DE2929741A1

DE2929741A1 - Aus einer vielzahl von graphitbloecken bestehender tragboden fuer den kern eines kernreaktors mit kugelfoermigen brennelementen

Info

Publication number: DE2929741A1
Application number: DE19792929741
Authority: DE
Inventors: Claus Dr Ing Elter; Rolf Dr Ing Fritz; Karl-Friedrich Kissel; Josef Dipl Ing Schoening; Hans-Georg Schwiers
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Schoening Josef Dipl-Ingdr 7521 Hambruecken
Priority date: 1979-07-23
Filing date: 1979-07-23
Publication date: 1981-02-19
Also published as: GB2054246A; FR2462000A1; FR2462000B1; US4442066A; GB2054246B; JPS5621088A

Description

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Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH

Hansaring 53 - 57

5000 Köln

Aus einer Vielzahl von Graphitblöcken bestehender Tragboden für den Kern eines Kernreaktors mit kugelförmigen Brennelementen

Die Erfindung betrifft einen aus einer Vielzahl von in vertikalen Säulen angeordneten Graphitblöcken bestehenden Tragboden für den aus kugelförmigen Brennelementen aufgeschütteten Kern eines gasgekühlten Kernreaktors, der von einem zylindrischen Seitenreflektor und einem mit Abstand von diesem angeordneten thermischen Seitenschild umgeben ist, wobei die vertikalen Säulen des Tragbodens in Längsrichtung verlaufende Bohrungen für das Kühlgas aufweisen und auf den Bodenlagen des Kernreaktors abgestützt sind.

Aus der Offenlegungsschrift 1 956 226 ist ein gasgekühlter Kernreaktor bekannt, dessen Kern aus einem Gefüge von in vertikalen Säulen angeordneten Graphitblöcken besteht. Der Kern wird mittels mehrerer Schichten feuerfesten Materials, z.B. Graphit, auf dem Boden des Reaktordruckgefäßes abgestützt, wobei jede Säule des Kerns von einer eigenen Stützsäule getragen wird. Die Stützsäulen werden jeweils von mehreren übereinander gestapelten Graphitblöcken gebildet. Der Zutritt des Kühlgases zu dem Kern wird durch Kanäle ermöglicht, die in die Graphitblöcke der Tragschichten eingeformt sind und mit Gaskanälen im Kern sowie

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mit einem Gasraum außerhalb des Kerns in Verbindung stehen. Die gesamte Stützsäulenkonstruktion ist ringsum von Packungsblöcken umgeben, die zwischen dieser Konstruktion und der Auskleidung des Druckbehälters angeordnet sind.

Die Auslegeschrift 1 261 606 zeigt einen Kernreaktor mit einem zwischen dem thermischen Schild und dem Reaktorkern eingefügten Reflektor, der aus einem einen zylindrischen Hohlraum einschließenden Seitenreflektor und einem als Tragboden dienenden unteren Reflektor besteht. Der untere Reflektor wird von zwei Lagen quaderförmiger Graphitblöcke gebildet, deren Längsrichtung in der einen Lage von der Längsrichtung in der anderen Lage abweicht. In jeder der beiden Lagen werden die um eine zentrale öffnung herum angeordneten Blöcke durch Keile zusammengehalten und gegeneinander verriegelt. Der aus schichtweise aufeinandergestapelten Graphitblöcken bestehende Seitenreflektor ist über seine gesamte Höhe mittels einer Anzahl in radialer Richtung wirkender elastischer Bauteile an dem thermischen Seitenschild abgestützt.

Stand der Technik ist ferner ein Tragboden für einen Kugelhaufenreaktor, der aus einer gasdurchlässigen Tragschicht von Kugeln aus hochtemperaturfestem Material und einer Unterstützungskonstruktion für das Gewicht der Kugel-Tragschicht und der Brennstoff kugeln besteht. Diese sind unmittelbar auf der Kugel-Tragschicht aufgeschüttet. Zwischen der Unterstützungskonstruktion und der Kugel-Tragschicht ist eine Schicht aus hochtemperaturfesten Fliesen angeordnet.

