DE2040904A1

DE2040904A1 - Spaltgasabfuehrungssystem fuer einen Kernreaktor

Info

Publication number: DE2040904A1
Application number: DE19702040904
Authority: DE
Inventors: Peter Rau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-08-18
Filing date: 1970-08-18
Publication date: 1972-02-24
Also published as: FR2102329A1

Description

SIElSiIENS AETIEFGESSLLSCHAj¹T Erlangen, '· ^1Ml 1370

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str. 50

Unser Zeichen: VPA 70/3174 Mü/Rt

Spaltgasabführungssystem für einen Kernreaktor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Spaltgasabführungssystem für einen Kernreaktor, dessen parallel zueinander angeordnete und in einer Tragplatte gehalterte Brennelemente von einem Kühlmittel durchströmt sind und aus einer Vielzahl von in einer Brennstabhalteplatte befestigten Brennstäben bestehen. Während der Betriebszeit eines Kernreaktors entstehen durch die Kernspaltung sogenannte Spaltgase, die sich innerhalb der Umhüllung des Kernbrennstoffes, also innerhalb der Brennstäbe, ansammeln und einen sich kontinuierlich steigernden Gasdruck aufbauen. Es. ist ■ daher schon vorgeschlagen worden, die Spaltgase verzögert aus den Brennstäben in das Kühlmittel zu entlassen (siehe die deutsche Auslegeschrift 1 260 038) oder die Brennstäbe bzw. Brennelemente starr mit einem Spaltgasabführungssystem zu verbinden und dadurch die Ansammlung von Spaltgasen innerhalb der einzelnen Brennstäbe oder Brennelemente zu verhindern.

Es ist jedoch offensichtlich, daß ein derartiges starres Spaltgasabführungssystem für die notwendigen Brennelementwechselvorgänge und die Befestigung der Brennelemente im Reaktorkern mit großen Schwierigkeiten verbunden ist. Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Spaltgasabführungssystem zu finden, das einen verhältnismäßig einfachen Aufbau der Brennelemente ermöglicht, wobei der Auswechselvorgang der Brennelemente selbst nioht behindert werden darf und eine bewegliche Halterung der Brennelemente im Verband des Reaktorkern durchführbar ist. Weiterhin sollen während des Reaktorbetriebes selbst keine fern al "bedienenden Arbetten an einem solchen Spaltgasabführungssystem notwendig sein. Dieses Ziel wird durch eine besondere Gestaltung innerhalb der -* Brennelemente einerseits und der Halterung der Brennelemente in der !Dragplatte andererseits erreicht. Erfindungsgemäß sind die Endkappen der Brennstäbe zu Gewindezapfen verlängert und mit

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Hilfe einer Mutter in je einer Bohrung der Brennstabhalteplatte befestigt. Die Gewindezapfen sind weiterhin mit einer bis zum Innenraum der Brennstäbe führenden axialen Bohrung versehen und mit ihrem äußeren Ende an ein über der Stabhalteplatte angeordnetes Gasführungsgitter angeschlossen, welches wiederum über ein Filter und eine durch Kolbenringe abgedichtete und damit gelenkige Halterung der Brennelemente in der Tragplatte mit darin angebrachten, zu einer Gasabsauge-, Reinigungs- und Sammeleinrichtung führenden Kanälen in Verbindung steht.

fc Ein derartiges Spaltgasabführungssystem ist geeignet z.B, für gasgekühlte Kernreaktoren und insbesondere auch für schnelle Brutreaktoren. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind auch gegeben für wassergekühlte Kernreaktoren, wobei lediglich dafür Sorge getragen werden muß, daß durch eine als Druckminderventil wirkende Drosselstelle der Gasdruck innerhalb des Brennelementes etwas höher als außerhalb ist und damit ein Eindringen des Kühlmittels in das Innere des Brennelementes mit Sicherheit verhindert wird.

Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung sei auf ein in den Figuren 1 bis 3 näher dargestelltes mögliches Ausführungsbeispiel verwiesen, das einen gasgekühlten Kernreaktor mit unterhalb des Reaktorkerns angeordneter lademaschine zeigt. Die Pig. 1 ™ stellt in schematischer Weise den Querschnitt durch ein derartiges Reaktorsystem dar. Die Fig. 2 zeigt das Spaltgasabführungssystem innerhalb des Brennelementes und der Brennelementtragplatte und Fig. 3 die Verbindung zwischen einem Brennstab und dem Gasführungsgitter oberhalb der Brennelementestabhalterplatte.

Hach Fig. 1 hängt der Reaktorkern 1 bzw. die Gesamtheit der Brennelemente an der Tragplatte 2, die in einem Reaktorgefäß 3 beispielsweise aua vorgespanntem Stahlbeton gelagert ist. Das Kühlmittel strömt mit Hilfe eines Gebläses 4 von oben nach unten durch den Reaktorkern 1, tritt in der unteren Hälfte des Reaktorbehältera 3 wieder aus und gelangt über einen Wärmetauscher 5 zurück zum Gebläse 4. Die 3ekundärseite des Wärmetauschers 5 ist in an eich bekannter Weise an einen Sekundärkreislauf angeschlossen.

