DE2814978B2 - Wassergekühlter Kernreaktor - Google Patents
Wassergekühlter KernreaktorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Kernreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs !.
In mit Druckwasser gekühlten Kernreaktoren haben der Kühlmitteldurchsatz und der Strömungswiderstand
der Brennstoffbaugruppen Werte, bei denen die hydraulische Hebekraft eine solche Höhe erreicht, daß
die BrennstoffbaugTüppen zu Schwingungen neigen und
sich sogar von der Coreabstützung abheben können. Verschiedene Maßnahmen sind bekannt, um diese
nachteilige Bewegung zu eliminieren.
Gemäß einer Lösung werden Verriegelungseinrichtungen vorgesehen, mittels denen die unteren Enden der
Brennstoffbaugrupf>en an der Coreabstützung festgelegt
werden. Zwar arbeiten diese Einrichtungen verläßlich, doch weisen sie einen komplizierten -Aufbau
auf, da sie nicht nur ferngesteuert verriegelt und entriegelt werden, sondern auch noch nach etwa einem
Betriebsjahr unter den im Reaktor herrschenden Bedingungen zuverläßlich lösbar sein müssen.
Eine andere Lösung geht dahin, eine Federbelastung oberhalb jeder Brennstoffbaugruppe vorzusehen, mit
der auf eine obere Ausfluchtungsplatte gedrückt wird und damit die Brennstoffbaugruppen einer abwärts
wirkenden Kraft unterworfen werden (US-PS 37 70573). Nachdem Reaktoren Rät immer größeren
hydraulischen Hebekräften konstruiert werden, werden auch die entsprechenden erforderlichen Federkräfte
und damit die Federn selbst sehr voluminös. Jede Komponente an gerade dieser Stelle beschränkt jedoch
die Möglichkeiten, ein gewünschtes Strömungssystem zu etablieren und hat die Tendenz, den Druckabfall des
Kühlmittels zu erhöhen.
Aus der DE-AS 12 49 412 ist ein wassergekühlter Kernreaktor bekannt, in dessen Druckbehälter das Core
durch Kühlmittel vertikal aufwärts durchströmt wird und mit einer Querabdichtwand versehen ist die durch
den Einlaßdruck des Kühlmittels in einer ersten Plenumkammer über dieser Wand in Eingriff mit dem
Coremantel gehalten wird, während unter der Querabdichtwand und über dem Core in einer zweiten
Plenumkammer der niedrige Auslaßdruck herrscht Hierbei sind jedoch die Rohre für die Brennelemente
auf einer Tragplatte angeordnet und praktisch nicht gegen hydraulische Hebekräfte geschützt
Bei der Auslegung von Kernreaktoren muß ein Verlust an Kühlmittel durch einen Unfall, entweder
durch Bruch der Einlaß- oder der Auslaßleitung, die zum Druckbehälter führt, einkalkuliert werden. Im Falle
eines Bruchs der Auslaßleitung führt der erhöhte Durchsatz zu einem erheblichen Anstieg der Aufwärtskräfte
auf die Brennstoffbaugruppen. Ein Bruch der Einlaßleitung andererseits kehrt die Strömungsrichtung
um. Der im Core erzeugte Dampf sitzt als Dampfpolster dahinter und treibt das Wasser zurück durch das Core
zu dem Bruch in der Einlaßleitung. Es wäre wünschens-
wert, das Wasser innerhtilb des Cores zu halten,
während der Druck durch dim Bruch austreten könnte.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kernreaktor nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der eine einfach gebaute Niederhaliteeinrichtung für die Brennstoffbaugruppen
aufweist, wobei Strömungsbehinderungen infolge der Einrichtung selbst minimal gehalten
werden.
Die Lösung dieser Aulgabe ergibt sich aus den Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1, während die Unteransprüche bevorzugte Weiterbildungen beinhalten.
Dabei werden die Nkxlerhaltekräfte derart aufgebracht,
daß sich eine Kompensation bezüglich Änderungen der Primärströmung durch den Reaktor mit daraus
resultierenden Änderungen der Aufwärtskräfte auf die Brennstoffbaugruppen ergibt
Die Hochdrurkplenumli-aniiner kann in direkter
Verbindung mit dem Druckbehältereinlaß stehen, und demgemäß ist der Druck tuber dem Kolben nahe dem
Einlaßdruck. Die Unterseite des Kolbens steht in
direkter Ruidkommunikatiion mit dem Druckbehälterauslaß,
und demgemäß ist der Druck unter dem Kolben nahe dem Reaktorauslaßdruck. Die auf den Kolben
wirkende Druckdifferenz fet eine Funktion der Druckdifferenz
Ober dem Reaktor, und demgemäß kompensiert die Niederhaltekraft ohne weitere Differenzen in
dem Durchsatz des Kühlmittels durch den Reaktor.
