DE2331355B2 - Kernreaktor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Druckgefäß, in welchem ein Reaktorkern mit einer Vielzahl von Brennstoffanordnungen angeordnet ist, die ihrerseits aus Brennstoffstäben und Führungskanälen für Steuerstäbe bestehen, über welchen Kern sich zwei mit Abstand zueinander angeordnete Platten für die Halterung von Steuerstabführungsrohren erstrekken, zwischen denen das Druckgefäß einen Querauslaß für die Kühlmittelströmung aufweist, wobei Steuerstäbe gruppenweise über eine Jocheinrichtung an einen gemeinsamen Antrieb angekoppelt sind, die ebenfalls in Führungsrohren beweglich sind. Ein solcher Kernreaktor ist in der FR-PS 15 60 777 beschrieben und danjestellt.

Bei dem bekannten Kernreaktor sind die Steuerstäbe unmittelbar oberhalb des Reaktorkerns an die zugeordneten Jocheinrichtunge;/ angekoppelt, deren Führungsrohre sich über den gesamten Bereich zwischen den beiden Platten erstrecken. Da zwischen den beiden Platten der Querauslaß für die Kühlmittelsirömung mündet, sind die Führungsrohre starken seitlichen Kräften unterworfen. Dies wirft erhebliche Probleme auf, da die Führungsrohr sich den Jocheinrichtungen mit deren relativ komplizierten geometrischen Querschnittskonturen anpassen sollen, andererseits aber auch den durch die Strömung bedingten hohen Kräften standhalten müssen, obwohl sie gerade wegen ihrer großflächigen Ausbildung der Strömung einen hohen Widerstand bieten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kernreaktor der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem die Führungen für die Steuerstäbe im Bereich starke Kühlmittelquerströmung dieser nur einen verhältnis mäßig geringen Widerstand bieten und deshalb ent sprechend dünnwandiger gefertigt werden können, wa: die Herstellungskosten des Reaktors vorteilhaft beein fiußt

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurcl gelöst, daß sich zwischen den Platten eine dritte Platt« über den Kern erstreckt, daß der Querauslaß zwischer der unteren Platte und der dritten Platte mündet um daß zwischen der unteren Platte und der dritten Platte für jeden Steuerstab ein eigener Führungsrohrabschnit befestigt ist. Demgemäß ist der Raum zwischen der beiden Platten durch die dritte Platte unterteilt, und die Querströmungsbelastung wirkt nur in dem Abschniti zwischen der untersten und der dritten — mittleren Platte. Dort also muß man die von der Querströmunf herrührenden Kräfte bei der Auslegung und Dimensionierung der Führungsrohre berücksichtigen. In diesem Bereich aber sind einfache Führungsrohrabschnitte, jeweils einer für jeden einzelnen Steuerstab vorgesehen so daß die gesamte, den Strömungskräften unterworfene Fläche erheblich verringert ist. Entsprechend verringert sich der Widerstand, den diese Führungsrohrabscli "itte der Strömung bieten.

Die dritte Platte ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung an dem Druckgefäß befestigt die untere Platte ist an ihr aufgehangen, wobei die Führungsrohrabschnitte als Zuganker dienen. Dabei können die Führungsrohrabschnitte aus einem inneren, die Zugkräfte aufnehmenden Rohr sowie einem äußeren, unter Druck stehenden Rohr aufgebaut sein.

Einzelne Führungsrohrabschnitte für Steuerstäbe im Bereich unmittelbar oberhalb des Reaktorkerns sind an sich aus der US-PS 33 61 639 bekannt. Dort ist jedoch das Problem der Querströmungsbelastung nicht angesprochen; dort ist vielmehr die Strömung des Kühlmittels im wesentlichen aufwärts, also längs der Steuerstäbe bzw. längs deren Führungsrohrabschnitten gerichtet.

