DE2300242A1 - Vorrichtung zur axialen blockierung von brennstoffelementanordnungen eines kernreaktors - Google Patents

Description

PATE NTAN WALl

DR. HANS ULRICH MAY

D 8 MÜNCHEN 2. OTTOSTRASSE 1a 23002A2

TELEGRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN TELEFON CO81-O 09 38 82

B.4383*4 PG München, 4. Januar 1973

E«2«F»2/11 37

Electricity de France (Service National) in Paris,

Prankreich

Vorrichtung zur axialen Blockierung von Brennstoffelementanordnungen eines Kernreaktors

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur axialen Blockierung von Brennstoffelementanordnungen eines Kernreaktors, besonders eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors, bei dem der Kern* der aus einer Gruppe in senkrechter Stellung nebeneinander angeordneten Brennstoffelementanordnungen besteht, einesteils mit einem Gitterrost, der am unteren Teil des Kerns angeordnet ist und in dessen ö££mxagen die unteren Enden oder Füße der Brennstoffelement anordnungen eingesetzt sind, und andererseits mit einem über dem Kern befindlichen Deckel zusammenwirkt, der aus einem abnehmbaren Block besteht, der Steuer- und überwachungsvorrichtungen für die Brennstoffelementanordnungen für den Reaktorbetrieb trägt« Bekanntlich sind die Brennstoffelementanordnungen im allgemeinen vom Mittelpunkt zum Umfang des Reaktorkerns in mehreren gleichachsigen Zonen angeordnet, besonders in einer Mittelzone, weiche den aktiven Teil des Reaktorkerns bildet und in der spaltbare Elementanordnungen angeordnet sind, die aus in einer Hülse angebrachten umhüllten Nadeln bestehen, die ein bei Neutroneneinwirkung spaltbares Kernbrennstoffmaterial enthalten. Diese Mittelzone ist umgeben von einer

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Zone, die aus brutfähigen Element anordnungen besteht* /w^lch-e die seitliche Abdeckung bilden, worauf eine Zone von reflektierenden Element anordnungen folgt, welche die bei der Spaltung ausgesandten Neutronen zum Kern zurücklenken» und schließlich eine Zone absorbierender Anordnungen» welche die Stärke und Energie des aus dem kern in Richtung des ümfangs austretenden Neutronenflusses abschwächen sollen.

Es ist ferner bekannt» daß es zur Aufrechterhaltung der für den Neutronenfluß kennzeichnenden Eigenschaften eines Kernreaktors des erwähnten Typs erforderlich ist, die relativen Stellungen der verschiedenen Elewentanordnungen und besonders der in diesen enthalte nen umhüllten Nadeln von Kern-brennstoff oder anderem Material genau aufrechtzuerhalten. Im Betrieb des Kernreaktors treten jedoch verschiedene Kräfte auf, welche zu einer Veränderung der Geometrie, d.h« der Netzabstände,, gemäß denen die verschiedenen Elementanordnungen verteilt sind, führen können. Von diesen Faktoren seien besonders erwähnt die Wärmeausdehnungen und Verformungen der Element* anordnungen infolge einer Veränderung der Innenstruktur der die Hüllen der Nadeln bildenden Metalle unter der Einwirkung verschiedener Strahlungsflüsse, denen die Anordnungen unterworfen sind»

Zur Behebung dieser Nachteile sind bereits verschiedene Maßnahmen bekannt, von denen die üblichste darin besteht, die Füße der Element anordnungen fest mit einem Gitterrost aus Metall zu verbinden, so daß sie in bestimmter und unveränderlicher Weise gehalten sind. In diesem Pail erfolgt die sur Abführung der im Reaktorbetrieb erzeugten Wärme erforderliche Zufuhr von Kühlmittel au den Element«· anordnungen gewöhnlich im Fuß in radialer Richtung.» Das Kühlmir.el dringt also durch Öffnungen in der Seitenfläche der FUfJe ein, die ihrerseits in entsprechend verteilte Bohrungen des Gitterrostes ein-

