DE2528120A1 - SUPPORTING STRUCTURE FOR A NUCLEAR REACTOR CORE - Google Patents
SUPPORTING STRUCTURE FOR A NUCLEAR REACTOR COREInfo
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Dr. Hans Ulrich May Z O Z ö I Z UDr. Hans Ulrich May Z O Z ö I Z U
8 München 22 Thierechstr. 27 - Tel. 2250518 Munich 22 Thierechstr. 27 - Tel. 225051
CP 517/1384 München, den 24. Juni 1975 CP 517/1384 Munich, June 24, 1975
B 529Ö.3 PG Dr.M./csB 529Ö.3 PG Dr.M./cs
Commissariat ä 1»Energie Atomique in Paris/FrankreichCommissariat ä 1 »Energie Atomique in Paris / France
Tragkonstruktion für einen KernreaktorkernSupport structure for a nuclear reactor core
Die Erfindung betrifft eine Tragkonstruktion für den Kern eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors, die besonders einen Kernfänger und Einrichtungen zum Kühlen des Kernfängers aufweist, welche die Restleistung des Kernbrennstoffs abführen, falls der Kern teilweise oder vollständig schmilzt und im Kernfänger aufgefangen wird.The invention relates to a support structure for the core of a with fast neutron working nuclear reactor, which in particular has a core catcher and devices for cooling the core catcher, which dissipate the residual power of the nuclear fuel if the core melts partially or completely and is caught in the core catcher will.
Bekanntlich besteht der Kernfänger (im angelsächsischen Sprachgebrauch "core catcher") eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors gewöhnlich aus einer mechanisch verbundenen und verschweißten Konstruktion, die unter dem waagrechten Gitterrost angeordnet ist, der in senkrechter Richtung die den Kern bildenden Brennelementanordnungen abstützt und selbst von einem Unterbau aus Metall getragen ist. Der Kernfänger wird gebildet von einem unter dem Gitterrost befestigten seitlichen, zylindrischen Reifen, der einen Boden von im ganzen kegelförmigem Profil aufweist, im Inneren dieses Reifens ist ein Zwischenboden angeordnet, der beispielsweise aus einer Reihe von offenen kreisrunden Schalen mit kegelförmigem Querschnitt besteht, die miteinander von einer zur nächsten Schale aufeinanderfolgende Ablaufrinnen bilden.As is well known, there is the core catcher (in Anglo-Saxon parlance "core catcher") one that works with fast neutrons Nuclear reactor usually consists of a mechanically connected and welded structure, which is placed under the horizontal grating is, which supports the core-forming fuel assemblies in the vertical direction and even from a substructure Metal is worn. The core catcher is formed by a lateral, cylindrical hoop attached under the grating, the one Has a bottom of generally conical profile inside this tire is an intermediate floor, for example from a series of open circular shells with a conical Cross-section, which together form successive drainage channels from one to the next shell.
