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Zylindrischer Seitenreflektor aus übereinander-
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liegenden Graphitblöcken Die Erfindung betrifft einen zylindrischen
Seitenreflektor aus übereinanderliegenden, von einer Vielzahl von Graphitblöcken
gebildeten Ringen, insbesondere für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren mit einer
Schüttung kugelförmiger Betriebselemente, wobei die Graphitblöcke sich radial durch
mindestens die halbe Reflektorwanddicke erstrecken und zumindest im oberen Bereich
des Reaktorkerns den Graphitblöcken in einer dem Reaktorkern zugewandten, definierten
Zone ein strahlungsbedingter Verschleiß zugestanden wird derart, daß die Verschleißzone
von der Tragfunktion des Seitenref lektors ausgeschlossen wird, und wobei dieser
Verschleiß bei der konstruktiven Auslegung des Seitenreflektors in Form eines Wanddickenzuschlags
berücksichtigt wird, gemäß Patentanmeldung P 28 51 724.0.
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Bei allen Kernreaktoren mit einem Seitenreflektor aus Graphit treten
nach längerem Betrieb oder bei einer hohen Leistungsdichte im Reaktorkern in dem
Graphit Strahlenschäden auf, die zum Abbröckeln der dem Reaktorkern zugewandten
Reflektorteile und gegebenenfalls zu einer Stillegung des Reaktorbetriebs
des
Reaktorbetriebs führen können. Vor allem der mit der Leistungsdichte gekoppelte
schnelle Neutronenfluß ruft aufgrund des Wigner-Effektes Dimensionsänderungen in
dem Graphit hervor; zunächst tritt ein Schrumpfen auf, dem nach einer gewissen Zeit
wieder Ausdehnung folgt, die über den ursprünglichen Zustand hinaus anhält. Die
dabei entstehenden Spannungen können zu Rissen im Graphit führen. Der Seitenreflektor
soll jedoch Standzeiten bis zu 35 Vollastjahren erreichen. Besonders hoch ist die
Strahlenbelastung des Seitenreflektors bei einem Kernreaktor mit kugelförmigen Betriebselementen,
die den Reaktorkern nur einmal durchlaufen. Bei einem derartigen Kernreaktor haben
die kugelförmigen Brennelemente nach einmaligem Durchgang den gewünschten Endabbrand
erreicht. Hierbei stellt sich ein von oben nach unten abfallendes Profil der Leistungsdichteverteilung
ein, das mit einer hohen Dosis schneller Neutronen im oberen Drittel des Reaktorkerns
verbunden ist.
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Es sind bereits Kernreaktoren mit kugelförmigen Betriebselementen
(Kugelhaufenreaktoren) entwickelt worden, bei denen durch eine besondere Ausbildung
des Seitenref lektors ein vorzeitiges Stillegen des Reaktorbetriebes vermieden wird.
So ist aus der deutschen Patentschrift 10 34 784 ein Kernreaktor bekannt, dessen
Reflektormantel aus einer Aufschüttung von gleichmäßig geformten neutronenreflektierenden
Körpern besteht, die im wesentlichen die gleiche Gestalt besitzen wie die Brennelemente.
In der österreichischen Patentanmeldung A 9582/63 wird ebenfalls ein Kernreaktor
beschrieben, dessen Seitenreflektor aus einer Auf schüttung von kugelförmigen Graphitelementen
besteht. Diese fließen kontinuierlich durch den Reaktorkern und werden laufend durch
neue Graphitkugeln ersetzt, so daß der gefährdete Teil des Seitenreflektors ständig
ausgewechselt wird.
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Aus der Offenlegungsschrift 23 52 691 ist es bekannt, zum Schutze
des festen Seitenreflektors vor einer zu hohen Dosis an schnellen Neutronen die
unmittelbar an den Seitenreflektor angrenzende Randzone der Brennelement-Schüttung
besonders auszubilden, und zwar wird diese Randzone mit Brennelementen beschickt,
die einen niedrigeren Spaltstoffgehalt aufweisen als die innere Zone der Schüttung.