Der größere Teil der Niederhalteeinrichtung befindet
sich außerhalb der Primär-Kühlmittelströmung, da sie
sich in bzw. Ober der Queralbdkhtwand befindet Nur die
rohrförmige Schubstange, <Ie den Steuerstab umschließen
kann, erstreckt sich nach unten in den Pr imär-Strömungspfad.
Diese Schubstange bildet zugleich einen Strömungspfad für eine abwärts erfolgende Strömung
von Kühlmittel, das aus der oberen Plenumkammer nach unten gelangt und dabei die Steuerstäbe kühlt
Die gute Abdichtung zwischen dem Kolben und der Querabdichfvand erfolgt oberhalb der Abdichtplatte,
wobei Justierungen vorgenommen werden und Einbauten erfolgen können, bevor ein Coreausfluchtungsmantel
auf die Brennstoffbaugriippen aufgebracht wird. Die
Montage des Reaktors wind damit vereinfacht da die engen Toleranzen während dieses Arbeitsganges nicht
eingehalten zu werden brauchen.
Falls Kühlmittel infolge eines Bruchs der Auslaßleitung
austritt vergrößert <l&e Selbstkompensation, die
gemäß der Erfindung erfolgt die Niederhaltekraft in dem Augenblick, in draii der hohe Durchsau die
Tendenz hat die Brennstolffbaugruppen abzuheben. In dem Falle ?ines einlaßseitißen Austritts von Kühlmittel
führt die Strömungsrichtun;|rsumkehr, die auf die Kolben
zurückwirkt dazu, daß diese von der Querabdichtwand abheben, womit sich ein Strömungspfad für den Dampf
ergibt der dann in die Einlaßleitung eintreten kann,
ohne nach unten durch das Core strömen zu müssen und dabei das Kühlmittel auszutreiben.
Ein bevorzugtes Ausffihmngsbeispiei des Gegenstandes
der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nähet lifWulert.
F i g. 1 zeigt die allgemeine Anordnung des Kernreaktors,
Fig.2 ist ein Längsschnitt zur Darstellung der
Niederhalteeinricbtung, und
F i g. 3 ist eine Draufsicht auf die Niederhalteeinrichtung.
Ein Druckbehälter 2 eines Kernreaktors ist mit einem
Druckbehälterkoplf 4 an eimern Flansch 6 verschraubt Der Druckbehälter 2 weist einen Einlaß 8 und einen
Auslaß 10 für die Kühlwasserströmung auf.
an einem Corehaltemantel 18 hängt Der Corehaltemantel
18 seinerseits wird von einem Flansch 20 getragen und ist am Druckbehälter 2 nahe dem Flansch 6
,„ aufgehängt
Unmittelbar über dem Core 12 befindet sich eine Ausfluchtungsplatte 22 für die Brennstoffbaugruppen
14, die dazu dient die oberen Enden der Brennstoffbaugruppen 14 zu positionieren und in Ausfluchtung zu
halten. Eine Querabdichtwand 24 ist über der Ausfluchtungsplatte 22 vorgesehen und begrenzt damit eine
Auslaßplenumkammer 26.
Nach Eintritt des Kühlmittels durch den Einlaß 8 strömt eirr erster, den größten Teil des Kühlwassers
T0 umfassender Anteil nach unten duuii einen Ringraum
28 zwischen dem Druckbehälter 2 und Jem Corehaltemantel 18. Diese Strömung gelangt nach unten durch
eine Leitwand 30 in eine Einlaßplenumkammer 32 unter dem Core 12. Die Strömung gelangt dann aufwärts
2- durch Jas Core 12 und durch öffnungen in der
Ausfluchtungsplatte 22 in die Auslaßplenumkammer 26. Von hier erfolgt die Strömung nach außen durch den
Auslaß 10 zu einem (nicht dargestellten) Dampferzeuger.
J0 Jede Brennstoffbaugruppe 14 umfaßt innerhalb ihres
Aufbaus vier Führungsrohre 40, die sich durch die gesamte Länge der Brennstoffbaugruppe 14 erstrecken.
Die Führungsrohre 40 erstrecken sich nach oben über die Ausfluchtungsplatte 22 der Brennstoffbaugruppen
„ 14 hinaus (nicht dargestellt).
