DE2620343A1

DE2620343A1 - Brennstoffeinsatz fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE2620343A1
Application number: DE19762620343
Authority: DE
Inventors: Andrew Cross; Joseph Brian Doherty; Anthony Randle Lunt
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1975-05-07
Filing date: 1976-05-07
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2333323B1; JPS51140091A; FR2333323A1; JPS5926918B2; DE2620343C2; GB1518292A; US4032398A

Description

DR.BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANJWSAIR

PATENTANWÄLTE § UONCHEN 80 · MAUERKIRCHERSTR.45

Anwaltsakte 27 076 7. y[_a± 1976

United Kingdom Atomic Energy Authority London / England

Brennstoffeinsatz für einen Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor und betrifft insbesondere einen Brennstoffeinsatz für einem mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor.

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Der Brennstoffmeiler eines mit flüssigem Metall "gekühlten Kernreaktors enthäi in bekannten Ausführungen eine Vielzahl von nahe nebeneinander angeordneten, parallelen Brennstoffstäben, zwischen denen das zur Kühlung verwendete Flüssige Metall hindurchgeleitet werden kann. Um das Auswechseln der Brennstoffstäbe zu erleichtern, sind diese in einer bekannten Ausführung eines mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktors in Form von Bündeln in Brennstoffeinsätzen untergebracht. Ein solcher Einsatz hat einen das Bündel umschließenden rohrförmigen Mantel und am unteren Ende eine Einrichtung, mit welcher er in einen Gitterrost einsetzbar ist. Vom Gitterrost aus wird das Kühlmittel aufwärts durch die Mantel der Brennstoffeinsätze geleitet. Die Brennstoffeinsätze sind gewöhnlich in Gruppen angeordnet, wobei die Brennstoffstäbe einiger Gruppen stärker mit spaltbaren Isotopen angereichert sind als die anderer Gruppen. Um eine möglichst gleichmäßige Kühlmittel-Auslaßtemperatur an den verschiedenen Einsätzen zu erhalten, ist daher eine unterschiedliche Durchströmung derselben notwendig. Diese ist dadurch erzielbar, daß die Einlasse der Brennstoffeinsätze beim Zusammenbau des Meilers verschieden stark gedrosselt werden. Dabei ergeben sich jedoch gextfisse Schwierigkeiten wegen der Veränderungen der Wärmeentwicklung in den einzelnen Einsätzen aufgrund der unterschiedlichen Brenngeschwindigkeiten sowi e beim Auswechseln einzelner Partieen von Brennstoffeinsätzen. Das Entfernen der Brenn-

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stoffeinsätze aus dem den Meiler enthaltenden geschlossenen Bereich lediglich zum Verändern der Drosselung ist ein umständliches Verfahren. Es besteht daher Bedarf an einer Einrichtung, welche es ermöglicht, die Drosselung zu verändern, ohne die Brennstoffeinsätze dazu aus dem geschlossenen Bereich zu entfernen.

Die Erfindung schafft einen Brennstoffeinsätζ für einen Kernreaktor mit einem ein Bündel von in Abständen zueinander angeordneten Brennstoffstäben umgebenden rohrförmigen Mantel, durch den ein flüssiges Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann, sowie mit einer in bezug auf die Strömung des Kühlmittels vor den Brennstoffstäben angeordneten, verstellbaren Drosseleinrichtung, welche eine Anzahl voneinander getrennter axialer Strömungswege für die Strömung des Kühlmittels, eine Anzahl von in gegenseitigen Abständen in den einzelnen Strömungswegen angeordneten Drosselkörpern, welche in den einzelnen Strömungswegen eine unterschiedliche Drosselwirkung auf die Strömung ausüben und ein Absperrglied für die Freigabe der Durchströraung jeweils eines ausgewählten Strömungswegs aufweist.

Vor dem Einsetzen eines Brennstoffeinsatzes in den Meiler eines mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktors wird das Drosselglied so eingestellt, daß das Kühlmittel einen Strömungsweg durchströmt, welcher den für die vorgesehene Stellung des Einsatzes im Meiler geeigneten Durchströmungswiderstand aufweist. Ist dann der Brenn-

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stoff in dem Einsatz teilweise verbraucht und/oder soll der Einsatz an eine andere Stelle des Meilers gesetzt werden, so kann das Absperrglied so eingestellt werden, daß es die Durchströmung eines anderen Sferömungswegs mit einem anderen Strömungswiderstand freigibt.