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Eine weitere Maßnahme zum Schutze des am stärksten belasteten Teils
des Seitenreflektors wird in der Offenlegungsschrift 23 47 817 beschrieben. Diese
Maßnahme besteht darin, innerhalb des Deckenreflektors und des oberen Teils des
festen Seitenreflektors neutronenabsorbierende oder die Neutronengeschwindigkeit
verringernde Stoffe vorzusehen. Dadurch wird erreicht, daß in den strahlungsgefährdeten
Bereichen des Reflektors der schnelle NeutronenfluB erheblich herabgesetzt wird.
Die Stoffe können in Stabform vorliegen und in entsprechenden Hohlräumen untergebracht
sein.
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Es sind auch Verfahren zum Auswechseln von Teilen des aus quaderähnlichen
Blöcken zusammengefügten Seitenreflektors bekanntgeworden. Durch Anwendung dieser
Verfahren läßt es sich zwar vermeiden, daß der Kernreaktor aufgrund unvorhersehbarer
Schäden an den Graphiteinbauten vorzeitig stillgelegt werden muß; der Austausch
bzw. die Reparatur von beschädigten Reflektorteilen ist jedoch sehr zeitraubend
und mit hohen Kosten verbunden.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird in der Auslegeschrift 26 43
275 ein Graphit-Seitenreflektor in Blockbauweise vorgeschlagen, der einen Ersatz
oder Austausch von Reflektorblöcken während der gesamten Lebenszeit des Kernreaktors
unnötig macht.
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Dies wird dadurch erreicht, daß die einzelnen Blöcke, die sich radial
durchgehend über die gesamte Reflektorwanddicke erstrekken, auf ihrer innenseitigen
Stirnfläche aus Scharen von Fugen bestehende Ausnehmungen aufweisen. Diese Maßnahme
beruht auf dem Gedanken, in dem Bereich der Blöcke, der durch Neutronenbestrahlung
und Wärmeeinfluß besonders hohen Spannungen unterworfen ist, kleine Blockabmessungen
vorzutäuschen, da bei Blökken mit wesentlich kleineren Innenstirnflächen keine nennenswerten
Spannungsrisse eintreten (kleinere Blöcke sind jedoch teurer in der Herstellung
und schwieriger zu montieren).
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Die bei dem bekannten Seitenreflektor vorgenommene Bearbeitung der
innenseitigen Block-Oberflächen ist jedoch mit neuen Problemen verbunden. Um diesen
Problemen auszuweichen, wird in der Hauptanmeldung P 28 51 724.0 vorgeschlagen,
an den gefährdeten Stellen des Reflektors den Graphitblöcken von vornherein (d.h.
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bei der Auslegung des Seitenreflektors) eine Verschleißzone zuzugestehen,
die keine Tragfunktion auszuüben hat.
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Aufgabe der,vorliegenden Erfindung ist es, den Seitenreflektor der
eingangs beschriebenen Bauart im Hinblick auf eine ausreichende Kühlung und günstigere
Herstellbarkeit der Graphitblöcke zu verbessern sowie die hohen Kerbspannungen zu
vermeiden, die bei einem Seitenreflektor durch die einfache Anordnung von Fugen
auftreten und damit die Wirksamkeit dieser Maßnahme gefährden würden.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die innenseitigen
Stirnflächen der Graphitblöcke geradlinige Schlitze aufweisen und daß am Ende jedes
Schlitzes eine den Schlitzgrund bildende Bohrung vorgesehen ist, deren Durchmesser
das Mehrfache der Schlitzbreite beträgt.
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Wie in der Hauptanmeldung beschrieben, sind die Bereiche des Seitenref
lektors, die sehr hohen Dosiswerten ausgesetzt sind, generell aus dem Funktionsbereich
des Seitenreflektors herausgezogen, so daß ihr Versagen ohne Rückwirkung auf die
Funktion des Reflektors bleibt. Die zu erwartende Menge an Graphitstaub bzw. Graphitbruchstücken
unterscheidet sich nur graduell von dem bei bekannten Kugelhaufenreaktoren (z.B.
dem THTR-300) anfallenden Graphitstaub und den Kugelbruchstücken; die Sicherheit
und das Betriebsverhalten des Hochtemperaturreaktors können daher nicht durch Verschleißprodukte
beeinflußt werden.