Fingerförmige Steuerstäbe 48 sind innerhalb der Führungsrohre 40 der Brennstoffbaugruppen 14 vertikalbewegbar.
Jeder dieser Steuerstäbe 48 erstreckt sich individuell bis zu einer Höhe oberhalb der Querabdichtwand
24, an welcher Stelle sie miteinander in Untergruppen vereinigt mit einem Steuerstabfortsatz
50 verbunden sein können.
Zusätzlich zu Strömungsöffnungen 52 weist die Ausfluchtungsplatte 22 noch öffnungen 54 auf, durch die
4r, sich die Steuerstäbe 48 erstrecken. Die Fortsätze der
Führungsrohre 40 ragen in die öffnungen 54. Diese Stoßstelle sollte so ausgebildet werden, daß Horizontalkräften
gefolgt werden kann, so daß die Brennstoffbaugruppen 14 ausgefluchtet werden können, und müssen
rM Vertikalbewegungen gestatten, um der Expansion
unterschiedlicher Brennstoffbaugruppen 14 nachzugeben.
Huilfohre 56 für die Steuerstäbe 48 erstrecken sich
durch die Auslaßpienumkammer 26 und können mit der
r)5 Ausfluchtungsplatte 22 und der Querabdkiitwand 24
verschweißt sein. Die Hüllrohre 56 umschließen die Steuerstäbe 48, um diese gegen die Wirkungen der
Querströmung durch die Auslaßplenumkammer 26 zu schützen.
M Da die Querabdichtwand 24 nicht nur zum Abdichten
benutzt wird, sondern auch als ein Teil der strukturellen Anordnung für die obere Führungsbaugruppe, ist sie an
einem Innenmantel 60 aufgehängt damit sich eine stabilere Struktur ergibt Dies erlaubt darüber hinaus,
f.rt daß der gesamte Einbau einschließlich der Ausfluchtplatte
22 entfernt werden kann, wenn zwecks Brennstoffaustausch die Brennstoffbaugruppen 14 freigelegt
werden. Der Innenmantel 60 hängt an Flanschen
62, die auf den Flanschen 20 des Corehaltemantels 18
ruhen. Eine den Innenmantel 60 oben abdeckende Platte 64 ist offen, um den Durchlaß zu ermöglichen.
Eine Öffnung 70 ist durch den Corehaltemantel 18 und
auch durch den oberen Innenmantel 60 vorgesehen, so daß ein zweiter kleinerer Anteil des Kühlmittels, das in
den Druckbehälter 2 eingeführt wird, in eine unter hohem Druck stehende Plenumkammer 72 strömt Die
Strömung erfolgt dann nach unten durch Schubstangen 74 in die Führungsrohre 40 für die einzelnen
Brennstoffbaugruppen 14. Dieser zweite kleinere Strömungsanteil gelangt dann durch die Länge der
Brennstoffbaugruppen 14 innerhalb der Führungsrohre 40 zu einer Stelle nahe dem Boden des Cores 12, wo die
Strömung auftritt und auf den ersten Hauptanteil der Strömung trifft. Die beiden Anteile mischen sich dann,
und die Gesamtmasse strömt aufwärts durch das Core 12 zur Auslaßplenumkammer 26.
Man erkennt, daß zwei parallele Strömungspfade zwischen dem Einlaß 8 und dem Boden des Cores 12
vorliegen. Der Druckabfall wird im wesentlichen durch den größeren ersten Anteil der Strömung bewirkt, bei
deren Durchlaß durch den Ringraum 28. Wegen der Fluidströmung ergibt sich ein hoher Druck am Einlaß 8,
ein mittlerer Druck am Einlaß des Cores 12 und ein niedriger Druck am Auslaß 10. Der verbleibende Anteil
der Strömung längs des anderen Pfades unterliegt demselben Druckabfall, wobei die Strömung durch die
Geometrie des Strömungspfades bestimmt wird. Die Plenumkammer 72 steht in direkter Fluidkommunikation
mit dem Einlaß 8, so daß dieser Teil des Strömungspfades einen geringen Strömungswiderstand
aufweist und deshalb einen relativ niedrigen Druckabfall bewirkt. Der Anteil des Strömungspfades durch die
Hüllrohranordnung und schließlich durch die Führungsrohre 40 unterliegt dem größeren Anteil des zur
Verfügung stehenden Druckabfalls. Dies bewirkt, daß der Druck in der Plenumkammer 72 relativ hoch nahe
dem Druck am Einlaß 8 gehalten wird.
