DE2323378A1 - Notkuehlsystem fuer einen kernreaktor - Google Patents

Description

Notkühlsystea für einen Kernreaktor.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Notkühlsystem für einen Kernreaktor mit eine» Reaktordruckbehälter, der einen Reaktorkern mit oberen und unteren Endplatten aufweist, die mehrere Brennelemente zwischen sich tragen, in denen Wärme durch einen Spaltprozeß erzeugt wird. Das System soll die in einem Reaktorkern erzeugte Wärme für den Pail abführen, daß im Reaktorkühlsystem ein nennenswertes Leck entsteht.

Ein Kernreaktor umfaßt im allgemeinen einen Druckbehälter, der den Reaktorkern einschließt. Der Kern enthält eine Vielzahl von Brennelementen, die alle wärmeerzeugenden spaltbaren Brennstoffe einschließen. Von diesen ist eine bestimmte Anzahl mit Führungsrohren für Steuerstäbe versehen, die auf die Brennelemente verteilt sind. Das Maß des Eintauchens der Steuerstäbe in die Brennelemente bestimmt und steuert die Wärmemenge, die von den Brennelementen erzeugt wird. Ein Kühlmittel durchströmt den Reaktorkern unter hohe» Druck und nimmt die darin erzeugte Wärme auf. Dieses aufgeheizte Kühlmittel kann dann einem Dampferzeuger zugeführt werden, der den Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine erzeugt.

In dem unwahrscheinlichen Fall eines Kühlmittelverlustes, der sich aus dem Bersten einer Kühlmittelleitung ergibt, werden die Steuerstäbe, die in den Brennelementen vorgesehen sind, automatisch eingefahren, damit der Spaltvorgang im wesentlichen beendet wird. Die Restwärme in jedem Brennelement ist jedoch auch dann noch so groß, daß der Reaktorkern nachteilig beeinflußt oder sogar ernsthaft beschädigt werden kann, wenn man nicht dafür sorgt, daß die Wärme weitgehend abgeführt wird.

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In Anbetracht des genannten Problems erfordern die allgemeinen Konstruktionsrichtlinien, die von der Atomenergiekommission für die Errichtung und den Betrieb von Kernreaktoren herausgegeben wurden, daß ein Notkühlsystem für den Kernreaktor vorgesehen wird, das auch für den Pail eines größeren Lecks in den Kühlmittelleitungen und den darauf zurückgehenden Kühlmittelverlust aus den Reaktorkomponenten wirksam wird. Alle gegenwärtig betriebenen Reaktoren besitzen deshalb so ein Notkühlsystem, das im wesentlichen die gleiche Bauweise aufweist. Dazu gehören große unter Druck stehende Speicher, die das benötigte Notkühlmittel enthalten und automatisch hochboriertes Kühlwasser in den Reaktorkern einspritzen, wenn der Druck im Reaktor unter einen bestimmten Wert sinkt, was als Anzeichen für ein großes Leck gewertet wird. Dieses Kühlwasser wird in die Kühlmittelleitungen in der Nähe der Kühlmittelstutzen des Reaktordruckbehälters eingespeist. Dadurch soll sichergestellt werden, daß es unmittelbar in den Reaktorkern gelangt, wo die Kühlung benötigt wird. In neuerer Zeit sind jedoch Zweifel laut geworden, ob die Kühlung ausreicht, wenn ein Leck an einer Kühlmitteleinlaßleitung entsteht, durch die das Kühlmittel normalerweise in den Reaktordruckbehälter zurückströmt.

Wegen der vorgenannten Umgewißheit wurde ein verbessertes Kühlsystem entwickelt, das mit Sicherheit Kühlmittel in den Reaktorkern fördert, unabhängig davon, wo ein Leck im Hauptkühlmittelsystem vorliegt.

Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte Notkühlung des Reaktorkerns mit größerer Kühlfähigkeit als bei bekannten Einrichtungen. Das neue Notkühlsystem fördert flüssiges Notkühlmittel aus einer Notkühlmittelquelle unmittelbar in den Reaktorkern. Das Kühlmittel wird auf die Brennelemente des Reaktorkerns verteilt, wo es direkt in Berührung mit den wärmeerzeugenden Brennstäben kommt, damit die Restwärme abgeführt wird, nachdem der Spaltvorgang im wesentlichen beendet ist.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Steuerstabführungsrohre, - die zu jedem Brennelement gehören, dazu zu benutzen, um Kühlmittel aus einer Notkühlmittelquelle zu den Brennelementen eines Reaktorkerns zu führen.

Die Erfindung ist im einzelnen in den dieser Anmeldung beiliegenden Ansprüchen definiert. Nähere Einzelheiten ergeben sich jedoch in bezug auf den Aufbau und die Betriebsweise aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen. Von diesen zeigt:

Pig. 1 eine Ansicht eines zum Teil geschnittenen Kernreaktors, bei dem die Erfindung vorgesehen ist.

Fig. IA ist eine isometrische Darstellung eines Brennelementes, das in dem Kernreaktor nach Pig. I verwendet wird.