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Unterhalb des Reaktorkerns 1 befinden sich schematisch angedeutet die Brennelementlademaschine 6, oberhalb des Reaktorkerns die Regelstabantriebe 7. Das Grasabführungssystem ist durch eine gestrichelte Linie 24 angedeutet, die zu einer außerhalb des Reaktorbehälters 3 angeordneten Gasabsauge-, Reinigungs- und Sammeleinrichtung 25 führt.

Die Pig. 2 zeigt zunächst die Befestigung eines Brennelementes in der Tragplatte 2. Das hier dargestellte Brennelement hat einen sechseckigen Querschnitt, der nach oben in einen runden Querschnitt für den Einsatz in der Tragplatte 2 übergeht. Dadurch wird eine sehr dichte Packung der Brennelemente im Reaktorkern erreicht, wie sie z.B. für einen' gasgekühlten schnellen Brutreaktor notwendig ist. Die Befestigung des Brennelementes .10 in der Tragplatte 2 . wird in diesem Beispiel durch einen drehbaren Ring 23 erreicht, der mit Vorsprüngen 25 in entsprechende bajonettartig gestaltete Ausnehmungen des oberen Brennelementrandes 18 eingreift. Selbstverständlich kann auch eine beliebig andere Befestigungsart gewählt werden. Das Brennelement selbst besteht aus einem Mantel 11, der gleichzeitig mit Hilfe der Stabhalteplatte 13 als Traggerüst für die Brennstäbe 12 fungiert. Er dient außerdem zur Führung des Reaktorkühlmittels, das das beiderseits offene Brennelement von oben nach unten durchströmt. Die Einzelheit der Aufhängung der Brennstäbe in der Stabhalteplatte 13 ist in Pig. 3 dargestellt. Λ Daraus ist ersichtlich, daß die Brennstabendkappen eine dehnschraubenähnliche Verlängerung 121 aufweisen, die in der Bohrung 131 der Stabhalteplatte 13 mit Hilfe einer Mutter 122 befestigt ist. Für den Durchtritt des Kühlmittels ist die Stabhalteplatte mit weiteren Bohrungen 132 versehen. Im Inneren der Dehnschraube befindet sich eine axiale Bohrung 124, die mit dem Gasabführungsgitter 14 verbunden ist. Die Verbindung 123 kann z.B. in an sich bekannter Weise durch Löten oder Schweißen hergestellt werden. Dieses Gasabführungsgitter 14, das aus einem gitterartigen Röhrensystem oder auch einer mit Strömungsdurchführungen für das Kühlmittel versehenen Kammer bestehen kann, steht nun seinerseits mit einem Filter 15 oberhalb des Brennstabpaketes in Verbindung, das wiederum über die Leitung 16 mit den Gasabführungs-

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kanälen 24 innerhalb der Brennelementtragplatte 2 in Verbindung steht. Das Filter besteht z.B. aus einer mit Aktivkohle gefüllten Kammer und hat die Aufgabe, den Austritt der Spaltgase zu verzögern - die Verzögerung kann etwa eine Woche betragen - und damit das Abklingen der Radioaktivität eines Teiles dieser Spaltgase zu erreichen.

Neben der bereits erwähnten Befestigung der Brennelemente 10 in der Tragplatte 2 ist eine Abdichtung derselben durch Kolbenringe 17 vorgesehen. Das Gegenstück dieser Dichtringe bildet eine in die Bohrung der Tragplatte 2 eingesetzte geschliffene Büchse 22. Die erwähnte Gasabführungsleitung 16 mündet zwischen den beiden Dichtungsringen 17 an der Oberfläche des Brennelementkopfes und trifft dort auf eine Ringnut 21, die ihrerseits wieder in Verbindung mit den Gasabführungskanälen 24 steht. Diese Verbindung der Gasabführungsleitung wird alos beim Einsetzen der Brennelemente mit Hilfe der Lademaschine automatisch hergestellt, es bedarf dazu keines besonderen Arbeitsganges. Wie in Fig. 1 dargestellt, führt das Spaltgasabführungssystem zu einer Gasabsauge-, ReiiiigungB- und Sammeleinrichtung 25 außerhalb des Reaktorbehälters, wo eine Abscheidung der radioaktiven Spaltgase vorgenommen wird. Sie werden in an sich bekannter Weise entweder dosiert ins Freie entlassen oder bis zum weiteren Abklingen der Radioaktivität in Behältern gesammelt.