In einer bevorzugten Ausführung hat der Brennstoffeinsatz einen in den tragenden Gitterrost eines Kernreaktors einsetzbaren Zapfen, welcher einen Einlaß für das den Einsatz durchströmende Kühlmittel aufweist. Die verstellbare Drosseleinrichtung weist koaxiale innere und äußere, relativ zueinander verdrehbare rohrförmige Teile auf, deren äußeres eine Verlängerung des rohrförmigen Mantels und deren inneres eine Verlängerung des Steckzapfens darstellt. Das innere Rohrteil enthält eine Reihe von in gegenseitigen-Abständen quer zur Strömungsrichtung angeordneten Scheiben mit wenigstens drei in Form von Sektoren angeordneten Gruppen von Durchlässen, welche von Gruppe zu Gruppe verschiedenen Durchmesser aufweisen, eine Anzahl von axialen Trennwänden, welche die durch die sektorförmigen Gruppen der Durchlässe hindurch verlaufenden, getrennten Strömungswege begrenzen, eine antriebsübertragend mit dem äußeren Rohrteil verbundene zentrale Welle, welche das Absperrglied in Form einer von einer öffnung durchsetzten Scheibe trägt, und eine Rasteinrichtung für die lösbare Sicherung der inneren und äußeren Rohrteile gegen relative Verdrehung.

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Die Erfindimg schafft ferner einen Kernreaktor mit einem Meiler aus einer Anzahl von nebeneinander senkrecht angeordneten Brennstoffeinsätzen der vorstehend beschriebenen Art, welche mit ihren am unteren Ende angeordneten Steckzapfen in einen Gitterrost eingesetzt sind, sowie mit wenigstens einer Station zum Verstellen der Drosseleinrichtung mit einem Halteteil, in welches das untere Endstück des inneren Rohrteils eines Brennstoffeinsatzes formschlüssig einsetzbar ist, so daß der rohrförmige Mantel und das äußere Rohrteil relativ zum inneren Rohrteil verdreht werden können.

Im folgenden sind Aüsführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Brennstoffeinsatzes in

axialem Schnitt,
Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie H-II

in Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie IH-III

in Fig. 1,
Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie IV-IY

in Fig. 1,
Fig. 5 eine Schnittansicht einer wahlweise verwendbaren

Zusatzeinrichtung und
Fig. 6 eine Gesamtansicht eines Brennstoffeinsatzes.

In der Zeichnung erkennt man zwei koaxiale, relativ zueinander verdrehbare Rohrteile i und 2. Das äußere Eohr-

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teil 1 ist eine Verlängerung eines die Brennstoffstäbe umgebenden rohrförmigen Mantels des Brennstoffeinsatzes, und das innere Rohrteil 2 ist eine Verlängerung eines Steckzapfens, mit welchem der Brennstoffeinsätζ in einen den Heiler tragenden Gitterrost einsetzbar ist. Die beiden Hohrteile 1 und 2 sind mittels zweier Kugelkränze relativ zueinander drehbar gelagert und mit Dichtringen abgedichtet. Das innere Rohrteil 2 enthält eine Reihe von in Abständen angeordneten Scheiben 5* welche von Durchlässen 6 für die Strömung eines Kühlmittels durchsetzt sind. Die Durchlässe sind in drei Sektoren Angeordnet und haben von Sektor zu Sektor verschiedene Durchmesser. Die Scheiben 5 sind an einem zentralen Tragrohr 7 befestigt und durch Abstandhalter 8 voneinander getrennt. Die Abstandhalter 8 haben jeweils drei radiale Stege, welche entlang ihren Rändern abdichtend mit den zugeordneten Scheiben 5 und mit dem zentralen Tragrohr verschweißt sind und drei voneinander getrennte axiale Strömungswege begrenzen, welche jeweils einander entsprechende Gruppen oder Sektoren von Durchlässen 6 durchsetzen. Am unteren Ende des inneren Rohrteils 2 ist eine von Öffnungen durchsetzte Sitzscheibe 10 für ein Absperrglied befestigt. Eine zentrale Welle 11 ist über (nicht gezeigte) Keilnuten mit einer im äußeren Rohrteil 1 befestigten Spinne 12 verbunden, so daß sie gemeinsam mit ihr drehbar und relativ dazu axial verschieblich ist. Die Welle 11 trägt am unteren Ende ein Absperrglied 13 in Form einer Scheibe mit einem sich über

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einen Radialwinkel von 120 erstreckenden Ausschnitt.
Eine zwischen dem oberen Ende des zentralen Tragrohrs 7 und einem an der Welle 11 befestigten Diffusorblock 15
sitzende Druckfeder 14 belastet das Absperrglied 13
aufwärts in Anlage an .der Sitzscheibe 10. Der Diffusorblock 15 enthält einen federbelasteten Stößel 16, welcher wahlweise mit einer von drei in gleichen Umfangsabständen an der Innenseite des äußeren Rohrteils 1 gebildeten
Rastkerben 17 in Eingriff bringbar ist.