Die Ausbildung nach dem Erfindungsvorschlag bringt einen weiteren Vorteil mit sich, da sich unterschiedliche Muster für die Zusammenfassung der Steuerstäbe zu Gruppen bei im übrigen gleichem Reaktorkernaufbau verwirklichen lassen, ohne daß die Gestaltung des Aufbaus im Bereich zwischen der unteren und der dritten, mittleren Platte geändert zu werden braucht. Ein abweichendes Muster bedingt nur eine Änderung der Jocheinrichtungen und deren Führungsrohre.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kernreaktors gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Kernreaktors;

F i g. 2 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teiles des Kernreaktors der Fig. 1, welcher die Steuerstabführungen enthält;

F i g. 3 stellt im Längsschnitt einen der Steuerstab-Führungsrohrabschnitte dar;

Fig.& ist ein Teilquerschniti nach Linie 4-4 der F i g. 2 zur Erläuterung eines Steuermusters eines Kernreaktors.

In F i g. 1 ist ein Kernreaktor 20 mit einem Reaktorgefäß 22 und einem Reaktorkern 26 dargestellt. Der Reaktorkern 26 ist aus Brennstoffanordnungen 28 aufgebaut. Diese Brennstoffanordnungen 28 werden in ihrer Lage mittels einer Stützplatte 42 gehalten, welche öffnungen 44 hat, durch die das Kühlmittel in den

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Reaktorkern 26 eintreten kann. Den Reaktorkern umschließt ein ebenfalls an der Stützplatte 42 angeordneter Schutzschirm 29. Die Stützplatte 42 und der gesamte Kern werden von einer unteren Trageinrichtung 46 getragen, die wiederum von dem Kernmantel 48 getragen wird. Der Kernmantel 48 ist an der Schulter 52 des Reaktorgefäßes 22 mittels angeflanschter Enden aufgehängt

Die Bre.instoffanordnungen 28 sind an sich bekannt. Jede Brennstoffanordnung 28 weist mehrere Brennstoffstäbe 30 und mehrere hohle Führungskanäle 32 auf, die zwischen den Brennstoffstäben 30 angeordnet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel (vgl. ρ ig. 4) sind vier Führungskanäie 32 für jede Brennstoffanordnung 28 vorgesehen. Die Führungskanäie 32 sind an oberen und unteren Endplatten 34 und 36 befestigt und bilden das Tragskelett. Mit deu oberen Enden der Führungskanal 32 sind hohle fluchtende Verbindungsglieder 38 verbunden, die sich von der oberen Endplatte 34 der Brennstoffanordnung nach oben hin erstrecken, und es sind fluchtende Verbindungsglieder 40 vorgesehen, die sich von der unteren Endplatte 36 nach unten erstrecken und in die Stützplatte 42 eingreifen. Die Steuerung des Neutronenflusses im Reaktorkern 26 erfolgt in bekannter Weise durch die Verwendung von Steuerelementen, welche Neutronen absorbieren bzw. bremsen. In den Zeichnungen sind zwei Grundtypen von Steuerelementen dargestelW: Abschalt-Steuerelemente 56, 58 und Einzelsteuerelemente 60. Wie am besten aus F i g. 1 und 2 ersichtlich, weisen die Abschalt-Steuerelemente 56, 58 mehrere einzelne Steuerstäbe 102 auf, die miteinander so gekoppelt sind, daß sie als Einheit bewegt werden. Es sind zwei verschiedene Abschalt-Steuerelemente dargestellt eine Vierfingeranordnung 56, bei welcher die einzelnen Steuersläbe 102 zu einem Vierfingerjoch % verbunden sind, und eine Achtfingeranordnung 58, bei welcher die Steuerstäbe 102 zu einem Achtfingerjoch 98 vertunden sind. Die Joche 96, 98 sind jeweils durch Kupplungen 100 mit der Verlängerung 62 einer Antriebsstange verbunden. Die Verlängerungen 62 erstrecken sich durch Öffnungen 66 in dem Druckgefäßdeckel 24 und sind mit Steuerstab-Anlrieben 68 verbunden, die außerhalb des Reaktorgefäßes angeordnet sind. Die Antriebe 68 sind typischerweise elektromagnetische Linearantriebe, welche die Steuerstäbe 102 schrittweise in den Reaktorkern 26 und aus diesem heraus bewegen.

