DE2221016A1

DE2221016A1 - Kernreaktor

Info

Publication number: DE2221016A1
Application number: DE19722221016
Authority: DE
Inventors: Paul Thome
Original assignee: Babcock Atlantique SA
Current assignee: Babcock Atlantique SA
Priority date: 1971-04-29
Filing date: 1972-04-28
Publication date: 1972-11-23
Also published as: FR2134250A1; US3823066A; FR2134250B1

Description

Patentanwalt Dipl.-Ing. Franz Klingseisen

PA. Pipl.-Ing. Kling»el«en ■ 8 München 8O ■ Luclle-Grahn-StraBe 38 g MÜNCHEN 80

Lucile-Grahn-Straße 38 Telefon:HEKIUU 47 20 Telegramm: Kllpat München

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B 1327 Kl/hs

BABCOCK-ATLANTIQUE S.A., 48, Rue La Boetie Paris/Frankreich

Kernreaktor

Die Erfindung betrifft Kernreaktoren oder nukleare Anlagen, die im Innern eines Reaktorgehäuses einen tragenden Mantel von zylindrischer Form mit senkrechter Achse aufweisen, der prismatische, in senkrechter Richtung langgestreckte Brennstoffelemente umgibt, die dicht aneinanderliegen. Die Anordnung dieser Brennstoffelemente wird durch eine senkrechte äußere Oberfläche mit gebrochenen Flächen oder zinnenförmiger Umrißgestalt^ begrenzt, die von einer Umkleidung entsprechender Form umhüllt ist. ■

Hinsichtlich Itontage und Herstellung sind die Vorrichtungen, die zum Positionieren, Halten und Führen der Brennstoffelemente dienen, sowie die Steuerstäbe sehr wesentliche und

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genau zu bearbeitende Bauteile hoher Präzision. Es ist deshalb aus zahlreichen Gründen bezüglich Temperatur, Neutronenfluß, Widerstand der Materialien, Halterung bei Vibrationen und dergleichen unerläßlich, eine exakte Anordnung der Elemente in dem vorgesehenen Raum und im Laufe der Zeit bei sehr strengen Bedingungen bezüglich Toleranzen der Herstellung und der Hontage zu garantieren.

Die Brennstoffelemente werden im Reaktorkern an ihren Enden mittels Teilen gehalten, die auf zwei sehr steifen Traggittern angeordnet sind. Diese demontierbaren und austauschbaren Brennstoffelemente, die Seite an Seite dicht gedrängt angeordnet sind, v/erden durch die seitliche Umkleidung zusammengehalten, welche die Wasserströmung über den eigentlichen Reaktorkern leitet. Die Ausführung dieser Umkleidung erfordert einen Genauigkeitsgrad vergleichbar dem im Reaktorkern.

In bekannten Reaktoren ist diese Umkleidung an dem tragenden Mantel mittels einer Reihe von Trennwänden starr befestigt, die mit Bolzen auf diesem Mantel befestigt sind und an denen wiederum auf ihrem Umfang mittels Bolzen die Platten befestigt sind, welche die seitliche Umkleidung bilden. Die Gitter für die Positionierung der Enden der Brennstoffelemente sind selbst mit diesem tragenden Mantel (am oberen und unteren Abschnitt) und mit der seitlichen Umkleidung (am oberen Abschnitt) verbunden, so dai3 dieser tragende Mantel als Bezugsbasis für den Montageaufbau dient. Außerdem führt die Anwesenheit dieser Trennwände dazu, daß die Teile bei der Bearbeitung wie auch bei fortschreitender Montage durch Verbolzen der seitlichen Platten, der Trennwände und des Mantels mehrfach anders angeordnet werden müssen. Dieser Mantel, der als Bezugs- oder Markierungselement dient, muß selbst hinsichtlich seiner Abmessungen ein Teil hoher Präzision sein, was nur durch eine kostspielige Bearbeitung möglich ist.

