/Zw/Sohm/A 12. Aug. 1969

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W₀1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr₀ 38944/68 vom 14· August 1968 beansprucht.

Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren, welche innerhalb eines Betondruckbehälters einen Moderatorkernaufbau aufweisen, der mittels eines Kühlflusses gekühlt wird, welcher in entgegengesetzter Richtung zu einem Fluß des gleichen Kühlmittels gerichtet ist, das die Kernbrennstoffelemente in Brennstoffelementkanälen durch den Aufbau hindurch überströmt. Ein derartiger Reaktor wird im Folgenden als "von der angegebenen Art" bezeichnet.

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Gegenstand der Erfindung ist in erster linie ein Kernreaktor der angegebenen Art mit folgenden Merkmalen: Der * Kernaufbau bestimmt zwischen seinem unteren Ende und dem Druckbehälter einen ersten Raum, welcher in gasdichter Weise mittels einer Trennwand in einen oberen Auslaßteil, welcher eine Kühlmittelauslaßleitung aufweist, und einen unteren Einlaßteil geteilt wird, welcher eine Kühlmitteleiniaßleitung aufweist, wobei sowohl Einlaß- als auch Auslaßleitüng durch die Wandung des Druckbehälters hindurchführen; der Kernaufbau bestimmt zwischen seinem oberen Ende und dem Druckbehälter einen zweiten Raum; der Kernaufbau stützt sich auf eine Kernstützeinrichtung mittels hohler Säulen, die vom Druckbehälter durch die Trennwand hindurch bis zum Kernaufbau reichen; die Hohlsäulen bestimmen oder bilden Leitungen für Kühlgas zwischen dem unteren Teil und dem Kern; die Kernstützeinrichtung bestimmt bzw. bildet Durchgänge für Kühlgas zwischen den Brennstoffelementkanälen und dem oberen Teil; zwischenräumliche Kanäle innerhalb des Kernaufbaus werden von diesen leitungen her versorgt; die zwischenräumlichen Kanäle münden in den zweiten Raum ebenso wie die Brennstoffelementkanäle; ein Geschlossen-Kreislauf ermöglicht den Abzug von Kühlgas vom Auslaßteil her mittels einer Auslaßleitung, so daß das Kühlgas dem Wärmeaustausch unterworfen und danach nach dem unteren Einlaßteil über eine Einlaßleitung rückgebracht werden kann.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Kernreaktor der angegebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Kernaufbaus einen ersten Abschluß zur Bestimmung eines ersten Raumes zwischen ihm und dem Boden des Druckbehälters bildet; daß ein zweiter Abschluß in Form einer Trennwand unterhalb des ersten Abschlusses vorgesehen ist, welche Zwischenwand den ersten Raum in einen oberen Auslaßteil zwischen dem ersten und zweiten Abschluß und einen unteren

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Einlaßteil zwischen dem zweiten Abschluß und dem Boden unterteilt; daß Leitungen von dem unteren Einlaßteil durch beide Abschlüsse in zwischenräumliche Kanäle innerhalb des Kernaufbaus führen; daß die zwischenräumlichen Kanäle innerhalb des Kernaufbaues in einem zweiten Raum oberhalb des Kernaufbaues einmünden und die Verbindung mit dem Inneren von kontinuierlich umhüllten Brennstoffelement-Strängen oder -Ketten zulassen; daß die Brennstoffelementketten mit dem ersten Abschluß in dichter Weise verbunden sind; so daß das Kühlmittel innerhalb der Ketten in den oberen Auslaßteil gezogen wird; daß eine Einrichtung zum Abziehen des Kühlmittels aus dem Auslaßteil und .zum Rückbringen in den Einlaßteil vorgesehen ist; und daß eine Einrichtung zum Überstreichen von kühlem Kühlmittel über die inneren peripheren Seitenwände des Druckbehälters vorgesehen ist. .