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gesetzt sind» und strömt anschließend in den Brennelementanordnungeii von unten, nach oben» Das hat den Vorteil, daß auf die Elementanordnungen selbst nur ein verringerter hydraulischer Auftrieb in axialer Richtung wirkt» so daß Iceine Gefahr besteht» die Elementanordnungen aus den Bohrungen im Gitterrost» in die sie eingesetzt sindj, herauszuheben. Diese Maßnahme bringt jedoch einen erheblichen Nachteil dadurch, daß die Elementanordnungen des Reaktorkerns sich mit ihrem oberen, dein Gitterrost gegenüberliegenden Teil garbenförmig aufspreizen. Um diesen Nachteil zu begrenzen» kann man entveder auf die Anordnungen eine radiale Kraft wirken lassen» um sie gegeneinander zu halten, oder den Umfang des aus der Gruppe der Elementanordnungen gebildeten Reaktorkems durch einen Außenkranz versteifen f. so daß die Anordnungen im Betrieb in enge Berührung miteinander kommen»

Ss ergibt sich aber» daß diese beiden Maßnahmen keine voll befriedigende Lösung des Problems bieten, da im ersten Fall die auf die Gruppe der Anordnungen ausgeübte radiale Kraft nicht die zwischen den Anordnungen auftretenden Differenzen der senkrechten Ausdehnungen berücksichtigt ι die sich aus in den verschiedenen konzentrischen Zonen des Reaktorkei^ns herrschenden verschiedenen Temperaturen ergeben, Dadurch entstehen Spannungen, welche das die äußere Hülse der Anordnungen bildende Metall rasch plastisch verformen» wobei dies;⁵. Verformungen durchaus nachteilig sind, besonders wegen einer erheblichen Verzerrung des Verteilungsnetses des Kernbrennstoffs. Ebenso kann auch die äußere ümringung des oberen Teils des Reaktor-Iterns xeine dauernde Berührung zwischen den Anordnungen für alle BetriebsKUstände garantieren» woraus sich Gefahren hydraulisch bedingter Schwingungen der oberen Teile oder Köpfe dieser Anordnungen ergeben» welche dadurch arteinanderprallen können·

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Durch die Erfindung soll nun eine Vorrichtung sur Blockierung der Brennelementanordnungen eines Kernreaktors geschaffen werden, welche die gestellten Aufgaben vollkommen löst, seitliche Verschiebungen der Brennelementanordnungen sowie eine garbenförmige Aufspreizung der Gesamtanordnung vermeidet und außerdem eine wirksamere Kühlfflitteljsuführung zu den Brennelementanoi"dnungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art gelöst* die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist» daß der Deckel des Reaktorkerns an seiner Unterseite und gerade vor jeder •Brennelementanordnung einen hohlen Sitz mit konischer Auflagefläche aufweist, in den das obere Ende der Brennelementanordnungen unter dem Druck des Kühlmittels eintritt, das in jede der Brennelement-* anordnungen durch eine an deren unteren Ende und in der Achse des Fußes der Anordnung ausgebildete öffnung eintritt und die Brennelementanordnungen von unten nach oben durchströmt * und daß der Abstand zwischen der Auflagefläche der Brennelementanordnung gegen ihren im Reaktordeckel ausgebildeten hohlen Sitz und der Auflagefläche der gleichen Brennelementanordnung auf dem Gitterrost etwas größer als die hänge der Brennelement anordnung ist,, so daß diese sich unter Wärme·» und Neutroneneinwirkung frei ausdehnen kann.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform, die sich auf die beigefügte einzige Figur bezieht, welche schematisch im Schnitt einen Teil des Kerns eines kernreaktors mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt·

Gemäß dieser Figur besteht der Kern 1 eines Kernreaktors, besonders von der Art mit schnellen Neutronen arbeitender Kernreaktoren» im wesentlichen aus einem Kernbehälter 2, der einen seitlichen ring« förmigen Hantel 3 aufweist,, an dem ein Boden 4 mittels Schrauben 5

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befestigt ist. Am unteren Ende dieses Mantels 3 sind öffnungen 6 vorgesehen^ durch die ein Kühlmittel, im allgemeinen ein flüssiges Metall> ^ie Natrium» in das Innere des Behälters eindringen und die Bremielementanordnungen des Kerns zur Kühlung durchströmen kann«