Bei der Verwendung des Brennstoffeinsatzes in einem mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor strömt das Kühlmittel aufwärts durch die von den Durchlässen durchsetzten Scheiben und darauf in Wärmetauschbeziehung zu
den Brennstoffstäben durch den diese umgebenden Mantel. Je nach der Stellung des Ausschnitts des Absperrglieds ist die Durchströmung der Durchlässe in den Scheiben auf einen der drei Strömungswege beschränkt. Da die Durchlässe der Scheiben 5 von einem Strömungsweg zum anderen verschieden groß sind, setzen sie der Strömung des Kühlmittels verschiedenen Strömungswiderstand entgegen. Vor dem Einsetzen des Einsatzes in einen Reaktormeiler wird durch Verdrehen des äußeren gegenüber dem inneren Rohrteil ein Strömungsweg gewählt, welcher die Durchströmung auf einen der vorgesehenen Stellung des Einsatzes im
Meiler entsprechenden Wert begrenzt. Ist nach einer
gewissen Betriebszeit des Reaktors der Brennstoff teilweise verbraucht und/oder soll die Stellung des Einsatzes

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im Meiler verändert werden, so kann das Absperrglied 13 durch Verdrehen des inneren Röhrteils 2 gegenüber dem äußeren Rohrteil 1 neu eingestellt werden, um die Drosselwirkung bzw. den Durchströmungswiderstand zu vergrößern oder zu verkleinern. Da der Einsatz vorher einer Strahlung ausgesetzt war, muß dies durch Fernbetätigung geschehen. Eine genaue Einstellung ist dabei durch den mit den Rastkerben 17 zusammenwirkenden Stößel 16 gewährleistet. Die inneren und äußeren Rohrteile sind mit (nicht gezeigten) einander komplementären Anschlägen versehen, welche die Verdrehung der Teile relativ zueinander auf einen Winkel von 240° begrenzen, so daß bei der Fernbetätigung eine Rückwärtsdrehung über die Einstellung für die geringste Durchströmung sowie eine Vorwärtsdrehung über die Einstellung für die stärkste Durchströmung hinaus nicht möglich ist. TJm ein unbeabsichtigtes Verdrehen des Absperrglieds 13 relativ zur Sitzscheibe 10 in Richtung auf eine Verringerung der Durchströmung und das Auftreten der damit verbundenen Gefahren zu vermeiden, ist die Brennstoff-Beschickungsvorrichtung vorzugsweise mit Sperreinrichtungen versehen, welche die Drehung in nur einer Richtung gestatten. Eine derartige Einrichtung kann jedoch auch, wie in Fig. 5 dargestellt, im Brennstoff einsät ζ selbst vorhanden sein. Der Diffusorblock 15 trägt hier eine Sperrklinke 18, welche durch einen federbelasteten Stößel 19 in Eingriff mit einem von zwei Anschlägen 20 belastet ist. Dadurch läßt sich das Absperrglied 13 nur in einer Richtung relativ zur Sitzscheibe

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verdrehen.

Der Meiler eines Kernreaktors enthält eine Vielzahl von Brennstoffeinsätzen, welche nebeneinander senkrecht angeordnet sind. Die Brennstoffeinsätze 21, von denen einer in einer Gesamtansicht in Fig. 6 dargestellt ist, sind mit einem am unteren Ende des inneren Rohrteils 2 hervorstehenden Steckzapfen 23 jeweils in eine Öffnung eines Gitterrosts 22 eingesetzt. Über den Gitterrost zugeführtes Kühlmittel strömt durch den Steckzapfen aufwärts in den Mantel des Einsatzes. Die Brennstoffeinsätze sind in inneren, mittleren und äußeren Bereichen angeordnet, in denen die Brennstoffstäbe unterschiedliche Gehalte an spaltbaren Isotopen haben. Innerhalb der Bereiche sind die Brennstoffeinsätze in Gruppen angeordnet und in den einzelnen Gruppen in Anlehnung an ein zentrales Stützteil der Gruppe belastet. Das Stützteil wenigstens einer Gruppe des äußeren Bereichs hat eine über den Meiler hervorstehende Fassung, in welche ein Brennstoffeinsatz mit seinem unteren Ende einsetzbar ist. Damit ist innerhalb des den Meiler enthaltenden geschlossenen Bereichs eine Station zum Einstellen der Absperrglieder an den Brennstoffeinsätzen geschaffen.