Es sei darauf hingewiesen, daß der zweite Raum das Kühlmittel aus dem Aufbau erhält, bevor dieses seine Hauptaufgabe des Kühlens der Ketten erfüllt. Deshalb wird die Ober- und die Unterseite des Druckbehälters von relativ kühlem Kühlmittel bestrichen. In einigen Fällen kann etwas Kühlmittel direkt zu diesem zweiten Raum von dem Einlaßteil abgezweigt werden und mindestens ein Teil dieses abgezweigten Kühlmittels kann in den Raum zwischen der inneren peripheren Wandung des Druckbehälters und einem Neutronenschild, welcher den Kernaufbau umgibt, gerichtet werden. In den Ausführungen mit hoher spezifischer Leistung, .welche heutzutage betrachtet werden, wird kein Kühlmittel direkt zu dem zweiten-Raum geleitet, und in diesem Fall r%icht der erste Verschluß nur so weit, wie der Neutronenschild, so daß Kühlmittel aus dem zweiten Raum in den Kühlmittelauslaateil gezogen wird und die inneren peripheren Wände kühlt.

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Der zweite Raum braucht nur genügend groß zu sein, um vernünftige Fließwiderstände zu bedingen oder hervorzurufen und um Raum zur Handhabung der Brennstoffelementadern in die zugehörigen Kanäle zu schaffen. Wenn der Kernaufbau mittels vertikaler Pfeiler getragen oder gehalten wird, dann wird unter den nachfolgenden Bedingungen nur wenig Kopfraum zu Manipulationszwecken benötigt, so daß der zweite Raum klein sein kann. Diese Bedingungen bestehen darin, daß die vertikalen Pfeiler starr von dem Beton getragen werden, ohne daß starre Doppelgitter /diagrid/ zwischengefügt werden, wobei jede Säule separat von einem Pfeiler getragen wird, und daß Brücken zwischen den Pfeilern oder mit einer kleinen Gruppe von Säulen gebildet werden, welche von einer Platte getragen werden, die von einem Pfeiler gestützt wird. Wenn die Graphitsäulen mindestens einige Blöcke umfassen, welche elastisch oder plastisch unter mechanischer Belastung stehen, ist es möglich, einen Reaktor so auszulegen, daß die Säulen bei Betriebstemperatur fest zwischen dem Dach des Druckbehälters und den Pfeiler eingeklemmt sind, vorausgesetzt, daß Spalte zwischen den Säulen gelassen werden, welche als zweiter Raum dienen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, und zwar zeigi:

Fig. 1 einen Medialschnitt durch den Druckbehälter eines Kernreaktors, während

Fig. 2 eine Teilansicht eines Pfeilers, der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 benutzt wird, wiedergibt.

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Ein Betondruckbehälter 11 des Kernreaktors enthält einen Moderatorkernaufbau 12, der aus Säulen von Graphitziegeln besteht. Durch alle diese Säulen, außer den äußeren Säulen, erstrecken sich Kanäle 13 zur Aufnahme von (nicht gezeigten) Brennstoffelement-Strängen oder -Ketten. Jede Säule weist einen quadratischen Querschnitt auf und wird an jeder Ecke ihrer Basis mittels Pfeiler H gestützt, von denen lediglich einer gezeigt ist. Die Pfeiler werden vom Betonflur des Reaktordruckbehälters getragen.

Pig. 2 zeigt, daß die Pfeiler H hohl sind, Einlaßöffnungen 15 aufweisen und jeweils eine rostfreie Stahlkappe 16 f tragen, welche eine Basis für den Kernaufbau oberhalb dem Pfeiler bilden. Benachbarte Kappen 16 sind an ihren Kanten miteinander verbunden und zwar typischerweise durch Nutverbindungen 16a, so daß die Kappen einen ersten Abschluß mit Wärmeexpansionsverbindungen darstellen, um Wärmeausdehnungen zuzulassen. Unterhalb der Verbindung 16a bzw. des Abschlusses 16 befindet sich ein erster ausgefüllter Raum, den ein zweiter Abschluß oder eine Trennwand 17 in einen unteren Kühlmitteleinlaßteil 18 zwischen dem zweiten Abschluß und dem Boden und einen oberen Kühlmittelauslaßteil 19 zwischen den Abschlüssen aufteilt. Dieser zweite Abschluß wird von im Querschnitt quadratischen Platten 20 gebildet, ,

die an Flansche 21 angeschweißt sind und mittels Nutverbindungen 22 ineinander greifen. Die Flansche 21 selbst können an dem jeweiligen Pfeiler angeschweißt sein. Die obere Oberfläche dieses zweiten Abschlusses, die untere Oberfläche der Kappen und die Pfeiler zwischen den beiden Abschlüssen werden von einer Wärmeisolation 23 in Form von Paketen von rostfreiem Stahlblech bedeckt, welche kammartig ineinandergreifende Verbindungen 24 aufweisen. Zwischen den