Im Inneren des Behälters 2 und in der Nähe seines Bodens 4 ist ein Gitterrost 7 gehalten, der aus einer parallel zum Boden 4 verlaufenden Querplatte 8 besteht» an die sich ein zum Mantel 3 des Behälters 2 konzentrischer seitlicher Mantel 9 anschließt, der mittels eines an seinem oberen Teil vorgesehenen Flansches 10 auf dem Mantel 3 aufliegt» Zur Verstrebung zairischen dem Boden 4 und der Platte 8 des Gitterrostes dienen hohle Kerzen 11, deren untere Enden durch Bohrungen 12 im Boden 4 geführt und an diesen durch auf einen Gsisdndeabschnitt 13 aufgeschraubte Muttern 14 befestigt sind» An ihren entgegengesetzten Enden sind die Kerzen 11 durch in einer Linie mit den Bohrungen 12 angeordnete Bohrungen 15 der Platte 8 geführt und dieser gegenüber durch Ringmuttern 16 blocWert.

In an sich bekannter Weise ist jede der hohlen JCerzen 11 zur Aufnahme des unteren Endes einer Brennelementanordnung 17 bestimmt» die aus einem äußeren Metallgehäuse 18 besteht, das dtirch einen Fuß 19 von geringerem Querschnitt verlängert ist, der axial in die entsprechende Kerze eingesetzt ist und bis unter die Platte des Gitterrostes reicht. Der Fuß 19 3itzt in der Kerze mit weicher Reibung$ so daß im Betrieb des Reaktors bei Beanspruchungen der Brennel<*»ientanordi-.iung axiale Bewegungen derselbe!), bezüglich des Gitterrostes möglich sind» Der Fuß 19 jeder Brexmelementanordnung ■weist eine entsprechend profilieri:e Innenbohrung 20 auf, die unter der Anordnung in der Achse der iCeras mündet tmd den Aufstieg des Kühlmittals aus dem Raum" zwischao. dam Boden 4 tmd ά&ι> Platte

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des Gitterrostes in das Innere der Brennelementanordnung und- dort von unten nach oben ermöglicht« Zu diesem Zweck weist die Kerze unterhalb der Höhe des Endes des Fußes 19 Öffnungen 21 auf. Jede der Brennelementanordnungen 17 enthält im Inneren ihres Gehäuses eine Gruppe von umhüllten Nadeln 22, die ihrerseits entweder ein spaltbares oder ein brutfähiges oder auch vom kerntechnischen Standpunkt aus inertes Material enthalten, je nach der i*a.<$e. dieser Anordnung in der einen oder anderen Zone des Reaktorkerns· Schließlich trägt das obere Ende der Gehäuse 18 einen axial offenen Kopf 23» durch¹ den das Kühlmittel austreten kann und der in einer konischen Auflagefläche 24 endet»

Am oberen Teil des Behälters 2 des Reaktors ist ein Kerndeckel 25 angeordnet» der Vorrichtungen zur Steuerung und überwachung des Betriebs' der Brennelementanordnungen enthält, besonders nicht gezeigte Thermoelemente oder Druckfühler. Die Lage dieses Deckels 25 ist bezüglich des Kernbehälters durch einen Ringwulst 26 bestimmt, der auf dem oberen Ende des Flansches 10 des seitlichen Mantels 9 des Gitterrostes 7 aufliegt, wobei er diesem gegenüber durch eine Führungshülse 27 geführt ist* die an ihrem oberen Ende einem mit dem Ringwulst 26 zusammenwirkenden radialen Vorsprung 28 aufweist. Im Deckel 25» der sich quer oberhalb der Gesamtanordnung der Brenn*« elementanordnungen 17 des Kerns erstreckt» sind Kühlmitteldurchlaß"· Öffnungen 29 ausgebildet» deren Zahl gleich der der Brennelement« anordnungen ist., Diese Öffnungen sind auch genau im Bereich und in der Richtung der Anordnungen ausgebildet und weisen an. ihrem unteren Teil eine hohlkegelförmige Auflagefläche 30 auf» die mit der am Kopf 23 jedes Gehäuses I8där Brennelementanordnungen vorgesehenen. Auflagefläche 24 zusammenwirkt.

