DE2005868C3 - Einrichtung zur Dosierung des Kühlmitteldurchflusses in Brenn- oder Brutstoffelementen von Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Dosierung des Kühlmitteldurchflusses in Brenn- oder Brutstoffelementen von Kernreaktoren, wobei Gruppen von Spaltstoffelementen gleichen Kühlmitteldurchsatzes an je einen Unterhalb des Reaktorkernes angeordneten, gemeinsamen Kühlmitlelzuführungskanal angeschlossen sind und wobei dieser Kanal über eine einstellbare Drossel mit der Kühlmittel· eintrittsseite des Reaktors verbunden ist.

Die in Brenn- und/oder Brutstoffelementen von Kernraktoren erzeugte Warme wird durch das Reaktorkühlmittel abgeführt und normalerweise über Wärmetauscher und Dampfturbinen in elektrische Energie umgeformt. Als Kühlmittel werden üblicherweise Wasser, Gase, wie z. B. Kohlendioxid oder flüssiges Metall, verwendet. Letzteres findet vor allem bei schnellen Brutreaktoren Verwendung, da dort die

ίο abzuführende spezifische Wärmeleistung im Reaktorkern außerordentlich hoch ist. In allen Fällen abei muß angestrebt werden, die Austrittstemperatur des Reaktorkühlmittels auf möglichst hohes Temperaturniveau zu bringen und damit einen möglichst hohen Wirkungs-

ι⁵ grad der Gesamtanlage zu erreichen.

Da ein Reaktorkern aus einer Vielzahl von einzelnen Sp altstoffelementen aufgebaut ist, von denen jedes von einem Teil des Gesamtkühlmittelstromes durchflossen ist, muß auch bei unterschiedlicher Wärmeentwicklung in den einzelnen Spaltstoffelementen dafür gesorgt werden, daß die Austriltstemperatur aus allen Spaltstoffelementen einigermaßen konstant und gleich ist. Dies wird ir. üblicher Weise dadurch erreicht, daß der Kühlmitteldurchfluß in Spaltstoffelementen mit geringerer Wärmeleistung durch Drosselstellen entsprechend vermindert wird. Dieses Ziel kann — allerdings mit ziemlich großem technischem Aufwand — dadurch erreicht werden, daß bestimmte Spaltstoffclementgruppen mit niedrigerer Wärmeleistung eine eigene Kühlmitielzuführung erhalten, in der der Durchsatz des Kühlmittels einstellbar ist. Vorschläge dieser Art sind z.B. aus den DE-AS 10 7! 854 und 11 13 761 bekannt. Konzentrisch liegende Bereiche des Reaktorkernes werden mit unterschiedlichen durch Drosseleinrichtungen einstellbaren Kühlmittelmengen versorgt. Bei gemeinsamer Kühlmittelzuführung zu allen Spaltstoffelementen ist es möglich, alle diese Elemente mit einzelnen von außerhalb des Reaktors einstellbaren Drosseleinrichtungen zu versehen. Siehe dazu die französische Patentschrift 12 36 628, wonach vor dem Einsatz des jeweiligen Brennelement s eine Gewindehülse durch Drehen vertikal verschoben wird und dabei die Kühlmitteleintrittsöffnung eines den Brennelementfuß aufnehmenden Rohres mehr oder weniger abdeckt.

Eine Bestätigung solcher Drosselstellen an eingesetzten Spaltstoffelementen von außerhalb des Reaktorkessels ist praktisch nicht durchführbar. Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Lösung dieses Drosselproblems zu finden, die während des Abbrandes der Spaltstoffelemente und damit einer entsprechend sich ändernden Wärmeentwicklung eine Verstellung nur möglichst weniger solcher Einrichtungen notwendig macht. Ein Auswechseln von Teilen (DE-AS 1113 761) sollte dabei unbedingt vermieden werden.

Diese Aufgabe und bei der eingangs genannten Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Drossel durch den Fußpunkt wenigstens eines Spaltstoffelementes einer Gruppe gebildet ist und daß diese Drossel durch Verdrehung des Fußpunktes um die Spaltstoffelementachse einstellbar ist.