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Ecken von.vier aneinandergrenzenden Kappen 16 ruht lose an den Enden der Brennstoffelementkanäle jereils ein Abfallkübel 26, in welchen die kontinuierliche Umhüllung einer Brennstoffelement-Kette bzw. -Strangs dicht eingefügt ist, so daß die Adern durch den ersten Verschluß in abgedichteter Weise hindurchreichen. Der Abfallkübel 26 ist perforiert, damit Kühlmittel vom Inneren der Brennstoffelementkette in den oberen Auslaßteil gesaugt werden kann. Nicht gezeigte Steuerstangen und Standrohre 27 (Fig. 1) zum Ein- und Ausbringen der Brennstoffelementketten sind im oberen Teil des Druckbehälters angeordnet und reichen nur durch den zweiten Raum hindurch.

Die Öffnungen 15 in dem Pfeiler 14 sind im unteren Kühlmitteleinlaßteil 18 gelegen.

Die vom hohlen Inneren eines Pfeilers gebildete Leitung 28 führt von den Öffnungen 15 durch beide Abschlüsse zu einem zwischenräumlichen Kanal 30 durch den Moderatorkernaufbau. Vom zwischenräumlichen Kanal zweigen Abzweigungen 31 zu den umgebenden vier Brennstoffelementkanälen ab, damit das Kühlmittel zwischen den Wandungen der Kanäle und den Umhüllungen der Brennstoffelementketten in diesen Kanälen nach oben fließen kann.

Es wird erneut Bezug auf Pig. 1 genommen. Der PIuB durch die zwischenräumlichen Kanäle und der Pluß zwischen den Wandungen der Kanäle und den Umhüllungen mündet in den zweiten Raum 33 oberhalb des Kernes, wo die Brennstoffelementketten Einlaßöffnungen"aufweisen, so daß die Flüsse mit dem Inneren der Adern in Verbindung stehen und durch die Adern abwärts zum oberen Kühlmittelauslaßteil gelangen können.

Das heiße Kühlmittel wird durch eine Auslaßleitung 34 vom oberen Auslaßteil jeweils durch die Stufen eines Wärme-

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tausehers, bestehend aus Überhitzer 35, Verdampfer 36 und Vorwärmer 37, geleitet. Der Wärmeaustauscher ist in einer Bohrung 38 in der vorgespannten Wand des Betondruckbehälters gelagert. Eine Ümwälzanlage 39 saugt das die Vorwärmstufe 37 verlassene Kühlmittel die Wandungen der Bohrungen entlang nach unten, um diese Wandungen kühl zu halten. Die Umwälzeinrichtung führt das Kühlmittel in den unteren Kühlmitteleinlaßteil durch eine Einlaßleitung 40 zurück. Die Auslaßleitung 34 weist ein Einlegerohr 41 auf und ein geringer Anteil des Kühlmittels wird von der Umwälzeinrichtung zwischen diesem Einlegerohr und der Leitung 34 gefördert, um die Wandung der Leitung kühl zu halten. In der Praxi« sind natürlich eine " Anzahl von Wärmetauschern und Umwälzeinrichtungen rund um den Druckbehälter angeordnet; aus Gründen der Vereinfachung wurde jedoch nur ein Wärmetauscher gezeichnet und beschrieben.

Es sei darauf hingewiesen, daß die innere Wandung des Druckbehälterβ im Kontakt mit relativ kühlem Kühlmittel am oberen und am unteren Ende des Behälters steht. Es ist auch wünschenswert, die periphere Seitenwand kühl zu halten. Ein Neutronenschild 43 umgibt den Kernaufbau und ist so ausgelegt und angeordnet, daß ein freier Raum zwischen dem Schild und der peripheren Seitenwand verbleibt, so daß Kühlmittel vom oberen Teil des Kernes abwärts durch den freigelassenen * Raum s-trömen kann. Der Neutronenschild wird aus überlappenden Stahlplatten gebildet, die von der Wandung des Druckbehälters getragen werden. Er wird zum ersten Abschluß hin abgedichtet und bestimmt auch die Lage der äußeren Kante des ersten Abschlusses. Etwas Wärmeisolation wird über der gesamten inneren Wandung des Druckbehälters benötigt, diese muß aber nur im oberen Kühlmittelauslaßteil dick sein.