Die Einzelsteuerelemente 60 haben einen relativ niedrigen Neutronenabsorptionswert und sind vollständig und einzeln oberhalb des Kernes 26 durch Führungsrohre 92 ummantelt. Mit den Führungsrohren 92 sind Leitungen 64 durch eine Kupplung 63 verbunden und verlaufen durch eine öffnung 66 im Reaktorgefäßdeckel 24. Typischerweise verlaufen mehrere Leitungen 64 durch eine öffnung 66 und sind mit einem hydraulischen Betätigungsglied 70 verbunden. Das hydraulische Betätigungsglied 70 steuert die Position der Steuerstäbe 104 derart, daß sie entweder voll in den Kern hineinragen oder voll zurückgezogen sind.

Oberhalb des Reaktorkerns 26 sind zwei zueinander im Abstand befindliche Platten 80 und 82 angeordnet, die starr miteinander mittels mehrerer hohler Rohrabschnitte 84 verbunden sind, die sich in Längsrichtung erstrecken. Die Rohrabschnitte 84 ragen etwas über die Platten 82 und 80 hinaus (vgl. F i g. 3). Ein Tragmantel 86 ist starr an der Platte 82 befestigt und trägt die beiden Platten innerhalb des Kernmantels mittels eines Flanscheliedes 87, das an seinem oberen Ende ausgebildet ist, welches auf dem Flansch 50 des Kernmantels 48 aufliegt

Die hohlen Verbindungsglieder 38 auf der oberen Endplatte 34 der Brennstoffanordnungen 28 erstrecken sich in die unteren Verlängerungen der Rohrabschnitte 84. Die Platte 80 dient zum Ausrichten und Stützen der Brennstoffanordnungen und ais Niederhaltemechanismus, um zu verhindern, daß die Brennstoffanordnungen 28 durch das Kühlmittel aus ihrer Lage heraus nach oben gedrückt werden. Dies erfolgt durch die untere Verlängerung der Rohrabschnitte 84, die in einzelne Niederhalteplatten 35 eingreifen, die starr mit den fluchtenden Verbindungsgliedern 38 der Brennstoffanbrdnungen 28 verbunden sind Oberhalb der Platte 82 und fluchtend mit den oberen Verlängerungen der Rohrabschnitte 84 sind mehrere Führungsrohre 88, 90, 92 für die Steuerelemente vorgesehen. Die Führungsrohre 88, 90, 92 sind an einer Platte 94 befestigt. Die Steuerstäbe 102 und 104 von jedem der Steuerelemente erstrecken sich in die hohlen Rohrabschnitte 84 und werden in den Hohlräumen bewegt, die durch die Kanäle 32 und die Verbindungsglieder 38 der Brennstoffanordnungen 28 gebildet werden. Die Führungsrohre 8«, 90 für die verbundenen Steuerelemente 56,58 umgeben diese, so daß die Steuerstäbe 102 sich nicht nach außen verbiegen können, was ein wirksames Einsetzen im Notfall stören könnte.

Im Betrieb tritt das flüssige Kühlmittel in den Einlaß 75 ein und strömt nach unten um die Außenseite des Kerntragmantels 48. Das Kühlmittel fließt dann nach innen und durch die öffnungen in der unteren Trageinrichtung 46 nach oben und in die Stützplatte 42. Wenn das Kühlmittel durch den Reaktorkern 26 nach oben strömt, entzieht es die durch die Kernspaltung in den Brennstoffanordnungen 28 erzeugte Hitze. Das Kühlmittel strömt dann durch nicht dargestellte öffnungen in der Platte 80 in den Auslaßraum 74. Dann strömt das Kühlmittel durch eine öffnung 168 in dem Kerntragmantel und den Auslaß 76 zu einem (nicht dargestellten) Wärmeaustauscher nach außen und gelangt in herkömmlicher Weise durch den Wärmeaustauscher und zurück zu dem Einlaß 75. Während des normalen Betriebes strömt ein Teil des Kühlmittels durch die Rohrabschnitte 84 in den Raum 78 und durch nicht dargestellte Öffnungen in der oberen Platte 82 in den Auslaßraum nach unten. Dieses ist erforderlich, um die Kühlung der Steuerstäbe aufrechtzuerhalten. Dieser Teil des Strömungsweges wird nicht als ein Teil der primären Kühlschleife angesehen, da das Kühlmittel im Raum 78 bezüglich des Kühlmittels im Auslaßraum nahezu unbewegt ist.

