DE2137012A1

DE2137012A1 - Atomkernreaktor

Info

Publication number: DE2137012A1
Application number: DE19712137012
Authority: DE
Inventors: Edmond Le Vesinet Ventre (Frankreich)
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1970-08-05
Filing date: 1971-07-23
Publication date: 1972-03-09
Also published as: US3847733A; BE777711A; DE2137012C3; FR2134074A1; FR2134074B1; GB1309176A; DE2137012B2

Description

Dr. in;., ί . ..· .: ^ I 2-Jr.
■8 MdncSien 22, Steinsdorfstr. » 410-17-323P 23-7.1971

fiLECTRICITi; DE FRANCE (Service National), Paris (Frankreich)

Atomkernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomkernreaktor in integrierter Bauweise mit mehreren auf einer Tragbühne im Kreis angeordneten Heaktorkemen.

Wenn bei einem Atomkernreaktor der Reaktorkern in ein ein Kühlmittel enthaltendes Gefäß eintaucht und insbesondere dann, wenn, wie dies bei bestimmten schnellen Atomkernreaktoren der Fall ist, dieses Kühlmittel ein flüssiges Metall ist, über dem eine Inertgasatmosphäre steht, so unterliegen die verschiedenen Teile des Gefäßes sehr unterschiedlichen Temperaturen, und der Temperatur-

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gradient an bestimmten Stellen des Gefäßes wie beispielsweise an der Grenze zwischen dem Gefäß und seinem Dach kann gefährlich groß werden.

Die Ausführung derartiger Atomkernreaktoren in integrierter Bauweise, bei der die Wärmetauscher in der Nachbarschaft des Reaktorkernes im Reaktorgefäß selbst untergebracht sind, ermöglicht eine Vergleichmäßigung der Temperatur für die Wände des Reaktor,<jefäßes, wobei der einzige heiße Punkt der Zwischenraum zwischen dem P Reaktorkern und den Wärmetauschern bleibt. Bei Atomkernreaktoren in integrierter Bauweise ergeben sich jedoch Schwierigkeiten bei der Beschickung mit Kernbrennstoffelementen. Für diese Beschickung ist nämlich zunächst eine vollständige Stillsetzung des Atomkernreaktors und sodann «ine Abkühlung des Reaktorkerns erforderlich, bevor eine Handhabung der Kernbrennstoffelemente erfolgen kann. Damit bleibt aber der Atomkernreaktor insgesamt während einer kürzeren oder längeren Zeitdauer ohne Nutzungsmöglichkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Atomkernreaktor der eingangs erwähnten Art in der Weise auszubilden» daß die obigen Nachteile behoben werden und nicht nur eine verbesserte HaItbarkeit für das Reaktorgefäß durch Anordnung der Wärmetauscher in der Nachbarschaft des Reaktorkerns, sondern auch eine Verringerung der für die Beschickung mit Kernbrennstof !'elementen erforderlichen Stillstandszeit für den Atomkernreaktor auf einen sehr kurzen Zeitraum erreicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß oberhalb eines der Reaktorkerne eine Beschickungseinrichtung für die Beschickung mit Kernbrennstoffelementen und oberhalb aller anderen Reaktorkerne je ein Wärmetauscher angeordnet ist und daß mit der Tragbühne' eine Zentralsäule fest verbunden ist, die durch das Reaktor- ;<efäß nach außen geführt und dort mi i; einer Steuereinrichtung ge-

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koppelt ist, die sie eine Rotationsbewegung um ihre eigene Achse ausfuhren läßt, während der sie die Seaktorkerne nacheinander in normale Betriebsstellungen unterhalb eines Wärmetauschers und in eine Beschickungsstellung unterhalb der Beschickungseinrichtung bringt.,

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Atomkernreaktor sind die Kernbrennstoffelemente in vertikalen Brennstoffkanälen im Reaktorkern enthalten, das Kühlmittel fließt durch diese Brennstoffkanäle unmittelbar zu den Wärmetauschern, und der einzige heiue Punkt des Atomkernreaktors bleibt der Raum zwischen den Reaktorkernen und den Wärmetauschern, ein Raum, der sich sehr klein halten lä£t. .