Pig. 2 ist eine Draufsicht auf die Oberseite des Reaktorkerns nach Pig. 1. Sie ergibt sich, wenn der Deckel des Druckbehälters entfernt ist.

Pig. 3 ist eine Ansicht nach der Linie III-III der Pig. 2 und zeigt eine Konstruktion zur Befestigung der Kühlmittelrohre an der oberen Kernbehältertragplatte.

Pig. 4 ist eine Ansicht längs der Linie IV-IV der Pig. 2. Sie zeigt die Anordnung, mit der das Notkühlmittel in den Reaktordruckbehälter eingeleitet wird.

Pig. 5 ist eine Zeichnung eines Dichtungsringes, der mit einer Düse verwendet werden kann, die an dem unteren Ende der Pig. 4 vorgesehen ist.

Pig. 6 ist eine Ansicht nach der Linie VI-VI der Pig. 2. Sie zeigt die Rohranordnung, die zur Überleitung des Notkühlmittels zu einer Verzweigung im Inneren des Druckbehälters führt.

Fig. 7A und Pig. 7B zeigen gemeinsam die Konstruktion einer nach unten führenden Leitung zum Einführen des Not-

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kühlmittels in den Reaktorkern im Inneren eines Reaktordruckbehälters.

Fig. 8 ist eine Ansicht nach der Linie VIII-VIII der Pig. 7B. Sie zeigt einen Ausschnitt aus dem Notkühlein- und -auslaßsystem.

Pig. 9 ist eine Ansicht längs der Linie IX-IX der Fig. 7a.

Pig. 10 ist eine Ansicht nach der Linie X-X der Pig. 7A. In ihr ist die Konstruktion einer Klammer dargestellt, mit der die Notkühlmitteleinlaßleitung an einer nach unten führenden Leitung befestigt ist.

Pig. 11 ist eine Ansicht längs der Linie XI-XI der Pig. 7A.

In der Zeichnung sind mit übereinstimmenden Bezugszahlen gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten dargestellt. So umfaßt der in Pig. I gezeigte Kernreaktor, der im übrigen in üblicher Weise aufgebaut ist, einen Reaktordruckbehälter 22 mit einem Deckel 24, der am Druckbehälter mit nicht dargestellten Schrauben befestigt ist. An der Druckbehälterinnenseite ist ein Kernbehälter 26 mit Hilfe des Flansches 28 aufgehängt. Der Kernbehälter trägt den Reaktorkern 29. Dieser besteht aus einer Vielzahl von Brennelementen 34, die zwischen einer oberen Kernplatte 30 und einer nicht dargestellten unteren Kernplatte in bekannter Weise befestigt sind, Eine Trägeranordnung 33 mit Planschen 32 hält den Kernbehälter 26 und verbindet ihn mit der oberen Kernplatte 30 über eine Anzahl von dickwandigen Rohren oder Zylindern 35. Die Träger 33 erfüllen zugleich den zusätzlichen Zweck einer seitlichen Abstützung von Steuerstabführung sr ohr en 37.

In dem Reaktordruckbehälter nach Fig. 1 sind etwa 200 Brennelemente 34 installiert. Die Zahl richtet sich im einzelnen nach der Reaktorgröße. Jedes Brennelement umfaßt in üblicher Bauweise eine Anzahl von Brennstäben 36, wie Pig. IA zeigt und zusätzliche Steuerstabführungsrohre 40, die in Abstandshaltern 41 festgelegt sind. Die Abstandshalter sind über die

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Brennelementlänge in bekannter Weise verteilt. In den Führungsrohren 40 sind Steuerstäbe 42 vertikal beweglich. Sie sollen Neutronen beim Reaktorbetrieb einfangen. Oberhalb des Reaktordeckels 24 sitzt ein nicht dargestellter Steuerstabantrieb. Dieser betätigt die beweglichen Steuerstäbe. Da einige der Brennelemente keine Steuerstäbe benötigen, stehen weitere Führungsrohre 38 mit gleicher Größe und Anordnung in solchen Brennelementen zur Verfügung, die keine Steuerstäbe enthalten. Die Enden dieser Führungsrohre sind mit Stopfen 44 verschlossen, wie Fig. 7B zeigt. Dadurch soll eine Nebenströmung für das Kühlmittel vermieden werden, das den Reaktorkern von unten nach oben durchströmt.

Um die im Reaktor erzeugte Wärme auszunutzen, wird flüssiges Kühlmittel durch Einlaßöffnungen 46 in den Druckbehälter 22 geführt, wie Fig. 1 zeigt. In diesem strömt es zwischen der Außenseite des Kernbehälters 26 und der Innenfläche des Druckbehälters 22 nach unten. Es gelangt in einen Hohlraum am unteren Ende des Reaktordruckbehälters. Dieses unter hohem Druck stehende Kühlmittel gelangt dann durch Öffnungen, die am unteren Ende des Kernbehälters vorgesehen sind, nach oben und tritt durch ähnliche Öffnungen in der unteren Kernplatte. Nun gerät es in Berührung mit den Brennstäben 36 jedes Brennelementes. Auf diese Weise nimmt das Kühlmittel Wärme auf, die beim Spaltvorgang erzeugt wird. Es erwärmt sich und strömt dann durch Auslaßstutzen 48 zum Dampferzeuger.