Der Auslaßraum 74 ist notwendigerweise ein Bereich mit hohem Strömungsdurchsatz, in dem das Kühlmittel umgelenkt werden muß, um durch den Auslaß 76 zu gelangen. Der Hauptvorteil des beschriebenen Aufbaus besteht darin, daß die Steuerstäbe 102, 104 vollständig gegen die nachteiligen Wirkungen des Kühlmittelstromes im Auslaßraum 74 abgeschirmt sind. Dieses Ergebnis wird dadurch erreicht, daß die Rohrabschnitte nur je einen Steuerstab umschließen statt mehrere Stcuerstäbe; deshalb können die Rohrabschnitte leicht so ausgelegt werden, daß sie den notwendigen Schutz ergeben. Dagegen verbleiben die Jocheinrichtungen 96, 98 stets oberhalb der Platte 82, unabhängig davon, ob die Steuerstäbe 102 voll eingeschoben, voll zurückgezogen oder in einer Zwischenposition befindlich sind. Daher brauchen die locheinrichtungen 96, niemals dem hohen Querstrom ausgesetzt zu werden,

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dem der Auslaßraum 74 standhalten muß.

Die Rohrabschnitte 84 können fest mit den beiden Platten 80,82 in bekannter Weise, beispielsweise durch Schweißen, verbunden werden. Indessen wird die Platte 80 üblicherweise mit einer engen Toleranz hergestellt und ein Verschweißen der Rohre kann die Platte verziehen. Daher wurde bei der bevorzugten Ausführungsform eine mechanische Verbindung durch zwei konzentrische Rohre, nämlich einem inneren Rohr und einem zu diesem konzentrischen Rohr 110, verwendet. Es versteht sich, daß nur ein einziger Rohrabschnitt 84 in F i g. 3 dargestellt ist, um die Zeichnung zu vereinfachen. Gemäß F i g. 3 bildet das innere Rohr den Führungsrohrabschnitt 84 für den betreffenden Steuerstab und ist mit einer Schulter 112 am unteren Ende versehen, welche die untere Fläche der Platte 80 erfaßt. Es erstreckt sich durch die Platte 80 nach oben, durch das konzentrische äußere Rohr 110 und durch die Platte 82 und endet in einem kleinen Abstand darüber. Das konzentrische äußere Rohr 110 dient als Abstandselement zwischen den beiden Platten 80,82 und erfaßt die untere Fläche der Platte 82 und die obere Fläche der Platte 80. Der verringerte Durchmesser 116 und der erhöhte Durchmesser 117 auf der Innenfläche der Enden des äußeren Rohres 110 ergeben eine enge Passung zwischen dem äußeren Rohr 110 und dem innenliegenden Rohr. Die Enden des äußeren Rohres 110 bilden zwischen den Platten 82 und 80 eine Art Dichtung aus. In einer Seitenwand des äußeren konzentrischen Rohres 110 sind mehrere Löcher 114 vorgesehen, um zu verhindern, daß Luft in dem Ringraum zwischen den beiden konzentrischen Rohrabschnitten eingefangen wird. Auf das innere Rohr ist von oben eine Mutter 118 aufgeschraubt und dicht gegen die obere Rohrplatte 82 verschraubt, so daß die inneren Rohre verspannt werden und das äußere konzentrische Rohr 110 unter Druck gesetzt wird. Auf diese Weise wird eine starre Verbindung geschaffen, wobei die Platte 80 im Abstand von der Platte 82 gehalten wird. Auf die Mmter wird ein Verriegelungsglied 120 gesetzt und in Ausnehmungen 124 und 126 auf dem Rohr 84 und der Mutter 118 gebogen und dann mit der Platte 82 verschweißt, wie an der Stelle 122 dargestellt ist Dadurch werden die Mutter 118 und die konzentrischen Rohre starr verbunden.