Auf der anderen Seite bedarf es für die Beschickung des erfindunjsfremäß ausgebildeten Atomkernreaktors mit Kernbrennstoffelementen lediglich der Stillsetzung während der Zeit, die für die Drehung der Reaktorkerne von einer Stellung in die nächste erforderlich ist. Die Beschickung des jeweils unterhalb der Beschickungseinrichtung stehenden Reaktorkernes selbst kann dann anschließend vorgenommen werden, während die anderen Reaktorkerne, die unterhalb der Wärmetauscher stehen, in Betrieb bleiben. Die Stillsetzung des Atomkernreaktors als Ganzes ist daher auf einen sehr kurzen Zeitraum begrenzt, und der Atomkernreaktor kann mit maximalem Wirkungsgrad eingesetzt werden.

Gemäß einer Y/eiterbildung der Erfindung sind die Reaktorkerne unddie Wärmetauscher in einem eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Behälter angeordnet und sind innerhalb der Zentralsäule Pumpen zum Umpumpen der Kühlflüssigkeit und an der Verbindungsstelle von Zentralsäule und Tragbühne Steuerventile zum Steuern des Durchsatzes an Kühlflüssigkeit in Richtung auf jeden Reaktorkern montiert.

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Auf diese Weise läßt sich die Speisung der einzelnen Reaktorkerne mit Kühlflüssigkeit in unterschiedlicher Weise je nach dem steuern, ob der betreffende Reaktorkern in Betrieb ist und unterhalb eines Wärmetauschers steht oder ob er sich in der Beschickungsstellung unterhalb der Beschickungseinrichtung· befindet.

Außerdem ist weder zwischen den Pumpen und den Reaktorkerrien noch zwischen den Pumpen und den Wärmetauschern ein verschiebliches fc oder drehbares Verbindungsglied erforderlich, was die Herstellung des gesamten Atomkernreaktors erheblich vereinfacht.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher beschrieben, das in der Zeichnung veranschaulicht -ist und alle Vorteile der Erfindung erkennbar werden läßt. Dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Atomkernreaktor in integrierter Bauweise mit Kühlung durch eine Kühlflüssigkeit,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch den Atomkernreaktor " von Fig. 1 entlang der Schnittlinie I-I in Fig·. 1 und

Fig. 3 eine Detailansicht an der Stelle A in Fig. 1ο

Der in der Zeichnung dargestellte Atomkernreaktor ist ein Atomkernreaktor, der durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die einen Behälter füllt, in dem sich der Reaktorkern und der primäre Kühlkreislauf befindet, der Atomkernreaktor kann beispielsweise ein schneller Reaktor mit einem Behälter für flüssiges Metall sein, in dem der Reaktorkern untergebrächt ist, jedoch läßt sich die Erfindung selbstverständlich auch auf Atomkernreaktoren anderer Bautype anwenden«

Der dargestellte Atomkernreaktor enhält im Inneren eines biologi-

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sehen Schutzgefäßes 1 einen dichten Behälter 2, der eine Kühlflüssigkeit enthalt und seinerseits an einem oberen Deckel 4 für den dichten Abschluß de3 Jchutzbehälters 1 aufgehängt ist. Der Behälter 2 wird in axialer Richtung durch eine 2entralsäule 6 durchquert, die am Boden des Behälters 2 in einem Zentrierzapfen 8 zentriert ist und fest mit einer ringförmigen Tragbühne 10 verbunden ist, auf der in gleichmäßigen Abständen mehrere^' Reaktorkerne 12 angeordnet sind. In der Zeichnung sind (Pig= 2) sechs solcher Reaktorkerne 12 dargestellt, jedoch stellt dies selbstverständlich keine Beschränkung für die bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Atomkernreaktor vorzusehenden Reaktorkerne dar. Die Reaktorkerne 12 enthalten vertikale Kanäle 13» in denen Kernbrennstoffelemente untergebracht sind und die von der aus dem Behälter 2 kommenden Kühlflüssigkeit von unten nach oben durchströmt werden. Jeder Reaktorkern 12 ist nach der Seite hin durch einen Neutronenschild 14 abgedeckt, der mit dem größeren Teil seines Umfanges auf der Tragbühne 10 ruht.

