DE2221897A1

DE2221897A1 - Kernreaktor

Info

Publication number: DE2221897A1
Application number: DE19722221897
Authority: DE
Inventors: Singleton Norman R
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-05-12
Filing date: 1972-05-04
Publication date: 1972-11-23
Also published as: SE382517B; FR2137558A1; CA958822A; BE783324A; US3868302A; CH552873A; JPS5127831B1; IT959714B; ES401704A1; FR2137558B1

Description

FATH JTAirWA Γ,Τ

ing. B. HOLZEK

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w. 566

Augsburg, den 27. April I972

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh* Allegheny County,

Pennsylvania 15 222, V.St..A., '.-

Kernreaktor

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Reakt arge faß, welches einen Reaktor kern mit einer Tielsahl. von Brennstoffelementen mit rechteckigem Querschnitt enthält, welche- derart nebeneinander angeordnet sind;* daß der Reaktor kern einen int allgemeinen rechte ewigen, &rEindriÄ sm£-

weist, wobei manche Bereiche des Reaktorkerns näher an der Innenwandung des Druckgefäßes liegen als andere Bereiche. Im einzelnen betrifft die Erfindung Mittel zur Verminderung der Strahlenexponierung von Kernreaktorgefäßen, genauer die Abschirmung von Reaktorkernen.

Der Pegel einer auf das Reaktorgefäß auftreffenden Strahlung steigt in dem Maße, in welchem die Masse des Wassers und des Stahles zwischen der Außenseite des Reaktorkernes und der Innenwandung des Reaktorgefäßes abnimmt. Weil Stahl bei gegebener Dicke den Strahlungspegel fast zweimal so stark reduziert als eine gleich dicke Wasserschicht, umgeben die Reaktorbauer häufig den Reaktorkern mit stählernen Wärmeabschirmungen, um die Strahlenexponierung auf das Reaktorgefäß auf einen zulässigen Pegel zu vermindern.

Bei Druckwasserreaktoren ist der Reaktorkern von einem im allgemeinen rechteckig ausgebildeten Prallblech umgeben. Das Prallblech ist mit Formstücken am Kernbehälter befestigt, welche von der rechteckigen Form des Reaktorkernes auf die zylindrische Form des Kernbehälters überleiten. Der Kernbehälter ist im allgemeinen etwas von der Innenwan&urig de« Druckgefäßes entfernt angeordnet, so daß dazwischen ring-

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förmige Strömungswege gebildet werden. Am Kernbehälter ist im allgemeinen ein zylindrischer Wärmeschild befestigt, welcher etwa gleich vielt von der Innenwandung des Druckgefäßes und der Außenfläche des Kernbehälters entfernt ist. Da der Wärmeschild von einer Strömung mit relativ großer Geschwindigkeit umströmt wird und deshalb eine andere Wärmedehnung erfährt als der Kernbehälter, an welchem er befestigt ist, ist seine Ausführung schwierig und er stellte daher früher einen größeren Kostenfaktor dar.

In der Vergangenheit sind zwei Möglichkeiten vorgeschlagen worden, um die Notwendigkeit eines WärmeSchildes auszuschließen. Eine Möglichkeit ist die Vergrößerung der Wandstärke des Kernbehälters derart, daß diese gleich der Wandstärke üblicher Kernbehälter plus der Dicke des Wärme-Schildes ist. Ein Kernbehälter mit einer solchen Wandstärke ist aber sehr teuer. Die andere Möglichkeit besteht darin, zuzulassen, daß das Reaktorgefäß beim Fehlen des Wärmeschildes große Wärmemengen aufnimmt, und dann das Reafctorgefäß zu kühlen, wenn die aufgenommene Wärmemenge einen hochstzulässigen Grenzwert erreicht. Das Kühlen des Reaktorgefäßes ist jedoch sehr teuer und schwierig. Bei manchen Reaktorausführungen mußten auch die äußersten Brennstoffelemente weggelassen werden, um das Fehlen des Wärmeschildes