Wie oben angedeutet, muß jeder Kernreaktor mit einem Notkühlsystem zusätzlich zu dem normalen Hauptkühlsystem versehen sein, um Schäden an den Brennstäben für den Fall eines größeren Lecks zu vermeiden, das im Hauptkühlsystem auftreten könnte. Diese Erfordernisse werden mit der vorliegenden Erfindung vollständig erfüllt. Zu diesem Zweck wird boriertes Wasser aus einer äußeren Notkühlquelle, z.B. aus einem Druckspeicher, bezogen und durch getrennte Rohre direkt in den

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Kembereich gefördert. Allgemein gesagt, wird das Wasser beim Eintritt in den Reaktordruckbehälter auf die Steuerstabführungsrohre in denjenigen Brennelementen verteilt, die ohne Steuerstäbe sind. Diese Führungsrohre werden mit Auslaß- ~~ Öffnungen kleinen Querschnitts über ihre ganze Länge versehen, durch die das Wasser in Form feiner Strahlen gegen die wärmeabgebenden Brennstäbe sprüht. Durch das Konzentrieren des Notkühlwassers auf genau bestimmte Bereiche an der Stelle, wo die Kühlung unmittelbar benötigt wird, ist es möglich, eine nahezu gleichmäßige Kühlung des gesamten Kernbereiches zu erhalten, während gleichzeitig die Menge des Wassers gegenüber bekannten Notkühlsystemen verringert wird. Das Kühlwasser verdampft allmählich, wo es die Hüllrohre der Brennstäbe berührt, und tritt aus der Bruchstelle des Hauptkühlsystems in Form von Dampf aus. Dies ist wesentlich für die hohe Kühlwirksamkeit. Bei gegenwärtig gebauten Reaktoren werden noch Sicherheitseinspeisepumpen und Nachkühlpumpen zusätzlich zu dem oben beschriebenen Notkühlsystem benötigt. Diese Pumpen und die Systeme, in denen sie vorgesehen sind, sollen über längere Zeiten Kühlmittel durch den Reaktor treiben. Solche Einrichtungen sind aber nicht Teil dieser Erfindung . _t

Die Fig. 1 bis 6 zeigen die Anordnung und die Rohrverbindungen, die bei dem Notlcühlsystem nach der Erfindung vorgesehen sind. Die Rohre führen von Speichern 58 über normalerweise offene Rückschlagventile 59 zur Oberseite eines Reaktordruckbehälters 22. Yon dort kommt man zum Kern im Inneren des Kernreaktors. Die spezielle Anordnung, die die Wirkung des' Notkühlsystems steuert, ist in der US-Patentschrift 3 528 beschrieben. Die Fig. 1 und 4 zeigen eines von vier Einlaßrohren 60 des Notkühlsystems, die in der Seitenwand des Reaktordruckbehälters 22 vorgesehen sind. Normalerweise wird jeder Einlaß von einem eigenen Druckspeicher gespeist. Der Einlaß 60 sollte so dicht wie möglich am Flansch des Reaktordruckbehälters angeordnet sein. Vorzugsweise liegt er in der Mitte zwischen zwei Ein- und Auslaßstutzen für das Haupt-

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kühlmittel. Das Notkühlmittel steigt durch Steigleitungen 62 im Reaktordruckbehälter zur Oberseite des Reaktors. Von dort gelangt es zu einem ringförmigen Verteilerrohr 64, das auf der Trageinrichtung 33 angeordnet ist. Verzweigungsleitungen 66 erstrecken sich von der Ringleitung 64 nach innen, um das Kühlmittel auf Falleitungen zu verteilen, wie später näher beschrieben wird.

Die Pig. 2 zeigt eine Anzahl von Rohren unterschiedlicher Größe und Anordnung, die mit dem Verteilerrohr 64 verbunden sind. Um die Installation des Rohrsystems zu erleichtern, wird empfohlen, das Verteilerrohr 64 einschließlich der Abzweige 66 und der erforderlichen Übergangsstücke 126 (Fig. 6) für die einzelnen Leitungen 116 vorzufertigen und als Einheit auf dem Träger 33 zu befestigen. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist das Verteilerrohrsystem am Träger 33 mit Klammern 68, Querträgern 70 und Schrauben 72 befestigt. Die kleinen Zweigleitungen werden nach dem Anbringen des Verteilers zurechtgeschnitten, gebogen und dann befestigt.