Durch die Rohrabschnitte 84 erfolgt das Ausrichten der fluchtenden Verbindungsglieder 38 aller Brennstoffanordnungen 28, selbst jener ohne die Steuerstäbe 102 und 104. Die Anzahl und räumliche Verteilung (im folgenden »Muster« genannt) der Rohrabschnitte 84 hängt nur von der Anzahl der Verbindungsglieder 38 und dem Muster der Brennstoffanordnungen 28 ab. In dem erläuterten Ausführungsbeispiel hat jede der Brennstoffanordnungen vier Verbindungsglieder, und daher sind die Rohrabschnitte 84 in Vierer-Mustern angeordnet. Es ist ersichtlich, daß bei irgendeiner speziellen Anordnung der Brennstoffanordnungen 28 im Reaktor die Anordnung der Platten 80, 82 mit den Rohrabschnitten 84 als Standardeinheit hergestellt werden kann, unabhängig von dem verwendeten Muster der Steuerelemente. Wenn ein Muster für die Steuerelemente des Reaktors 20 endgültig festgelegt ist, kann dann einfach ein entsprechendes Führungsrohrmuster zum Ummanteln der Steuerelemente bzw. der Joche vorgesehen werden.

In F i g. 4 ist ein Steuermuster für einen Reaktor mit 217 Brennstoffanordnungen 28 dargestellt, wobei Vier-Finger-Steuerelemente 56, Acht-Finger-Steuerelemente 58 und Einzel-Steuerelemente 60 verwendet werden. Das Steuerelementemuster in F i g. 4 ist nur für einen Quadranten des Reaktors dargestellt und der Rest des Steuerelementemusters ist symmetrisch zu den beiden Achsen 170 und 172. Die Acht-Finger-Steuerelemente 58 sind derart bezüglich der Brennstoffanordnungen 28 positioniert, daß die Steuerstäbe 102 in drei seitlich angrenzende Brennstoffanordnungen 28 eintreten, wobei jeweils zwei Steuerstäbe 102 in die Kanäle der äußeren beiden Anordnungen 28 und vier Steuerstäbe 102 in die Kanäle der zentralen Brennstoffanordnung 28 ragen, die zwischen den beiden äußeren Brennstoffanordnungen 28 angeordnet sind. Bei den Vier-Finger-Steuerelementen 56 ragt jeder Steuerstab 102 in die Kanäle von jeweils einer Brennstoffanordnung 28. Die Einzel-Steuerelemente 60 sind über den Reaktorkern verteilt, wobei jeder Steuerstab 104 einzeln in einen Kanal 32 eintritt. Es ist möglich, daß alle Brennstoffanordnungen 28 Steuerelemente aufweisen. Man erzielt eine größere Flexibilität der Steuerung mit einer begrenzten Anzahl von öffnungen im Gefäßdeckel 24, indem mehrere Acht-Finger-Steuerelemente 58 verwendet werden, wobei die Steuerstäbe 102 in die drei Brennstoffanordnungen 28 eintreten, statt daß sie nur in eine Brennstoffanordnung eintreten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor mit einem Druckgefäß, in welchem ein Reaktorkern mit einer Vielzahl von Brennstoff anordnungen angeordnet ist, die ihrerseits aus Brennstoffstäben und Führungskanälen für Steuerstäbe bestehen, über welchen Kern sich zwei mit Abstand zueinander angeordnete Platten für die Halterung von Steuerstabführungsrohren erstrekken, zwischen denen das Druckgefäß eineri Querauslaß für die Kühlmittelströmung aufweist, wobei Steuerstäbe gruppenweise über eine locheinrichtung an einen gemeinsamen Antrieb angekoppelt sind, die ebenfalls in Führungsrohren bewegten sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den PJatten (80, 87) eine dritte Platte (82) über den Kern erstreckt, daß der Querauslaß (76) zwischen der unteren Platte (80) und der dritten Platte (82) mündet und daß zwischen der unteren Platte (80) und der dritten Platte (82) für jeden Steuerstab ein eigener Führungsrohrabschnitt (84) befestigt ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Platte (82) an dem Druckgefäß befestigt ist und daß die untere Platte an der dritten Platte (82) über die Führungsrohrabschnitte (84) aufgehängt ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Führungsrohrabschnitt aus einem inneren, unter Zug stehenden Rohr und einem äußeren, unter Druck stehenden Rohr besteht.