Zum Verändern der Drosselung der Durchströmung eines vorher der Strahlung ausgesetzten Brennstoffeinsatzes wird dieser mittels der Brennstoff-Beschickungsvorrichtung des Reaktors aus dem Gitterrost herausgezogen und bis über den Meiler gehoben. Der Einsatz wird dann zur

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Einstellstation geschafft und mit seinem unteren Ende in die Fassung der dort befindlichen Stütze eingesetzt. Darauf läßt sich das obere Teil des Einsatzes mit dem Mantel, den Brennstoffstäben und dem äußeren Rohrteil durch entsprechende Betätigung der Beschickungsvorrichtung relativ zum inneren Rohrteil verdrehen, worauf der neu eingestellte Einsatz wieder in den Gitterrost eingesetzt werden kann, ohne inzwischen den geschlossenen Bereich verlassen zu haben.

In einer anderen Ausführung eines Meilers für einen Reaktor werden die Brennstoffeinsätze von einem sie umgebenden Halteband in gegenseitiger Anlage zusammengehalten.

Dabei haben die unteren Endstücke der inneren ßohrteile und die oberen Endstücke der Mantel der Einsätze einander komplementäre, in gegenseitigen Eingriff bringbare Anschläge. Zum Verändern der Durchströmung eines bestimmten Einsatzes wird dieser mittels der Beschickungsvorrichtung so weit gehoben, daß die Anschläge des inneren Rohrteils 2 in formschlüssigen Eingriff mib denen der Mantel der benachbarten Einsätze kommen, worauf sich der Mantel des angehobenen Einsatzes dann relativ zu dessen unterem Teil verdrehen läßt.

Mittels der beschriebenen Drosseleinrichtung sind drei vorbestimmte Durchströmungsgeschwindigkeiten im wesent-

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lichen ohne das Auftreten von Kavitation und mit einer zu ervartenden Genauigkeit von ί 2% einstellbar. Das Einstellen der Drosseleinrichtung erfordert nur ein Minimum an Manipulation des Brennstoffs bzw. der Brennstoffeinsätse.

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Claims

Patentansprüche:

ι Λ. Brennstoffeinsatz für einen Kernreaktor mit einem ein Bündel von in gegenseitigen Abständen angeordneten Brennstoffstäben umgebenden Mantel, durch welchen ein
flüssiges Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann, und mit einer in bezug auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels vor den Brennstoffstäben angeordneten Drosseleinrichtung, dadurch gekennze i ohne t, daß die Drosseleinrichtung mehrere axiale Strömungswege
für die Strömung des Kühlmittels, welche der Strömung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegensetzen,
sowie ein Absperrglied (13) zum Freigeben der Durchströmung jeweils eines Strömungswegs aufweist.
2. Brennstoffeinsatζ nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß er einen in einen
Gitterrost (22) für den Meiler eines Kernreaktors einsetzbaren und einen Einlaß für den Zustrom des Kühlmittels in den Brennstoffeinsätζ enthaltenden Steckzapfen (23) aufweist und daß die Drosseleinrichtung
relativ zueinander verdrehbare innere und äußere Rohrteile (2, 1) von denen das äußere eine Verlängerung
des Mantels und das innere eine Verlängerung des Steckzapfens darstellt, eine Reihe von in gegenseitigen Abständen quer im inneren Rohrteil angeordneten Scheiben (5) mit jeweils wenigstens drei in Form von Sektoren
angeordneten Gruppen von Durchlässen(6), welche von

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Sektor zu Sektor verschiedene Größe haben, eine Anordnung von axial verlaufenden Trennwänden (8) welche jeweils durch eine Reihe der sektorförmigen Gruppen von Durchlässen hindurch verlaufende Strömungswege begrenzen, eine antriebsübertragend mit dem äußeren Rohrteil verbundene und das Absperrglied (13) in. Form einer von einer Öffnung durchsetzten Scheibe tragende zentrale Welle (11) und eine Rasteinrichtung (16, 17) zum lösbaren Sichern der inneren und äußeren Rohrteile gegen relative Verdrehung aufweist.
3. Brennstoffeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine federbelastete Sperreinrichtung (18 bis 20), welche das Verdrehen des Absperrglieds (13) in nur einer Richtung zuläßt.

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