Wie in Fig. 4 zu sehen ist, wird der Einlaßstutzen 60 mit der Druckbehälterwand 22 vorzugsweise verschweißt. Seine Innenseite steht mit einem Rohrstück 76 in Verbindung, das sich durch den Kernbehälter 26 erstreckt und dort getrennt eingeschweißt ist. Um eine ausreichende Dichtigkeit zwischen dem Einlaßstutzen 60 und dem Rohrstutzen 76 zu erhalten, sind die Stoßflächen zylindrisch zu der Mittellinie von Kernbehälter und Reaktordruckbehälter ausgebildet. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient für den aus nichtrostendem Stahl bestehenden Kernbehälter um mehr als 50% größer ist als der des aus Kohlenstoffstahl bestehenden Reaktordruckbehälters, besteht bei Zimmertemperatur ein kleines Spiel zwischen den Flächen, das den Einbau des Kernbehälters in den Reaktordruckbehälter ohne Klemmen ermöglicht. Mit steigender Temperatur nimmt das Spiel ab. Dies sorgt für einen flüssigkeitsdichten Paßsitz bei Betriebstemperatur.

Bei der geschilderten Konstruktion trennen sich die dichtend

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aufeinander sitzenden Flächen dann, wenn das Notkühlwasser eingesprüht wird. Dies führt zu einem gerhgfügigen Wasserverlust. Will man dies verhindern,kann man die in Fig. 5 dargestellte Dichtungsanordnung vorsehen. Wie dort gezeigt, ist der Innendurchmesser des Rohrstückes 76 bei 78 vergrößert, um einen Dichtungsring oder Dichtungskolben 80 aufzunehmen. Der Kolben besitzt einen Kolbenring 82, der axial im Rohrstück 76 beweglich ist. Eine Feder 84- drückt den Vorsprung 86 am freien Ende des Kolbenringes in Berührung mit dem Einlaßstutzen 60. Um optimale Dichtungsverhältnisse sicherzustellen, werden Dichtungsring und Rohrstutzenfläche glattgeschliffen. Dies verringert die längs des Dichtungsringes austretende Leckmenge. Ein Haltering 88 wird auf das eine Ende des RohrStutzens 76 aufgeschraubt, um die nach außen gerichtete Bewegung des Dichtungsringes 80 zu begrenzen. Zur Erleichterung des Einbaues des Kernbehälters 26 mit den Rohrstücken 76 nach Ftg. 5 kann die Oberseite der Rohrstutzen 60 mit einem abgeschrägten Teil 89 versehen sein. Der Einbau wird so getroffen, daß der Kernbehälter 26 beim Absenken in' die Betriebsstellung über die Schräge 86 in die in Fig. 5 gezeigte Endlage gleitet. Mit dieser Anordnung sorgen die einander berührenden Flächen für eine leckfreie Abdichtung auch dann, wenn sich die Teile relativ zueinander bei Wärmespielen im Reaktorbetrieb bewegen. Die Fläche 87 begrenzt die nach innen gerichtete Bewegung des Dichtungsringes 80 beim Einbau und für den Fall, daß die Feder versagt, wodurch die maximale Leckrate begrenzt ist.

Um das Notkühlmittel vom Einlaßstutzen 60 xum Verteiler 64 zu führen, ist die Steigleitung 62, die eine verschlossene Stirnseite aufweist, mit ihrem unteren Ende an den Rohrstutzen 76 angeschweißt, während das obere Ende mit dem Rohrstück 92 am Verteilerrohr 64 endet. Ein Dichtring 94, der ähnlich ausgebildet ist wie der Richtungsring 80 und eine Dichtung 96 enthält, ist am oberen Ende der Steigleitung 62 vorgesehen. Er erleichtert in ähnlicher Weise den Zusammenbau und sorgt für geringe Leckraten an der Verbindungsstelle. Seine nach außen gerichtete Bewegung an der Dichtstelle ist

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durch einen Haltering 100 begrenzt. Zum leichteren Zusammenbau kann das Rohrstück 76 mit dem Kernbehälter 26 verschweißt werden. Dies geschieht vorzugsweise dann, wenn der Rohrstutzen 76, die Steigleitung 62, der Dichtring 94 und die Feder 98 vormontiert sind. Das Rohrstück 92 ragt durch die Trägereinrichtung 33. An dieser ist sie mit einem flansch und Schrauben 104 befestigt. Das obere Ende des Rohrstückes 92 ist mit einem T-Stück 106 verschweißt, das zum Verteilerrohr 64 gehört.

Nach der anfänglichen Montage der Teile oder nach einem Brennelementwechsel berührt das untere Ende des Rohrstückes 92, das mit Maschinen sorgfältig fein bearbeitet wurde, den Dichtungsring 94 und versetzt ihn um ein kurzes Stück nach unten, damit die Feder 98 zusammengepreßt wird und die gewünschte Dichtungskraft entsteht. Der Dichtungsring 94 ist ausreichend kurz, um eine kleine Verbiegung zuzulassen, durch die eine Ausrichtung auf die sich berührenden Flächen des Rohrstückes 92 entsteht, ohne daß ein Klemmen in der zylindrischen Fläche des Steigrohres 62 entsteht. Da es notwendig ist, daß das Fluchten zwischen den Teilen beibehalten wird, wird die relative Lage zwischen den Trägern 33 und dem Kernbehälter 26 dadurch hergestellt, daß die Flansche dieser Teile zwischen dem Druckbehälterdeckel 24 und dem Druckbehälter 22 selbst festgeklemmt sind. Die notwendige Dichtungskraft an den Flanschen wird durch das Zusammendrücken einer starken Ringfeder 112 hergestellt, die zwischen den Flanschen angeordnet ist.