An ihrem den Zentrierzapfen 8 (Fig. 1) gegenüberliegenyEnde tritt die Zentralsäule 6 duröh den oberen Deckel 4 hindurch und ruht außerhalb des Schutzgefäßes 1 auf Platten 16, die ihrerseits eine ringförmige Gleitfläche bilden und auf einem Kranz 17 ruhen, der wiederum von vertikalen Hubzylindern 18 getragen wird. Die Zentralsäule 6 selbst ist außerdem mit einem äußeren Zahnkranz 20 fest verbunden, über deft sie durch einen Antriebsmotor 21"in Rotation um ihre eigene Achse versetzt werden kann. Diese Rotationsbewegung kann eine vollständige Drehung sein und eine völlige Verschiebung der Tragbühne 10 bewirken, sie ist jedoch vorzugsweise auf eine alternative Schwenkbewegung in der einen und der anderen Richtung also um jeweils 180 beschränkt. Die Abdichtung des Durchgangs der Zentralsäule 6 wird zum einen durch zu den Platten 16 und dem Kranz koaxiale Flüssigkeitsdichtungen 22 und zum anderen durch einen Balgen 24 bewirkt, der den die Hubzylinder 18 tragenden oberen Deckel 4 und den Kranz 17 miteinander verbindet.

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Rund um die Zentralsäule 6 weist der obere Deckel 4 außerdem eine Reihe von. Öffnungen auf, die in ihrer Anzahl den Reaktorkernen 12 entsprechen und jeweils durch einen Stopfen 28 «ή« 29 ver>schlossen sind«

Der eine Stopfen 29 trägt eine Beschickungseinrichtung $0 für die Beschickung eines der iieaktorkerne 12 mit Kernbrennstoi'felementen, der in der Zeichnung gesondert mit der Besurszahl 12a bezeichnet ist und gerade unter dem Stopfen 29 steht, während die ™ anderen Stopfen 28 jeweils einen Y/ärmetauscher 32 tragen, die damit über den anderen Reaktorkernen 12 hängen. An den normalen Betriebsstellungen, also jeweils bei den Wärmetauschern J2 trägt der Behälter 2 auf einer Ringkonsole 52 jeweils einen iieutronenschild für ixe Vervollständigung des peripheren I\^Teutronenschildes 14·

In jedem Wärmetauscher -j2 ist rund um Führungsrohre 36 für Steuerstäbe, die del) jeweiligen Reaktorkern 12 durch einen abnehmbaren Verschlußstopfen 37 in einer Öffnung des Stopfens 28 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten äußeren Steuereinrichtung verbinden, ein Bündel von vertikalen Rohren 34 für den Umlauf eines primären Kühlmittels angeordnet. Zuführungsleitungen 38 für ein sekundäres Kühlmittel durchqueren die Stopfen 28 und münden im oberen Teil der Wärmetauscher 32, während Austrictsleitungen /[O für dieses sekundäre Kühlmittel parallel zu den bohren 34 die wände der Wärmetauscher 32 entlanglaufen und ebenfalls durch die Stopfen hindurchgehen. In der Zeichnung ist der Übersichtlichkeit der Darstellung halber jeweils nur eine solche Leitung 38 b,;w. 40 dargestellt. Das sekundäre Kühlmittel durchströmt die 7/ärmetauscher 32 auf diese Weise von oben nach unten, während die Strömungsrichtung des primären Kühlmittels von unten nach oben verläuft, also vom Reaktorkern 12 zum oberen Teil des Behälters 2. Die ,/armetauscher sind beispielsweise über Zugstangen 42 an den >->topfen 28 auf gehängtem· werden unten und oben durch an der Seitenwand des Behälters 2 fest