Die Figur der beigefügten Zeichnung zeigt nur awei Br

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anordnungen 17 und 17a des Reaktorkern^, wobei die Anordnung 17 in Ruhestellung» entsprechend beispielsweise dem Reaktorstillstand» besonders bei der Erneuerung des Kernbrennstoffs, die Anordnung 17a dagegen in Arbeitsstellung» entsprechend dem Betrieb des Kernreaktors, gezeigt ist. Wie ersichtlich» ist die Anordnung 17 auf ihren von der Platte 8 des Gitterrostes 7 gebildeten Sit» zurückgefallen» da der hydrostatische Druck des Kühlmittels in diese» Fall geringer als das Gewicht der Brennelementanordnung ist. Dagegen ist im Fall der Anordnung 17a deren obere Auflagefläche 24 eng gegen die Sitzfläche 30 der in ihrem Bereich ausgebildeten öffinung 29 im Kerndeckel 25 gedrückt, wobei das Zusammenwirken dieser Sitzflächen die Anordnung gegen jede seitliche Verschiebung blockiert und besonders jede seitliche Verschiebung bezüglich ihrer Normalstellung

mögliche

verhindert. Ss sei bemerkt» daß der geringe/Verschiebungsweg zwischen der Ruhestellung (Anordnung 17) und der Arbeitsstellung (Anordnung 17a) die freie axiale Ausdehnung der Anordnungen unter Wärmeeinwirkung und Neutronenbeschuß ermöglicht»

Man erhält so eine besonders einfache Vorrichtung zur axialen Blockierung der Brennelementanordnungen eines Kernreaktors» welche die .für andere Zwecke vorgesehenen Kernreaktor bauteile, nämlich Kerndeckel und ein Gitterrost zur Festlegung der Füße der Brennelementanordnungen, mit Vorteil au einem weiteren Zweck benutzt, wobei die Brennelementanordnungen unabhängig vom Betriebszustand eine in einem geometrischen Netz genau festgelegte Stellung ohne Verformung und besonders ohne garbenförraige Aufspreisung beibehalten, was die Verwendung zusätzlicher Einrichtungen erübrigt» die wie bei den bekannten Lösungen der gestellten Aufgabe eine dauernde radiale Kraft auf den Umfang dieser Anordnungen ausübet*.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   (iy Vorrichtung zur axialen Blockierung der Brennelementanordnungen eines Kernrealetors im Betrieb» besonders eines mit schnellen neutronen arbeitenden Kernrealetors« dessen Kern von einer Gruppe senkrecht stehender, nebeneinander angeordneter BrenneleBientanordnungen gebildet ist land einesteils ait einem an seiner unteren Seite angeordneten Gitterrost» in dessen Löcher die unteren finden oder Füße dieser Anordnungen eingesetzt sind und gegen den sie andrücken» utnd sum anderen mit einem über dem Reaktorkern angeordneten und aus einem abnehmbaren Block bestehenden Kerndeckel Busaamenwirkt, der Vorrichtungen zur BetriebstiberFechung der Brennelementanordnungen vährend des Reaktorbetriebs trägt _t dadurch gekennzeichnet, daß der iCeradeckel (25) an seiner Unterseite und gerade vor jeder Brennelementanordnung (17»17a) einen hohlen Sitz (29) mit konischer Sitzfläche (30) aufweist, gegen, die sich das obere Snde (23) der Brenn* elementanordnungen unter dem Druck des in die Brenneleaientanordnun-« gen dvorch eine an deren unteren Ende und in der Achse des Fußes (19) ausgebildete Öffnung (20) eintretenden und die Brennelementanordnun« gen von unten nach oben durchströmenden Kühlmittels anl&gen und eingreift ., wobei der Abstand zwischen der Auflagefläche der Anordnung gegen ihren hohlen Sits; im Kerndeckel und der Auflagefläche 4er gleichen Anordnung auf den Gitterrost (8) etwas größer als die Länge der Anordnung ist, so daß diese sich bei Wärme- und neutronen*· einwirkung frei ausdehnen kann«

   2» Blockieruiigsvorrichtung nach Anspruch i_f dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende (23) der Brennelementanordnungen {I7_t 17a) ebenfalls eine kegelförmige Sitzfläche (24) aufweist_t die in den entsprechenden Sita (30) des Kemdeckels (25) eingreift.

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