Bei einem anderen Kugelhaufenreaktor, dem THTR-300 MWe, besteht der Tragboden für die Aufschüttung der Brennstoffkugeln aus einer Vielzahl von hexagonalen Graphitblöcken, die zu frei beweglichen Säulen angeordnet sind und axiale Bohrungen für' das

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Kühlgas aufweisen. Die aus den Graphitblöcken gebildeten Säulen sind einzeln durch je eine Rundsäule abgestützt, die in den aus Graphitplatten bestehenden Boden eingebunden sind. Durch an den hexagonalen Graphitblöcken vorgenommene Nennmaßverkleinerung entstehen Dehnspalte, die eine ungehinderte thermische Dehnung innerhalb des Tragbodens zulassen, ohne daß seine Gesamtabmessung überschritten wird. Unter bestimmten instationären Betriebsbedingungen bzw. bei Störfällen können sich diese Spalte aufsummieren, und es können relativ große Einzelspalte entstehen. Bei den Dimensionen des THTR-300 Wie sind jedoch die zum Schließen der Spalte erforderlichen Rückstellkräfte von untergeordneter Bedeutung.

Eine Tragvorrichtung für einen Kugelhaufenreaktor größerer Leistung ist aus der Offenlegungsschrift 27 18 493 bekannt. Diese Tragvorrichtung besteht aus mehreren übereinander angeordneten Schichten von prismatischen Graphitblöcken, die ohne Dehnspalte als geschlossene Einheit aufgebaut sind, wobei die Blöcke einer Schicht mit den Blöcken der angrenzenden Schichten verzahnt sind. Die vorzugsweise hexagonalen Graphitblöcke haben in den oberen Schichten eine andere Schlüsselweite als in der untersten Schicht, die von einer Anzahl von Trageinheiten gebildet wird. Jede Trageinheit stützt sich in ihrem mittleren Bereich auf einer Rundsäule ab und ist aus mehreren Tragsegmenten zusammengefügt. Die Tragvorrichtung stellt eine stabile und steife Platte dar. Auf Grund der Verzahnung der prismatischen Blöcke sind keine Rückstellkräfte erforderlich. Die bekannte Vorrichtung setzt jedoch besondere Maßnahmen gegen Verformungen, die in den Bodenlagen des Kernreaktors bzw. in dem Boden des Druckbehälters auftreten, voraus.

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Von diesem Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, einen Tragboden der eingangs beschriebenen Bauart für einen Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen zu schaffen, bei dem keine Zwängungen und größeren Wärmespannungen infolge radialer Temperaturprofile entstehen und der sich zwangsfrei den Verformungen des Druckbehälterbodens anpassen kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die vertikalen Säulen als unabhängige Einzelsäulen ohne Dehnspalte unmittelbar nebeneinander aufgestellt sind und in horizontaler Richtung durch Rückstellelemente zusammengehalten werden, die in dem Ringraum zwischen dem unteren Teil des Seitenreflektors und dem thermischen Seitenschild angeordnet sind.

Der erfindungsgemäße Tragboden erfüllt alle Funktionen, die er auszuüben hat. D.h. er leitet die vertikalen Kräfte der Brennelementauf schüttung nach unten ab und gibt die horizontalen Kräfte über die Rückstellelemente an den thermischen Seitenschild weiter; er übernimmt die Aufgaben der Abschirmung und der Führung des Heißgases von dem Reaktorkern zu dem Heißgassammelraum.

Da der Tragboden in eine Vielzahl von unabhängigen Einzelsäulen aufgelöst ist, werden unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Säulen nicht behindert. Stationäre und instationäre Temperaturfelder führen somit nicht zu Zwängungen oder größeren Wärmespannungen. Der Tragboden ist unempfindlich gegenüber Fertigungs- und Montagetoleranzen und paßt sich zwangsfrei den Verformungen des Druckbehälterbodens an.