Der Ausdruck »Spaltstoffelemente« wird hier ganz allgemein für alle Aufbauelemente des Reaktorkernes verwendet, die mit den durch die Kettenreaktion gebildeten Neutronen in Wechselwirkung stehen. Sie

Ί5 umfassen damit vor allen Dingen auch die sogenannten Brutstoffelemente, in denen durch Neutronenabsorption neuer Spaltstoff entsteht. Gerade bei Ihnen ergeben sich im Laufe der Betriebszeit durch diesen Vorgang

Änderungen in der Wärmeentbindung, so daß insbesondere bei diesen eine Nachjustierung der Kühlmittelströ· mung notwendig ist. Zur besseren Veranschaulichung dieses Erfindungsgedankens sei auf die Fig. 1 und 2 verwiesen, in denen ein mögliches Ausführungsbeispiel in seinen wesentlichsten Einzelheiten näher dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt eine von unten gesehene schematische Darstellung des Reaktorkerns eines schnellen Brutreaktors. Der Reaktorkern ist in diesem Beispiel nach einer Sechseckgeome',.-ie aufgebaut und hat einen zentralen Kern 1, der aus Spaltstoffelementen It aufgebaut ist. Die Spaltstoffelemente selbst haben einen sechseckigen Querschnitt, liegen dicht an dicht, und gehen an ihrem unteren und oberen Ende in einen runden Querschnitt über. Der Bereich 2 des Kernreaktors, der mantelförmig zur Kernbrennstoffzone 1 angeordnet ist, besteht aus Brutstoffelementen 21 und 22. Dabei fungieren die Brutstoffelemente 22 gleichzeitig als Drosseln für den Kühlmittelzufluß zu den anderen Brutstoffelementen 21. Durch Stege 31 sowie durch eine unterhalb der Kerntragplatte angeordneten Platte 32 sind Kühlmittelzuführungskaiiäie 3 gebildet, an die jcwcüs dne Gruppe von Brutstoffelementen 21 angeschlossen <st, die während des Reaktorbetriebes ein praktisch gleiche Brutrate aufweisen. Die außerhalb der dargestellten Kanäle 3 angeordneten Brutstoffelemente 21 haben eine so geringe Brutrate, daß der Kuhlmitteldurchsatz in diesen Bereichen nicht verstellt werden muß. Es genügt, daß der segmentförmige Raum zwischen der Platte 32 und der Kerntragplatte nur durch einige kleine Bohrungen als Drosselstellen mit dem Kühlmittelzuführungsraum 34 unterhalb der Platte 32 Verbindung hat. Mit diesem Raum haben außerdem die Brutelemente 22 bzw. d>e Fußstruktur derselben Verbindung. Wie in der Fig. 2 - sie stellt einen Schnitt entlang der Linie 11-11 von Fig. 1 dar — in einem Querschnitt dargestellt, ist die Platte 32 an diesen Stellen mit entsprechenden Bohrungen 32a versehen.

In dieser Figur ist nun diese Einrichtung zur Dosierung des Kühlmitteldurchflusses als Längsschnitt durch einen ."eil der Kerntragplatte dargestellt. Diese Tragplatte besteht in diesem Beispiel aus den Gitterplatten 4 und 4'. die in der dargestellten Weise durch Gitterplattenrohre 41 miteinander verbunden sind. Damit erhält die Kerntragplatte bei geringstmöglichem Gewicht die benötigte Festigkeit. Die Gitterplattenrohrc 41 dienen dabei nicht nur als Konstruktionselement, sondern auch zur Zuführung des Kühlmittels zu den Spaltstoffelementen.