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Ferner sind die Bearbeitung, die Arbeitsvorgänge des Einstellens und der endgültigen Montage extrem langwierig und mühsam. Die Anbringung tausender von Befestigungsbolzen ist schließlich aufgrund der Gefahr der schlechten Halterung eines Bolzens und des Auftretens von Vibrationen wenig zufriedenstellend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ablauf und die Dauer der Arbeitsvorgänge der Herstellung und der Montage der Umkleidung eines Reaktorkerns zu verkürzen und zu erleichtern, das Verhalten im Betrieb und die Lebensdauer durch Verzicht auf Bolzen für den Zusammenbau zu verbessern und die Anpassung an mechanische und geometrische Erfordernisse zu erleichtern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung eine Umkleidung eines Reaktorkerns vorgesehen, die aus einem selbsttragenden, vom tragenden Mantel unabhängigen Aufbau gebildet ist, der aus einem oben und unten offenen Senkkasten besteht und durch senkrechte Platten ausgebildet ist, die aneinander nach einem Profil entsprechend der Außenfläche des Reaktorkerns verschweißt sind.

Vorteilhafterweise ist dieser Kasten auf seiner Außenfläche durch horizontale Trennwände versteift, deren äußerer Randverlauf der Innenfläche des tragenden Mantels entspricht_u Zweckmäßigerweise ist eine solche Trennwand längs des Au^enrandes mit einer flexiblen Einrichtung versehen, welche dicht oder nahezu dicht an der Innenfläche des tragenden Mantels anliegt.

Nach einer Weiterbildung werden diese Trennwände durch Knotenbleche oder Konsolen befestigt, die mit der Umkleidung verbunden sind, wobei eine solche Konsole einen zylindrischen Ansatz oder Zapfen aufweist, der in einer entsprechenden Bohrung in der Umkleidung eingesetzt ist, und die Verbindung der

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Konsole mit der Umkleidung durch elektronische Verschweißung längs der kreisförmigen Linie der Kontaktfläche zwischen der Bohrung und dem Zapfen hergestellt ist.

Vorteilhafterwd.se ist die Trennwand mit einer sie tragenden Konsole in entsprechender Weise durch elektronische Schweißung zwischen einer Bohrungsfläche und einem zylindrischen Zapfen verbunden.

Eine senkrecht angeordnete Platte der Umkleidung ist zweckmäßigerweise auf der Schmalseite anliegend an einer Hauptfläche der angrenzenden Platte angeordnet, wobei die Verbindung zwischen den Platten durch elektronische Verschweißung in der Kontaktebene erfolgt.

Die Umkleidung kann in ihrer Stellung relativ zum Mantel dadurch befestigt werden, daß man eine der horizontalen Trennwände, beispielsweise die obere Trennwand, mit dem Mantel
verschweißt. Zur Befestigung am Unterteil ist es zweckmäßig, die Umkleidung mit gabelförmigen Elementen zu versehen,
welche die Träger des unteren Traggitters des Reaktors beidseitig übergreifen, wobei die Umkleidung unten durch geeignete Einrichtungen in ihrer Stellung festgeklemmt wird.

Solche Einrichtungen können vorteilhafterv/eise Schraub anordnungen sein, die mit dem Traggitter verbunden sind und
auf die Umkleidung horizontal gerichtete Kräfte ausüben
können, damit eine Einstellung der Anordnung sowie eine Verspannung gewährleistet ist.

Beispielsweise Ausführungsformen nach der Erfindung werden
nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen

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Fig. 1 in einem Vertikalschnitt den Aufbau des Reaktorkerns im Innern des Gehäuses zeigt.

E'ig. 2 ist ein Horizontalschnitt längs der Linie II - II in Fig. 1. ■

Fig. 3 zeigt teilweise in einer Draufsicht ein Element einer horizontalen Trennwand, die einen Teil der Umkleidung des Reaktorkerns bildet.

Fig. 4 stellt in einem senkrechten Schnitt die Art und Weise der Befestigung einer solchen Trennwand an der Umkleidung dar.

Fig. 5 ist eine Draufsicht längs des Pfeiles V in Fig. 4.