Wenn ein Nacherhitzerteil in dem Wärmetauscher gewünscht wird, kann dieser Teil als zentraler Kern des Wärmetauschers eingefügt werden, wobei der Aufwärtsfluß durch diesen -Teil und der Abwärtsfluß durch die Überhitzer-Verdampfer und Förder-Heiz-Stufen bewerkstelligt wird.

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Während der Brennstoffbeschickung unterstützt der Kühlmittelfluß offensichtlich die Zentralisierung der Brennstoffadern und der Fluß durch die Abzweigungen 31 während des Kurzschlusses zu dem oberen Auslaßteil beim Entfernen der Brennstoff ädern stört die beginnende Einfügung eines Brennstoffelementes nicht, bis die Brennstoffkette nahezu an richtiger Stelle und in einer sicheren Lage ist. Darüberhinaus durchdringen die Steuerstangen die Trennwand zwischen dem oberen Auelaßteil oder "heißen Kammer" und dem unteren Kühlmitteleinlaßteil nicht, so daß eine Fehlstelle in dieser Trennwand die Arbeit der Steuerstangen nicht beeinträchtigen kann.

Eine Betontrennwand, welche Teil des Druckbehälters ist, kann als zweiter Abschluß 17 benutzt werden und die Pfeiler können in dieser Trennwand verankert werden· Eine stärkere Konstruktion ist jedoch erforderlich, wenn die Pfeiler vom Boden des Druckgefäßes durch den zweiten Abschluß bis zu den Einrichtungen zur Stützung des Kernes reichen.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sieh vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

M J Kernreaktor mit innerhalb eines Betondruckbehälters vorgesehenem Moderatorkernaufbau, welcher mittels eines Kühlflusses in entgegengesetzter Richtung zu einem Fluß desselben Kühlmittels über die Brennstoffelemente in Brennstoffelementkanälen hinweg durch den Aufbau hindurch gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Kernaufbau (12) zwischen seinem | unteren Ende und dem Druckbehälter (11) ein erster Raum gebildet wird, welcher in gasdichter Weise mittels einer Trennwand (17) in einen oberen, eine Kühlmittelauslaßleitung (34) aufweisenden Auslaßteil (19) und in einen unteren, eine Kühlmitteleinlaßleitung (40) aufweisenden Einlaßteil (18) geteilt wird, wobei sowohl Einlaß- als auch Auslaßleitung (34, 40) durch die Wandung des Druckbehälters (11) hindurchführen, daß ferner durch den Kernaufbau (12) zwischen seinem oberen Ende und dem Druckbehälter (11) ein zweiter Raum (33) gebildet wird, daß der Kernaufbau (12) sich auf einer Kernstützeinrichtung mittels Säulen (H) abstützt, welche vom Druckbehälter (11) durch die Trennwand (17) hindurch bis zum Kernaufbau (12) reichen und welche Leitungen (28) für Kühlgas zwischen dem unteren Teil (18) ( und dem Kern (12) bilden, daß durch die Kernstützeinrichtung Durchgänge für Kühlgas zwischen den Brennstoffelementkanälen und dem oberen Teil gebildet werden, daß zwischenräumliche Kanäle (30) innerhalb des Kernaufbaus (12) von diesen Leitungen (28) her beliefert werden, daß die zwischenräumlichen Kanäle (30) in den zweiten Raum (33) ebenso wie die Brennstoffelementkanäle (13) einmünden, und daß ein G-eschlossen-Kreislauf den Abzug von Kühlgas vom Auslaßteil (19) her mittels einer Auslaß-