Die Querabdichtwand 24 besteht aus einer Dichtungsplatte 75 und vertikalen Fortsätzen 76. Die Fortsätze 76
befinden sich über den Brennstoffbaugruppen 14, die niederzuhalten sind, und haben im Ausführungsbeispiel
eine runde Form. Ein Kolben 78 bewirkt gleitbewegbar die Abdichtung gegen die innere Vertikalfläche der
Fortsätze 76. Ein flexibler Dichtring 79 kann rings um den Umfang des Kolbens 78 vorgesehen sein, um die
Abdichtung zwischen dem Kolben 78 und den Fortsätzen 76 zu verbessern.
Der Kolben 78 hi mit den Schubstangen 74 derart
verbunden, daß der Kolben 78 eine abwärts gerichtete
Kraft auf die Schubstangen 74 übertragen kann. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kolben 78 mit
den Schubstangen 74 verschweißt jede Brennstoffbaugruppe 14 umfaßt dabei vier Steuerstäbe 48 und vier
Führungsrohre 40 hierfür. Demgemäß sind vier Schubstangen 74 für jede Brennstoffbaugruppe 14
vorgesehen, die alle an einem gemeinsamen Kolben 78 montiert sind.
In der Dichtungsplatte 75 sind innerhalb der Begrenzungen durch die Fortsätze 76 Offnungen 80
vorgesehen. Durch die öffnungen 80 wird die Unterseite des Kolbens 78 direkt mit dem Auslaß 10 des
Reaktors in Fluidkommunikation gebracht und damit die Unterseite des Kolbens 78 niedrigem Druck
ausgesetzt
Die Fortsätze 76 der Querabdichtwand 24 können, wie angedeutet mittels Bolzen 84 verschraubt sein. Die
Verbindung zwischen den Fortsätzen 76 und der Dichtungsplatte 75 sollte weitestgehend dicht sein, um
einem Lecken an der Verbindungsstelle vorzubeugen.
Kühlmittel kann von der Plenumkammer 72 längs der Steuerstäbe 48 zwischen den Steuerstiben 48 und den
Schubstangen 74 nach unten gelangea Dieses Kühlmit-
1(1 tel strömt dann durch die Führungsrohre 40. Leckagen
zwischen den Kolben 78 und den Fortsätzen 76 gelangen durch die öffnungen 80 zum Auslaß 10.
Demgemäß wirkt ein hoher Druck aus der Plenumkammer 72, der nahe dem ReaktoreinlaBdnick liegt, auf die
'"> Oberseite des Kolbens 78, während ein niedriger Druck nahe dem Druck am Auslaß 10 auf die Unterseite des
Kolbens 78 wirkt Diese Druckdifferenz führt zu einer abwärts gerichteten Kraft auf die Schubstangen 74, die
auf die Oberseite der Führungsrohre 40 drucken, um auf
2(1 diese Weise die Brennstoffbaugruppen 14 niederzuhalten.
Veränderungen des Durchsatzes, die die Tendenz hätten, die Aufwärtskraft auf die Brennstoffbaugruppen
14 zu erhöhen, führt zu einem erhöhten Druckabfall über dem Core. Dies erhöht automatisch die Druckdiffe-
- > renzen über dem Kolben 78 und damit die Niederhaltekraft
Bei der olontage des Reaktors sind die Brennstoffbaugruppen
14 an Ort und Stelle, während die Ausfluchtungsplatte 22 und die Querabdichtwand 24 als
eine Einheit eingebaut werden. Die kleinen Abfasungen, die an der Oberseite der Führungsrohre 40 angedeutet
sind, sind jene, die üblicherweise verwendet werden und ausreichen, um die Brennstoffbaugruppen 14 innerhalb
der Ausfluchtungsplatte 22 zu führen. Keine kritischen
'"' Abstände sind an dieser Stelle erforderlich, da die
kritischen Abstände oberhalb der Dichtungsplatte 75 zwischen dem Kolben 78 und den Fortsätzen 76
aufrecht erhalten werden, wo die Einrichtung ohne weiteres zugänglich ist
4(1 Im Falle eines Kühlmittelverlustes infolge Bruchs der
Auslaßleitung wird die durch den Kolben 78 aufgebrachte Niederhaltekraft automatisch vergrößert.
Wenn der Kühlmittelverlust auf einen Bruch der Einlaßleitung zurückzuführen ist bricht der Druck am
Einlaß 8 des Druckbehälters 2 und damit der Druck in der Plenumkammer 72 zusammen. Die Rückströmung,
die auf den Kolben wirkt, hebt diesen bis aus dem Kontaktbereich mit dem Fortsatz 76 und ermöglicht
damit eine Strömung aus dem Auslaß 10 nach oben durch die Plenumkammer 72 zum Auslaß 8. Dies hält
den Veriust an Wasser aus dem Core 12 minimal, der sonst einträte, wenn der Dampf das Wasser rückwärts
durch das Core 12 austreiben würde.
abgeschätzt werden im Bereich der Primär-Kühlmittelströmung.