In den Fig. 1, 2 und insbesondere 6 strömt das Kühlwasser aus dem Verteiler 64 in Zweigleitungen 66 und von dort durch mehrere Rohre 116, 118 kleineren Durchmessers, die im Bereich des Trägers 33 mit Falleitungen 120 bzw. 122 verbunden sind. Die Falleitungen 120 führen nur Kühlwasser, während alle Falleitungen 122 auch noch im Inneren ein Thermometer 140 enthalten, um die Temperatur des Reaktorkühlmittels zu messen, das an diesem ausgewählten Punkt aus bestimmten Brennelementen bei normalem Reaktorbetrieb austritt. Die Falleitungen sind mit dem Träger 33 durch Klemmen 124

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und Paßstücke 126 verbunden. Bei der zur Erläuterung der Erfindung dargestellten Reaktorkonstruktion werden 84 Falleitungen verwendet. Ihre Anzahl kann jedoch variiert werden, um sich unterschiedlichen Konstruktionen eines Reaktors anzupassen. Die Palleitungen stehen mit freien Steuerstabführungsrohren in den Brennelementen in Verbindung, wie später beschrieben wird.

Die Ausbildung der Palleitungen und ihre hydraulische Verbindung mit Führungsrohren 38 in den Brennelementen, die keine Steuerstäbe enthalten, sind in Fig. 7A bis 11 gezeigt. Bei üblichen Konstruktionen nehmen bestimmte' Führungsrohre Steuerstäbe auf, die den Reaktorbetrieb steuern, während andere Führungsrohre unbesetzt bleiben und durch Stopfen an ihren oberen Enden verschlossen werden. Ein normales Brennelement, das keine Steuerstäbe enthält, besitzt etwa zwanzig Führungsrohre, von denen jedoch nur acht für das Notkühlsystem verwendet werden, wie auf den Diagonalen in Fig. 8 angedeutet ist. Man könnte aber auch anderswo liegende Führungsrohre dazu vorsehen. Wichtig ist, daß jedes Brennelement in bezug auf die obere Kernträgerplatte 30 durch zwei Führungsbolzen 130 justiert ist, die mit dem oberen Brennelementauslaß durch Verschrauben verbunden sind.

Die Fig. 6 und 7A zeigen die Anordnung zur Verteilung von Notkühlwasser aus dem Verteiler 64 auf die Führungsrohre 38 in einem einzelnen Brennelement. Wie vorher mitgeteilt, bietet die Falleitung 122 nicht nur eine Führung für die Strö-. mung des Notkühlwassers in den Reaktor, sondern auch den Durchlaß für ein Thermoelement 140. Wegen dieses Thermoelementes ist der Einlaß der Falleitung abgewandelt. An der Oberseite der Fig. 7A und 10 ist ein Block 141 zu erkennen, dessen Öffnungen 142 passende Führungen und Paßstücke für das Thermoelementrohr 146 aufnehmen. Die Öffnung 144 nimmt das Notkühlwasserrohr 118 auf. Radiale Bohrungen 148 stellen die Verbindung zwischen den Rohren 118 und 122 her. Der Block 149 ist an der Falleitung 122 mit Klemmen befestigt, die aus dem Block 141 und Schrauben 152 bestehen. In den

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Fällen, wo die Palleitungen keine Thermoelemente enthalten, werden die Notkühlwassereinlaßrohre 116 direkt mit den Fallleitungen 120 verbunden, wie in Fig. 6 gezeigt ist.

Da die Falleitungen einer relativ großen, nach oben wirkenden Druckkraft unter bestimmten Bedingungen ausgesetzt sind, ist das Oberteil jeder Falleitung mit einem flanschartigen Vorsprung 154 versehen, der an der Unterseite 156 der Trageinrichtung 33 abgestützt ist. Die Falleitungen 120 und 122 sind mit dem Oberteil 162 der Trageinrichtung 33 verbunden, zu der ein mit schweren Flanschen versehener Ring 158 gehört. Der Flansch ist mit einem Netzwerk von vertikal verlaufenden Verstärkungsrippen 160 und schweren Platten 156 und 162 versehen. Wo die Falleitung die Trageinrichtung im Bereich einer Rippe durchsetzt, ist ein verstärkter Rohrteil der Falleitung mit der Rippenanordnung verschweißt.

Es ist festzuhalten, daß die Falleitung 122 am unteren Ende der Fig. 7A einen größeren Innendurchmesser aufweist. Wie in Fig. 7B gezeigt ist, stützen dort Abstandsstücke 166 mit Strömungsöffnungen darin das Thermoelement und dessen Führungsrohre 143 mit Abstand voneinander in ihren Wänden.