Aus der Beschreibung dieses Anwendungsbeispiels ist ersichtlich, daß die Hüllrohre der Brennelemente 12 nur einem sehr geringen Differenzdruck ausgesetzt sind, da über die Gasabsaugeeinrichtung 25 der Innendruck in den Brennstäben dem Kühlmitteldruck außerhalb desselben ohne Schwierigkeit nachgeführt werden kann bzw. sich im angegebenen Beispiel über die Leckage sogar selbst einstellt. Ein Defekt am Hüllrohr führt daher nur in sehr geringem Maß zum Austritt radioaktiver Spaltprodukte in das Kühlmittel. Die hier verwendeten Brennelemente benötigen im Vergleich zu an- -♦ deren aus dem Stand der Technik bekannten Brennelementen keinen eigenen Gassammeiraum, sie können daher wesentlich kürzer gehalten werden, was eine erheblich geringere Bauhöhe von Reaktorkern

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sowie Reaktorbeliälter ermöglicht. Eine solche wirkt sich nicht nur auf die Kosten aus, sie erleichtert auch rein technisch gesehen die Handhabung der Brennelemente durch die Lademaschine. Ferner befinden sich nur geringe Mengen von Spaltgasen im Kern (Sicherheit). Infolge der geringeren Bauhöhe wird der Druckverlust im Kühlmittel kleiner, was die Pumpenleistung um 4 bis 6 $> verringert und die Kerntragstruktur um 6 bis 10 % entlastet.

Durch die Abdichtung der Brennelemente in der Tragplatte mit Hilfe der Kolbenringe 17 ergibt sich eine leicht gelenkige Lagerung. Leichte Verschiebungen sind also möglich, ohne die Dichtung zu beeinflussen. Die sich durch die Erwärmung der Brennstäbe und Brennelemente während des Betriebes ausbildenden Spannungen werden nur zu einem geringen Teil auf die Tragplatte 2 übertra- . gen und können sich vielmehr innerhalb des eigentlichen Beaktorkerns, also der Gesamtheit der nebeneinander angeordneten Bauelemente, ausgleichen. Durch die Trennung von Befestigungsmechanismus und Spaltgasabführung ergibt sich weiterhin ein vereinfachter konstruktiver Aufbau im Brennelement selbst. Wie eingangs bereits darauf hingewiesen, eignet sich dieses Spaltgasabführungssystem auch für Eeaktoren mit anderen Kühlmitteln, wie z.B. für wassergekühlte Kernreaktoren. In diesen Anwendungsfällen muß lediglich dafür Sorge getragen werden, daß eine Berührung zwischen Kernbrennstoff und Kühlmittel nicht stattfinden kann. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, daß der Innendruck etwas höher gehalten wird als der Kühlmitteldruck, was z.B. durch eine als Druckminderventil wirkende Drosselstelle in der Leitung 16 bewerkstelligt werden könnte. Abschließend sei darauf hingewiesen, daß selbstverständlich der äußere Mantel 11 der Brennelemente 10 nicht erfindungswesentlich ist, vielmehr können auch mit Hilfe eines Stützgerüstes aufgebaute, sogenannte kastenlose Brennelemente nach diesem Prinzip eingesetzt werden. .

7 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Spaltgasabführungssystem für einen Kernreaktor, dessen parallel zueinander angeordnete und in einer Tragplatte gehalterte Brennelemente von einem Kühlmittel durchströmt sind und aus einer Vielzahl von in einem Brennstabhaltegitter befestigten Brennstäben bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappen der Brennstäbe zu Gewindezapfen verlängert und mit Hilfe einer Mutter in je einer Bohrung der Brennstabhalteplatte befestigt sind, daß die Gewindezapfen mit einer bis zum Innenraum der Brennstäbe führenden axialen Bohrung versehen und mit ihrem äußeren Ende an ein über der Stabhalteplatte angeordnetes Gasführungsgitter angeschlossen sind und daß dieses Gitter über ein Filter und eine durch Kolbenringe abgedichtete und damit gelenkige Halterung der Brennelemente in der Tragplatte mit darin angebrachten, zu einer Gasabsauge-, Reinigungs- und Sammeleinrichtung führenden, Kanälen in Verbindung steht.
2. Spaltgasabführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindezapfen nach Art einer Dehnschraube ausgebildet sind.
3. Spaltgasabführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindezapfen durch Löten oder Schweißen mit dem aus Röhrchen bzw. einer mit Durchtrittsöffnungen für das Kühlmittel versehenen Kammer bestehenden Gasführungsgitter verbunden sind.
4. Spaltgasabführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter aus Aktivkohle besteht.
5. Spaltgasabführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Abdichtung zwei Kolbenringe vorgesehen sind, in deren Zwischenraum eine vom Filter kommende Gaszuführungsleitung gegenüber einer Ringnut in der Tragplattenbohrung mündet, die mit den Kanälen zur Gasabführung in Verbindung steht.

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6. Anwendung des Spaltgasabführungssystems nach Anspruch 1, für gasgekühlte Kernreaktoren insbesondere gasgekühlte schnelle Brutreaktoren.
7. Anwendung des Spaltgasabführungssystems nach Anspruch 1 für gasgekühlte Kernreaktoren, wobei vor dem Gasaustritt aus den Brennelementen eine Druckminderventil wirkende Drosselstelle vorgesehen ist.

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