DE2332953C2 - Kernreaktor-Moderatorblock - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen prismatischen, brennstoffhaltigen Kernreaktor-Moderatorblock mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

In einem Hochtemperaturreaktor kann der Brennstoff bei einer Im Vergleich zu früheren Reaktortypen wie beispielsweise dem fortgeschrittenen gasgekühlten Reaktor (FGGR) höheren Temperatur betrieben werden, was einen besseren Betrtebswlrkungsgrad des Reaktors gestattet. Hler müssen die Core-Bestandteile den auftretenden höheren Temperaturen standhalten, Sie sind aus KeramikroaterJal oder Graphit for den Moderator und als Material für die Brennstoffbehälter, und Urandioxyd als Brennstoff. Bei der »integrierten Blockbauweise«, bei welcher die den Moderator-Core bildenden, aufeinandergestapelten Graphitblöcke gleichzeitig auch als Behälter

ίο für den Brennstoff dienen, derart daß keine gesonderte Ummantelung für den Brennstoff erforderlich ist, ist der In einem derartigen Block enthaltene Brennstoff jeweils In einem ersten Satz von parallelen Kanälen enthalten, welche sich durch den Block erstrecken und an ihren

f Enden verschlossen sind. Der Block ist ferner mit einem weiteren Satz von Kanälen versehen, die parallel zu den ersten Kanälen verlaufen und sich durch den ganzen Block von Stirnseite zu Stirnseite erstrecken,, und durch welche das Kühlmittel zur Abfuhr der von dem Brennstoff erzeugten Wärme geleitet wird. Die Kanäle der zweiten Gruppe (d. h. die Kühlmittelkanäle) sind zwischen den Kanälen der ersten Gruppe (d. h. den den Brennstoff aufnehmenden Kanälen) so verteilt, daß eine wirksame Abfuhr der erzeugten Wärme erzielt wird.

Brennstoffhaltige Moderatorblöcke dieser Art sind beispielsweise in der britischen Patentschrift 1101600 beschrieben.

Beim Entwurf und bei der Konstruktion derartiger Brennstoffhaitiger Moderatorblöcke ist es wichtig, daß nicht nur eine wirksame Abfuhr der erzeugten Wärme gewährleistet wird, sondern daß ferner auch gewährleistet ist, daß die in dem Block infolge von Temperaturdifferenzen und strahlungsinduzlerten Effekten auftretenden Spannungen und Belastungen die zulässigen Festigkeitswerte des Blockmaterials selbst bei den auftretenden hohen Temperaturen nicht überschreiten. Um dies zu gewährleisten, ist es erwünscht, Temperaturdifferenzen innerhalb der Blöcke sowohl an seinen Seitenflächen als auch in den von den Seitenflächen und evtl. in dem Block vorgesehenen Handhabungs- oder Steuerstaböffnungen entfernten Bereichen soweit als möglich zu verringern. Innerhalb des Blockkörpers läßt sich mit verschiedenen regelmäßigen, gleichförmigen Verteilungen der Kühlmittelkanäle und der Brennstoffkanäle eine geeignet gleichmäßige Temperaturverteilung erzielen. Jedoch ergeben nicht alle diese Verteilungen den erwünschten Grad von Gleichmäßigkeit der Temperatur an den Seitenflächen des Blocks und In der Nähe von Steuerstab- oder Handhabungskanälen.

So ergibt sich beispielsweise bei der bekannten Moderatorblockausbildung nach der oben erwähnten britischen Patentschrift Il 01 600 eine solche Verteilung der Kühlmittelkanäle und der brennstoffhaltigen Kanäle, daß jeweils an jeder Seitenfläche eines Moderatorblocks

benachbart und parallel zu dieser eine aus miteinander abwechselnd angeordneten Kühlmittelkanälen und brennstoffhaltigen Kanälen bestehende Reihe zu liegen kommt. Dies hat eine erhebliche Ungleichförmigkeit der Temperaturverteilung über die Seitenfläche des Blocks

hin zu Folge.