Schwingungen der einzelnen Säulen des Tragbodens sind praktisch ausgeschlossen, da der Tragboden eines Kugelhaufenreaktors üblicherweise eine geneigte Oberfläche besitzt (zum Abziehen der kugelförmigen Brennelemente muß am Boden des Kernreaktors mindestens ein Kugelabzugsrohr mit innerhalb des Tragbodens

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befindlichem konischem Kugeleinlauf vorhanden sein) und zudem die Säulen durch die Ruckste11elemente zusammengehalten werden.

Vorzugsweise besitzen die vertikalen Säulen des erfindungsgemäßen Tragbodens einen sechseckigen Grundriß. Die Säulen sind so dicht nebeneinandergestellt, daß sie sich untereinander berühren (wenn von herstellungsbedingten Spalten abgesehen wird).

Für jede Sechskantsäule kann vorteilhafterweise eine Rundsäule vorgesehen sein, über die sich erstere auf den Bodenlagen des Kernreaktors abstützt. Die Rundsäulen haben zweckmäßigerweise einen Durchmesser, der kleiner ist als die Schlüsselweite der Sechskantsäulen. Der so entstandene freie Raum um die Rundsäulen herum bildet den Heißgssammelraum des Kernreaktors. Die wie Pendelstützen für die Sechskantsäulen wirkenden Rundsäulen können in die Bodenlagen des Kernreaktors eingebunden sein.

Bei Kernreaktoren mit großer Leistung, also auch mit großen Abmessungen des Reaktorkerns, sind die Rückstellelemente vorteilhafterweise als Federstützen ausgebildet. Durch diese werden die vertikalen Säulen in radialer Richtung derart zusammengespannt, daß keine bzw. nur hinreichend kleine Spalte zwischen den vertikalen Säulen vorhanden sind. Vorzugsweise sind die Federstützen so ausgelegt, daß auch die nach längerer Betriebszeit bzw. nach instationärem Betrieb des Kernreaktors entstehenden Spalte zwischen den vertikalen Säulen unter einer vorgegebenen Maximalgröße bleiben. Dabei müssen die horizontalen Kräfte der Brennelementschüttung sicher auf den thermischen Seitenschild übertragen werden, und unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Tragbodens und des thermischen Seitenschildes müssen möglich sein.

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Bei Kernreaktoren mit kleinerer Leistung können als Rückstellelemente Stützbolzen verwendet werden, die mit Spiel zwischen dem Tragboden und dem thermischen Seitenschild anzuordnen sind. Den unterschiedlichen radialen Wärmeausdehnungen von Tragboden und thermischem Schild wird hier dadurch Rechnung getragen, daß die maximal mögliche unterschiedliche Wärmeausdehnung der beiden genannten Bauteile als Spiel an den Stützbolzen eingestellt wird.

Kommt der erfindungsgemäße Tragboden bei Kernreaktoren zum Einsatz, deren Reaktivität mit Hilfe von Absorberkugeln mit wesentlich kleinerem Durchmesser als derjenige der kugelförmigen Brennelemente beeinflußt wird, so werden - unabhängig von der Größe des Kernaufbaus - als Rückstellelemente Pederstützen verwendet, deren Rückstellkräfte vorteilhafterweise so bemessen sind, daß auch zum Betriebsende des Kernreaktors hin die Größe der sich bildenden Spalte zwischen den vertikalen Säulen kleiner als der Durchmesser der Absorberkugeln bleibt.

