DE2647478A1

DE2647478A1 - Kernummantelung fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE2647478A1
Application number: DE19762647478
Authority: DE
Inventors: Robert T Berringer; Jun Frank W Cooper; Breeze Fla Gulf; Charles B Knight; Bernard L Silverblatt
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-11-25
Filing date: 1976-10-21
Publication date: 1977-05-26
Also published as: IT1064579B; AT358675B; ATA787376A; CA1074463A; BE848760A; JPS5266196A; US4158605A; SE7612869L; CH613067A5; SE412136B; FR2333324A1; GB1540304A; FR2333324B1; ES453568A1; JPS5549279B2

Description

PATENTANWALT

Dipl. ing. B. HOLZEK

FEILIFFINTK-WBIiSBB-STBASSB 14

89OO AUGSBUKO

TELEFON S10475 TBLEX 633202 pstol i

W. 824

Augsburg, den 14. Oktober 1976

Westinghouse Electric Corporation, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Kernummanteluns für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft eine Kernummmantelung für Kernreaktoren, mit einem den Reaktorkern umgebenden Kerngefäß und mit einer Vielzahl von zwischen dem Kerngefäß und dem Reaktorkern vorgesehenen Kernumfassungsplatten und Mitteln zur Befestigung der Kernumfassungsplatten am Kerngefäß mit Abstand von demselben.

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Ein Reaktorkern enthält typischerweise eine Vielzahl von Brennelementen, die parallel nebeneinander so angeordnet sind, daß sie dem Reaktorkern eine einem senkrechten Kreiszylinder angenäherte Gestalt verleihen. Der Reaktorkern ruht typischerweise auf einer ihn tragenden unteren Kerntragplatte, die ihrerseits durch eine Strömungsleit- und Tragkonstruktion getragen wird, beispielsweise durch ein den Reaktorkern radial außen umschließendes Kerngefäß. Da das Kerngefäß diese große Last tragen muß, ist es als massive, verhältnismäßig dickwandige Konstruktion ausgebildet. Das Kerngefäß muß jedoch einen Abstand von den randständigen Brennelementen des Reaktorkerns aufweisen, um die Auswirkungen der Strahlung auf die Kerngefäßwand zu mindern. Außerdem strömt das in den Reaktorbehälter eintretende kühle Reaktorkühlmittel an der Außenfläche des Kerngefäßes entlang, während das durch den Reaktorkern hindurchströmende Kühlmittel heißer ist. Deshalb dient der Abstand des Kerngefäßes vom Reaktorkern auch zum Schutz der Kerngefäßwand vor einem übermäßig großen Temperatürgefälle. Allerdings ist es nicht wünschenswert, eine große Kühlmittelmenge als Nebenstrom im Bereich zwischen dem Kerngefäß und dem Reaktorkern um den Reaktorkern herumströmen zu lassen, da diese Nebenströmung den thermischen Reaktorwirkungsgrad herabsetzt.

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Bisher findet eine Anordnung aus Kernumfässungsplatten und Formplatten Anwendung, welche die Kühlmittelströmung innerhalb des Reaktorkerns und unmittelbar um diesen herum hält und auch einen annehmbaren Nebenstrom zuläßt. Diese Anordnung weist eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Umfassungsplatten auf, die sich jeweils über die gesamte Reaktorkernhöhe erstrecken und am Kernumfang aneinanderstoßen. Diese Umfassungsplatten sind an sie tragenden, quer verlaufenden Formplatten befestigt, die ihrerseits vom Kerngefäß gehalten werden. Das Kerngefäß, die Umfassungsplatten und die Formplatten sind durch Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schweißnähte oder häufiger durch Schrauben, miteinander verbunden. Da das Kerngefäß verhältnismäßig dickwandig, die Kernumfassung jedoch verhältnismäßig dünnwandig ist, ergibt sich eine Wärmedehnungsdifferenz die durch die Befestigungsmittel, also beispielsweise die Schrauben, aufgenommen werden muß. Mit zunehmender Länge des Reaktorkerns werden die Wärmedehnungsunterschiede und die sich ergebenden Beanspruchungen größer. Die sich einstellenden Beanspruchungen auf die Befestigungsmittel sind beträchtlich und können möglicherweise zum Bruch führen. Außerdem kann die unterschiedliche Wärmedehnung Biegungen in den Umfassungsplatten verursachen, wodurch diese möglicherweise mit den Brennelementen in Berührung kommen und die Kühlmittelströmung in unerwünschter Weise verändern können.

