DE2340006C2

DE2340006C2 - Atomreaktor

Info

Publication number: DE2340006C2
Application number: DE2340006A
Authority: DE
Inventors: John Malcolm Whetstone Leicestershire Peberdy; Paul Heinz Walter Wolff
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1972-08-07
Filing date: 1973-08-07
Publication date: 1982-12-02
Also published as: FR2195823B1; DE2340006A1; US3971698A; JPS565359B2; JPS4985488A; GB1422796A; FR2195823A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Atomreaktoren des im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Typs.

In der Reaktorkernstruktur eines typisch mit Natrium gekühlten Schnellreaktors sind die Brennelementbündel von einer Kernboden-Tragstruktur oder einem Querrost getragen. Der Eintritt des Natriumkühlmittels in die Brennelementbündel findet an deren unteren Enden statt, d. h., im Bereich des Querrostes. Die Kühlmittelströmung verläuft durch die rohrförmigen Außengehäuse der Brennelementbündel über die Brennstoffstäbe, die darin aufgenommen sind, wobei die Wärme von den Brennstoffstäben durch das Kühlmittel abgezogen wird, welches durch die Gehäuse hindurchströmt. Die Strömungsrate der Kühlmittelströmung durch die Brennelementbündel wird durch eine Drosseleinrichtung gesteuert, die innerhalb der unteren Enden der Gehäuse der Brennelementbündel angeordnet ist

In der Kernstruktur eines Atomreaktors ändert sich die Verteilung der Gewinnrücklage des Neutronenflusses quer über die Brette der Kernstruktur; im allgemeinen hat der Neutronenfluß in der Mitte der Kernstruktur ein MaAimum und fällt an deren Umfang auf einen geringeren Wert ab.

Materialien, wie rostfreier Stahl, welche für die Herstellung der Brennelementbündel der beschriebenen Art verwendet werden, sind der Erscheinung des durch Bestrahlung induzierten Porenwachstum ausgesetzt. Diese Erscheinung hat ein körperliches Wachstum des Materials unter der Neutronenbestrahlung zur Folge, wobei das Maß des Wachstums abhängig ist von der Intensität des Neutronenflusses.

Brennelementbündel an gewissen Stellen in der Kernstruktur sind einem Neutronenflußgradient ausgesetzt. Wegen der fortschreitenden Verringerung des Neutronenflusses zu dem Umfang der Kernstruktur hin wird ein Brennelementbündel einem geringeren Neutronennuß auf seiner zur Außenseite der Kernstruktur hinweisenden Seite, und einem höheren Neutronenfluß an seiner der Mitte der Kernstruktur zugewendeten Seite unierworfen. Somit sind die beiden zur Außenseite und zur Innenseite der Kernstruktur zugewendeten Seiten des Gehäuses des Brennelementbündels einem unterschiedlichen Wachstuni unterworfen. Die der Mitte der Kernstruktur zugewendete Seite des Gehäuses des Brennelementbündels wird einem größeren Wachstum unterworfen als die der Außenseite der Kernstruktur zugewendete Seite. Dieses unterschiedliche Wachstum führt zu einem Verbiegen der Brennelementbündel, welci.ss zu Schwierigkeiten beim Betrieb des Reaktors führen kann. Beispielsweise kann das Verbiegen Schwierigkeiten beim Entfernen der Brennelementbündel aus der Kernstruktur während eines Nachfüllvorganges verur-Sachen.

Durch die Druckschrift DE-AS 12 34 335, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ist ein Atornkernreaktor bekannt, bei welchem durch eine Trennkonstruktion dafür gesorgt wird, daß die jeweils eine Doppelreihe bildenden Brennstoffstäbe einer jeden Brennelement-Einheit unmittelbar von einer erheblichen Menge an Moderator umgeben sind, wodurch die B^rennstoffstäbe jeder Brennelement-Linheit im wesentlichen im gleichen Neutronenfluß arbeiten sollen. Hierdurch wird aber nur jenen Mißständen abgeholfen, welche bei früheren Atomkernreaktoren dadurch aufgetreten sind, daß die Brennstäbe ungleichmäßig vom Moderator umgeben waren.
Trotz der Verbesserung in der Gleichmäßigkeit des Neutronenflusses tritt nach wie vor an mindestens einzelnen Brennstoffstäben ein Neutronenflußgradient auf, welcher die oben erwähnten, ungleichmäßigen Ablagerungen bildet