Die Fig. 7B und 8 zeigen, daß das untere Ende aus einem Verteiler 168 besteht, der mit einem kreuzförmigen Träger 170 verschweißt ist. Der Verteiler und vier Arme des Trägers enthalten fluchtende Notkühlwasserleitungen 172 und 174, die mit Kanälen 176 in Steuerstabführungsrohrstopfen 44 in Verbindung stehen. Die Stopfen bilden normalerweise einen Verschluß der Führungsrohre. Sie sind in den Führungsrohren auf den vier Ecken durch eine Schraubverbindung mit der Tragplatte 170 verbunden. Deswegen können sie als Abstützung und als Stopfenträger 180 am unteren Ende der Kernplatte 30 dienen. Jeder der acht wasserführenden Stopfen besitzt die dargestellte Konstruktion, zu der ein Kanal 176 und eine radiale Öffnung 182 im Bereich des verringerten Durchmessers nahe dem Ende des Stopfens gehört, von dem aus das

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Notkühlwasser in die Führungsrohre gelangt. Die Führungsrohre sind mit radialen Öffnungen 183 versehen, die im Abstand voneinander über die Länge verteilt sind. Solche Öffnungen sind so orientiert, daß das Notkühlwasser radial in den Kern in unterschiedlichen Höhen gesprüht wird. Dieses Wasser strömt ferner in die Brennelemente durch den Raum zwischen dem Stopfen und der Innenwand der Führungsrohre nahe deren oberem Ende. Um das gewünschte Maß an Kühlung zu erhalten, besitzt jedes der acht Rohre, die in jedem Brennelement zur Notkühlung benutzt werden, ungefähr zwölf bis fünfzehn Öffnungen pro Rohr. Im ganzen Kern enthalten etwa hundert Brennelemente die vorbeschriebenen Teile der Notkühlung. Mithin stehen etwa 12 000 Strahlen zur Verfügung, mit denen das Kühlmittel im Reaktorkern versprüht wird.

Um das Einführen der Stopfen 44 in die Führungsrohre zu erleichtern, wenn der obere Teil des Reaktorkerns in das Druckgefäß abgesenkt wird, ist die untere Spitze jedes Stopfens konisch zugespitzt, damit kleine Maßabweichungen zwischen Stopfen und Rohren korrigiert werden. Die Stopfen sind flexibel und gleichen geringfügigen radialen Versatz aus.

Moderne Druckwasserreaktoren arbeiten mit einer großen Anzahl von Thermoelementen zum Messen der Kühlwassertemperatur am Ausgang bestimmter Brennelemente. Die Drähte der Thermoelemente (etwa 3 mm Außendurchmesser) werden gewöhnlich in Führungsrohren mit geringem Durchmesser untergebracht, die direkt oberhalb der genannten gewählten Brennelemente angeordnet sind. Wegen der hohen Geschwindigkeit und wegen Turbulenz des Kühlmittels im oberen Bereich des Reaktorkerns, die schon bei Normalbetrieb vorhanden sind, müssen die Führungsrohre zur Vermeidung von Schaden sorgfältig abgestützt sein. Die Anbringung der Rohre ist daher eine schwierige Aufgabe, die viel Zeit und Aufwand erfordert.

Um diesen Nachteil bekannter Reaktoren zu beseitigen, wird die Unterbringung der Thermoelemente in Führungsrohren nach

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der Erfindung mit den Falleitungen des Notkühlsystems zusammengefaßt, bevor der Einbau erfolgt. Dadurch, vermeidet man zusätzliche Arbeit bei der Abstützung der Führungsröhre, die sonst bei der Montage benötigt werden würde.

Thermoelemente 140 für das dargestellte Brennelement sind in einem dickwandigen Führungsrohr 143 eingeschlossen. Wie bereits erwähnt, wird das Führungsrohr 143 in bezug auf das Fallrohr durch Distanzstücke 166 distanziert, die mit axial verlaufenden Öffnungen ausgerüstet sind, durch die das Kühlwasser ausströmt. Die unteren Enden des Thermoelementführungsrohres 143 sind mit dem Verteiler 168 verschweißt, bevor das Fallrohr über die Länge des Brennelementes in dieses eingeführt und dort durch Schweißen befestigt wird. Die Spitze des Thermoelementes 186 wird durch die Temperatur des Wassers nicht beeinflußt,das durch den Kanal 172 strömt, weil es in einer eigenen Thermoelementkanimer 188 angeordnet ist.

Es ist wichtig, daß das Thermoelement die mittlere Temperatur des Kühlwassers genau feststellt, das aus dem Brennelement austritt. Bei bekannten Reaktoren wurden zu diesem Zweck gewöhnlich Flügel oder Abweiser zur Vermischung des Kühlwassers an den Brennelementen oder der Kernplatte direkt oberhalb der Brennelemente angebracht. Solche zusätzlichen Konstruktionen trugen aber wesentlich zur Erhöhung der Kosten des Reaktorkerns bei; Dieser Nachteil wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch überwunden, daß eine Mischtasse 190 an der Unterseite des Trägers 170 angeschweißt wird. Die Mischtasse ist mit vier kurzen Rohrstücken 192 ausgerüstet. Sie besitzt ferner ein zentrales Loch, durch das kleine Kühlwassermengen aus der Mitte und von den vier Quadranten des Brennelementes auf ihrem Weg zum Auslaß 194 strömen. Es ist einzusehen, daß nur ein kleiner Prozentsatz des Wassers durch die Kanäle strömt, das insgesamt das Brennelement passiert. Da die Notkühlmitteleinlässe dauernd im Reaktorkern installiert sind, kann diese Einrichtung dazu dienen, die Thermoelemente aufzunehmen, die in erster Linie

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zur Überwachung der Kühlmitteltemperatur dienen, wenn der Kernreaktor im Normalbetrieb läuft.