Fig. 6 zeigt in einem senkrechten Schnitt die obere Trennwand der Umkleidung.

Fig. 7 und 8 zeigen andere Ausführungsformen von Befestigungselementen für die Trennwände an der Umkleidung.

Fig. 9 ist eine Draufsicht längs des Pfeiles IX in Fig.

Fig. 10 zeigt in einer auseinandergezogenen perspektivischen Darstellung die über dem unteren Traggitter des Reaktors angeordnete Umkleidung.

B¹Ig. 11 stellt einen horizontalen Teilschnitt durch die Umkleidung dar.

Fig. 12 zeigt eine der senkrecht angeordneten Platten, aus denen die Umkleidung zusammengesetzt ist.

Fig. 13 und 14 erläutern verschiedene Stadien der Herstellung der Umkleidung.

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Nach Fig. 1 weist der Reaktor ein Gehäuse 1 auf, das aus einer zylindrischen Umhüllung mit senkrechter Achse und einem halbkugelförmigen Unter- und Oberteil zusammengesetzt ist. Am oberen Abschnitt des Gehäuses 1 ist auf der Innenseite eine vorstehende Ringschulter 2 ausgebildet, auf der eine Verteilermanschette 3 aufgehängt ist, die nach unten durch einen angeschweißten Mantel 4 verlängert ist.

Im Innern des Mantels ist ein Bündel nicht dargestellter, in senkrechter Richtung langgestreckter Brennstoffelemente angeordnet, die auf einem Traggitter 5 aufliegen. Die Brennstoffelemente haben eine quadratische oder rechteckige Form _f und eine Umkleidung 6, welche das Bündel der Brennstoffelemente umgibt, indem sie die Form eng umschließt, weist dementsprechend im Querschnitt (Fig. 2) ein Profil mit einer zinnenförmigen Kontur auf. Diese Umkleidung, dio aus senkrecht angeordneten Platten zusammengesetzt ist, die längs der Ränder miteinander verbunden sind, ist auf der Außenfläche mit horizontalen Trennwänden 7 versehen, deren Außenränder der Innenfläche des Mantels entsprechen und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kreisform haben.

Das Gehäuse 1 ist im oberen Abschnitt mit Rohrstutzen 8 und 9 für den Ein- und Austritt des zirkulierenden Kühlfluids versehen. Die Austrittsrohre 9 sind durch die Viand der Verteilermanschette 3 geführt und mit dieser dicht verbunden. Das durch die Rohre 8 eintretende Kühlmittel zirkuliert in an sich bekannter Weise im Reaktor längs der durch Pfeile angegebenen Bahn, wobei es zunächst in dem Ringraum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Mantel 4 nach unten strömt und danach durch den Reaktorkern bis zur Verteilcrnianschette 3 wieder aufsteigt, worauf es aus dieser durch dio Rohre 9 austritt.

Ein Teil des Kühlmittels steigt längs dos Raumes zwischen dem Mantel 4 und der Umkleidung 6 nach oben, indem es durch dio

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Trennwände 7 (manchmal als Leitflächen bezeichnet) strömt, die in diesem Zwischenraum quer zur Strömungsbahn des Kühlmittels angeordnet sind. Diese Trennwände haben mehrere Funktionen. Neben der Versteifung der Umkleidung auf deren Außenseite dienen sie zum Abbremsen des Kühlrnittelstroms zwischen der Umkleidung und dem Mantel und sie sind zu diesem Zweck mit durchgehenden Bohrungen 10 versehen, die in geeigneter Weise dimensioniert sind. Die Platten 11, welche die eigentliche Umkleidung bilden, weisen gleichfalls Bohrungen 12 auf, die den Druckausgleich des Fluids beiderseits der Umkleidung gewährleisten (Fig. 12).

Wie bereits ausgeführt, besteht die bekannte Art und Weise des Aufbaus der Umkleidung darin, daß die Trennwände mit dem Hantel durch Bolzen verbunden werden, worauf die Platten in der gleichen Weise an den Trennwänden befestigt werden, was zu den oben angegebenen schwerwiegenden Nachteilen führt. Die in den Figuren dargestellte Umkleidung wird mit den endgültigen Abmessungen und der erforderlichen Genauigkeit unabhängig vom Hantel hergestellt.