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgäbe der Erfindung, den bekannten >iomkernreaktor dahingehend weiterzubilden, daß die Bildung von Ablagerungen an den Brennstoffstäben mindestens so weit gemildert wird, daß keine nennenswerten Verbiegungen der Brennstoffstäbe mehr auftreten, welche das Ausziehen bzw. Auswechseln dieser Brennstoffstäbe beeinträchtigen könnten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst

Das durch Bestrahlung induzierte Porenwachstum ist nämlich bekanntlich temperaturabhängig. Ein Absenken der Betriebstemperatur in den Gehäusen der Brennelementbündel kann somit zu einer merklichen Verringerung des Ausmaßes der stattfindenden Verbiegung führen. Es wird nun erfindungsgemäß jedoch nicht die Kühltemperatur insgesamt abgesenkt, weil sonst der theoretische Wirkungsgrad der Anlage verringert würde, sondern durch die Drossel-Verteilereinrichtungen wird die Temperatur lediglich jenss Kühlmittelstromes abgesenkt, der im Außenkanal verläuft. Somit wird gerade an jener Stelle die Bildung von Ablagerungen vermindert, wo diese Ablagerungen früher zur Verbiegung geführt haben, und zwar ohne wesentliches Verschlechtern des Gesamtwirkungsgrades.

Somit führt der Betrieb der Gehäuse der Brennelemente bei einer verringerten Temperatur zu einer Verringerung des Ausmaßes der Verbiegung der Brennelementbündel aufgrund einer Verringerung des Ausmaßes

des durch Bestrahlung induzierten Porenwachstum im Gehäuse der Brennelementbündel.

Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist zusätzlich vorgesehen, daß die Außenreihe der Brennsioffstäbe des Brennstoffbündels Brutmaterial enthält, wohingegen d:e restlichen Brer.nstoffstäbe Spaltniaicrial enthalten. Auf diese Weise ist die Wärmeerzeugung in der Außenreihe der Brennstcffstäbe weiter herabgesetzt, was zu einer weiteren Verringerung der Temperatur des Aufl-sngehäuses des Brennstoffbündels führt

Ausfüf-rungsformen der Erfindung werden beispielhaft unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines Brennstoffelementbündels gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie H-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in

Fig. 1.

F i g. 5 einen Teillängsschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4, und

Fig. 6 eine Ansicht wie diejenige in Fig. 2, jedoch mit einem im Querschnitt kreisförmigen Gehäuse.

In F i g. 1 der Zeichnung ist ein Brennelementbündel eines Atomreaktors gezeigt, welches ein äußeres Gehäuse 1 mit sechseckigem Querschnitt aufweist. Das Gehäuse ist aus rostfreiem Stahl.

Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein Bündel von 36 Brutstäben 2 und von 127 Brennstoffstäben 3 angeordnet Die Brennstoffstäbe 3 erstrecken sich in Längsrichtung durch das Gehäuse 1 parallel zueinander und sind in Form eines sechseckigen Gitters angeordnet Die Brutstäbe 2 sind in einer äußeren Reihe angeordnet, welche das Bündel der Brennstoffstäbe 3 umgibt

Jeder der Brennstoffstäbe 3 umfaßt eine rohrförmige Hülle aus rostfreiem Stahl, in welcher nucleares Spaltmaterial in keramischer Form enthalten ist Abstandshalter für die Brinnstoffstäbe 3 weisen schraubenförmig gewickelten Draht 4 auf der Hülle jedes Brennstoffstabes 3 auf. Auch jeder der Brutstäbe 2 weist eine rohrförmige Hülle aus rostfreiem Stahl auf, in welcher nucleares Brutmaterial enthalten ist, welches ebenfalls in keramischer Form vorliegt Die Hüllen der Brutstäbe 2 sind ebenfalls mit schraubenförmig gewickelten Drähten 4 versehen, die als Abstandshalter dienen.

Die Brutstäbe 2 und die Brennstoffstäbe 3 werden an ihren unteren Enden innerhalb des Gehäuses 1 durch einen Boden-Tragrost 5 abgestützt, welcher auf einem Tragring 6 angebracht ist, der innerhalb des unteren Endes des Gehäuses 1 eingepaßt ist