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In ebenfalls üblicher V/eise ist der Kern des Kernreaktors im Inneren eines ersten Behälters, des sogenannten Innenbehälters, angeordnet, der sich oberhalb des Gitterrostes erstreckt und selbst von einem zweiten, dem sogenannten Hauptbehälter, umgeben ist, der das zum Kühlen des Kerns dienende flüssige Metall, im allgemeinen Natrium, enthält. Dieses flüssige Metall durchströmt den Kern senkrecht aufsteigend, so daß das heiße Natrium sich am Ausgang des Kerns im Primär behälter sammelt, von wo es in die Wärmeaustauscher geleitet wird, wo es die aufgenommene Wärme abgibt. Diese Wärmeaus tauscher reichen in den Innenbehälter und durchstoßen dabei eine schräge Schikane desselben, so daß das abgekühlte Natrium am Ausgang der Wärmeaustauscher in den Raum zwischen den beiden Behältern gelangt, sich dort verteilt und von Primärförderpumpen angesaugt und unter Druck in das Innere des Gitterrostes gepumpt wird, von wo es erneut durch den Kern strömt. Der Kreislauf des als Kühlmittel dienenden flüssigen Metalls weist also drei HauptSammelleitungen auf, die miteinander durch die Wärmeaustauscher, die Primärpumpen und den Kern verbunden sind. Der Ausgang des Kerns und Eingang der Wärmeaustauscher bilden die vom Innenbehälter begrenzte heiße Sammelleitung. Der Ausgang der Wärmeaustauscher und Ansaugraum der Pumpen bilden die auch als Zwischenbehälter bezeichnete kalte Sajrnielleitung, die vom innenbehälter und Hauptbehälter begrenzt ist, und schließlich bildet der Ausgang der Pumpen und Eingang in den Kern die Hochdrucksammelleitung, die vom Gitterrost und den von den Pumpen zu diesem führenden Zuleitungen begrenzt ist. Gewöhnlich ist zwischen der Hochdrucksammelleitung und der kalten Sammelleitung ein Nebenkreis eingeschaltet, besonders um Leckagen von flüssigem Metall im Gitterrost aufzufangen, die in der Höhe der die Füße der Brennelementan-Ordnungen aufnehmenden Löcher desselben auftreten, wobei dieser Ne-In an also common way, the core of the nuclear reactor is inside a first container, the so-called inner container, arranged, which extends above the grating and is itself surrounded by a second, the so-called main container, which holds the liquid metal used to cool the core, generally sodium. This liquid metal flows vertically through the core ascending so that the hot sodium collects at the exit of the core in the primary container, from where it is passed into the heat exchanger where it gives off the absorbed heat. These heat exchangers reach into the inner container and pierce an inclined one in the process Chicane of the same, so that the cooled sodium at the exit of the heat exchanger enters the space between the two tanks, is distributed there and sucked in by primary pumps and pumped under pressure into the interior of the grating, from where it is again flowing through the core. The circuit of the liquid metal serving as a coolant thus has three main manifolds, which are connected to one another connected by the heat exchangers, the primary pumps and the core. The exit of the core and entrance of the heat exchanger form the hot collecting line delimited by the inner container. The outlet of the heat exchanger and the suction chamber of the pumps form the cold Sajrnielleitung, also known as the intermediate tank, the is bounded by the inner tank and the main tank, and finally the outlet of the pumps and the inlet to the core form the high-pressure manifold, which is limited by the grating and the supply lines leading to it from the pumps. Usually between the High-pressure manifold and the cold manifold switched on a secondary circuit, especially to prevent leaks of liquid metal in the grating to catch the level of the feet of the fuel assemblies receiving holes of the same occur, this Ne-
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benkreis besonders dazu dient, die Seitenfläche des Hauptbehälters zu kühlen und der Ablauf des Nebenkreises durch den Unterbau hindurch erfolgt.benkreis especially serves the side surface of the main container to cool and the secondary circuit drains through the substructure.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Tragkonstruktion dieser Art zu schaffen, die so ausgebildet ist, daß eine direkte Kühlung des Kernfängers bei einem Unfall mit Schmelzen des Kerns erreicht wird.The invention is now based on the object of a support structure to create this kind, which is designed so that a direct cooling of the core catcher in an accident with melting of the core is achieved.
Diese Aufgabe wird bei einer Tragkonstruktion dieser Art dadurch gelöst, daß der Reifen des Kernfängers mindestens eine oberhalb des Zwischenbodens angeordnete Trennwand aus Metall aufweist, welche den vom Reifen begrenzten Raum in zwei Bereiche unterteilt, von denen der eine zwischen der Trennwand und dem Gitterrost liegt und dauernd die vom Gitterrost im Bereich der Füße der Brennstoffelementanordnungen austretenden Leckmengen von flüssigem Metall aufnimmt, die unter der Unterseite des Unterbaus zur Seitenfläche des Hauptbehälters geleitet werden, und von denen der andere, zwischen der Trennwand und dem Boden des Kernfängers liegende Bereich mit der Umgebung des Reifens durch Abzugskanäle in Verbindung steht, welche durch den Unterbau in den zwischen dem Hauptbehälter und Innenbehälter liegenden Bereich führen.With a supporting structure of this type, this object is achieved by that the tire of the core catcher has at least one partition made of metal which is arranged above the intermediate floor and which divides the space bounded by the tire into two areas, one of which is between the partition and the grating and continuously from the grating in the area of the feet of the fuel element assemblies absorbs leaking amounts of liquid metal, which are directed under the underside of the base to the side surface of the main tank, and of which the other, between the partition wall and the bottom of the core catcher is in communication with the surroundings of the tire through drainage channels, which through the substructure into the area between the main container and the inner container.