Iiach der erfindungs gemäß en Herstellungsweise werden zunächst die senkrechten Platten 11 dieser Umkleidung durch elektronische Verschweißung längs der Ränder zusammengesetzt. Die Fig. und 14 zeigen 2 Phasen dieser Herstellungsart. Iiach Fig. liegt eine Platte 11a mit ihrer Schmalseite auf einer Hauptflache der angrenzenden Platte 11b an, die rechtwinklig zur Platte 11a angeordnet ist.

Eine bekannte Vorrichtung 13 mit Vakuumkammer und Elektronenkanone 14 wird so angesetzt, daß sie in Längsrichtung auf dem Aufbau aus den beiden Platten abrollt und mit einem Elektronenstrahlbündel die Kontaktfläche zwischen diesen beiden Platten bestreicht, so daß diese ohne Verwerfung miteinander verschweißt werden,wobei die bei dieser Art der

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Verschweißung sich ergebende Schwindung relativ schwach und in den für die Umkleidung vorgeschriebenen Toleranzgrenzen hinsichtlich des Ausmaßes vorhersehbar ist. Bei dem in Fig. dargestellten nächsten Arbeitsschritt wird in entsprechender Weise längs der Kontaktfläche zwischen einer Schmalseite der-Platte 11b und einer Hauptflache der angrenzenden Platte 11c verschweißt.

Vor diesem Schweißvorgang wird die Platte 11c angesetzt, wobei der Schenkel 16 einer rechtwinkeligen Lehre 15 durch eine provisorische Einrichtung an der Platte 11a und danach die Platte 11c am Ende des Schenkels 17 dieser Lehre vorläufig befestigt wird. Die Genauigkeit der Lehre 13 gewährleistet eine entsprechende Genauigkeit zwischen den beiden Platten 11a und 11c relativ zueinander.

Um die Anbringung oder Befestigung zu ermöglichen, ist auf der Fläche zwischen den Platten 11b und 11c ein sehr geringes Spiel vorgesehen, damit man eine ausreichende elektronische Verschweißung erhält. Um den Einfluß der Schwindung beim Verschweißen am Aufbau der Umkleidung auf ein Minimum zurückzuführen, werden die nachfolgend zu verschweißenden Flächen so angeordnet, daß die einen in einem rechten Winkel zu den anderen liegen.

Jede horizontale Trennwand 7 ist aus mehreren Elementen zusammengesetzt, wobei nach dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel vier Sektorabschnitt 7a, die sich über einen Kreisbogen von etwas weniger als 90 erstrecken, und vier Sektorabschnitt 7b abwechselnd mit den Sektorabscl'initten 7a angeordnet sind. !Jährend die Sektorabschnitte 7b einen geradlinig verlaufenden Innenrand und einen kreisbogenförmigen äußeren Rrnd aufweisen, sind die Sektorabschnitte 7a mit einem kreisbogenförmigen Außenrand innen entsprechend dem gezackten Umrißverlnuf in Anpassung an die Form der Umkleidung ausgeschnitten.

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Jedes Element einer Trennwand, liegt auf Konsolen 18 auf (Fig. 4), die an der Umkleidung befestigt sind. Die Konsolen 18, welche den Sektorabschnitt 7a tragen, sind in Fig. 3 durch ihre mit strichpunktierten Linien wieder-gegebenen Achsen angedeutete

Eine Konsole 18 (Fig. 4) hat eine gekrümmte Form, wobei die beiden Schenkel 19 und 20 jeweils in einem horizontalen Zapfen 21 bzw. einem vertikalen Zapfen 22 endigen. Der zylindrische horizontale Zapfen 21 ist in einer entsprechenden durchgehenden Bohrung 12· (Fig. 12) eingesetzt, die in der Umklexdungy ist, wobei die Konsole 18 an der Umkleidung durch kreisförmigen Beschüß mit.einem Elektronenstrahlbündel auf der Kontaktfläche verbunden ist. Der Zapfen 22 ist mit der Trennwand 7 in entsprechender Weise durch elektronische Schweißung verbunden, die um den vertikalen Zapfen 22 ausgebildet ist.