Man erhält nämlich keinerlei Vergrößerung der Einbauten über diejenige Struktur hinaus, die bereits
erforderlich ist um die Brennstoffbaugruppen 14 auszufluchten. Außerdem ist nur ein minimaler Einfluß
auf die Konstruktion der Ausfluchtungsplatte 22 anzumerken, so daß die öffnungen 52 großzügig
bemessen werden können, was zu einem niedrigen Druckabfall und geringen Turbulenzen der Primär-Kühhnittelströmung
führt
Claims (9)
1. Wassergekühlter Kernreaktor mit einem
Druckbehälter, der einen Kühlwassereinlaß und einen Kühlwasserauslaß aufweist, mit einem im
Druckbehälter untergebrachten Core, das von dem Kühlwasser vertikal aufwärts durchströmt ist, und
mit einer Coreniederhalteeinrichtung zur Kompensation der Corehebekräfte, hervorgerufen durch den
Druckabfall der Kühlmittelströmung durch das Core, dadurch gekennzeichnet, daß in an
sich bekannter Weise eine im Druckbehälter (21) angeordnete Querabdichtwand (24) vorgesehen iist,
über der eine im wesentlichen unter dem Einkißdruck
des Kühlwassers stehende erste Plenumkammer (72) liegt, während unter der Querabdichtwand
(24) und über dem Core (12) in einer zweiten Plenumkammer (26) der niedrigere Auslaßdruck
herrscht, «ad daß die Querabdichtwand (24) Vertikaiführungen (76) für relativ zu ihr bewegbare
Kolben (78) aufweist, deren obere Kolbenfläche unter dem Druck in der ersten und deren untere
Kolbenfläche unter dem Druck in der zweiten Plenumkammer steht und die als Niederhalter auf
das Core (12) wirkend mit diesem gekoppelt sind.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Plenumkammer (72) in direkter Fluid-Kommunikation mit dem Kühlwassereinlaß
(8) und die zweite Plenumkammer (26) in direkter Flui;'Kommunikation mit dem Kühlwasserauslaß
(10) steht
3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unierseite der Kolben
(78) mindestens eine Schubstange (74) befestigt ist,
die mit dem oberen Ende einer zum Core (12) gehörenden Brennstoffbaugruppe (14) in Kontakt
steht
4. Kernreaktor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabdichtwand (24) eine
Dichtungsplatte (75) umfaßt, während die Vertikalführungen
(76) an der Oberseite der Dichtungspia tt<5 befindliche vertikale hohlzylindrische Fortsätze (76)
sind, in denen die Kolben (78) gleitend und abgedichtet geführt sind
5. Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kolben (78) mit den ihm zugeordneten Schubstangen (74) unlösbar verbunden
ist
6. Kernreaktor nach Anspruch 3,4 oder 5, bei dem
die Brennstoffbaugruppen mindestens ein Führunfjsrohr
für einen Steuerstab umfassen, durch die bis in die erste Plenumkammer ragende Steuerstäbe
vertikalbewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstangen (74) rohrförmig ausgebildet sind,
jeweils einen Steuerstab (48) umschließen und in Kontakt mit dem oberen Ende des zugeordneten
Führungsrohres (40) stehen.
7. Kernreaktor nach Anspruch 6, bei dem eine Ausfluchtungsplatte für die Brennstoffbaugruppen
am oberen Coreende vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfluchtungsplatte (;ö)
unter der Querabdichtwand (24) angeordnet ist, die zweite Plenumkammer (26) nach unten begrenzt und
Öffnungen (M) in Eingriff mit den Führungsrohren (40) zum Ausfluchten der Brennstoffbaugruppen (14)
aufweist, und daß ein Hüllrohr (36) die Schubstange
(74) umschließt, das mit der Querabdichtwand (IM) und der Ausfluchtplatte (22) verbunden ist
8. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabdichtung (24) Öffnungen
(80) zwischen ihren Fortsätzen (76) aufweist, über die die Unterseite der Kolben (78) dem Druck in der
zweiten Plenumkammer (26) ausgesetzt ist
9. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstoffbaugruppe
eine Mehrzahl von Führungsrohren (40) und Schubstangen (74) zugeordnet ist
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