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Insbesondere können sich die Zwischenräume zwischen benachbarten Umfassungsplatten vergrößern, wodurch sich Querströmungen einstellen können, die schädliche Schwingungen der Brennelemente hervorrufen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kernummantelung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Bauteile der Kernummantelung und die diese miteinander verbindenden Befestigungselemente keinen so großen Beanspruchungen mehr ausgesetzt sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Kernummantelung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Kernumfassungsplatten der Kernumfangsgestalt angepaßt nahe am Außenumfang des Reaktorkerns fluchtend übereinander und mit überlappenden Stoßen derart angeordnet sind, daß eine Kühlmittelströmung zwischen den Platten hindurch im wesentlichen verhindert wird.

Die Kernumfassungsplatten sind an der umgebenden Konstruktion beispielsweise durch Formplatten und Befestigungselemente, wie beispielsweise Schrauben, befestigt, welche wegen der Mehrzahl von übereinander angeordneten Umfassungsplatten weniger als bei bekannten Anordnungen beansprucht

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werden. An ihren Stoßbereichen können die Umfassungsplatten mit überlappenden Ansätzen und Längsspielraum versehen sein, so daß eine Längsdehnung ohne wesentliche gegenseitige Behinderung möglich ist. Die Umfassungsplatten können auch mit einem kleinen Querspielraum versehen sein oder mit Gleitsitz ineinandergreifen, um einen Kühlmittelleckstrom in den Stoßbereichen klein zu halten. Außerdem können die Stoßbereiche mit Bezug auf die Befestigungsmittel, beispielsweise die Formplatten, ausgerichtet sein, um eine noch bessere Sperre gegen Kühlmittelleckströme zwischen den Platten hindurch herzustellen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in welchen darstellen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen typi

schen Reaktorbehälter und die Reaktorinnenkonstruktion,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil

der gemäß der Erfindung ausgebildeten unteren Reaktorinnenkonstruktion,

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Fig. 2A eine vergrößerte Darstellung der

in Fig. 2 durch einen strichpunktierten Kreis markierten Einzelheit,

Fig. 3 einen Schnitt in der

Ebene III-III in Fig. 2,

Fig. U eine Darstellung ähnlich Fig. 2A

einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 2

einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 5A eine vergrößerte Darstellung der

in Fig. 5 strichpunktiert markierten Einzelheit,

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich Fig. 5A

einer nochmals abgewandelten Ausführungsform ,

Fig. 7 eine weitere Einzelheit der in

Fig. 5 gezeigten Anordnung, und

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Fig. 8 einen Schnitt durch ein noch

weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung»

Fig. 1 zeigt einen typischen Reaktorbehalter 10, der einen Reaktorkern lH umschließt, der eine Vielzahl von länglichen, parallel nebeneinander angeordneten Brennelementen enthält. Die Brennelemente 16 werden von einer unteren Kerntragplatte 18 getragen, die mit Durchbrüchen versehen ist, um Kühlmittel hindurchtreten zu lassen, und ihrerseits von einem Kerngefäß 20 getragen wird. Das Kerngefäß 20 wird von einem Auflagerand 22 des Reaktorbehälters 10 getragen und wird durcii eine am Reaktorbehälter 10 befestigte radiale Stützkonstruktion 24 in seiner seitlichen Bewegungsmöglichkeit beschränkt. Das Reaktorkühlmittel tritt durch einen oder mehrere Einlaßstutzen 26 in den Reaktorbehälter 10 ein, strömt sodann entlang der Außenfläche des Kerngefäßes 20 und über daran befestigte Neutronenabschirmungen 28 nach unten, wo es seine Strömungsrichtung in einem unteren Kühlmittelraum 30 um l80° ändert und sodann nach oben durch die untere Kerntragplatte 18 und den Reaktorkern 14 hindurch nach oben strömt und schließlich durch Auslaßstutzen 32 wieder aus dem Reaktorbehälter 10 austritt.

