DE2647459C2 - Kernumfassung für Kernreaktoren - Google Patents

Description

a) die Formplatten (59) jeweils in Höhe der Haltegitter (40) für die Brennelemente (30) angeordnet sind, und

b) die Umfassungsplatten (58) öffnungen (136) aufweisen, die

bl) in unmittelbarer Nähe der Formplalten (59) angeordnet sind und dabei

b2) den Raum zwischen den Umfassungsplatten (58) und dem Kerngefäß (56) mit dem Reaktorkernbereich verbinden, so daß

c) zwischen dem Raum (130) zwischen den Umfassungsplatten (58) und dem Kerngefäß (56) und dem Raum des Reaktorkerns (18) auf gleicher Haltegitterebene keine Druckdifferenz des Kühlmittels vorhanden ist.

2. Kernumfassung nech Ansrruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formplatten (59) mit Durchtrittsöffnungen (134) versehen sir-}, so daß durch den Raum (130) zwischen dem Kerngefäß (56) und den Umfassungspiatten (130) eine bestimmte, zur Kühlmittelströmung durch den Reaktorkern (18) parallele Kühlmittelnebenströmung vorhanden ist.

Die Erfindung betrifft eine Kernumfassung für Kernreaktoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Innerhalb des Reaktorbehäiters befindet sich die Reaktorinnenkonstruktion, zu deren Aufgaben die Halterung der Reaktorkernbauteile, beispielsweise der Brennelemente, und die Führung der Reaktorkühlmittelströmung gehören. Das Reaktorkühlmittel strömt nach seinem Eintritt in den Reaktorbehälter in einem zwischen dem Reaktorbehälter und dem Kerngefäß gebildeten Ringraum zunächst nach unten, ändert dort seine Strömungsrichtung um 180° und strömt dann nach oben durch den Reaktorkern hindurch, wonach es wieder aus dem Reaktorbehälter austritt. Zwischen dem Kerngefäß und dem Reaktorkern befindet sich typischerweise eine aus einer Anordnung von Kernumfassungsplatten und Formplatten gebildete Kernumfassung, die vom Kerngefäß getragen wird. Diese Kernumfassung leitet die Kühlmittelströmung und beschränkt sie auf den Kernbereich und bildet auch einen die Kerngefäßwand vor übermäßiger Strahlenbelastung schützenden Ring. Die Umfassungsplatten sind am Kernumfang aneinandergestoßen, so daß sich zwischen den Umfassungsplatten infolge von unterschiedlichen Wärmedehnungen in den Bauteilen der Reaktorinnenkonstruktion Zwischenräume bilden können. Durch die Kernumfassung hindurchströmendes Kühlmittel kann deshalb in unerwünschter Weise durch diese Zwischenräume hindurchtreten und trifft dann auf Brennelemente auf, was zu schädlichen örtlichen Beanspruchungen dieser Brennelemente führen kann.

Manche bekannte Konstruktionen basieren auf einer abwärts gerichteten Strömung in dem von der Kernumfassung gebildeten Ringraum, wobei das Kühlmittel im oberen Bereich dieses Ringraumes eintritt, durch Öff-

nungen in den Formplatten nach unten strömt und schließlich nach einer 180°-Drehung durch den Reaktorkern hindurchtritt. Diese Konstruktionen haben den Vorteil, daß eine den Reaktorkern umgehende Kühlmittelnebenströmung nicht vorhanden ist, welche den thermischen Wirkungsgrad des Reaktors herabsetzen würda. Jedoch kann eine gewisse Leckströmung infolge des großen Druckgefälles zwischen dem Kernumfassungsbereich und dem Reaktorkern durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Umfassungspiatten hindurch in den Reaktorkern hineinlecken und in unerwünschter Weise in Form einer Querströmung auf die Brennelemente auftreffen. Eine solche Querströmung kann eine unzulässige Schwingung der Brennelemente verursachen.