Bezugnehmend insbesondere auf Fig. 2 ist der Außenring der Brutstäbe 2 von dem inneren Bündel der Brennstoffstäbe 3 durch eine Trennkonstruktion 7 getrennt Da das Gehäuse einen sechseckigen Querschnitt hat, hat es sechs flache Seiten 8. Die Trennkonstruktion 7 umfaßt sechs gesonderte Trennwände 9, welche sich in Längsrichtung innerhalb des Gehäuses 1 parallel zu den Innenflächen der Seiten 8 erstrecken. Jede der Trennwände 9 ist aus einem Streifen aus rostfreiem Stahlband gebildet, dessen Längskanten zur Ausbildung von Flanschen 10 abgebogen sind. Die Flansche 10 sind entlang der Innenecken zwischen benachbarten Seiten 8 des Gehäuses 1 angeschweißt. Auf diese Weise sind zwischen den Trennwänden 9 und den Innenflächen der Seiten 8 des Gehäuses 1 Du/jhlässe 11 gebildet. Jeder Durchlaß 11 nimmt die sechs Brutstäbe 2 auf. welche sich benachbart zu der betrtffend?r ¹V:. S des Gehäuses 1 erstrecken.

Vi/ie in F i g, ! gezeigt, ist eine Verlängerungshüise 12 in Ua-, uniüre Ende des Gehäuses 1 eingepaßt. Die Verlänjterungshülse 12 hat einen sechseckigen Querschnitt, weither zu dem Querschnitt des Gehäuses 1 korrespu·.; diert Das Ende des Gehäuses 1 greift an einem Außer, rand 13 an der Verlängerungshülse 12 an und ist an der Hülse mittels einer am Umfang verlaufenden Stirnschweißnaht 14 befestigt. Die Verlängerungshülse 12 hat eine Bohrung 15 mit kreisförmigem Querschnitt An ihrem oberen Ende öffnet sich die Bohrung 15 in eine konische Einlaufstelle 16. An ihrem unteren Ende hat die Bohrung 15 eine Gegenbohrung 17 mit größerem Durchmesser. Eine Haupt-Drosseleinrichtung 18 ist in die Bohrung 15 der Verlängerungshülse 12 eingepaßt Die Drosselanordnung 18 umfaßt eine Außenhülse 19, welche mit enger Passung in die Bohrung 15 eingesteckt ist, sowie eine Futterhülse 20, weiche in Längsrichtung in zwei Hälften 21 geteilt ist ur^J in die Außenhülse 19 eingepaßt ist, sowie eine Anzahl von Torusringen 22, weiche Siebscheiben 23 aus Draht aufweisen und in Ringnuten 24 eingepaßt sind, die innerhalb der Klemmhülse 20 in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind. Das untere Ende der Trennkonstruktion "/ ist so gestaltet, daß es um das obere Ende der Außenhülse 19 der Drosselanordnung 18 paßt.

Sechs Längsschlitze 25 in der Bohrung 15 der Verlängerungshülse 12 bilden die Verbindung zwischen der konischen Einlaufstelle 16 an dem oberen Ende der Bohrung 15 und der Gegenbohrung 17 an dem unteren Ende der Bohrung 15. Die Längsschlitze 25 in der Bohrung 15 der Verlängerungshülse 12 sind auf die Durchlässe 11 ausgerichtet

Wie in F i g. 3 gezeigt, ist ein Drosselring 26 in der Gegenbohrung 17 an dem unteren Ende der Bohrung 15 in der Verlängerungshülse 12 eingepaßt. Der Drosselring 26 paßt um einen vorspringenden Umfangsbunc? 27 an der Außenhülse 19 der Drosselanordnung 18. Der Drosselring hat sechs Durchtrittsöffnungen 28, welche zu der· sechs Längsschlitzen 25 in der Bohrung 15 der Verlängerungshülse 12 korrespondieren.

Ein Ständer 29 an dem unteren Ende des Brennelementbündels weist an seinem oberen Ende eine Paß- « hülse 30 auf. Die Paßhülse 30 hat einen Kopf 31, welcher in der Form dem unteren Ende der Verlängerungshülse 12 entspricht, mit welcher er verbunden ist Die Paßhülse 30 hat eine äußere zylindrische Lagerfläche 32 von geringerem Durchmesser als der Kopf 31, und eine Bohrung 33. Der Kopf 31 der Paßhülse 30 hat einen Umfangsstutzen 34, welcher in das untere Ende der Verlängerungsiiülse 12 paßt Wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, sind die Verlängerungshülse 12 und die am oberen Ende des Ständers angeordnete Paßhülse 30 mittels zwölf hochzugfesten Kopfschrauben 35 aneinander befestigt, welche sich, wie in F i g. 3 gezeigt, durch äußere Längsschlitze 36 in dem Drosselring 26 erstrecken. Wie in den Fig. 1 und 4 gcr-igt, führen sechs Längsschlitze 37 in dem Kopf 31 dei Pai>nülse 30 von der darin angeoidneten Bohrung 33 und sind auf die Durchtrittsöffnungen 28 in dem Drosselring 26 und mit den Längsschlitzen 26 in Jer Bohrung 15 der Verlängerungshüise ^ausgerichtet.