Aus der belgischen Patentschrift 7 78 684 Ist eine Moderatorblockausbildung mit zueinander und zu den Seitenflächen des Blocks parallelen Kühlmittel- und Brennstoffkanälen bekannt, wobei die Brennstoffkanäle in Reihen gemäß einem Gittermuster von gleichseitigen Dreiecken angeordnet sind und jeweils In der Mitte eines derartigen Trlpels von Brennstoffkanälen und in gleichen Abständen von diesen ein Kuhlmittelkanal vorgesehen

ist. Die gleichseitigen Dreiecke, in deren Eckpunkten die Brennstoffkanal angeordnet sind, sind dabei mti ihren Seiten parallel zu den Seitenflächen des Moderatorblocks ausgerichtet. Hierdurch und in Verbindung mit dem Umstand, daß die Brennstoffkanäle einen wesentlich größeren Durchmesser als die Kohlmittelkanäle besitzen, ergibt sich eine solche relative Verteilung der Kühlmittelkanäle und der Brennstoffkanal, daß jeweils benachbart den Seitenflächen des Blocks parallel zu der Seitenfläche und zueinander jeweils zwei Reihen von Kanälen, die sämtlich Kahlmittelkanäle sind, zu liegen kommen. Hierdurch ergibt sich zwar etwa gegenüber der bekannten Anordnung nach der britischen Patentschrift 11 01 600 eine recht gleichförmige Temperaturverteilung längs der Moderatorblockseitenflächen, da jedoch die beiden äußersten Reihen ausschließlich Kühlmittelkanäle enthalten, ergibt diese bekannte Anordnung eine übermäßige Kühlung der oberflächennahen Bereiche des Blocks relativ gegenüber den weiter einwärts gelegenen Bereichen und damit eine stark ungleichförmige Temperaturverteilung in Radialrichtung.

Der Erfindung liegt als Aufgabe eine weitere Verbesserung der Temperaturverteilung in einem brennstoffhaltlgen Moderatorblock der eingangs genannten Art mit gemäß einem Muster angeordneten brennstoffhaltigen Kanälen und Kühlmittelkanälen zugrunde, derart, daß sowohl in Richtung über die Seitenflächen des Moderatorblocks hin als auch in radialer Richtung eine gute Gleichförmigkeit der Temperaturverteilung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei dem Moderatorblock der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise die Seitenflächen des Blocks parallel zu den Reihen von Kanälen der ersten Art verlaufen und daß die den einzelnen Seitenflächen nächstgelegenen Kanäle jeweils in zwei zu dieser Seitenfläche parallelen Reihen angeordnet sind, wobei eine der beiden Reihen nur Kühlmittelkanäle enthält, und daß die andere der beiden Reihen nur brennstoffhaltige Kanäle aufweist.

Vorzugswei^ri ist vorgesehen, daß die in Reihen gemäß einem Gittermuster von gleichseitigen Dreiecken angeordnete erste Art von Kanälen die Kühlmittelkanäle und die jeweils innerhalb jeder Gruppe von drei einander benachbarten Kühlmittelkanälen und in gleichen Abständen von diesen angeordneten Kanäle der anderen Art die brennstoffhakigen Kanäle sind.

Durch die Ausbildung gemäß der Erfindung wird einerseits eine hohe Gleichförmigkeit der Temperaturverteilung längs der Moderatorblockseitenflächen gewährleistet, da die zur Seitenfläche parallele äußerste Reihe von Kanälen jeweils nur Kanäle der einen Art (Kühlmittelkanäle oder bnnnsloffhaltige Kanäle) enthält, gleichzeitig wird aber auch eine gute Gleichförmigkeit In radialer Richtung erzielt, da die beiden zueinander und zu den Seitenflächen parallelen äußersten Reihen von Kanälen jeweils voneinander verschiedene Arten von Kanälen enthalten, derart, daß beispielsweise ein übermäßig starker Temperaturabfall in Richtung auf die Seitenfläche durch Fehlen von brennstoffhaltigen Kanälen In den oberflächennahen Bereichen des Moderatorblocks vermieden wird.

Vorzugswelse ist der Block als Prisma mit einer Grundfläche In Form eines regelmäßigen Sechsecks ausgebildet, wobei die den jeweiligen Seitenflächen nächstbenachbarten Reihen der Randrclhen von Kanälen jeweils nur Kanäle dei einen Art enthalten.