Bei normalem Betrieb des Kernreaktors werden die Leckströme, die aus dem das flüssige Metall unter hohem Druck enthaltenden Gitterrost in der Höhe der Füße der Brennelementanordnungen in dem im Kernfänger zwischen der Trennwand und dem Gitterrost liegenden Bereich aufgefangen werden, durch Querkanäle in den Hauptbehälter geleitet und kühlen· dort dauernd dessen Innenfläche, besonders im Bereich zwischen dieser innenfläche und einer parallelen Leitwand. Wenn dagegen bei einem schweren Unfall die BrennelementanordnungenDuring normal operation of the nuclear reactor, the leakage currents from the grating containing the liquid metal under high pressure at the level of the feet of the fuel assembly in the area in the core catcher between the partition and the grating are collected, passed through transverse channels into the main container and continuously cool its inner surface, especially in the area between this inner surface and a parallel baffle. If, on the other hand, the fuel assemblies in a serious accident
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des Kerns schmelzen und der Kern nach Zerstörung der metallischen Trennwand vom Zwischenboden des Kernfängers aufgefangen vird, ermöglichen die in dem den Gitterrost stützenden Unterbau ausgebildeten Abzugskanäle das Entstehen von Kreisströmen des metallischen Kühlmittels durch natürliche Konvektion zwischen dem Zwischenboden des Kernfängers, der sich wegen der auf ihm ruhenden geschmolzenen Kernbrennelementanordnungen bei hoher Temperatur befindet, und dem zwischen dem Hauptbehälter und Innenbehälter liegenden Bereich, wo das flüssige Metall eine tiefere Temperatur hat. Diese Kreisläufe ermöglichen so eine Abführung der durch das Schmelzen des Kerns entstehenden Restwärme in den zwischen den beiden Behältern liegenden Bereich und damit eine Begrenzung der Unfallfolgen auf den Innenraum des Hauptbehälters und gewährleisten so einen wirksamen Schutz der außerhalb dieses Behälters liegenden Teile des Kernreaktors.of the core melt and the core after destruction of the metallic The partition wall is caught by the intermediate floor of the core catcher, made possible by the substructure supporting the grating Discharge channels the creation of circular currents of the metallic coolant through natural convection between the false floor the core catcher, which is at high temperature because of the molten nuclear fuel assemblies resting on it, and the The area between the main container and the inner container, where the liquid metal has a lower temperature. These cycles thus allow the residual heat generated by the melting of the core to be dissipated in the containers located between the two containers Area and thus a limitation of the consequences of the accident to the interior of the main container, thus ensuring effective protection the parts of the nuclear reactor lying outside this container.
Die erfindungsgemäße Tragkonstruktion wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert anhand eines Ausführungsbeispiels. Bs zeigen:The support structure according to the invention is described with reference to the attached Drawings explained using an exemplary embodiment. Bs demonstrate:
- Fig. 1 einen schematischen axialen Schnitt eines mit schnellen- Fig. 1 is a schematic axial section of a rapid
Neutronen arbeitenden Kernreaktors, der mit einer erfindungsgemäßen Kerntragkonstruktion ausgerüstet ist;Neutron working nuclear reactor, which is equipped with an inventive Core support structure is equipped;
- Fig. 2 einen Ausschnitt in größerem Maßstab, der die besondere- Fig. 2 shows a section on a larger scale showing the particular
Ausgestaltung der betrachteten Konstruktion, besonders des Unterbaus und des Kernfängers zeigt, undDesign of the construction under consideration, especially of the substructure and the core catcher shows, and
- Fig. 3 eine Teilansicht im Schnitt längs der Linie III-III der- Fig. 3 is a partial view in section along the line III-III of
Fig. 2.Fig. 2.