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auszugleichen. Diese Lösung erfordert jedoch ein großes Reaktorgefäß oder verursacht eine verminderte Ausgangsleistung und ist deshalb ungünstig.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Kernreaktor der eingangs dargelegten allgemeinen Art so zu gestalten, daß um den Reaktorkern herum kein Wärmeschild notwendig und keine Weglassung der äußeren Brennstoffelemente erforderlich ist, um zu verhindern, daß das Reaktorgefäß einer Bestrahlung durch einen großen Fluß thermischer Neutronen ausgesetzt ist.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein Kernreaktor der eingangs dargelegten allgemeinen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Reaktorkern und dem Druckgefäß angeordneten Stütz- und Abschirmvorrichtungen in der Nähe derjenigen Bereiche des Reaktorkernes eine größere Dicke aufweisen, welche näher an der Innenwandung des Druckgefäßes liegen als die anderen Bereiche.

Der Pegel des auf die Innenwandung des Reaktorgefäßes auftreffenden Neutronenflusses ändert sich deutlich entlang dem Umfang des Reaktorgefäßes. Bei Kernanordnungen, welche im allgemeinen rechteckig ausgebildet sind, tritt jeweils in der Nähe der Ecken des Rechteckes der höchste Pegel des

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Neutronenflusses auf_p Wenn gemäß der Erfindung die Wandstärke des metallenen Kernbehälters in den in der Nähe der Ecken des Kernes gelegenen Bereichen vergrößert wird und die hinzugefügten Wandstärken gleich der Dicke des normalerweise' vorhandenen Wärmeschildes gewählt wird, ist die stärkste Strahlung auf das Reaktorgefäß im wesentlichen gleich groß wie diejenige, welche sich bei einem zylindrischen, den Kern völlig umgebenden Wärmeschild ergäbe.

Eine Vergrößerung der Wandstärke des schwächeren Kernhehälters kann durch Anbringen von Stahlplatten erreicht werden. Die Stahlplatten sollen einen Winkel von 20° bis 30° überdecken, und müssen bei üblichen Reaktorkernen auf unter 45° verlaufenden Achsen angeordnet sein, welche in der Draufsicht durch die Ecken des Kernes verlaufen. Die Stahlplatten müssen auf geeignete Weise am Kernbehälter mit Bolzen und Stiften -befestigt sein. Die Stahlplatten können etwas vom Kernbehälter abgesetzt sein, damit zwischen dem Kernbehälter und den Platten Kühlwasser hindurchströmen kann. Jeweils abhängig vom Unterschied der Wärmedehnung zwischen den Stahlplatten und dem Kernbehälter können auch sich überlappende Platten verwendet werden, um die erforderliche Gesamtlänge zu erhalten. Die einzelnen Platten können dann an den Verbindungsstellen Gehrungen aufweisen, um örtliche Neutronenleckflüsse zu verhindern. Diese Platten können sich

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dann relativ zueinander bewegen, so daß die thermischen Belastungen infolge der unterschiedlichen Ausdehnung so weit als möglich herabgesetzt werden. Die Stahlplatten können auch an der Innenseite des Kernbehälters angeordnet sein oder können sogar jeweils Teile des Kernbehälters bilden, wenn dieser beispielsweise gegossen ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Reaktors nach der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilgeschnittene Darstellung

eines Kernreaktors nach der Erfindung,

Fig. 2 einen gemäß der in Fig. 1 einge

zeichneten Schnittlinie II-II verlaufenden Querschnitt,

Fig_o 3 einen Ausschnitt eines Reaktorge

fäßes, wobei in einem über dem Umfang des Reaktorgefäßes aufgetragenen Diagramm zum Vergleich jeweils der Flußpegel bei einem den Kernbe-

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halter völlig umgebenen Wärmeschild; ■und bei einer erfindungsgemäßen Abschirmung: aufgetragen: sind*

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt des

in Pig« 2 dargestellten Reaktorquer schnitt es und

Pig* 5 eine isometrische Darstellung de.s

Eclcbereiches eines Reaktor kernes nach der Erfindung.