Spalte entstehen nicht nur durch die Temperaturbelastung während einer längeren Betriebszeit, sondern treten auch bei bestimmten Betriebszuständen auf; sie sind also funktions- und temperaturbedingt. Mittels der Rückstellkräfte der Federstützen soll erreicht werden, daß die Spalte zwischen den vertikalen Säulen unterdrückt oder zumindest in ihrer Größe begrenzt werden, um zu vermeiden, daß die Absorberkugeln in die Spalte eindringen und dadurch Zwängungen verursachen.

Es kann zweckmäßig sein, in dem Seitenreflektor eine Anzahl von Spalten vorzusehen. So läßt sich verhindern, daß der Seitenreflektor infolge einer Druckringtragwirkung unter bestimmten Betriebsbedingungen keine Kräfte mehr in den Tragboden einleiten kann.

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Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung sind die Kühlgasbohrungen in den vertikalen Säulen in Anzahl, Durchmesser und Abstand so festgelegt, daß in den einzelnen vertikalen Säulen keine bzw. nur geringe instationäre Wäremspannungen entstehen. Viele in Längsrichtung durch jede ver-cikale Säule verlaufende Einzelbohrungen können bewirken, daß die- im Tragboden herrschenden Temperaturen beim Auftreten von Temperaturtransienten sich gleichmäßig an diese anpassen.

In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiele des Erf-indungsgegenstandes zwei Tragböden für einen Kugelhaufenreaktor schematisch dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den allgemeinen Aufbau eines solchen Tragbodens,

Fig. 2 eine einzelne Säule des Tragbodens der Figur 1 im Vertikalschnitt,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch den Tragboden eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 die Ansicht des Tragbodens eines zweiten Ausführungsbeispiels von oben.

Die Fig. 1 zeigt den von einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildeten Kern 1 eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors, der von einem ringförmigen Seitenreflektor 2 umgeben ist. Der Seitenreflektor 2 ist seinerseits von einem thermischen Seitenschild 3 umschlossen, wobei zwischen den beiden Bauteilen ein Ringraum 4 vorgesehen ist. Am Boden der Kugelschüttung treten mehrere Kugelabzugsrohre aus (hier nicht dargestellt) , deren Anzahl je nach Größe der Kernreaktoranlage zwischen 1 und 7 liegen kann. Für jedes Kugelabzugsrohr ist ein konischer Kugeleinlauf vorgesehen, der von einem Teil des Tragbodens 5 gebildet wird (wie in Fig. 3 gezeigt).

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Der Tragboden besteht aus einer Vielzahl von Graphitblöcken 6a, die in vertikalen Säulen 6 angeordnet sind. Die vertikalen Säulen 6 weisen einen sechseckigen Grundriß auf (aus Fig.4 erkennbar) und sind mit vielen in Längsrichtung verlaufenden Bohrungen 7 versehen, durch die das im Kern 1 aufgeheizte Kühlgas aus dem Kern austreten kann.

Eine einzelne Säule 6 mit Kühlgasbohrungen 7 ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Kühlgasbohrungen 7 sind in Anzahl, Durchmesser und Abstand so festgelegt, daß in den einzelnen vertikalen Säulen keine bzw. nur geringe instationäre Wärmespannungen entstehen können. Die in verschiedenen Höhenlagen oder Schichten befindlichen Graphitblöcke 6a können in Bezug auf die Kühlgasbohrungen 7 unterschiedlich gestaltet sein. Bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen weist die oberste Schicht der Graphitblöcke 6a eine größere Anzahl von Kühlgasbohrungen 7 auf als die weiteren Schichten, und am oberen Ende der Graphitblöcke der zweitobersten Schicht befindet sich ein kleiner Gassammeiraum 8. Dieser steht mit den Kühlgasbohrungen 7 in der obersten und in der zweitobersten Schicht in Verbindung.

Die vertikalen Säulen 6 des Tragbodens 5 können auch aus sechseckigen Graphitblöcken aufgebaut sein, deren Schlüsselweite in den einzelnen Schichten unterschiedlich ist.

Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, ruht jede vertikale Säule 6 auf einer Rundsäule 9, die sich auf den Bodenlagen 10 des Hochtemperaturreaktors abstützt. An die Bodenlagen 10 schließt sich nach unten eine Bodenplatte 11 an. Der Durchmesser der Rundsäulen 9 ist kleiner als die Schlüsselweite der vertikalen Säulen 6. Der zwischen den Rundsäulen 9 befindliche freie Raum bildet den Heißgassammelraum 12 des Hochtemperaturreaktors und steht daher mit den Kühlgasbohrungen 7 in den Graphitblöcken 6a in Verbindung. «

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Die vertikalen Säulen 6 sind als unabhängige Einzelsäulen ohne Dehnspalte unmittelbar nebeneinander aufgestellt. Der Tragboden 5 ist somit unempfindlich gegen Wärmespannungen und kann sich zwangsfrei Deformationen der Bodenlagen 10 bzw. der Bodenplatte 11 anpassen. Um herstellungs-, funktions- und temperaturbedingte Spalte zwischen den Säulen 6 so klexn wie möglich zu halten, sind in dem Ringraum 4 in radialer Richtung nach innen wirkende Rückstellelemente 13 angeordnet, wie in der Fig. 1 durch Pfeile angedeutet. Die Art und Auslegung der Rückstellelemente 13 richtet sich nach der Leistung und damit den Kernabmessungen des Hochtemperaturreaktors.

In der Fig. 3 ist als erstes Ausführungsbeispiel ein Tragboden für einen Hochtemperaturreaktor kleinerer bis mittlerer Leistung dargestellt, wobei für gleiche Bauteile dieselben Bezugsziffern verwendet werden wie bei den Figuren 1 und 2. Die Figur 3 läßt erkennen, daß der Seitenreflektor aus einer Vielzahl von aufeinander gestapelten Graphitblöcken 2a besteht und sich über Rollenlager 14 auf dem Boden des den Hochtemperaturreaktor umschließenden Spannbetondruckbehälters 15 abstützt. Die zwischen dem thermischen Seitenschild 3 und dem Seitenreflektor angeordneten Rückstellelemente werden von Stützbolzen 13a gebildet, an denen ein Spiel eingestellt ist, das der maximal möglichen unterschiedlichen radialen Wärmeausdehnung von Tragboden 5 und thermischem Seitenschild 3 entspricht. Beim Einsatz von Absorberkugeln zum Abschalten des Hochtemperaturreaktors sind die Rückstellelemente als Federstützen ausgebildet, um die Spalten unterdrücken bzw. in ihrer Größe begrenzen zu können,

Der Reaktorkern 1 besitzt mehrere durch den Tragboden 5 geführte Kugelabzugsrohre 16, die je mit einem konischen Kugeleinlauf versehen sind. Die Oberfläche des Tragbodens 5 ist so gestaltet, das die genannten konischen Kugeleinläufe entstehen.

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Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Tragbodens 5, der für einen Hochtemperaturreaktor grösserer Leistung bestimmt ist. Insgesamt sind unter dem Reaktorkern 1 sieben Kugelabzugsrohre 16 vorgesehen, von denen vier in der Zeichnung dargestellt sind. Zum Seitenreflektor 2 hin weisen die Graphitblöcke 6a der vertikalen Säulen 6 eine geänderte Querschnittsform auf. Die Querschnittsformen werden ggf. so variiert, daß eine radiale Einspannung jedes einz&nen Graphitblocks 6a erreicht wird. Aus der Figur 4 läßt sich gut die Anordnung der vertikalen Säulen 6 unmittelbar nebeneinander erkennen .