Unterhalb dieser Kerntragplatte ist für die Ausbildung der Kühlmittelzuführungskanäle 3 eine Platte 32 eingezogen, die durch Stege 31, siehe Fig. 1. gegenüber der Kerntiagplatte abgestützt ist und damit die Kühlmittelzuführungskanäle 3 für die einzelnen Brennstabgruppen bildet. Diese Zwischenwand 32 ist an jenen Stellen, an denen Spaltstoffelemente mit Drosselstellen eingesetzt werden sollen, mit Bohrungen 32a gegenüber den entsprechenden Giiterplattenrohren 41 versehen. Außerdem sind an diesen Stellen die Gitterplattenrohre 41 bis unter diese Zwischenplatte 32 verlängert und mit 41a bezeichnet. Oberhalb der Kerntragplatte sind sie durch Gitterplatteneinsätze 43 verlängert, In diese werden die Spaltenstoffelemente 21 bzw. 22 eingesetzt und durch kolbenringartige Einrichtungen 53 am zylindrischen Fuß 52 abgedichtet. Ein konisches Teil 51 bildet den Übergang zum sechseckigen Teil der Soaltstoffelemenle,

Der zylindrische Fuß 52 des Spaltstoffelementes ist nach unten durch ein zylindrisches Teil 54 verlängert, das eine große seitliche Öffnung 56 enthält. Mit diesem Teil 54 greift der Spaltstoffelementfuß übtr ein inneres Einsatzrohr 45, das mit dem Gitterplattenrohr 41a bzw. dem Gitterplaiteneinsatz 43 über Rippen 44 konzentrisch verbunden ist. Dieses inner ■ Einsatzrohr hat in Höhe der Öffnung 56 des Spaltstoffeiementfußes 54 an seinem Umfang eine Reihe von seitlichen öffnungen 46

i(j abgestufter Größe, im Falle des hier vorgesehenen sechseckigen Brennelementes sind es sechs öffnungen, die durch Drehung desselben um jeweils 60"¹ zur Deckung mit der öffnung 56 des Spaltstoffeiementfußes gebracht werden können. Oberhalb des inneren Einsatzrohres 45 ist der Spaltstoffelementfuß 54 durch eine Querwand 57 für den direkten Kühlmitteldurchfluß gesperrt. Darüber sind seitliche Bohrungen 58 vorgese hen, durch die die benötigte Kühlmittelmenge für das jeweilige Element nach oben strömen kann. Das innere Einsatzrohr 45 ist mit dem äußeren 4!a — auch Gitterplattenrohr genannt — in der Höhe der unteren Platte 32 mit einer Kolbenringdichti - ζ 48 verbunden Das äußere Rohr 41a ist zum Kiihlmü'^l/uführur.gskanal 3 hin mit seitlichen großen öffnungen 47 versehen.

Die Wirkungsweise dieser beschriebenen Einrichtung ist nun kurz folgende: Das frische Kühlmittel tritt ii. den Raum 34 zwischen der unterer, Platte 32 und dem Reaktorkesselboden 33 ein. strömt durch die Öffnung 49 in das innere Einsatzrohr 45. steigt in demselben hoch

ι» und tritt durch jene öffnung 46. die dem Fenster 56 des Spaltstoffeiementfußes gegenübersteht, nach der Seite aus, strömt zu einem kleinen Teil durch die Bohrungen 58 durch dieses Spaltstoffelement nach oben, zum größten Teil aber im Zwischenraum zwischen den

is Einsatzrohren 45 und 41 a nach unten und tritt durch die seitliche Öffnung 47 des letzteren in den betreffenden Kühlmittelzuführungskanal 3 aus. Aus diesem Kanal 3 steigt es in den normalen Gitterplattenrohren 41 nach oben und durch die auf den Gitterplatteneinsätzen 42

4ii aufsitzenden, ungedrosselten Brenn- oder Brutstcffelemente. Diese sind mit 21 bezeichnet. Ihr Fuß besitzt anstelle des vielfach durchbrochenen Rohres 54 ein glaiss Zylinderrohr 55. das in seinem Inneren mit einer fest eingestellten Drossel 59 versehen sein kann.