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leitung (34*) ermöglicht, um es so dem Wärmetausch zu unter- « werfen und danach nach dem unteren Einlaßteil (18) über eine Einlaßleitung (40") zurückzubringen.
2. Kernreaktor der vorbeschriebenen Art, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Kernaufbaus einen ersten Abschluß zur Bestimmung oder Bildung eines ersten Raumes zwischen ihm und dem Boden des Druckbehälters bildet, daß ein zweiter Abschluß in Form einer Trennwand unterhalb des ersten Abschlusses vorgesehen ist, welche Zwischenwand den ersten Raum in einen oberen Auslaßteil zwischen dem ersten und zwei-

™ ten Abschluß und einen unteren Einlaßteil zwischen dem zweiten Abschluß und dem Boden unterteilt, daß Leitungen von dem unteren Einlaßteil durch beide Abschlüsse in zwischenräumliche Kanäle innerhalb des Kernaufbaus führen; daß die zwischenräumlichen Kanäle innerhalb des Kernaufbaues in einem zweiten Raum oberhalb des Kernaufbaues einmünden und die Verbindung . mit dem Inneren von kontinuierlich umhüllten Brennstoffelement-Strängen oder-Ketteh zulassen, daß die Brennstoffelementketten mit dem ersten Abschluß in dichter Weise verbunden sind, so daß das Kühlmittel innerhalb der Ketten in den oberen Auslaßteil gezogen wird, daß eine Einrichtung zum Abziehen des Kühlmittels aus dem Auslaßteil und zum Hückbrin-

& gen in den Einlaßteil vorgesehen ist, und daß eine Einrichtung zum Überstreichen von kühlem Kühlmittel über die inneren peripheren Seitenwände des Druckbehälters vorgesehen ist.
3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neutronenschild (43) innerhalb des Druckbehälters (11) angeordnet ist und den Kern (12) umgibt und mit den Wandungen des Druckbehälters (11) einen Spaltraum bestimmt, der an seinem

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oberen Ende in den zweiten Raum (33) und an seinem unteren finde in den oberen Auslaßteil (19) einmündet.
4. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronenschild (43) den Kern (12) umgibt und mit der Wandung des Druckbehälters (11) einen Spaltraum bestimmt, der an seinem oberen Ende in den zweiten Raum (33) und seinem unteren Ende in den unteren Einlaßteil (18) einmündet.
5· Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerntrageinrichtung ein starres Doppelgitter /diagrid/ umfaßt. f
6. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerntrageinrichtung eine Serie von benachbarten Kappen (16) umfaßt, die an ihren Kanten miteinander verbunden sind und einen gasdichten Abschluß zwischen dem Kernaufbau (12) und dem oberen Auslaßteil (19) bilden.
7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernaufbau (12) senkrechte Graphitsäulen umfaßt, deren untere Enden auf einer Mehrzahl derartiger Kappen (16) aufliegen.

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8." Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (17) aus Platten (20) besteht, deren Kanten miteinander verbunden sind.
9. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die !Trennwand aus Beton ist und einen integralen Bestandteil des Druckbehälters (11) bildet.

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10. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente Hüllen aus Moderatormaterial aufweisen, welche Hüllentrennräume zwischen den Hüllen und den Brennstoffelementkanälen bestimmen.
11. Kernreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abzweigleitungseinrichtung (31) in dem Kernaufbau (12) vorgesehen ist, welche die Säulenleitungen oder die zwischenräumlichen Kanäle (30) mit den Hüllenzwischenräumen an dem unteren Ende der Brennstoffelementkanäle verbinden.
12. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand (17) mindestens an ihrer oberen Bereichseite mit thermischem'Isoliermaterials (23) bedeckt ist.
13. Kernreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisölation (23) aus rostfreiem Stahlblech besteht.
14. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Kühlmittelzirkulation mindestens einen Wärmetauscher (35, 36, 37) und einen Gasumwälzer (39) umfaßt, daß der Umwälzerauslaß mittels Leitungen mit der Einlaßleitung (40) und die Auslaßleitung (34) mit dem Wärmetauschereinlaß verbunden sind, und daß der Umwälzereinlaß mit dem Wärmetäuscherauslaß verbunden ist.
15. Kernreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher und der Umwälzer in einer Bohrung (38) in der Wandung des Druckbehälters (11) angeordnet sind.
16. Kernreaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher einen Spaltraum in der Bohrung (38) bestimmt, in welcher äer Wärmeaustauscherauslaß einmündet und an welchem der Umwälzereinlaß angescnlossen ist.

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