Im folgenden werden A !isführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt Flg. I die Anordnung und Verteilung der den Brennstoff aufnehmenden Kanäle und der Kühlmittelkanäle in einem brennstoffhaltigen Moderatorblock gemäß einer ersten bekannten Ausführungsform nach dem Stande der Technik;

Fig, 2 eine entsprechende Darstellung für eine weitere bekannte Ausführung eines brennstoffhaltigen Moderatorblocks nach dem Stande der Technik;

Fig, 3 und 4 entsprechende Darstellungen der Anordnung und Verteilung dei den Brennstoff aufnehmenden Kanäle und der Kühlmittelkanäle in brennstoffhaliigen Moderatorblöcken gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 betrifft einen brennstoffhaltigen Moderatorblock in Form eines Prismas mit einem regelmäßigen Sechseck als Grundfläche, nach dem Stande der Technik wie in der britischen Patentschrift 11 01 600 beschrieben. Die Zeichnungsfigur zeigt die Anordnung der brennstoffhaltigen Kanäle und der Kühlmittelkanäle in einem Sechstel des Blocks (d. h. zwischen der Mittelachse II des Blocks und seiner einen Seitenfläc'-i- 12). Die angrenzenden Seitenflächen 13 und 14 sind teilweise angedeutet. Die Kanalanordnung in den sämtlichen (»licht dargestellten) übrigen fünf Sechsteln des Blocks ist die gleiche wie in dem in der Zeichnungsfigur dargestellten Sechstel, d. h. die Kühlmittelkanäle 15 (deren Lage in der Zeichnungsfigur durch kleine Kreise bezeichnet ist) sind in Reihen gemäß einem Gittermuster von gleichseitigen Dreiecken angeordnet, während die einzelnen den Brennstoff aufnehmenden Kanäle 16 (deren Lage in der Zeichnungsfigur durch Sternchen angedeutet ist) jeweils unmittelbar zwischen zwei untereinander benachbarten Kühlmittelkanälen 15 und in gleichen Abständen von diesen angeordnet sind. Anders ausgedrückt: Jeweils jede Gruppe von drei benachbarten Kühlmittelkanälen 15 bilden ein gleichseitiges Dreieck (in der Zeichnungsfigur ist ein derartiges Dreieck 17 gestrichelt dargestellt) und drei brennstoffhaltige Kanäle 16 sind jeweils an den Mittelpunkten der Seitenkanten des erwähnten Dreiecks angeordnet.

Die Seitenflächen des Blocks verlaufen jeweils, wie die Seitenfläche 12, parallel zu einer eine der Reihen von Kühlmltteikanälen 15 enthaltenden Ebene, oder in anderen Worten: parallel zu einer der Selten des Dreiecks 17.

Die in Fig. 1 veranschaulichte bekannte Anordnung ist unter dem Gesichtspunkt der gleichmäßigen Temperaturverteilung im Betrieb nicht zufriedenstellend, und zwar zum einen, weil diese Anordnung sowohl In der Nähe der Seitenflächen des Blocks wie auch entfernt von diesen zu Bündeln von jeweils drei brennstoffhaltigen Kanälen 16 (beispielsweise dem in der strichpunktierten Kreislinie eingeschlossenen Bündel 18) ohne dazwischen befindlichem Kühlmittelkanal führt, und zum zweiten wdl twi dieser Anordnung benachbart jeder Seitenfläche des Blocks jeweils eine aus miteinander abwechselnd angeordneten Kühlniittelkanälen 15 und Brennsioffkaniilen 16 bestehende Reihe zu liegen kommt.

Eine andere bekannte Anordnung nach dem Stande der Technik Ist in Flg. 2 dargestellt, die wie Fig. 1 die Anordnung von Kühlmittelkanälen 15 (Kreise) und brennstoffhaliigen Kanälen 16 (Sternchen) In einem Sechstel eines Moderatorblocks In Form eines Prismas mit einem regelmäßigen Sechseck als Grundfläche darstellt, wobei von dem Block die Mittelachse 11 und wenigstens Teile vor drei Seitenflächen 12, 13 und 14 dargestellt sind. Auch bei dieser Anordnung sind die Kühlmltlelkanäle 15 In Reihen gemäß einem Glttermu· ster aus gleichseitigen Dreiecken angeordnet, derart, daß