Der Ständer 28 ."iridDt außerdem einen Ho'm 38.

welcher sich koaxial von der Pi,Bhülse 30 aus erstreckt.

Der Holm 38 hat drei sich radial erstickende Vertcilerarme eines Verteilerkreuzes an seinen oberen Ende.

Die Verteilerarme 39 Dassen >n das obere Ende der

Bohrung 33 in der Paßhülse 10. Die Bohrung 33 der Paßhiilse 30 weist entlang ihres Umfangs einen Innenbund 40 auf. Die Verteilerarme 39 des Holmes 38 haben Absätze 41 an den Enden ihrer Außenflächen 42, welche Absätze 41 in den Innenbund 40 in der Bohrung 33 der Paßhiilse 30 eingreifen und so den Holm 38 in Längsrichtung gegenüber der Paßhülse 30 festlegen.

Das untere Ende des Holmes 38 hat einen zylindrischen Bund 43, über welchen ein unterer Nasensteg 45 aufgepaßt ist. Der Nasensteg 45 weist eine äußere zylindrische Lagerfläche 46 auf, und ist an dem zylindrischen Bund 43 des Holmes 38 mittels zwei geraden Stiften 47 festgelegt, die in Löchern in dem Körper des unteren Nasensteges 45 gesichert sind und einen losen Halt für den Holm 38 bilden. Die Stifte greifen in eine Nut 48 rings dem zylindrischen Bund 43 des Holmes 38 ein.

Eine Filteranordnung 49, die ein Teil des Ständers 29 bildet, umfaßt einen oberen und einen unteren Haltering

50 und 51, welche durch Längsstangen 52 verbunden sind. Die Stangen 52 werden in ihrem mittleren Bereich durch lnnenringe 53 auf Abstand gehalten, welche in Nuten 54 in den Stangen 52 eingreifen. Der obere Haltering 50 der Filteranordnung 49 paßt um einen Ansatz 55 an dem unteren Ende der Paßhülse 30 des Ständers 29. Der untere Haltering 51 der Filteranordnung 49 paßt um einen Ansatz 56 an dem oberen Ende des Nasenstükkes 45 des Ständers 29. Die Stützstruktur der Filteranordnung 49 mit dem oberen und unteren Haltering 50,

51 und den Längsstangen 52 ist durch eine Filterhülse 57 aus einem Drahtnetz abgedeckt.

Während des Betriebs bildet das Brennelementbündd aus F i g. 1 einen Teil der Kernstruktur eines Atomreaktors, wobei der Ständer 29 in eine Kernboden-Tragstruktur oder in einen Querrost 58 eingesetzt ist. Der Querrost 58 umfaßt eine Überplatte 59 und eine Unterplatte 60. Der Ständer 29 paßt in den Querrost 58, wobei die zylindrische Lagerfläche 32 der Paßhülse 30 in ein Loch 61 in der Oberplatte 59 des Querrostes 58 paßt und das untere Nasenstück 45 des Ständers 29 in ein Loch 62 in der Unterplatte 60 des Querrostes 58 paßt.