Bei neueren Konstruktionen ist deshalb im Kernumfassungsringraum eine aufwärtsgerichtete Strömung vorgesehen, so daß zusätzlich zu dem durch den Reaktorkern nach oben hrrädurchtretenden Hauptkühlmittelstrom eine verhältnismäßig kleine Nebenströmung parallel dazu durch den Kernumfassungsringraum strömt. Dadurch wird das Druckgefälle herabgesetzt und die Neigung des Kühlmittels zum Hindurchlecken zwischen den Umfassungsplatten verringert. Diese Konstruktion wirft jedoch Probleme hinsichtlich der durch den Kern-

umfassungsringraum strömenden Kühlmitielmenge auf. Es ist wünschenswert, diese Strömung klein zu halten, da diese den Reaktorkern umgehende Nebenströmung zu einem geringeren thermischen Wirkungsgrad des Reaktors führt. Ist der Kernumfassungsringraum infolge eines großen Durchtrittquerschnfe'^ der in den Formplatten gebildeten Öffnungen verhältnismäßig stark offen, so kann sich eine unzulässig große Nebenströmung ergeben, die größer als 1 % oder 2% der Gesamtströmung sein kann. Die Beschränkung der Nebenströ-

mungsmenge auf ein Maß im Bereich von 0,5% der Gesamtströmung im normalen Reaktorbetrieb, das gerade noch eine ausreichende Kühlung der Umfassungsplatten, der Formplatten und des Kerngefäßes gewährleistet, führt jedoch bei als Kontruktionsbasis angenom-

menen Unfallbedingungen zu Schwierigkeiten. In dem unwahrscheinlichen Falle des Bruches der Hauptkühlmittelleitung in einer der Kühlschleifen ergibt sich ein rascher Druckabfall im Reaktorkühlsystem, der als »Blow-down« bezeichnet wird. Unter solchen Umständen fällt der Druck des Kühlmittels in Teilen des Reaktorbehälters, einschließlich des im Kernumfassungsringraum befindlichen Kühlmittels, ab und geht durch Entspannungsverdampfung in Dampf über. Bei einem wirksamen Strömungsquerschnitt im Kernumfassungsringraum, der zur Erhöhung des Reaktorwirkungsgrades beschränkt worden ist, findet der Druckabfall im Reaktorkern schneller als in diesem Ringraum statt und das durch Entspannung verdampfende Kühlmittel könnte dann im Ringraum übermäßig große Drücke aufbauen. Dieser Überdruckaufbau kann zur Beschädigung der Kernumfassung und auch der benachbarten Brennelemente und möglicherweise zur Zerstörung der Brennstäbe führen.

Aus der US-PS 36 07 637 ist eine lediglich aus Kerngefäß und Formplatten bestehende Kernumfassung ohne Umfassungsplattcn bekannt, wobei die Formplatten nur als Slrömungssperre zur Verhinderung einer übermäßigen Nebenströmung in dem unregelmäßigen Ringraum zwischen Kerngefäß und Reaktorkern dienen, aber keine seitliche Abstützung des Reaktorkerns bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kernumfassung der eingangs dargelegten Art so zu gestalten, daß die eben genannten Schwierigkeiten überwunden werden und trotzdem die Vorteile einer nach oben gerichteten Strömung im Kernumfassungsringraum zur Geltung kommen, daß weiter die durch eine KJeinhaltung der den Reaktorkern umgehenden Nebenströmung erzielbaren wirkungsgradmäßigen Vorteile erhalten bleiben und trotzdem die bei angenommenen Unfallbedingungen auftretenden Oberdruckprobleme beseitigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordung gelöst

Vorzugsweise wird eine Kühimittelnebenströmung durch den Kernumfassungsringraum parallel zu der nach oben gerichteten Kerndurchströmung mit Hilfe von öffnungen in den Formplatten aufrechterhalten, um die Umfassungsplatten, die Formplatten und das Kerngefäß ausreichend zu kühlen, wobei diese Nebenströmung den thermischen Wirkungsgrad des Reaktors nicht wesentlich beeinträchtigt. Die Größe und die Lage der Durchtrittsöffnungen in den Umfassungsplatten sind so gewählt, daß über den Umfassungsplatten möglichst kleine Druckdifferenzen auftreten und folglich Querströmungen durch diese Öffnungen klein gehalten werden. Möglicherweise auftretende Querströmungen aus dem Kernumfassungsringraum sollen vorzugsweise an oder nahe einer Haltegitterebene auftreten, da an einer solchen Stelle kaum eine Schwingung der Brennstäbe hervorgerufen werden kann.