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Es ist von besonderer Wichtigkeit, daß die Kühlmittelströmung sorgfältig in die Brennelemente Iß des Reaktorkerns hinein und um diese herum geleitet wird. Die Begrenzung des Kühlmittelstromes um den Reaktorkern 14 herum erfolgt typischerweie mittels einer Anordnung aus Formplatten 3d und Kernuiiifasssungsplatten 34, durch Vielehe auch ein kleiner Kühlmittelnebenstrom hindurchgeleitet wird. Dieser Nebenstrom muß klein gehalten werden, da er den thermischen Wirkungsgrad des Reaktors herabsetzt; er muß jedoch ausreichend groß sein, um die den Reaktorkern umschließenden Bauteile ausreichend zu kühlen. Um auch den zwischen den äußersten Brennelementen lS, die typischerweise mit geringerer Leistungsdichte als die mehr in der !litte befindlichen Brennelemente arbeiten, und den Umfassungsplatten 34 hindurchtretenden Kühlmittelnebenstrom klein zu halten, sind die Umfassungsplatten nahe an den äußersten Brennelementen Io angeordnet.

Da die Kernumfassungsplatten 34, wie am besten aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, typischerweise beträchtlich dünner als das Kerngefäß 20 sind, muß die zwischen ihnen auftretende Wärmedehnungsdifferenz durch die Befestigungsmittel aufgenommen werden, welche die Formplatten 36 mit den Umfassungsplatten und dem Kerngefäß 20 verbinden. Typischerweise handelt es sich bei den Befestigungselementen um Schrauben. Die Wärmedehnungsdifferenz ergibt sich nicht allein durch die Tatsache, daß

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die Umfassungsplatten 34 näher am Reaktorkern 14 als das Kerngefäß 20 angeordnet sind und von heißerem Kühlmittel überströmt werden, sondern auch aus dem Umstand, daß die Wärmeerzeugung sich im Verlaufe des Reaktorbetriebszyklus ändert.

Durch die Erfindung werden übermäßige Beanspruchungen der Befestigungselemente herabgesetzt. Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, daß die Kernumfassungsplatten an einer oder mehreren Höhenpositionen quer geteilt sind und sich ohne wesentliche gegenseitige Beeinträchtigung an den Verbindungsstellen 38 dehnen können, wodurch die auf die Befestigungselemente ausgeübten Kräfte herabgesetzt sind. Um die Kühlmittelströmung auf beiden Seiten der Umfassungsplatten 34 mögliehst wenig zu beeinträchtigen, sind die oberen und unteren Umfassungsplatten 34 an den Stoßstellen 38 miteinander fluchtend ausgerichtet, so daß sich eine im wesentlichen kontinuierliche Innenwandfläche 40 und Außenwandfläche 42 ergibt, wie in Fig. 2A gezeigt ist. Um außerdem eine Querleckströmung zwischen den Umfassungsplatten 34 am Stoßbereich 38 hindurch möglichst gering zu halten, überlappen sich die Umfassungsplatten vorzugsweise derart, daß ie einer solchen Leckströmung einen hohen Widerstand entgegensetzen. Dies kann durch Überlappungsansätze 44 der Umfassungsplatten erreicht werden, wie sie in Fig. 2A gezeigt sind. Der Längsspielraum 46 ermöglicht eine relative Wärme-

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dehnung der Umfassungsplatten 34, und der QuerSpielraum 48 stellt eine Sperre für die Kühlniittelleckströmung dar.

Der Querspielraum 48 sollte daher entsprechend den Herstellungsverfahren und bei Beibehaltung einer im wesentlichen glatten Innenfläche 40 und Außenfläche 42 über die gesamte Höhe der Kernumfassung so klein wie möglich bemessen sein. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel xfird ein Querspalt von etwa 0,5 mm diesen Bedingungen gerecht. Der Längsspalt sollte so bemessen sein, daß die Wärmedehnungen der benachbarten Umfassungsplatten 34 ohne wesentliche gegenseitige Beeinträchtigung möglich sind. Die Größe des Längsspielraums ist daher von Paramtern wie beispielsweise der Länge der Umfassungsplatten 34 und den Temperaturen abhängig, welchen diese Platten ausgesetzt sind. Bei dem in Fig. 2A gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der obere Längsspielraum 46 etxfa 3 mm und der untere Längsspielraum 46 etwa 1,5 mm. Die Überlappungsansätze 44 sind jeweils etwa 25 mm lang.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher der QuerSpielraum 48 Null beträgt. Dies wird dadurch erreicht, daß mindestens einer der Überlappungsansätze 44 eine gewölbte Oberfläche 50 aufweist. Wenn die benachbarten Umfassungsplatten 34 sich ausdehnen, so bleibt die gewölbte Fläche 50 in