Jewells drei einander benachbarte KUhlmlttelkanitle 15 ein gleichseitiges Dreieck 17 bilden. In diesem Falle liegen jedoch die den Brennstoff aufnehmenden Kanäle nicht entlang den Seitenlinien, sondern in den Mittelpunkten der Dreiecke 17. Hierdurch wird der erste Nachteil der In Fig. I gezeigten bekannten Anordnung vermieden, dabei der in Flg. 2 gezeigten Anordnung keine Bündel von je drei brennstoffhaltigen Kanälen nach Art der Bündel 18 In Flg. I auftreten. Jedoch Ist vom Standpunkt der gleichförmigen Temperalurverteilung an den ScltcnflHchcn des Blocks die In Flg. 2 gezeigte bekannte Anordnung eher noch nachteiliger als die In Fig. I. da bei der Anordnung gemäß Fig. 2 die zu den Seitenflächen parallelen und ihnen unmittelbar benachbarten Reihen von Kanälen jeweils aus Paaren von brennstoffhaltlgen Kanälen, statt je einzelnen Brennstoffkanälen, in Abwechslung mit Kühlmittelkanälen 15 bestehen. Man erkennt, daß in Fig. 2 die Seitenflächen 12 usw. des Blocks nicht paraiici zu den Seiten des Dreiecks J7 sind. Bei der in Flg. 3 gezeigten Ausführungsform einer Anordnung gemilß der Erfindung wird - was ihre gegenseitige Lage anlangt - von dem gleichen Anordnungsmustcr der Kühlmittel- und der Brennstoffkanal wie In Flg. 2 Gebrauch gemacht, jedoch unter Zugrundelegung einer anderen Orientierung dieses Anordnungsmusters bezüglich den Seitenflächen des Blocks. Flg. 3 veranschaulicht die Anordnung und Verteilung von Kühlmittelkanälen 15 und brennstoffhaltigen Kanälen 16 In einem Sechste¹ eines regelmäßig sechseckigen prismatischen Moderatorblocks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei der Block wiederum eine Mittelachse 11 und Seitenflächen aufweist, von welchen drei mit 12, 13 und 14 bezeichnet dargestellt sind. Wie im Fall der Fig. 2 sind die Kühlmittelkanäle 15 in Reihen gemäß einem Gittermuster von gleichseitigen Dreiecken angeordnet, derart, daß jeweils drei untereinander benachbarte Kühlmittelkanäle ein gleichseitiges Dreieck 17 bilden Die brennstoffhaltigen Kanäle 16 sind jeweils im Mittelpunkt dieser Dreiecke angeordnet und damit in gleichen Abständen von den drei benachbarten Kühlmittelkanälen 15. Bei der In Fig. 3 gezeigten Ausführung gemäß der Erfindung sind jedoch die einzelnen Seitenflächen 12 usw. des Blocks jeweils parallel zu einer der Seiten der Dreiecke 17 und damit zu einer Ebene, welche eine der genannten Reihen von Kühlmittelkanälen 15 enthält. Wie im Fall der Fig. 2 gibt es keine Bündel von drei Brennstoffkanal^ 16 ohne da/wischen liegenden Kuhlmittelkanal und im Unterschied zu sowohl der Flg. I als auch der Flg. 2 sind die jeweils jeder Seitenfläche wie beispielsweise der Fläche 12 nächst benachbarten Kanäle in zwei zur Seitenfläche parallelen Reihen angeordnet, und zwar einer unmittelbar der Seitenfläche

12 benachbarten Reihe 18. welche nur Kuhlmltielkanäle 15 enthält, und der anderen Reihe 19, welche nur brennstoffhaltlge Kanäle 16 enthält, wodurch die Glelchiörmlgkeit der Temperaturverteilung an den Seitenflächen des Blocks entsprechend verbessert wird.

Wenngleich in ''Ig. 3 keine Kanäle /ur Aufnahme von Steuerstäben oder /ur Handhabung der Blocke dargestellt sind, kftnnen diese selbstverständlich in bekannter Weise vorgesehen werden und zwar vorzugsweise symmetrisch bezüglich des Ciitlermusters und in solcher Weise, daß jeweils sämtliche unmittelbar benachbarten Kanüle Kühlmlttclkanälc 15 und nicht Brennstoffkanal 16 sind. So kann beispielsweise ein SicucfSidlmitn.il Oiief !!iii'iui'idbuneskanal anstelle eines Kühlmittelkanals 15 und der umgebenden sechs brennstoffhaltigen Kanäle 16 vorgesehen werden.