Außerdem wird ein bei angenommenen Unfallbedingungen auftretender Druckaufbau durch den Austritt von Kühlmittel durch die öffnungen der Umfassungsplatten abgeschwächt, wodurch die Festigkeit der Kernumfassungskonstruktion erhalten bleibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in weichen zeigen

F i g. 1 eine schematische isometrische Darstellung des Primärkühlsystems eines Kernreaktors,

F i g. 2 einen Schnitt durch einen Reaktorbehälter und die Reaktorinnenkonstnjktion mit der Kernumfassung, F i g. 3 einen Schnitt in der Ebene HI-III in F i g. 2,

F i g. 4 eine isometrisch'? Darstellung eines Brennelements,

F i g. 5 eine auseinandergezogene Ansicht der ein Viertel des Reaktcrkerns umschließenden Umfassungsplatten, und

Fi g. 6 ein Diagramm, welches den Druck (Ordinate) im Reaktorkern und im Kernumfassungsringraum über der Höhe (Abszisse) über der unteren Kerntragplatte zeigt.

F i g. 1 zeigt ein typisches Primärkühlsystem eines flüssigkeitsgekühlten Kernreaktors, dessen Hauptkomponenten der Reaktorbehälter 10, Dampferzeuger 12, Kühlmittelumwälzpumpen 14 und diese Komponenten in der dargestellten Weise miteinander verbindende Hauptkühlmittelleitungen 16 sind. Das Primärkühlsystem weist typischerweise eine Mehrzahl von mit dem Reaktorbehälter verbundenen Kühlschleifen auf, die jeweils eine Umwälzpumpe 14 und einen Dampferzeuger 12 enthalten. In jeder Kühlschleife strömt das Kühlmittel aus dem Reaktorbehälter 10 zum Dampferzeuger 12, von dort zur Umwälzpumpe 14 und schließlich in den Reaktorbehälter 10 zurück.

Im Reaktorbehälter 10 befindet sich die innere Reaktorkonstruktion und der Reaktorkern 18.

In F i g. 2 sind die Reaktorinnenkonstruktion und der Reaktorkern 18 im Reaktorbehälter 10 dargestellt Der

ίο Reaktorkern 18 weist typischerweise eine Vielzahl von länglichen Brennelementen 30 auf, die parallel nebeneinander so angeordnet sind, daß der Reaktorkern etwa die Form eines senkrechten Kreiszylinders hat, wie am besten in F i g. 3 sichtbar ist. Ein typisches Brennelement 30 ist in F i g. 4 gezeigt und weist ein oberes Mundstück 32, ein unteres Mundstück 34 und eine Vielzahl von länglichen, etwa zylindrischen Brennstäben 36 auf, die zwischen den Mundstücken 32 und 34 verlaufen und jeweils eine Vielzahl von gestapelten Brennstofftabletten 38 aur angereichertem Urandioxid oder anderen Kernbrennstoff enthalten. Die Bre«/stäbe 36 werden entlang des Brennelements 30 durch eine Anzahl von Haltegittern 40 seitlich abgestützt die jeweils eierkistenartig ausgebildet sind und eine axiale Dehnung der Brennstäbe gestatten. Die Haltegitter 40 sind typischerweise jeweils aus einer Vielzahl von Streifen 44 zusammengesetzt, von denen die äußersten die Berührungsflächen für eine Berührung zwischen benachbarten Brennelementen bieten. Die Haltegitter 40 sind deshalb bei allen Brennelementen 30 des Reaktoikerns 18 jeweils auf gleicher Höhe angeordnet. Bei den in F i g. 2 gezeigten Brennelementen 30 sind in acht Höhenpositionen längs der Brennelementenlänge Haltegitter 40 angeordnet

Bei dem in Fi g. 4 dargestellten Brennelement ist außerdem eine Steuerstabanordnung 42 gezeigt, welche in einigen ausgewählten Brennelementen des Reaktorkerns 18 zur Steuerung des Spaltvorgangs herausnehmbar eingetaucht ist.

Die Reaktorinnenkonstruktion umfaßt das untere Kerntraggerüst 50 und das obere Kerntraggerüst 52.