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Berührung mit dem benachbarten Ansatz 44, ohne daß der Wärmedehnungsbewegunp; äin übermäßig großer V.ider stand entlegeneres tzt vrird.

Die Fig. 5 bis 7 zeilen abgewandelte Ausfüorunp.-sformen, dia alle eine relative Wärmedehnung ermöglichen und die auf die Befestigungselemente "wirkenden Beanspruchung herabsetzen, ohne dal? ein übermäßig großer Leckstrom zwischen den Umfassungsplatten an deren Störstellen 33 hindurch auftreten kann.

Gen:'..¹J den Fi^. 5 und 5A oind aneinanderstoßende Umfassungsplatten 34 mit ineinandergreifenden Enden 52 und 54 versehen. Die zahnartig ineinandergreifenden Plattenenden 52 und 54 ermöglichen also relative Längswärmedehnun^en ohne gegenseitige Störung, wobei diese Dehnungen durch die Längsspie !räume 5u aufgenommen werden. Die ineinandergreifenden Randteile 52 und 54 müssen deshalb so bernessen sein, daß sie die Dehnung aufnehmen kennen. Die 'iuerSpielräume 58 sollten so besessen sein, daß der opaltquerschnitt möglichst klein ist, o'me jedoch der VJärmedehnungsbewegung einen iiesentliehen Widerstand entgegenzusetzen. Bei dieser Gestaltung würden jedoch die Spielraums -jo und 58 einen Leckstrom quer durch den otoßbereich 38 hindurch ermöglichen, sofern dies nicht auf andere Weise verhindert wird. Deshalb sind die Formplatten

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zur Kleinhaltung des Leckstromes so angeordnet, daß sie die Spielräume überdecken. Vorzugsxireise sind die Pormplatten mittels Befestigungselementen wie beispielsweise Schrauben an den Umfassungsplatten 34 befestigt, die jeweils durch die Zahnvorsprünge 52 hindurchverlaufen.

Fig. 6 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 5A. Jedoch sind die Querspielräume 57 hier verbreitert, um das Zusammensetzen der ineinandergreifenden Umfassungsplatten 34 zu erleichtern und einige der Herstellungstoleranzen zu vergrößern. Die Formplatten 36 sind hier so angeordnet, daß sie die Spielräume überdecken.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das denjenigen nach den Fig. 2A und 4 ähnlich ist und wobei auch die Formplatten 36 zur Verringerung der Leckströmung durch die Umfassungsplatten 34 hindurc ausgenützt werden. Die Umfassungsplatten 34 sind mit Ansätzen 62 versehen, die sich in die LüngsSpielräume 64 hinein ausdehnen können. Der Querspielraum 66 ist so klein wie möglich gemacht, entsprechend den Herstellungsverfahren. Eine mögliche Leckströmung zwischen den ümfassungsplatten 34 hindurch wird dadurch auf ein Minimum herabgestzt. Um die Leckstremung weiter zu verringern, liegen die Längsspielräune 64 an der Außenwandfläche

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der Kernumfassung auf den Formplatten 36. Bei Anordnung dieser LängsSpielräume 64 oberhalb oder unterhalb der Mitte der betreffenden Formplatte 36 ist noch genügend Oberflächenraum zur Befestigung der Umfassungsplatte 34 an der Formplatte 36, beispielsweise mittels einer Schraube 68.