Mit Bezug auf die Zeichnungen, besonders auf die Figuren und 2, wird nun ein Kernreaktor mit einer erfindungsgemäßen Abschirmeinrichtung näher erläutert. Das Druckgefäß 10 bildet zusammen mit einem Oberteil 12 einen dichten Druckbehälter. Das Druckgefäß 10 weist in seinen Wandungen Kühlmitteleinlaßeinrichtungen 14 und Kühlmittelauslaßeinrichtungen 16 auf. An der Oberseite des Oberteiles 12 ist durch dessen im wesentlichen halbkugelförmige Wandung eine Vielzahl von Anschlußstücken 13 hindurchgeführt. Diese Anschlußstücke I5 verlaufen parallel zur Achse des Druckgefäßes 10 Und tragen Vorrichtungen 15* welche nicht gezeichnete Regelstäbe betätigen, um den Reaktor in bekannter Art und Weise zu stabilisieren und zu steuern. Ein Kernbehälter 20 ist an einem sich einwärts erstreckenden Vor-

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sprung direkt unter dem Oberteil des Druckgefäßes IO fest aufgehängt. Eine nicht gezeichnete obere Halteplatte, eine obere Kernplatte 26 und eine untere Kernplatte 28 sind jeweils ebenfalls an sich einwärts erstreckenden VorsprUngen befestigt. An der Unterseite ist der Kernbehälter 20 durch eine schwere Bodenwandung mit zahlreichen Öffnungen abgeschlossen. Der Bereich zwischen der oberen Kernplatte 26 und der unteren Kernplatte 28 ist mit einer Vielzahl von Brennstoffelementen J>k ausgefüllt, welche im wesentlichen alle gleich ausgebildet sind. Die parallel angeordneten Brennstoffelemente J>k sind von einer Vielzahl von nicht gezeichneten Spaltstoffstäben mit ebenfalls nicht gezeichneten Pührungsröhren durchsetzt und durch eine in an sich bekannter Weise eierkistenförmige Gitteranordnung in einem bestimmten Verhältnis zueinander gehalten. Ein Prallblech umgibt die Brennstoffelemente j54 und stützt dieselben zu- ;

sätzlich ab. Das Prallblech 36 liegt dicht an der Außen- i

fläche der Brennstoffelementenanordnung an und kann aus mehreren geraden Teilen so hergestellt sein, daß die äußere \ Gestalt des Reaktorkernes im allgemeinen rechteckig ist, \

d.h., daß der Kern von mehreren rechteckigen Platten umgeben sein kann. Das Prallblech 36 kann seitlich durch mehrere Abstandsplatten 38 gestützt und am Kernbehälter 20 befestigt sein.

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Beim Fehlen einer Abschirmung zwischen dem Kernbehälter 20 und dem Druckgefäß 10 würde die das Reaktorgefäß 10 erreichende Plußdosis von der Masse der Moderatorflüssigkeit und des Stahles zwischen der Außenseite des Reaktorkernes und der Innenwandung des Druckgefäßes 10 abhängen. Beim Fehlen einer solchen Abschirmung- kann diese Dosis so groß sein, daß ein periodisches Normalisieren des Druckgefäßes 10 notwendig wird. Ein solches Verfahren ist äußerst kompliziert und teuer. Gemäß der Erfindung ist die Dicke des Konstruktionsund Abschirmmaterials zwischen dem Reaktorkern und der Innenwandung des Druckgefäßes 10 an denjenigen Stellen vergrößert, an welchen Teile des Reaktorkernes am nächsten an die Innenwandung des Druckgefäßes 10 heranreichen. Anstatt einen zylindrischen Wärmeschild zwischen dem Kernbehälter 20 und der Innenwandung des Reaktorgefäßes einzubauen, können folglich auch Stahlplatten an den Stellen, an welchen sonst das Druckgefäß dem größten Neutronenfluß ausgesetzt wäre, entweder am Kernbehälter 20 oder am Druckgefäß 10 befestigt sein. Diese genannten Platten sind mit der Bezugsziffer 40 versehen.