Der Hauptbestandteil und der tragende Teii der Reaktorinnenkonstruktion ist das untere Kerntraggerüst 50. Es umfaßt ein Kerngefäß 56, Kernumfasünngsplatten 58, Formplatten 59, eine untere Kerr.tragplatte 60 und Tragstützen 62, Neutronenabschirmplatten 64 und eine untere Tragplatte 66. Das untere Kerntraggerüst ist an einem oberen Flansch 68 des Kerngefäßes 56 aufgehängt, der auf einem an einem Flansch 72 des Reaktorbehälters 10 gebildeten Auflager 70 aufliegt. Der Behälterflansch 72 trägt auch den Behälterdeckel 74, der mit dem Reaktorbehälter 10 verschraubt ist. Der untere Teil des unteren Kerntraggerüsts 50 wird durch eine an der Behälterwand befestigte radiale Stützkonstruktion 76 in seiner seitlichen Bewegungmöglichkeit beschränkt Die Neutronenabschirmplatten 64 sind am AuSenumfang des Kerngefäßes 56 befestigt und schützen den Reaktorbehälter 10 im Kernbereich gegen Neutronen. Zwischen den Neutronenabschirmplatten 64 und dem Kerngefäß 56 ist ein Ringraum 78 gebildet, durch welchen Kühlmittel über die Kerngefäßaußenfläche strömen kann.

Innerhalb des Kerngefäßes 56 sind Formplatten 59 an diesem befestigt, welche die vertikalen Umfassungsplatten 58 tragen, welche den Außenumfang des Reaktorkerns 18 umschließen. Die Umfassungsplatten 58 werden von den Formplatten 59 in ihrer Lage gehalten und sind so aneinandergestoßen, daß sie, wie die Draufsicht

in F i g. 3 zeigt, eine geschlosene Kernumfassung bilden. Die Formplatten 59 und die Umfassungsplatten 58 bilden außerdem einen Kühlmittelnebenströmungspfad durch einen Ringraum 130 zwischen dem Kerngefäß und den Umfassungsplatten, um das Kerngefäß, die Umfassungsplatten und die Formplatten zu kühlen. Der Ausdruck Ringraum bezieht sich hier auf einen abgegrenzten Bereich, der nicht notwendigerweise einen kreisrunden Querschnitt zu besitzen braucht.

Im Betrieb tritt das Reaktorkühlmittel durch eine An- ι ο zahl von Kühlmitteleinlaßstutzen 20 in den Reaktorbehälter 10 ein, strömt sodann entlang des Außenumfangs des Kerngefäßes 56 und über die Neutronenabschirmplatten 64 nach unten, wo es unter der unteren Tragplatte 66 in einer unteren Kühlmittelkammer 22 seine Strömungsrichtung um 180° ändert und durch öffnungen in der unteren Tragplatte 66 und der unteren Kerntragplatte 60 nach oben durch die Brennelemente 30 und um diese herum weiterströmt, wobei es Wärme vom Reaktorkern aufnimmt und diesen dadurch kühlt.

Sodann tritt das Kühlmitte! durch öffnungen in der oberen Kerntragplatte 92 hindurch, ändert seine Strömungsrichtung um 90° und tritt durch eine Anzahl von Kühlmittelauslaßstutzen 24 wieder aus dem Reaktorbehälter 10 aus.

Eine verhältnismäßig kleine Kühlmittelnebenströmung im Größenbtreich von etwa einem halben Prozent der durch den Reaktorkern 18 hindurchströmenden Strömungsmenge tritt unterhalb des unteren Endes der Umfassungsplatten 58 in den Ringraum 130 ein. Sodann strömt diese Nebenströmung durch in den Formplatten 59 gebildete Durchtrittsöffnungen 134 nach oben. Die Formplatten 59 sind jeweils in den gleichen Höhenpositionen wie die Haltegitter 40 der Brennelemente 30 angeordnet. Dadurch werden die Bereiche hohen Strömungswiderstandes in den nach oben gerichteten Kühlmittelströmungen im Ringraum 130 und im Reaktorkern 18 jeweils in den gleichen Höhenpositionen parallel nebeneinander angeordnet. Die Haltegitter 40 der Brennelemente bieten einen höheren Strömungswiderstand als die übrigen Bereiche der Brennelementenlänge, und die Formplatten 59 stellen einen größeren Strömungswiderstand als der übrige Ringraum 130 dar.