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angebrachte Ringe 44 zentriert. Die Ausrichtung der Führungsrohre 36 für die oteuerstäbe im Reaktorkern 12 und im Wärmetauscher 32 sowie der Steuerorgane für die Bewegung dieser Steuerstäbe ist damit gewährleistet .

Außen sind die Wärmetauscher 32 mit einem Neutronenschild 35 umkleidet, der an ihrem unteren Teil von Verbindungskanälen 45 zwischen den Rohren 34 für das primäre Kühlmittel und den Brennstoff kanälen 13 in den Keaktorkernen 12 (Fig. 3) durchquert wird. Die Verbinaungskanale 45 münden in V-förmig erweiterten Ausnehmungen 46» in die Kontageköpfe 48 eindringen können, die in den Brennstoffkanälen 13 d Reftktorkerne 12 sitzen. Die aus den Reaktorkernen 12 kommende Kühlflüssigkeit wird auf diese Weise zu den Erweiterungen 46 und αβι> Verbindun.^skanälen 45 weitergeleitet. Die Abdichtung zwischen den Reaktorkernen 12 und den Wärmetauschern 32 erfolgt ohne die Einschaltung besonderer Organe oder Befestigungssysteme.

Für manche Fälle ist es jedoch vorzuziehen und sicherer, die Abdichtung durch einfaches Überstülpen eines fest mit dem Wärmetauscher 32 verbundenen Außenringes über den jeweiligen Reaktorkern 12 zu bewirken. Die Erweiterungen 46 und die Vorsprünge an den Montageköpfen 48 sind dann nicht mehr notwendig. Die Ausrichtung der Führungsrohre 36 für die Steuerstäbe im Reaktorkern 12 und im Wärmetauscher 32 bleibt dennoch gewährleistet.

Die Trennung bzw. die Annäherung von Reaktorkernen 12 und Wärmetauschern 32 kann daher in einfacher Weise durch eine vertikale Verschiebung eines dieser Bauteile relativ zum anderen bewirkt werden. Die vertikale Verschiebung der Reaktorkerne 12 relativ zu den Wärmetauschern 32 wird mit Hilfe der Hubzylinder 18 bewirkt, die die Stellung der Zentralsäule 6 und damit der Tragbühne 10 relativ zum oberen Deckel 4 bestimmen. Kommen nach absenkung der Hubzylinder 18 die Reaktorkerne 12 von den Wärmetauschern 32 frei, so ermöglicht

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eine Verschwenkung der Zentralsäule 6 unter Steuerung über den Zahnkranz 20 eine Verdrehung der Reaktorkerne 12 um die Achse der Zentralsäule 6..Dabei kann jeweils ein Reaktorkern 12 aus einer seinem normalen Betrieb entsprechenden Stellung unter einem Wärmetauscher 32 in die -Beschickungsstellung unter der Beschickungseinrichtung 30 gelangen und damit die Position des Reaktorkerns 12a annehmen. Dabei nimmt immer nur einer der Reaktorkerne 12 diese Stellung ein, während alle übrigen ihre Betriebsstellung beibehalten, so daß der Atomkernreaktor als Ganzes während der Beschickung^- des Reaktorkernes 12a in Betrieb bleiben kann und dieser Reaktorkern 12a dann nach seiner Beschickung gegebenenfalls in Reserve verbleibt,.