Als Rückstellelemente sind bei diesem Tragboden Federstützen 13b vorgesehen, die in dem Ringraum 4 angeordnet sind und die vertikalen Säulen 6 in radialer Richtung zusammenspannen. Um zu verhindern, daß in dem Seitenreflektor 2 eine Druckringtragwirkung entsteht, weist dieser eine Reihe von Spalten 18 zwischen den einzelnen Graphitblöcken 2a auf. Die Federstützen 13b sind so ausgelegt, daß die nach längerer Betriebszeit des Hochtemperaturreaktors zwischen den vertikalen Säulen 6 entstehenden Spalte unter einer vorgegebenen Maximalgröße bleiben. Werden* bei dem Hochtemperaturreaktor zur Beeinflussung seiner Reaktivität Absorberkugeln mit wesentlich kleinerem Durchmesser als derjenige der Brennelemente eingesetzt, so richtet sich die vorgegebene Maximalgröße der Spalte auch nach dem Durchmesser der Absorberkugeln.

Claims

-/- 7840 Patentansprüche

1. Aus einer Vielzahl von in vertikalen Säulen angeordneten Graphitblöcken bestehender Tragboden für den aus kugelförmigen Brennelementen aufgeschütteten Kern eines gasgekühlten Kernreaktors, der von einem zylindrischen Seitenreflektor und einem mit Abstand von diesem angeordneten thermischen Seitenschild umgeben ist, wobei die vertikalen Säulen des Tragbodens in Längsrichtung verlaufende Bohrungen für das Kühlgas aufweisen und auf den Bodenlagen des Kernreaktors abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Säulen (6) als unabhängige Einzelsäulen ohne Dehnspalte unmittelbar nebeneinander aufgestellt sind und in horizontaler Richtung durch Rückstellelemente (13) zusammengehalten werden, die in dem Ringraum (4) zwischen dem unteren Teil des Seitenreflektors (2) und dem thermischen Seitenschild (3) angeordnet sind.

2. Tragboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Säulen (6) einen sechseckigen Grundriß aufweisen.

3. Tragboden nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede vertikale Säule (6) auf einer Rundsäule (9) ruht, deren Durchmesser kleiner ist als die Schlüsselweite der vertikalen Säule (6), und daß alle Rundsäulen (9) auf den Bodenlagen (10) des Kernreaktors aufgestellt sind.

4. Tragboden nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kernreaktoren mit großer Leistung als Rückstellelemente Federstützen (13b) verwendet werden, die die vertika-

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len Säulen (6) in radialer Richtung zusainmenspannen.

5. Tragboden nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federstützen (13b) derart ausgelegt sind, daß nach längerer Betriebszeit des Kernreaktors entstehende Spalte zwischen den vertikalen Säulen (6) unter einer vorgegebenen Maximalgröße bleiben.

6. Tragboden nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kernreaktoren mit kleinerer Leistung als Rückstellelemente Stützbolzen (13a) verwendet werden, wobei'die maximal mögliche unterschiedliche radiale Wärmeausdehnung von Tragboden (5) und thermischem Seitenschild (3) als Spiel an den Stützbolzen (13a) eingestellt ist.

7. Tragboden nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig von der Größe des Kernaufbaus bei Kernreaktoren, deren Reaktivität mit Hilfe von Absorberkugeln mit wesentlich kleinerem Durchmesser als derjenige der kugelförmigen Brennelemente beeinflußt wird, als Rückstellelemente Federstützen (13b) verwendet werden, deren Rückstellkräfte so bemessen sind, daß auch zum Betriebsende des Kernreaktors hin die Größe der sich bildenden Spalte zwischen den vertikalen Säulen (6) kleiner als der Durchmesser der Absorberkugeln bleibt.

8. Tragboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Seitenreflektor (2) eine Anzahl von Spalten (18) aufweist.

9. Tragboden nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze ichnet, daß die Kühlgasbohrungen (7) in den vertikalen Säulen (6) in Anzahl, Durchmesser und Abstand so festgelegt sind, daß in den einzelnen vertikalen Säulen (6) keine bzw. nur geringe instationäre Wärmespannungen entstehen.

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