Fig. 1 zeigt einen mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktor, der in an sich üblicher Weise einen dickwandigen äußeren Schutzbehälter T, besonders aus Beton, aufweist, der einen Innenraum 2 be- Fig. 1 shows a nuclear reactor operating with fast neutrons, which in a conventional manner has a thick-walled outer protective container T, especially made of concrete, which occupies an interior 2
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grenzt, in dem ein Behälter 3 gehalten ist, der die Gesamtheit der Bestandteile des Kernreaktors aufnimmt. Dieser Behälter 3, der sogenannte Hauptbehälter, ist oben offen und an einem Verschlußdeckel 4 aufgehängt, der mit seitlichen Auflageflächen auf dem Schutzbehälter 1 aufliegt. Der Hauptbehälter 3 ist außen innerhalb des Hohlraums 2 von einem Behälter 5, dem Sicherheitsbehälter, umgeben und enthält ein entsprechendes Volumen eines flüssigen Metalls als Kühlmittel, im allgemeinen Natrium, das besonders in Berührung mit dem Kern 6 des Kernreaktors strömt, der im Inneren dieses Hauptbehälters angeordnet und in diesem durch einen Gitterrost 7 getragen ist. Der Gitterrost erstreckt sich waagrecht unter dem Kern und ist selbst von einem Unterbau 8 getragen, der von einer durchbrochenen Metallkonstruktion gebildet ist, die sich mit ihrem Umfang am Hauptbehälter 3 abstützt. Unter dem Gitterrost 7 ist ein Kernfänger 9 befestigt, der den Kern im Fall des teilweisen oder vollständigen Schmelzens desselben auffängt und einen Reifen 10 aufweist, der seitlich bei 10a durchbrochen und durch einen konischen Boden 11 mit Löchern 11a abgeschlossen ist und im inneren des Reifens einen Zwischen- oder Auffangboden 12 enthält. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird dieser Zwischenboden von einer Reihe aufeinanderfolgender Schalen mit konischem Querschnittsprofil gebildet, die von der einen zur anderen eine Reihe von kaskadenartig angeordneten Abflußrinnen bilden. Diese Schalen weisen an ihrem Boden Löcher 12a auf (Fig. 2), welche den freien Durchfluß des flüssigen Natriums durch den Zwischenboden 12 ermöglichen, während die Ränder der Schalen so angeordnet sind, daß jedes Loch am Boden einer Schale vom Rand der darüberllegenden Schale vor dem Überlauf des von dieser Schale kaskadenartig herabfließenden Natriums geschützt ist. Der Innenbereich des Kernfängers 9 ist durch eine verhältnismäßig dünneborders, in which a container 3 is held, the entirety of the Includes components of the nuclear reactor. This container 3, the so-called main container, is open at the top and on a closure lid 4 suspended, which rests on the protective container 1 with its lateral support surfaces. The main container 3 is outside within the cavity 2 surrounded by a container 5, the security container, and contains a corresponding volume of a liquid metal as Coolant, generally sodium, which flows particularly in contact with the core 6 of the nuclear reactor which is inside this main container is arranged and supported in this by a grating 7. The grating extends horizontally under the core and is itself supported by a substructure 8, which is formed by an openwork metal structure, which extends with its periphery on the main container 3 supports. Under the grating 7 a core catcher 9 is attached, which the core in the case of partial or complete Melting the same catches and has a tire 10, which laterally pierced at 10a and through a conical bottom 11 is closed with holes 11a and one inside the tire Contains intermediate or collecting tray 12. In the embodiment shown, this intermediate floor is successive from a row Shells formed with a conical cross-sectional profile, which are arranged from one to the other in a series of cascading Form drainage channels. These bowls have holes 12a at their bottom (FIG. 2), which allow the liquid sodium to flow freely through them allow through the intermediate floor 12, while the edges of the trays are arranged so that each hole in the bottom of a tray from the edge of the overlying tray before the overflow of this Shell is protected from cascading sodium flowing down. Of the The interior of the core catcher 9 is relatively thin
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waagrechte Metallwand 13 in zwei Zonen 14 und 15 unterteilt, von denen die erste zwischen der Wand 13 und dem Boden des Gitterrostes 7 und die zweite zwischen der Trennwand 13 und dem konischen Boden 11 des Kernfangers liegt.horizontal metal wall 13 divided into two zones 14 and 15, from which the first between the wall 13 and the bottom of the grating 7 and the second between the partition 13 and the conical bottom 11 of the core catcher lies.