Eine noch weitere Ausführungsform ist in Fig. 8 gezeigt. Dort ist an jeder Formplatte 36 eine Umfassungsplatte 3¹* befestigt. Jede Umfassungsplatte 3^ kann sich bei Temperaturanstiegen frei dehnen, ohne durch die benachbarten Umfassungsplatten 3^ behindert zu werden. Folglich werden auf die Verbindungsstellen 70 zwischen den Umfassungsplatten und den Formplatten keine wesentlichen wärmebedingten Spannungen ausgeübt. Die Umfassungsplatten 3*t sind gemäß der Darstellung mit uberlappungsansätzen 72 versehen; jedoch können auch stumpf aneinanderstoßende Platten Anwendung finden, wenn andere geeignete Maßnahmen zur Kleinhaltung der Kühlmittelleckströmung und zur Verhinderung von Schwingungen erzeugendem Auftreffen der Leckströmung auf die Brennelemente getroffen werden, was beispielsweise dadurch erfolgen kann, daß irgendeine Leckströmung nur aus dem Reaktorkern 14 nach außen auftreten kann. Die Befestigung jeweils einer gesonderten Umfassungsplatte 3^ an jeder Formplatte 36 bietet den Vorteil minimaler Spannungen, bedingt jedoch eine kompliziertere Herstellung und einen schwierigeren Einbau als die anderen beschriebenen Ausführungsformen.

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Die Erfindung beinhaltet also eine Pier nurnf as sung,
welche den Kühlmittelstrom wirksam innerhalb des Reaktorkerns und unmittelbar um diesen herum hält und die wärrneoedingten Spannungen in den Bauteilen der Kernummantelunp; erheblicn herabsetzt. Es ist klar, daß zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens nöglich sind. Beispielsweise können ineinandergreifende Umfassungsplatten unter einem Winkel angeordnet sein und brauchen nicht
notwendigerweise eine horizontale obere bzw. untere Kantenfläche aufweisen. Außerdem kann die Anzahl der Platten beliebig gewählt werden, je nach der geometrischen Gestalt und der Ausrichtung der ineinandergreifenden Plattenansätze.

7 0 ^c

Leerseite

Claims

Patentansprüche

..) Kernummantelung für Kernreaktoren, mit einem den Reaktorkern umgebenden Kerngefäß und mit einer Vielzahl von zwischen dem Kerngefäß und dem Reaktorkern vorgesehenen Kernumfassungsplatten und .littein zur Befestigung der Kernumfassungsplatten.am Kerngefäib mit Abstand von demselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernumfassungsplatten der Kernumfangsgestalt angepaßt nahe am Außenumfang des Reaktorkerns fluchtend übereinander und mit ineinandergreifenden Stoßen derart angeordnet sind, daß eine Kühlmittelströmung zwischen den Platten hindurch im wesentlichen verhindert wird.
2. Kernummantelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernumfassungsplatten (34) über eine Anzahl von Formplatten (36) am Kerngefäß (20) befestigt sind.
3. Kernummantelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernumfassungsplatten (34) ineinandergreifende Ansätze (44); 52) und Aussparungen aufweisen, die derart orientiert und bemessen sind, daß relative Wär.ne dehnung en zwischen den Platten ermöglichende Langsspielräurne (46, 5"6, 64) und Querspielräume (48, 58, 66) gebildet sind, wobei die Querspielräume so bemessen sind,

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ORIGINAL INSPECTED

daß sie einerseits den relativen V/ärmedehnungsbexiegungen nur einen vernachlässigbar kleinen mechanischen Widerstand entgegensetzen und andererseits eine Leckströmung durch diese Spielräume hindurch kleinhalten.
4. Kernummantelung nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß von den ineinandergreifenden Ansätzen (44) benachbarter Kernumfassungsplatten (34) mindestens der Ansatz einer Platte eine gewölbte Oberfläche (48) aufweist, die mit einer Gegenfläche des Ansatzes der jeweils anderen Platte in Berührung steht.
5. Kernurarnantelung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoibereiehe (33) zwischen aneinandergrenzenden Kernumfassungsplatten (34) jeweils im Bereich eines Formringes (36) liegen.
6. Kernummantelung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernumfassungsplatten (34) in mehreren Umfangsreinen angeordnet sind, xiobei sich die Platten jeder Umfangsreihe jevfeils nur über eine dem Abstand zwischen zwei Formringen (36) entsprechende Distanz erstrecken.

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