Die öektorabschnit'te 7a (Fig. 3) weisen zwei Arten von Bohrungen auf, von denen die Bohrungen 10 für die Zirkulation des Kühlj litteis und die Bohrungen 10' zur Aufnahme der Zapfen 22 dienen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen in einer Seitenansicht andere Ausführungsformen einer Konsole, die dem gleichen Zweck dienen wie die Konsolen 18. Die in Fig. 8 und in der Draufsicht in Fig. 9 dargestellte AusfUhrungsform ist für jene Fälle vorgesehen, in denen die Konsolen eine besonders hohe Festigkeit aufweisen sollen. Die Konsole 18''ist zu diesem Zweck mit einer dünnen senkrechten Versteifungsrippe 23 versehen.

Außer der oberen Trennwand 7' (Fig. 1) sind alle anderen horizontalen Trennwände 7 längs ihres kreisförmigen Außenrarides mit einer Reihe flexibler Streifen 24 versehen, die sich in Kreisbogenform erntrocken und einander überlappend angeordnet sind. Wie Fig. 4 zeigt, sind diese Streifen 24

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so flexibel, daß sie elastisch an der Innenfläche des Mantels

4 anliegen, wobei zwischen dieser Innenfläche und dem Außenrand der Trennwand 7 eine relativ starke Verbindung oder Abdichtung vorgesehen sein kann.

Die Umkleidung 6 ist am Unterteil auf der Außenfläche mit gabelförmigen Elementen 25» 25' versehen, die senkrechte Schenkel aufweisen und zugeordnete Träger des unteren Gitters

5 beidseitig übergreifen, das für die Umkleidung als Träger dient.

Bestimmte Träger dieses Gitters aincl auf einer ihrer Seitenflächen mit Klötzen 26 (Fig. 10 und 11) versehen, die über den oberen Rand der Träger vorstehen und außerhalb d?r Umkleidung angeordnet sind. Sie weisen Schraubenbolzen 27 auf, so daß man auf die Umkleidung eine einstellbare Druckkraft ausüben oder diese auch hinsichtlich ihrer Stellung einstellen kann.

Hit der beschriebenen Ausgestaltung kann somit in einfacher Heise an einem beliebigen Arbeitsplatz und insbesondere außerhalb des Hanteis eines Reaktors eine Umkleidung mit den endgültigen Abmessungen innerhalb der sehr engen Toleranzgrenzen hergestellt werden, wobei die Verbindung zwischen den vertikalen Platten nur eine lineare Schwindung von bekanntem Ausmaß ohne Verwerfung hervorruft und das Anbringen der horizontalen Trennwände an den vertikalen Platten durch elektronisch "in der Hasse verschweißte "nieten" erfolgt, was lediglich vernachlässigbare Verformungen ergibt.

Die flexiblen Einrichtungen 24 ermetlichen ein beträchtliches Spiel zwischen den Abmessungen außerhalb der gesamten Umkleidung und den Innenabmessungen des I-Iantels, wodurch dar-Anordnen des Mantels durch eine senkrechte Verschiebebewegung erleichtert wird, obgleich zwischen diesen beiden Elementen eine zweckmäßige Abdichtung vorhanden ist, die nicht

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absolut ist und einzig zur Verhinderung einer kurzgeschlossenen Strömung des Kühlmittels im Reaktorkern dient.

Die Anordnung der Umkleidung auf den unteren Traggitter erfolgt durch Einstellung der Position mittels der Schraubanordnungen 26 _f 27 und durch Verschweißen der oberen Trennwand 7' (Fig. 6) mit dem Mantel 4. Die Verschweißung wird zweckmäßigerweise durch kreisförmigen Beschüß mit einem Elektronenstrahrbündel längs der Kontaktfläche zwischen dem Hantel und der Außenfläche der Trennwand 7¹ vorgenommen.