Der Kern 6 besteht in bekannter Weise aus einer Gruppe nebeneinander stehender Brennelementanordnungen 16, die jede einen unteren Fuß 17 aufweisen, der in entsprechend verteilte Bohrungen des Gitterrostes 7 einsetzbar ist, um das Brennelement senkrecht zu halten. Das kühlende Natrium durchströmt den Kern 6 von unten nach oben in Berührung mit den Brennelementen 16 und wird am Ausgang des Kerns in einer ersten Sammelleitung 18 aufgefangen, die im inneren des Hauptbehälters 3 durch einen Innenbehälter 19 abgegrenzt ist. Das heiße Natrium wird dann den Einlaßöffnungen 20 von Wärmeaustauschern 21 zugeleitet, die vom Verschlußdeckel 4 getragen sind und deren Gehäuse sich nach unten durch eine schräg verlaufende Ablenkwand 22 des Innenbehälters 19 erstreckt, so daß sich die Auslaßöffnungen 23 dieser Wärmeaustauscher in einer zweiten Sammelleitung 24 befinden. In dieser, vom Hauptbehälter 3 und Innenbehälter 19 begrenzten Sammelleitung 24 wird das kalte Natrium von den Einlaßöffnungen 25 der Primärkreispumpen 26 aufgenommen und durch Leitungen 27 von großem Querschnitt in den Gitterrost 7 zurückgepumpt, dessen Innenbereich 28 damit eine Hochdrucksammelleitung bildet.The core 6 consists in a known manner of a group next to one another standing fuel assemblies 16, each having a lower Have foot 17 which can be inserted into correspondingly distributed holes in the grating 7 in order to hold the fuel assembly vertically. The cooling sodium flows through the core 6 from bottom to top in contact with the fuel elements 16 and is at the exit of the core collected in a first collecting line 18 which is delimited in the interior of the main container 3 by an inner container 19. That hot sodium is then fed to the inlet ports 20 of heat exchangers 21 which are carried by the closure cover 4 and their Housing extends downward through an inclined baffle 22 of the inner container 19 so that the outlet openings 23 this heat exchanger is located in a second collecting line 24. In this, from the main container 3 and inner container 19 limited collecting line 24, the cold sodium is taken from the inlet openings 25 of the primary circuit pumps 26 and through lines 27 of large Cross-section pumped back into the grating 7, the inner region 28 of which thus forms a high-pressure manifold.
Fig. 2 zeigt mit weiteren Einzelheiten die besondere erfindungsgemäße Ausführung des Kernfängers und der Tragkonstruktion. Wie aus dieser Figur ersichtlich ermöglicht die im Inneren des Reifens 10 des Kernfängers 9 befestigte und in diesem die beiden Zonen 14 und 15 trennende Trennwand 13 aus Metall eine zweckmäßige und dauernde Trennung des kalten Natriums im Inneren des Kernfängers. Der BereichFig. 2 shows in more detail the particular one according to the invention Execution of the core catcher and the supporting structure. As can be seen from this figure, the inside of the tire 10 of the core catcher 9 and in this the two zones 14 and 15 separating partition wall 13 made of metal an expedient and permanent Separation of the cold sodium inside the core catcher. The area
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14 nimmt die von der Hochdrucksammelleitung 28 im Bereich der zum Einsetzen der Füße 17 der Brennelemente dienenden Löcher austretenden Leckmengen an Natrium auf und führt dieses kalte -unter Druck stehende Natrium durch Leitungen 29 (siehe linker Teil der Fig. 2), die unter dem unterbau 8 liegen, zu einem Ringraum 30, der von der Innenfläche des Hauptbehälters 3 und einer dazu parallelen Abschirmwand 31 begrenzt ist* Im Bereich 15 dient das bei geringerem Druck befindliche kalte Natrium bei normalem Betrieb des Reaktors zum Kühlen des Zwischenbodens 12 und des Unterbaus 8.14 takes the from the high pressure manifold 28 in the area of the Insertion of the feet 17 of the fuel assemblies serving holes exiting Sodium leaks up and runs this cold under pressure standing sodium through lines 29 (see left part of Fig. 2), which are under the substructure 8, to an annular space 30, which of the Inner surface of the main container 3 and a shielding wall parallel to it 31 is limited * In area 15 this is used at lower pressure cold sodium present during normal operation of the reactor for cooling the intermediate floor 12 and the substructure 8.