Im Inneren der Zentralsäule 6 sind außerdem Pumpen 56 für die Steuerung des Umlaufes der Kühlflüssigkeit angeordnet. Diese Pumpen 56 ruhen auf einer Tragwand 58, die die Zentralsäule 6 in zwei Abteile 59 und 61 unterteilt. Dabei münden die Einlasse der Pumpen in das obere Abteil 59» das eine perforierte Seitenwand 6ü aufweist,' über die Verbindung zu dem Behälter 2 für die Kühlflüssigkeit und damit zu den Ausgängen der wärmetauscher 32 besteht. Die Auslässe der Pumpen 56 münden in das untere Abteil 61 , das gegen den -behälter 2 für die Kühlflüssigkeit isoliert ist, jedoch mit dem Inneren der Tragbühne 10, d.h. mit inneren Kammern 62 darin in Verbindung steht, in denen sich die 3ingänge für die Brennstöffkanäle I3 der Reaktorkerne 12 befinden. Die Verbindung zwischen dem unteren Abteil 61 der Zentralsäule 6 und den einzelnen Kammern 62 in der Tragbühne 10 wird jeweils durch ein Ventil 63 gesteuert. Die Ventile 6$, die vorzugsweise nach Art eines Fallbeiles gebaut sind, gestatten eine Beeinflussung des Durchsatzes an Kühlflüssigkeit für die einzelnen Reaktorkerne 12 und insbesondere eine Veränderung des Durchsatzes an Kühlmittel je nach der Lage der Reaktorkerne 12 unterhalb eines Wärmetauschers 32 in Betriebsstellung oder unterhalb der Beschickungseinrichtung 30 in der Beschickungsstellung.

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Die Abdichtung zwischen dem Teil des Behälters 2, der das Kühlmittel unter dem erhöhten Druck am Auslaß der Pumpen 56 enthält, und dem Teil davon, der das gleiche Kühlmittel unter dem geringen Druck am Ausgang der Reakborkerne 12 enthält, wird durch die Tragwand 58 in der Zentralsäule 6 sichergestellt. Die Temperaturen im Kühlmittel in den beiden Abteilen liegen nahe beieinander, so daß thermische Dilatationen der Tragwand 58 und der Pumpen 56 relativ zueinander nicht zu befürchten sind. Weder zwischen den Ausgängen der 'Wärmetauscher 32 und den Einlassen der Pumpen 56 noch zwischen deren Auslässen und den Eingängen zu den verschiedenen Reaktorkernen 12 sind irgendwelche drehende oder gleitende Verbindungen oder besondere Abdichtungssysteme verwendet. Die einzigen Stellen, wo eine besondere Abdichtung erforderlich ist, sind die Verbindungen zwischen den Reaktorkernen 12 und den Wärmetauschern 32, und diese Abdichtung wird durch das Eindringen der Montageköpfe 48 in den Reaktorkernen 12 in die Ausnehmungen 46 im Neutronenschild 35 ausreichend gewährleistet. Diese Abdichtung braucht im übrigen nicht vollständig zu sein, da die Ladeverluste für die Wärmetauscher 32 nur gering sind.

Durch die Erfindung entsteht also ein Atomkernreaktor mit sehr hoher Betriebssicherheit, bei dem die Temperatur über den ganzen dicht abgeschlossenen Behälter/auf im wesentlichen gleichen Werten verbleibt und die für die Beschickung erforderliche Stillstandszeit auf einen minimal kurzen Zeitabschnitt beschränkt wird.

Der einzige erforderliche Stillstand des Reaktors ist nämlich der, der zur Abkühlung der Keaktorkerne vor ihrer Verdrehung und für diese Verdrehung selbst bestimmt ist.

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Claims

Patentansprüche

( 1. /ktomkernreaktor in integrierter Bauweise mit mehreren auf einer Tragbühne im Kreis angeordneten Reaktorkernen, dadurch gekennz eichne t , daß oberhalb eines (i2a) der Reaktorkerne (12, 12a) eine Beschickungseinrichtung (30) für die Beschickung mit Kernbrennstoffelementen und oberhalb aller anderen Reaktorkerne (12) je ein Wärmetauscher (32) angeordnet ist und daß mit der Tragbühne (1O) eine Zentralsäule (6) fest verbunden ist, die durch das Reaktorgefäß (i) nach außen geführt und dort mit einer Steuereinrichtung (21) gekoppelt ist, die sie eine Rotationsbewegung um ihre eigene Achse ausführen läßt, während der sie die iieaktorkerne nacheinander in normale Betriebsstellungen unterhalb eines 7/ärmetauschers und in eine Beschickungsstellung unterhalb der Beschickungseinrichtung bringt.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralsäule (6) im Reaktorgefäß (1) mittels Hubzylindern (18) mit vertikaler Wirkungsrichtung gelagert ist, über die sich die Reaktorkerne (12, 12a) vor Beginn der Rotationsbewegung der Tragbühne (TO) von den Wärmetauschern (32) entfernen und am Ende dieser Rotationsbewegung wieder in dichte Verbindung· mit den Wärmetauschern bringen lassen.

3· Atomkernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die dichte Verbindung zwischen den Reaktorkernen (12) einerseits und den Wärmetauschern (32) andererseits in den Reaktorkernen Montageköpfe (48) angeordnet sind, die in Ausnehmungen (46) in einem fest mit dem Boden der Wärmetauscher verbundene^ .Neutronenschirm (35) eintreten können.

4· Atomkernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (32) jeweils fest mit einem Außenring für die Einschachtelung der Reaktorkerne (12) verbunden sind.

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5· Atomicernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet, daß jeder iVärmetauscher (32) vertikale Rohre (34) für den Umlauf eines primären Kühlmittels und einen Sekundärkreis (33, 4ü) aufweist, die rand um die Führungsrohre (3d) für die Steuerstäue der Reaktorkerne (12) angeordnet sind, una in seinem oberen Teil Einlasse far sekundäres Kühlmittel enthält.

b. Atomkernreaktor nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß jeder 'wärmetauscher (?2) periphere Rohre und Leitungen (40) für den Austritt des sekundären Kühlmittels enthält, die parallel zu den Rohren (34) für den Umlauf des primären Kühlmittels verlaufen und im Boden des Wärmetauschers münden.

7· Atomkernrealetor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkerne (12, 12a) und die Wärmetauscher (32) in einem eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Behälter (2) angeordnet sind und daß innerhalb der Zentralsäule (6) Pumpen (56) sum luipunipen der Kühlflüssigkeit und an der Verbindungsstelle von Zentralsäule (6) und Tragbühne (1O) Steuerventile zum Steuern des Durchsatzes an Kühlflüssigkeit in Richtung auf jeden Reaktorkern montiert sind»

8. Atomkernreaktor nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralsäule (6) durch eine Tragwand (5ö) für die Pumpen (56) in zwei Abteile (59 u^⁰· 61 ) unterteile ist, von denen, das eine (6-1 ) nit den Pumpenauslässen und den Reaktorkernen (12, 12a) und das. andere (59) πit den Ausgängen der Wärmetauscher (32) und den Pumpeneir.lässen in \^rerbindung steht.

9· AtoiTikernreaktor nach Anspx'uch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (oO) der Sentralsäule (6) in deren oberen Teil oberhalb der Tragwand (58) für.die Pumpen (56) mit Löchern versehen

ist ο " ■"-.--

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10. Atomkcrnreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9> dadurch ^ekennzeich.net., da£ die Wand des ileaktorrefäLes (i) jeweils an der Steile der Iteaktorkörne (12) nit einen biologischen Schutzschild (14) verseilen ist.

11. Atomkernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ^eiCenr.zeichnet, daß die Wärmetauscher {'}'l), die DteuerstäDe und die Jeschinkun.-seinrichtun^ (30) an abnehmbaren otopfen (28 bzv/» 29) sitzen.

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