Im Betrieb des Reaktors wird ein flüssiges Natrium-Kühlmittel in das Brennelementbündel von dem Raum zwischen der Oberplatte 59 und Unterplatte 60 des Querrostes 58 hindurchgeleitet. Das Natrium strömt in das Brennstoffbündel durch die Filteranordnung 49 des Ständers 29. Der Haupt-Natriumstrom verläuft durch die Haupt-Drosselanordnung 18 und dann über die Gruppe von Brennstoffstäben 3 innerhalb der Trennkonstruktion 7 innerhalb des Gehäuses 1. Ein Teil des Natrium strömt jedoch durch die Durchtrittsöffnungen 28 in dem Drosselring 26 und dann durch die Längsschlitze 25 in der Bohrung 15 der Verlängerungshülse 12, so daß es in die Durchlässe 11 eintritt, weiche zwischen den Trennwänden 9 und den Innenflächen der Seiten 8 des Gehäuses 1 gebildet sind. Das Natrium strömt aufwärts durch die Durchlässe 11 entlang den Brutstäben 2, die darin aufgenommen sind Es ist Vorsorge getroffen, daß die Rate des Natriumstromes durch die Durchlässe 11 entlang den Brutstäben 2 größer ist als die Rate des Natriumhauptstromes entlang den (Irennstoffstäben 3. Auf diese Weise hat das entlang den Brutstäben 2 strömende Natrium eine geringere Temperatur, als das entlang den Brennstoffstäben 3 strömende Natrium. Das entlang den Brutstäben 2 strömende Natrium hat auch schon von vorneherein eine niedrigere to Temperatur wegen der Erzeugung von weniger Wärme in den Brutstäben 2. Dies bedeutet, daß dos Gehäuse 1 des Brennelementbündels bei einer geringeren Temperatur betrieben wird als sie vorhanden wäre, wenn das Gehäuse der Temperatur des Haiipt-Natriurnbtroms π entlang den Brennstoffstäben 3 ausgesetzt wäre. Der Betrieb des Gehäuses 1 des Brennelementbündels bei einer geringeren Temperatur verringert das Ausmaß des durch Bestrahlung induzierten Porenwachsturm, welches im Gehäuse 1 des Brennelementbündels stattfindet. Wenn daher das Brennelementbündel an einer Stelle in dem Reaktorkern angeordnet ist, wo ein Quergradient im Neutronenfluß vorhanden ist, ist somit das Ausmaß der Verbiegung des Brennelementbündels aufgrund eines unterschiedlichen Wachstums des Gehäuses unter der Bestrahlung verringert.

Der Drosselring 26 kann in seiner Winkelposition vor dem Beladen des Brennelementbündels in den Reaktorkern eingestellt werden, so daß das Maß eingestellt wird, mit welchem sich die Durchtrittsöffnungen 28 in dem Drotselring mit den Längsschlitzen 25 in der Bohrung der Verlängerungshülse 1.2 überdecken. Dadurch kann der Anteil des Natriumstromes entlang der Bruistäbe 2 im erforderlichen Ausmaß voreingestellt werden.

In Fig. 6 ist em Brenneij.^:...ntbundel mit einem Gehäuse 1 mit kreisförmigem Querschnitt gezeigt. Die Trennwände 9 sind mit zusätzlichen eingepaßten Futterstücken 63 versehen, welche die Brutstäbe 2 an den Innenseiten des Gehäuses 1 festlegen. Die Futterstücke 63 erstrecken sich kontinuierlich über die gesamte Länge der Trennwände 9. Sie können jedoch sich auch diskontinuierlich entlang der Länge der Trennwände 9 erstrecken, so daß sie lediglich lokale Stützstellen bilden. Di? kontinuierlichen Futterstücke 23 bilden offene Kanäle tür den Kühlmittelstrom. Alternativ können sie jedoch auch so ausgebildet sein, daß sie stillstehende Säulen aus Kühlmittel einschließen.

An dem oberen Ende des Brennelementbüüdels kann eine Vermischung der voneinander getrennten Natriumströme von jeder Seite der Trennwände 9 zr elassen werden, wodurch eine gleichmäßige Außentemperatur des aus dem Brennstoffbündel austretenden Kühlmittels erreicht wird. Dies kann mittels V-Schlitzen erzielt werden, die in die oberen Enden der Trennwände 9 eingeschnitten sind und eine zunehmende Vermischung der beiden Ströme zulassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor mit einer Kernstruktur, welche eng gepackte parallele- Brennelementbündel aufweist, von denen jedes eine Gruppe von im Abstand angeordneten Brennstoffstäben umfaßt, die parallel zueinander innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses angeordnet sind, wobei jedes Brennelementbündel eine sich in Längsrichtung erstreckende Trennkonstruktion aufweist, welche innere und äußere, konzentrisch zueinander liegende Strömungskanäle für das Kühlmittel entlang dem Gehäuse bilden, wobei eine äußere Gruppe von Brennstoffstäben in dem Außenkanal und der Rest der Brennstoffstäbe des Bündels in inneren Kanälen aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Brennelementbündel nur eine einzige solche Trennkonstruktion (7) aufweist, und
daß Drossel- tind Verteilereinrichtungen (18,26) zur Beschränkung des Kühlniittelstromcs durch die Kanäle derart vorgesehen sind, daß die Temperatur des Kühlmittelstromes in dem Außenkanal geringer ist, als diejenige in dem Innenkanal.

2. Atomkernreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Außenreihe der Brennstoffstäbe (2) Brutmaterial enthalten, und

daß die restlichen Brennstoffstäbe (3) Spaltmaterial enthalten.