Die Betriebsverhältnisse sind selbstverständlich verschieden bei einem Unfall mit Schmelzen des Kerns 6 und Auffangen der Brennelemente 16 des Kerns auf dem Zwischenboden 12, nachdem die Trennwand 13 zerstört ist. in diesem Fall sorgt man gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung dafür, daß sich im Kernfänger 9 um diesen Zwischenboden 12 herum automatisch eine natürliche Konvektionsströmung von Natrium ausbildet, indem man den unter dem Zwischenboden liegenden Bereich 15 mit dem zwischen den Behältern 3 und 19 liegenden Sammelbereich 24 für kaltes Natrium durch eine Reihe von senkrechten Abzugskanälen 32 verbindet, welche durch den Unterbau 8 hindurchführen (siehe den rechten Teil der Fig. 2). Diese Abzugskanäle, die in Fig. 3 im Schnitt gezeigt sind, gestatten durch ihre Verteilung rings um die Achse des Kernreaktors einen dauernden Kreisstrom des Natriums, um die durch das Schmelzen des Kerns in der Höhe des Zwischenbodens 12 auftretende Restwärmeleistung abzuführen. Diese Abzugskanäle durch den Unterbau sind so verteilt, daß durch einige von ihnen das heiße Natrium zum kalten Sammelbereich fließt und durch andere das gleiche Natrium, nachdem es sich bei seinem Weg zum Sammelbereich und Mischung in diesem abgekühlt hat,The operating conditions are of course different in the event of an accident with the core 6 melting and the fuel assemblies being caught 16 of the core on the intermediate floor 12 after the partition 13 has been destroyed. in this case one cares according to an essential one Feature of the invention that in the core catcher 9 around this intermediate floor 12 around a natural convection flow of sodium by connecting the area 15 below the intermediate floor with the area between the containers 3 and 19 lying collecting area 24 for cold sodium by a series of vertical exhaust ducts 32, which through the substructure 8 pass through (see the right part of Fig. 2). These ducts, which are shown in Fig. 3 in section, allow through their Distribution around the axis of the nuclear reactor a continuous circulating current of the sodium, around which by the melting of the core in the height of the intermediate floor 12 to dissipate residual heat output. These drainage ducts through the substructure are distributed so that some of them carry the hot sodium to the cold plenum area flows and through others the same sodium after it has cooled on its way to the collection area and mix in it,
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zum Zwischenboden zurückgeleitet wird. Fig. 2 zeigt links das Abströmen des heißen und rechts das Zurückströmen des kalten Natriums. Selbstverständlich brauchen die Abzugskanäle nicht unbedingt alle senkrecht zu verlaufen, sondern es können mindestens einige von ihnen auch eine andere Richtung aufweisen, je nach der besonderen Gestaltung des Unterbaus, des Kernfängers und Gitterrostes·is returned to the intermediate floor. Fig. 2 shows the outflow on the left the hot and on the right the backflow of the cold sodium. Of course, the ducts do not necessarily need all of them to run perpendicular, but at least some of them may also have a different direction, depending on the particular design the substructure, the core catcher and the grating
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