Letztere kann, wenn erforderlich, außerhalb des Reaktorkernes in ilvem Durchlaßwert verändert werden

Das Wesentliche an dieser Konstruktion ist. daß durch Verdrehen eines einzigen Spaltstoffelementes in seinem Sitz innerhalb der Kerntragplatte der Strömungsdurchfluß durch eine ganze Gruppe von Spalt Stoffelementen eingestellt werden kann. Bei der im vorliegenden Fall gewählten Sechseckgeometrie der Spaltstoifelemente muß zu diesem Zweck das betreffende SpMtstoffelement aus dem Reaktorkern nach oben herausgezogen werden, dann um 60° verdreht und in dieser Stellung winder nach unten abgesetzt werden. Dies ist notwendig, da ja die Spa'tstoffelemente praktisch ohne Zwischenraum nebeneinander im Reak-

M) torkern eingesetzt sind. Selbstverständlich könnte auch eine quadratische Geometrie der Spaltstoffelemente vorgesehen sein, diese würde aber nur vier Verstellmöglichkeiten für die Drosseleinrichtung zulassen. Für den Fall, daß es möglich ist, Spaltstoffe'emente mit

hi Zylindergeometrie zu verwenden, wäre eine Verdrehung der Spaltstoffelemente an Ort und Stelle möglich, ohne sie aus dem Reaktorkern herauszunehmen. In diesem Falle könnten auch die verschieden großen

Seitenbohrungen 46 im inneren Einsatzrohr 45 durch einen keilförmig gestalteten Schlitz ersetzt werden, so daß dadurch eine völlig slüfenlose Einstellung des Kiihlmitteldurehsatzes bzw. der Drosselwirkung möglich wäre.
Dieses neue Konstruklionsprinzip ist selbstverständlich unabhängig Von Reaktorsystem und Kiihlmittelarl, es ist jedoch besonders vorteilhaft bei Brutreaktoren, insbesondere schnellen Brütern mil Natriumkühlung, bei denen eine Veränderung der Durchströinungsvcrhältnissc von Spallstoffelemenlgruppen während der Betriebsdauer nicht zu umgehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Dosierung des Kühlmitteldurchflusses in Brenn- oder Brutstoffelementen von Kernreaktoren, wobei Gruppen von Spaltstoffelementen gleichen Kuhlmitteldurchsatzes an je einen unterhalb des Reaktorkernes angeordneten, gemeinsam Kühlmittelzuführungskanal angeschlossen sind und wobei dieser Kanal über eine einstellbare Drossel mit der Kühlmitteleintrittsseite des Reaktors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Drossel durch den Fußpunkt (52) wenigstens eines Spaltstoffelementes (22) einer Gruppe gebildet ist und daß diese Drossel durch Verdrehung des Fußpunktes um die Spaltstoffelementachse einstellbar ist.

2. Einrichtung, bei der die Spaltstoffelemente auf einer im Kern angeordneten Tragplatte angeordnet sind, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragplatte mit je zwei konzentrischen, durch Rippen (44) miteinander verbundenen durchgehenden Einsatzrott.en (45 und 43) für die Aufnahme der Fußteile der Spalistoifclernente verschen ist.

3. Einrichtung räch Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das innere Einsatzrohr (45) in der Nähe seines oberen Randes mit abgestuft großen seitlichen Öffnungen (46) versehen ist und mit seiner unteren Öffnung (49) mit der Kühlmitteleintrittsseite des Reaktors in Verbindung steht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzrohre an ihrem unteren Ende abdichtend miteinander verbunden sind und der Zwischenrfim über seitliche Öffnungen (47) mit dem Kühlmittelzuführungskanal (3) der Spaltstoffstabgruppe in Verbindung steht.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des äußeren Einsatzrohres gleichzeitig ein Versteifungselement einer doppelwandigen, die Kühlmittelzuführungskanäle begrenzenden Kerntragplatte (4,4') bildet.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Spaltstoffelementfuß über die seitlichen Öffnungen (46) des inneren Einsatzrohres (45) greift und in gleicher Höhe derselben mit einer Seitenöffnung (56) versehen ist, die der größten Öffnung (46) des Einsatzrohres entspricht.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichne», daß der rohrförmige Spaltstoffelementfuß oberhalb des Eingriffes des inneren Einsatzrohres mit einer starren dichten Querwand fä7) und oberhalb dieser Wand mit seitlichen Öffnungen (58) versehen ist, die die Verbindung des die Spaltstoffstäbe enthaltenden Spaltsloffelementinnenraumes mit dem Raum zwischen den Einsatzrohren besorgen.