Die in Fig. 3 dargestellten Diagramme 42 und 44 zeigen zum Vergleich zwischen einer bekannten und der erfindungsgemäßen Anordnung die Flußverteilung entlang der Innenfläche

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des Druckgefäßes 10. Das Diagramm 42 stellt die Flußverteilung bei der bekannten Bauart dar und das Diagramm 44 zeigt diejenige Flußve^teilung, die sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung einstellt. Wie man sieht, ist der maximale Fluß in beiden Fällen gleich, obwohl der Flußpegel bei der erfindungsgemäßen Anordnung stellenweise geringfügig größer ist. Mit anderen Worten bezweckt die erfindungsgemäße Anordnung eine Erniedrigung des Flußpegels gegenüber demjenigen Flußpegel, welcher sich beim Fehlen einer Abschirmung einstellt, wobei die Flußwerte an bestimmten Stellen, an denen der thermische Schild den Kern nicht umgibt, nämlich an den von der Innenwandung des Druckgefäßes 10 am weitesten entfernten Stellen, geringfügig größer sein können als bei einer den Kern völlig umgebenden Abschirmung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Wärmeschild 40 gemäß Fig. 5 aus einer Vielzahl von Schildsegmenten 48 mit gegehrten Stoßflächen 50. GemäßFig. 4 sind die Schildsegmente 48 mit Leisten 49 am Kernbehälter 20 derart befestigt, daß Kühlmittel zwischen dem Kernbehälter 20 und den Schildsegmenten 48 hindurchströmen kann und daß die thermischen Materialbeanspruchungen vermindert werden. Die einzelnen Schildsegmente 48 können durch Schrauben oder auf andere geeignete Weise am Kernbehäl-

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ter 20 befestigt sein. Eine bevorzugte Befestigungsart ist in Fig, 4 dargestellt. Zuerst werden die Leisten 49 am Kernbehälter 20 angeschweißt. Die Schildsegmente 48 sind auf der Rückseite mit Einschnitten 54 versehen, um sie auf den Leisten 49 fixieren ζμ können. Dann werden Stifte 56 durch die Schildsegmente 48 und die Leisten 49 hindurch in den Kernbehälter 20 getrieben. Um einen wesentlichen Teil der durch die Wärmedehnung bedingten Scherbeanspruchung aufnehmen zu können, ist eine genügend große Anzahl von Stiften 56 notwendig. Die Schildsegmente werden dann mit langen Schraubenbolzen 58 am Kernbehälter 20 befestigt. Die Bohrungen für die Schraubenbolzen 58 müssen vergrößert ausgeführt sein, um die Scherwirkung auf die Schraubenbolzen so klein als möglich zu halten.

Als andere Möglichkeit kann die Abschirmeinrichtung an der Innenseite des Kernbehälters 20 befestigt sein, wobei zwischen dem Kernbehälter und dem Prallblech 36, welches den Reaktorkern umgibt, genügend Raum verbleiben muß. Die Abschirmung 40 kann auch an der Innenwandung des Reaktorgefäßes 20 befestigt sein. Alle diese verschiedenen Ausführungsformen eignen sich zur Verminderung des maximalen Flusses, welcher auf diejenigen Teile des Reaktorgefäßes auftritt, die den Brennstoffelementen 36 am nächsten gelegen sind.

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Claims

Patentansprüche;

ί IJ Kernreaktor mit einem Reaktorgefäß, welches einen Reaktorkern mit .einer Vielzahl von Brennstoffelementen mit rechteckigem Querschnitt enthält, welche derart nebeneinander angeordnet sind, daß der Reaktorkern einen im allgemeinen rechteckigen Grundriß aufweist, xrobei einige Bereiche des Reaktorkernes näher an der Innenwandung des Druckgefäßes liegen als andere Bereiche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Reaktorkern und dem Druckgefäß angeordneten Stütz- und Abschirmvorrichtungen in der Nähe der genannten Bereiche des Reaktorkernes eine größere Dicke aufweisen.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Reaktorkern und dem Reaktorgefäß angeordnete Abschirmvorrichtung aus einem zylindrischen Kernbehälter besteht, welcher durch das genannte Druckgefäß unterstützt wird und den genannten Reaktorkern umgibt, und daß der Kernbehälter an den genannten Bereicheρ eine größere Dicke aufweist.
3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den genannten Bereichen des Reaktorkernes Platten am

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Kernbehälter befestigt sind, wodurch die genannte größere Dicke des Kernbehälters erreicht wird.
4. Kernreaktor nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die genanntenPlatten mit einem solchen Abstand am Kernbehälter befestigt sind, daß zwischen den Platten und dem Kernbehälter Kühlmittel hindurchströmen kann.

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