Die Verteilermanschette 3 kann nach der endgültigen Anordnung der Umkleidung 6 angebracht werden, wodurch die Montage des Reaktors erleichtert wird.

Durcli den erfindungsgemäßen Aufbau einer Umkleidung ist keinerlei Verbindung mittels Bolzen erforderlich und für die Herstellung des liantels bedarf es lediglich eines Genauigkeitsgrades, der beträchtlich unter dem liegt, der für die bekannten Ausführungsformen notwendig ist.

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Claims

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Patentansprüche

f'\ .^Kernreaktor mit einer UnI:]. ei clung Γι ir die Brennstoffelemente, welche aus senkrechten Hetallplotten zusammengesetzt ist, die längs der Ränder zu einem Profil mit geschlossener Kontur in einer gebrochenen Linie oder mit zimienförmigern Umrißverlauf miteinander verbunden sind, und mit horizontalen, auf dem Umfang angeordneten Trennwänden, die mit den Außenflächen der Platten verbunden sind und einen äußeren Rand aufweinen, welcher der Innenfläche eines Mantels des Reaktors entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkleidung (6) als selbsttragender Aufbau in Form eines senkrechten, an den beiden Enden oben und unten offenen Kastens ausgebildet ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung längs der Ränder zwischen den Platten (11) der Umkleidung (6) durch Schweißen ausgebildet ist, gegebenenfalls durch Anlegen einer Platte (11a) längs ihrer Schmalseite an der Ilauptfläche einer angrenzenden Platte (11b) und durch geradliniges überstreichen der auf diese l/eise ausgebildeten Kontaktfläche mit einem Elektronenstrahlbündel.

'■j. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (7) und die senkrechten Platten (11) durch Schweißen miteinander verbunden sind.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkleidung als Ilalteelemonte für die Trennwände (7) Konsolen (18) aufweist, die mit den Platten (11) und gegebenenfalls mit den Trennwänden verschweißt sind.

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5. Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen einer Konsole (18) und einer Fläche, Platte (11) oder Trennwand (7), durch Einsetzen eines an >der Konsole ausgebildeten zylindrischen Zapfens (21, 22) in eine in der zugeordneten Fläche vorgesehene Bohrung (1O¹, 12') und durch kreisförmiges Bestreichen der auf diese Heise ausgebildeten Kontaktfläche mit einem Elektronenstrahlbündel ausgebildet ist.

6. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Umkleidung (6) angebrachten Trennwände (7) längs' ihres Außenrandes mit einer flexiblen Einrichtung (24) versehen sind, die durch Anlage an der Innenfläche des Reaktormantels (4) eine dichte Verbindung bildet und der zwischen dem Mantel und den Trennwänden zirkulierenden Flüssigkeit

. einen Widerstand entgegensetzt.

7.Kernreaktor nach einem der vorhergehenden A_nsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Umkleidung (6) bildende Kasten am unteren Rand mit senkrecht angeordneten, gabelförmigen Elementen (25) versehen ist, welche die Träger eines Traggitters (5) des Reaktors beidseitig übergreifen.

c3. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Traggitter

(5) mit Elementen (26, 27) zum Ausüben einer einstellbaren Druckkraft auf die Außenfläche der Umkleidung

(6) versehen int.

9. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dodui'ch gekennzeichnet, daß die obere Trennwand (7') der Umkleidung (6) durch Schweißen mit dem Mantel (4) verbunden ist.

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10. Verfahren zum Hontieren der Umkleidung eines Kernreaktors nach einem dor Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkleidung (6) außerhalb des für deren Aufnahme vorgesehenen Mantels (4) zusammengesetzt und nach der Herstellung durch eine senkrechte Verschiebebewegung in diesen eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

die Stellung der Umkleidung (6) abschließend eingestellt wird, indem auf deren Außenfläche eine einstellbare Druckkraft ausgeübt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einsetzen der Umkleidung (6) im Hantel (4) eine Verteilermanschette (3) auf diesem angebracht wird.

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