In den Umfassungsplatten 48 sind Durchtrittsöffnungen 136 vorzugsweise unmittelbar unterhalb der gewählten Formplattenhöhenpositionen, also jeweils im Bereich hohen Strömungswiderstandes bzw. hohen Druckgefälles angeordnet. Eine bevorzugte Anordnung ist in F i g. 5 gezeigt. Die dort auseinandergezogen dargestellten Umfassungsplatten 58a bis 5Sg umschließen ein Viertel des Reaktorkerns 18, wie aus Fig.3 entnehmbar ist. Die einzelnen Umfassungsplatten sind aneinandergestoßen und werden von den Formplatten 59 in ihrer Lage gehalten. Die Durchtrittsöffnungen 136 weisen jeweils einen Durchmesser von 5 cm auf. Die in Fig.5 eingezeichneten kleinen Kreuzchen zeigen jeweils die Lage von Befestigungselementen in Höhe der Formplatten 59. Wie in Fig.5 dargestellt, sind die Durchtrittsöffnungen 136 nur unterhalb der mittleren fünf Formplatten vorgesehen, deren Höhenposition mit 3 bis 6 bezeichnet sind.

Der Zweck der Bemessung und Positionierung der Durchtrittsöffnungen 136 ist die Kleinhaltung der Druckdifferenzen und folglich von Querströmungen durch diese Durchtrittsöffnungen hindurch. Das mit der Anordnung nach F i g. 5 erzielte Ergebnis ist in F i g. 6 dargestellt. Es ist an dieser Stelle zu bemerken, daß, da die Kühlmittelnebenströmung durch den Ringraum 130 hindurch verhältnismäßig klein ist, der vertikale Druckgradient durch einen gegebenen Reaktorkern 18 unabhängig von der Gestalt der im Ringraum 130 vorhandenen Strömungswiderstände fest ist. Mit anderen Worten, der Druckabfall durch den Reaktorkern ist im wesentlichen eine Konstante und die Querströmung durch die Umfassungsplatten 58 hindurch kann durch die erfindungsgemäße Anordnung minimal gehalten werden. In Fig.6 stellt die Kurve »/\« den analytisch bestimmten Druck im Ringraum 130 für den beispielsweise dargestellten Reaktor dar. Die Nummern 1 bis 8 bezeichnen die Höhenpositionen der Formplatten 59 und der Haltegitter 40. Wie dargestellt, tritt bei jeder Höhenposition eine stufige Druckänderung auf. Die Kurve »ß« stellt den Druck im Kernbereich dar. Mit Ausnahme des schraffierten Bereiches zwischen den Höhenpositionen 1 und 2 ist der Druck im Reaktorkern 18 stets größer als der Druck im Ringraum 130. Durch Anordnung der Druchtrittsöffnungen 136 in den Umfassungsplatten unterhalb der Höhenpositionen 3, 4, 5 und 6 strömt eine auftretende Querströmung aus dem Reaktorkern 18 in den Ringraum 130, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung von Brennstäben 36 herabgesetzt ist, wie sie infolge des Auftreffens einer durch Zwischenräume zwischen benachbarten UmfassungspUitten in den Reaktorkern 18 hinein gerichteten Querströmung auf Brennstäbe auftreten könnten. Durchtrittsöffnungen 136 können auch an weiteren oder anderen Höhenpositionen unterhalb bestimmter Formplatten angeordnet werden, obwohl die Bereiche, in welchen die Zustände der Kühlmittelströmung und des Druckabfalls weniger gewiß sind, an den Grenzen, etwa im Bereich der einlaßseitigen Höhenposition 1 und der auslaßseiligen Höhenposition 8 liegen. Analytische Untersuchungen haben gezeigt, daß die Anwendung der Erfindung auch die maximale Druckdifferenz zwischen dem Reaktorkern 18 und dem Ringraum 130 bei angenommenen Unfällbedirigungen um etwa den Faktor 4 herabsetzt.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Kernumfassung für Kernreaktoren, deren Reaktorkern von einem im Reaktorbehälter angeordneten Kerngefäß umschlossen ist und eine Vielzahl von Brennelementen enthält, welche ihrerseits jeweils eine Vielzahl von Brennstäben enthalten, die in bestimmten Axialabständen durch Haltegitter gehalten werden, wobei die Kernumfassung eine Vielzahl von nahe am Reaktorkernumfang angeordnete Umfassungsplatten aufweist, die mittels einer Anzahl von am Kerngefäß befestigten Formplatten gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß