DE2136403C - Schüttung kugelförmiger Stoffe in einem Reaktionsgefaß - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schüttung kugelförmiger Stoffe in einem Reaktionsgefäß, insbesondere den Kern von Kugelhaufen-Reaktoren bildender Brennelemente, wobei Absorberstäbe ohne Führung in Rohren direkt in die Schüttung ein- und ausfahrbar -ind, wobei ein Kühlstrom von der Schüttung Nutzwärme abführt und wobei die Schüttung betriebsmäßig eine Umwälzung erfährt.

Bei Schüttungen der eingangs genannten Art ist es häufig erwünscht, während des Reaktionsablaufs diesen beeinflussende bzw. steuernde Elemente in die Schüttung einzutauchen bzw. deren Eintauchtiefe zu \ariieren. Mit dieser Operation sind verschiedene Schwierigkeiten verbunden, die nachstehend am Beispiel eines Kugelhaufenreaktors erläutert werden.

Das Core eines Kugelhaufen-Reaktors besteht aus einer Schüttung von kugelförmigen Brennelementen, die durch verschiedenste Einflüsse, z. B. Umwälzen des Kugelhaufens, Ein- bzw. Ausfahren von Absor berstäben, Wännebewegungen innerhalb des Kugelhaufens sowie Turbulenzen des Kühlgascs, in eine gegenseitige Lage gebracht w rden, die zu einer so starken Verdichtung des Kugelhaufens führt, daß die für die Reaktion notwendige Steuerung und Handhabe des Kugelhaufens unzulässig erschwert bzw. unmöglich gemacht wird. Bei der sich durch die genannten Einflüsse einstellenden dichtesten Packung ist jede Kugel gegen ihre zwölf Nachbarkugeln abgestützt, so daß sie nach keiner Seite frei ausweichen kann. Die dichteste Packung ist somit auch die festeste und wegen der nachfolgend aufgeführten Nachteile unerwünscht.

Von Bedeutung für den Reaktionsablauf ist unter anderem die Durchflußgeschwindigkeit der Kugeln, die im Interesse eines steuerbaren und Uberschaubaren Reaktionsverlaufs zudem für sämtliche Kugeln einen vorherbestimmbaren Wert besitzen sollte. Die dichteste Packung einer Schüttung hat auf diesen Parameter jedoch insofern einen negativen Einfluß, als dadurch das Verhältnis der Durchflußgeschwindigkeit der Kugeln in der Randzone zu der der Kugeln in der Zentralzone häufig stark verändert wird, insbesondere wenn nur ein zentrales Kugelabzugsrohr vorhanden ist Man hat zwar bereits versucht, diese nachteilige Beeinflussung des Kugelfließverhaltens dadurch zu reduzieren, daß an der Oberfläche des Seitenreflektors durch Einfräsungen spezielle Störstellen zur Verhinderung der Ausbildung einer dichtest gepackten Randkugelschicht vorgesehen wurden. Mit diesen Störstellen, die den Füllfaktor verringern, beeinflußt man jedoch naturgemäß nur die Randzone der Kugelschüttung. Insbesondere kann diese Maßnahme dem Nachteil nicht begegnen, daß beim Einfahren von Absorberstäben in den Kugelhaufen zwischen den Stabspitzen und den Kugeln Kräfte auftreten, -.ie im Falle der festesten Packung, insbesondere bei tieferem Eintauchen, ein unzulässig hohes Maß annehmen und zur Zerstörung sowohl der Kugeln als auch der Absorberstäbe selbst führen können. Es verbietet sich au; kon struktiven und verfahrensbedingten Gesichtspunkten, durch entsprechende Einbauten auch im Inneren des Cores eine Ausbildung der dichtesten und damit feste sten Packung zu verhindern und somit die nachteiligen Kräfte zwischen Stabspitzen und Kugeln zu reduzieren. Diesbezüglich besteht bisher lediglich die Möglichkeit, die Kontrollstäbe nicht direkt in die Schul tung einzutauchen, sondern sie in in die Schüttun« hineinragenden, unbeweglichen Führungsrohren unterzubringen, womit sowohl ein erheblicher konstruk liver Aufwand als auch eine unerwünschte Strömung des Kugelumlaufs verbunden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Maßnahmen zum Erzielen einer losen Schüttung kugelförmig gestalteter Jtoffe in einem Reaktionsgefäß, insbesondere kugelförmiger, den Kern von Kugelhaufen-Reaktoren bildender Brennelemente, vorzuschlagen, mit denen erreicht wird, daß sich ohne Anwendung zusätzlicher Einbauten auch bei ungünstigsten, die Packungsdichte der Schüttung beeinflussenden Umständen die dichteste Packung nicht einstellt.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, das sich ansonsten zwangläufig einstellende Ordnungsprinzip der dichtesten Packung, bei dem jede Kugel zwölf Nachbarkugeln anliegt, durch eine gezielte Zusammensetzung der Packung selbst zu stören, so daß die beim Eintauchen der Stäbe auftretenden iiachteiligen Kräfte zwischen Stabspitzen und Kugel erheblich reduziert werden.

Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise die Schüttung aus mindestens zwei Gruppen von Kugeln mit voneinander verschiedenen, untereinander jedoch gleichen Durchmessern besteht, daß in ebenfalls an sich bekannter Weise sämtliche Kugeln der Schüttung in ihr gleichmäßig vermischt vorliegen und daß die Kugeldurchmesser so gewählt sind, daß durch das betriebsmäßige Umwälzen der Schüttung unter dem Einfluß des Kühlstromes keine störende Entmischung der Kugeln eintritt.

Mit diesen Maßnahmen wird in wirkungsvoller Weise die festeste Packung verhindert, ohne daß es dazu zusätzlicher Auflockerung, beispielsweise durch entsprechende Einbauten, bedarf. Dabei genügt es bereits, wenn jede Schüttung nur zwei unterschiedliche, diskrete Kugeldurchmesser aufweist. Bereits diese Zusammensetzung des Kugelhaufens garantiert nämlich,

daß die Abstützung jeder Kugel gegen zwölf Nachbar- kung auf keinen Fall erreicht werden darf, was entwekugeln nicht mehr gegeben ist. Vielmehr entstehen der über verschiedene spezifische Gewichte oder undurch die beigefügten Kugeln mit geringerem Durch- terschiedliche Durchmesser erzielt wird, und zwar im messer zusätzliche Hohlräume, die in ihrer Gesamt- Zusammenhang mit der Tatsache, daß dort weder ein heit ein leichteres Ausweichen der Kugeln beim Ein- 5 Kreislauf der Kugelschüttung noch das direkte Eindringen von Absorberstäben in den Kugelhaufen er- tauchen von Absorberstäben vorgesehen ist.
möglichen. Dieser Stand der Technik konnte daher insbeson-

In der österreichischen Patentschrift 234 234 ist dere im Hinblick auf die völlig anders gelagerten Aufzwar die Möglichkeit der Verwendung verschieden gabenstellungen sowie die unterschiedlichen Reaktorgroßer Formkörper angesprochen, jedoch geschieht io gattungen keine Anregung zur Lösung des Packungsdies dort ausschließlich unter dem Aspekt der Ver- problems durch eine gezielte Zusammensetzung der meidung des durch den Kühlgasstrom hervorgerufe- Kugelschüttung geben.

nen Abhebens der Formkörper. Das bei Kugelhaufen- Im Rahmen der Erfindung sollte bei der Wahl der

Reaktoren durch die eingangs angegebcncu Ver- Kugeldurchmesser darauf geachtet werden, daß einer-

hältnisse hervorgerufene Problem der dichtesten Pak- 15 seits der mit der Erfindung erzielte Effekt des Verhin-

kung ist an keiner Stelle angesprochen. derns einer nachteilig dichten Kugelpackung voli aus-

Weiterhin ist in der schweizerischen Patentschrift genutzt wird, daß aber andererseits unter Berücksich-

"<56 544 ein gisgekühlter Kernreaktor beschrieben, tigung des betriebsbedingten Umwälzens des Kugel-

mit dem eine Vergleichmäßigung der Leistung durch haufens keine störende Entmischung auftritt. Diese

eine Mindestgröße der Formkörper erreicht werden ao Voraussetzungen sind beispielsweise bei einer Schüt-

soll. Auch dieser bekannte Vorschlag beschäftigt sich tung gegeben, in der Kugeln von 58 und 61 mm

in keiner Weise mit dem Verhindern der dichtesten Durchmesser vorhanden sind.

Kugelpackung. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt,

Der USA.-Patentsch'ift 2 812 303 ist ein Vor- daß die mechanischen Beanspruchungen, denen die schlag zu entnehmen, bei dem die Kontrollstäbe nicht 35 Kugeln durch die in den Kugelhaufen eindringenden in die Schü'.tung direkt eintauchen, sondern in in die Stabspitzen unterliegen, einer Häufigkeitsverteilung Schüttung unbeweglich hineinragenden Rohren gela- für die puftreienden Kräfte entsprechen, die besongert sirhJ. Dadurch werden zwar die nachteiligen ders bei größeren Eindringtiefen und bei praktisch Kräfte zwischen Stabspitze und Schüttung vermieden, zentralem Stoß Kräfte aufweist, die nur sehr knapp jedoch ist mit diesem Vorschlag der bereits erwähnte 30 unter der Zerdrückfestigkeit der Brennelementkugeln konstruktive Aufwand verbunder wobei an ein Um- liegen. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme wird walzen des Brennstoffs nicht gedacht ist. Hinsichtlich eine Beeinflussung der Häufigkeitsverteilung für die der Gestaftung der einzelnen Formkörper ist dort Ie- Kräfte zwischen Stabspitzen und Kugeln derart erdiglich ausgeführt, daß diese zwar ungefähr die reicht, daß die Extrembelastungen, die zum Zerdrükgleiche Größe und Form besitzen sollen, jedoch ist zur 35 ken der Kuge'n führen können, vermieden werden. Lösung der diesem Vorschlag zugrunde liegenden Son.it ist die Erfindung überall dort anwendbar, wo Aufgabe jegliche Form und Größe anwendbar. Ein ein Kugelhaufen bestimmte, kontrollierte Fließeigenbewußtes Einstellen vim Durchmesserdifferenzen ist schäften aufweisen soll und/oder dem Eindringen ais Maßnahme zum Erzielen des mit der Erfindung eines abmessungsmäßig anders gestalteten Gegenstanangestrebten Effektes diesem bekannten Vorschlag 40 des ausgesetzt ist.
nicht zu entnehmen. Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersicht-

Schließlich ist zwar auch in der USA.-Patentschrift Hch ist, ist die Erfindung nicht nur im Rahmen des

3 039 945 auf unterschiedliche Kugelabmessungen bevorzugten Ausführungsbeispiels anwendbar, sondern

hingewiesen, jedoch soll mit dieser Maßnahme dort eignet sich in vorteilhafter Weise auch für sämtliche

ein geradezu entgegengesetztes Ziel erreicht werden, 45 Reaktionsgefäße, die eine Schüttung kugelförmiger,

nämlich ein gezieltes Entmischen in verschiedenen betriebsmäßig eine Umwälzung erfahrender Stoffe

Zonen, wobei eine Vergleichmäßigung der Kugelpak- enthalten.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schüttung kugelförmiger Stoffe in einem Reaktionsgefäß, insbesondere den Kern von Kugelhaufen-Reaktoren bildender Brennelemente, wobei Absorberstäbe ohne Führung in Rohren direkt in die Schüttung ein- und ausfahrbar sind, wobei ein Kühlstrom von der Schüttung Nutzwänne abführt und wobei die Schüttung be- ίο triebsmäßig eine Umwälzung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Schüttung aus mindestens zwei Gruppen von Kugeln mit voneinander verschiedenen, untereinander jedoch gleichen Durchmessern besteht,-daß in ebenfalls an sich bekannter Weise sämtliche Kugeln der Schüttung in ihr gleichmäßig vermischt vorliegen und daß die Kugeldurchmesser so gewählt sind, daß durch das betriebsmäßige Umwälzen der Schüttung unter d.im Einfluß des ao Kühlstromes keine störende Entmischung der Kugeln eintritt.

2. Schüttung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kugeln mit nur zwei unterschiedlichen Durchmessern, vorzugsweise 58 und as 61 mm, vorhanden sind.