Im Normalbetrieb liegt das System, das als Notkühlsystem in den Reaktorkern eingebaut wurde, im wesentlichen wirkungslos vor. Es ist jedoch für den Betrieb in jedem Augenblick bereit, in dem ein Bruch in den· Hauptkühlmittelrohren vorkommen sollte. In diesem Fall würde der Druck im Hauptkühlmittelsystem unter den Druck der Druckspeicher absinken.. Dann würde das Rückschlagventil 59 eine Diagonalverbindung zwischen den Notkühlwasserspeichern 58 und dem Reaktorkern freigeben. Das Notkühlwasser strömt dann durch den Einlaß 60 und Steigrohre 62 zum Verteiler 64» der am Reaktorkerntraggerüst 33 befestigt ist. Beim Eintreten in den Verteiler fließt das Notkühlwasser über Zweigleitungen 56 sowie direkt aus dem Yerteiler in Rohre 116 und 118, die das Wasser auf die mehrfach vorgesehenen Falleitungen 120 und 122 im oberen Teil des Reaktors verteilen.

Für jedes einzelne Brennelement ist eine Falleitung 120 oder 122 vorgesehen. Sie ist mit dem unteren Ende an einen Verteiler 168 angeschlossen, der Wasser zu Kanälen führt, die in einem kreuzförmigen Träger 170 an der oberen Kernplatte führt. Von dort strömt das Wasser nach unten in den Stopfen, der im Führungsrohr 38 vorgesehen ist. Es tritt dort in das Führungsrohr aus. Da die Wände jedes Führungsrohres mit Abstand angeordnete, über die Länge verteilte Bohrungen haben, wird das Wasser, das unter hohem Druck steht, nach außen in freiem Kontakt mit den Brennstäben 36 gesprüht. Es entsteht Dampf, der Wärme aus dem Reaktorkern abführt. Da die Führungsrohre im Kern speziell ausgewählt sind, um sicherzustellen, daß das Notkühlwasser gegen die Brennstäbe spritzt, wird eine gleichmäßige Verteilung der Kühlung über alle Brennstäbe erhalten. Der mit der Notkühlung erzeugte Dampf findet seinen Weg vom Reaktorkern 29 durch die obere Tragplatte des Reaktorkerns und durch das leck, das zur Inbetriebnahme der Notkühlung geführt hat.

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Claims (20)

- 15 - VPA 72/8459 Patentansprüche:

1./Notkühlsystem für einen Kernreaktor mit einem Reaktordruckbehälter, der einen Reaktorkern mit oberen und unteren Endplatten aufweist, die mehrere Brennelemente zwischen sich tragen, in denen Wärme durch einen Spaltprozeß erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Notkühlleitungen (60) mit ihrem einen Ende mit dem Druckbehälter (22) und mit dem anderen Ende mit einer Notkühlmittelquelle (58) verbunden sind, die unter Druck steht, daß die Notkühlleitungen (60) mit Kühlmittelverteilern (170) innerhalb des Reaktorkerns verbunden sind und daß die Kühlmittelverteiler (170) mindestens einen Auslaß aufweisen, durch den unter hohem Druck stehendes Notkühlmittel in den Reaktorkern (29) und gegen Brennstäbe (36) in den Brennelementen (34) gesprüht wird, wenn der Reaktorkern seine HauptkühlmittelVersorgung eingebüßt hat.

2. Notkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlmittelverteiler (170) in solchen Brennelementen (34) angeordnet sind, die keine Steuerstäbe (42) aufweisen.

3. Notkühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelverteiler mindestens ein Pührungsrohr. (40) in jedem der Brennelemente (34) umfassen und daß das Führungsrohr (40) Bohrungen (183) in seiner Wand aufweist, die über seine Länge verteilt sind, so daß das Notkühlmittel gegen die Brennstäbe (36) im Brennelement (34) versprüht wird.

4. Notkühlsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (183) zwischen benachbarte Brennstäbe (36) gerichtet sind.

5. Notkühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittelverteiler mehrere Führungsrohre (40) umfaßt,

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die zwischen den Brennstäben (36) jedes der Brennelemente (34) verteilt sind und Bohrungen aufweisen, die über die Führungsrohrlänge verteilt sind.

6. Notkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittelverteiler (170) mehrere Rohre aufweist, die in der Nachbarschaft von Brennelementen angeordnet sind und sich über deren Länge erstrecken, wobei Bohrungen in den Rohren gegen Brennstäbe der Brennelemente gerichtet sind.

7. Notkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaßleitungen (60) des ITo tkühl syst ems mit einer im Reaktordruckbehälter (22) befindlichen Verzweigung (64,66) verbünden sind, die ihrerseits mit Kühlmittelverteilern (170) in Verbindung steht.

8. Notkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', daß die Notkühlleitungen mit einer Verzweigung (64,66) in Verbindung stehen, die auf der oberen Kernplatte (33) befestigt ist und mit Kühlmittelverteilern verbunden ist, die mehrere Führungsrohre (40) umfassen, von denen jedes wenigstens eine Bohrung (183) zum Einspritzen des Notkühlmittels in den Reaktorkern (29) besitzt.

9. Notkühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrohre (40) nicht in allen Brennelementen (34) des Reaktorkerns vorgesehen, aber nach einem solchen Muster angeordnet sind, daß eine Notkühlung der Brennstäbe (36) aller Brennelemente (34) möglich ist.

10. Notkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelverteiler eine Anzahl von Rohren umfaßt, die Bohrungen (183) zum Sprühen des Kühlmittels gegen die Brennstäbe (36) besitzen.

11. Notkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß ein Auslaß (194) für das Kühlmittel eine Mischeinrichtung (190,192) aufweist, die Kühlmittel aus allen Quadranten des Reaktorkerns (29) erhält, und daß Thermoelemente (186) am Auslaß angeordnet sind, um die Temperatur des abströmenden Kühlmittels festzustellen.

12. Notkiihlsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Rohrsystem von der Verzweigung zu den Kühlmittelverteilern (170) erstreckt und eine Reihe von Fallrohren (120, 122) umfaßt und daß ein Thermoelement (186) in einem bestimmten Fallrohr (122) untergebracht ist, wobei seine Spitze im Brennelementauslaß endet, um unter normalen Umständen die Temperatur des Kühlmittels festzustellen, das aus dem Brennelement (34) austritt.

13. Notkühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Notkühlleitung wenigstens einen Einlaß (60) aufweist, der sich durch die Wand des Druckbehälters (22) erstreckt und da3 eine Steigleitung (62) unter einem Winkel mit dem Einlaß verbunden ist und sich innerhalb des Druckbehälters nach oben erstreckt, damit eine Verbindung mit einer Verzweigung (64,66) zustande kommt, durch die das Notkühlmittel aus dem Speicher (58) zur Verzweigung geführt wird.

14. Notkühlsystem nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Dichtung (80) an Verbindungsstellen vorgesehen ist, die durch aneinanderstoßende Rohre zwischen der Steigleitung (62,94) und dem Einlaß (60) sowie an Stellen zustande kommt, die über die Steigleitungslänge verteilt sind, wobei jede der Dichtungen einen Dichtungsring (94) in der Steigleitung umfaßt, dessen Fläche in Berührung mit herabhängenden Lippen eines unmittelbar darüber liegenden Rohres steht, und wobei ferner eine Feder (98) in der Steigleitung mit ihrem einen Ende gegen den Dichtungsring (94) wirkt, so daß dieser jederzeit in Berührung mit den Lippen steht.

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15. Notkühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem, das von der Verzweigung ausgeht, Zweigleitungen (66) sowie Falleitungen (120, 122) umfaßt, die sich von den Zweigleitungen nach unten erstrecken, um die Kühlmittelverteiler der Brennelemente (34) zu versorgen.

16. Notkühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelverteiler (170) ein Rohrstück umfassen, das axial verlaufende Kanäle (172) sowie ein Joch mit radial verlaufenden Armen aufweist, das auf der oberen Kernplatte (133) befestigt ist, wobei die Arme Kühlisittelkanäle (174) bilden, die mit den Kanälen der Kühlmittelverteiler in Verbindung stehen und wobei die Jocharme mit Führungsrohren (40) in Verbindung stehen.

17. Notkühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Stopfen (44) mit einer zentrischen Bohrung in den Führungsrohren (40) angeordnet sind und ihrerseits mit Kühlmittelverteilern in Verbindung stehen, während eine Öffnung (182) nahe dem anderen Ende Kühlmittel in das Führungsrohr einsprüht (40), in dem der Stopfen (44) sitzt.

18. Notkühlsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende jedes Stopfens (44) in der oberen Kernplatte befestigt ist.

19. Notkühlsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Joch (170) mit hohlen, radial verlaufenden Armen am Kühlmittelverteiler angebracht ist und daß das obere Ende jedes Stopfens (44) mit einem Kühlmittelkanal in den Armen in Verbindung steht, so daß Kühlmittel aus dem Kühlmittelverteiler in die Arme strömt, von dort in die Bohrung des Stopfens (44) und durch diese zu Pührungsrohren (40) gelangt.

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20. Notkühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet» daß die Öffnungen (183) in den Führungsrohren (40) so gerichtet sind, daß das Kühlmittel radial und unter einem Winkel gegenüber der Horizontalen gegen die Brennstäbe (36) spritzt.

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