Die In Flg. 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung entspricht weitgehend der Ausführungsform nach Fig. 3.

mit dem Unterschied, daß die der Seitenfläche 12 benachbarte Reihe 18 von Kühlmiuelkanälen und die angrenzende Reihe 19 von brennstoffhaliigcn Kanälen fortgelassen sind, wie auch die den anderen Seitenflächen wie beispielsweise den Seitenflächen 13 und 14 benachharten entsprechenden Reihen von Kühlmittclkanülcn und Brennstoffkanälen. Die einzelnen Seitenflächen 12,

13 und 14 liegen der Mittelachse 11 des Blocks näher als in Fig. 3. Daher sind über den Hauptteil des Blocks in dem von den Seitenflächen entfernten Bereich keinerlei Bündel von jeweils drei Brennstoffkanälen ohne dazwischenliegendem Kühlmittelkanal, da jeweils jeder brennstoffhaltige Kanal 16 im Mittelpunkt eines gleichseitigen Dreiecks 17 aus Kühlmittelkanälen 15 liegt. Ferner sind die den einzelnen Seitenflächen wie etwa der Seitenfläche 12 benachbarten Kanäle in zwei zur Seitenfläche parallelen Reihen angeordnet, und zwar einer der Seitenfläche 12 unmittelbar benachbarten Reihe 20. welche nur Brennstoffkanäle 16 aufweist, und einer anderen Reihe 21. welche nur Kühlmittelkanäle 15 enthält, wodurch eine gleichförmige Temperaturverteilung an den Seitenflächen des Blocks erzielt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentanspröche:

1. Prismatischer, brennstorfhaltlger Kernreaktor-Moderatorblock, welcher zwei Arten von Kanälen, nämlich KOhiinlttelkanäle und den Brennstoff aufnehmende Kanäle parallel zueinander und zu den Seitenflächen des Blocks aufweist, wobei eine Art von Kanälen in Reihen gemäß einem Gittermuster von gleichseitigen Dreiecken und die andere Art von Kanälen in einem regelmäßigen Gittermuster so angeordnet sind, daß jeweils ein Kanai der anderen Art Innerhalb jeder Gruppe von drei einander benachbarten Kanälen der ersten Art und in gleichen Abständen von diesen angeordnet Ist, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Seitenflächen (12,13,14, FIg. 3 und 4) des Blocks parallel zu den Reihen von Kanälen der ersten Art verlaufen und daß die den einzelnen Seitenflächen nächstgelegenen Kanäle jeweils In zwei zu dieser Seltenfläche parallelen Reihen (18,19, Fig. 3:20. 21, Fig. 4) angeordnet sind, wobei eine der beiden Reihen nur Kühlmittelkanäle enthält, und daß die andere der beiden Reihen nur brennstoffhaltige Kanäle aufweist.

2. Moderator-Block nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die In Reihen gemäß einem Gittermuster von gleichseitigen Dreiecken angeordnete erste Art von Kanälen die Kühlmittelkanäle (15) und die jeweils Innerhalb jeder Gruppe (17) von drei einander benachbarten Kuhlmittelkanälen und in gleichen Abständen von diesen angeordneten Kanäle der anderen Art die brennstoffhaltigen Kanäle (16) sind.

3. Moderatorblock nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, da3 die der jeweiligen Seitenfläche nächstgelegene Reihe l-t beiden Randreihen von Kanälen nur Kühlmittelkanäle (15) aufweist.

4. Moderatorblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der jeweiligen Seitenfläche nächstgelegene Reihe der beiden Randreihen von Kanälen nur brennstoffhaltige Kanäle (16) aufweist.

5. Moderatorblock nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block in Form eines Prismas mit einem regelmäßigen Sechseck als Grundfläche ausgebildet ist und daß die den einzelnen Seitenflächen des Prismas nächstgelegenen Reihen von Kanälen jeweils nur Kanäle einer Art aufweisen.

6. Moderatorblock nach einem oder mehreren der verhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer bezüglich dem Gittermuster symmetrischen Anordnung weitere Kanäle zur Aufnahme von Steuerstäben oder zur Handhabung des Blocks aufweist.

7. Moderatorblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einem Steuerstabkanal nächstbenachbarten Kanäle Kuhlmittelkanäle sind.

8. Moderatorblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß !e einem Handhabungskanal nächstbenachbarten Kanäle Kühlmittelkanäle sind.