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Jedem Graphitblock werden somit zwei Bereiche zugeordnet, die verschiedene
Funktionen haben: der als Trag- und Behälterstruktur dienende Teil und die Verschleißzcne,
die keinen Beitrag zur Dichtigkeit bzw. Formstabilität und damit zum Betriebsverhalten
des Seitenreflektors leisten muß. Sie bleibt auf einen definierten vorderen Bereich
der Graphitblöcke beschränkt.
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Alle Beanspruchungen der Graphitblöcke außerhalb der Verschleißzone
führen nur zu Spannungen, die nach den bisher angewandten Kriterien zulässig sind.
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Bei einem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestalteten Seitenreflektor
ergibt sich ein weiterer Abbau von Spannungskonzentrationen in dem tragenden Blockbereich,
und die am Ende der Schlitze vorgesehenen Bohrungen wirken quasi als Rißstopper
(d.h. im Versagensfall auftretende Risse setzen sich nicht in den weiter im Block-Inneren
gelegenen Bereich fort). Ferner tragen die Bohrungen dazu bei, daß der Seitenreflektor
ausreichend gekühlt wird. Kaltes Kühlgas strömt als Bypaß durch die Bohrungen, erwärmt
sich und tritt später wieder in den Reaktorkern ein, um sich dort mit dem heißeren
Gas zu mischen.
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Der erfindungsgemäße Seitenreflektor zeichnet sich auch noch dadurch
aus, daß die Graphitblöcke mit der Kombination Schlitz-Bohrung an ihrer innenseitigen
Stirnfläche sich leicht herstellen lassen.
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Bereits in der Hauptanmeldung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die
es ermöglichen, die obere Größe der eventuell anfallenden Graphitbruchstücke gezielt
zu beeinflussen. Durch die in die Stirnflächen der Blöcke eingesägten Schlitze und
deren Kombination mit je einer Bohrung am Schlitzgrund läßt sich die Einflußnahme
auf die Größe der Graphitbruchstücke noch verbessern; d.h. die Verschleißprodukte
können auf ein festgelegtes Maximum beschränkt werden. Ferner wird durch die Schlitz-Bohrung-Kombination
die Wirksamkeit der Wigner-Verformung auf noch kleinere Bereiche reduziert; d.h.
es werden Graphitblöcke mit kleineren Abmessungen und günstigeren Steifigkeiten
vorgetäuscht.
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Der Abstand der Bohrungen von den innenseitigen Stirnflächen.der Graphitblöcke
kann vorteilhafterweise so gewählt sein, daß er annähernd der Dicke der Verschleißzone
entspricht. Die durch die Bohrungen definierte Ebene bildet sozusagen die GrenzflAche
der Verschleißzone.
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Unter bestimmten Bedingungen kann es aber auch günstig sein, den Abstand
der Bohrungen von den innenseitigen Stirnflächen der Graphitblöcke so festzulegen,
daß er einen Bruchteil der Dicke der Verschleißzone beträgt, so daß sich die Bohrungen
innerhalb der Verschleißzone befinden.
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Der Durchmesser der Bohrungen kann sich nach der Größe des Kühigasstromes
richten, die für eine ausreichende Kühlung des Seitenref lektors für erforderlich
gehalten wird. Vorzugsweise besitzen die Bohrungen einen Durchmesser, der etwa das
Dreifache der Schlitzbreite beträgt.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä-Ben Seitenreflektors
weisen die innenseitigen Stirnflächen der Graphitblöcke ein aus horizontal und vertikal
verlaufenden Schlitzen gebildetes Raster auf. Vorteilhafterweise besitzen die Schlitze
dieses Rasters in beiden Richtungen den gleichen Abstand voneinander.
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Für bestimmte Temperaturbereiche und Beanspruchungen des Seitenreflektors
kann es zweckmäßig sein, weiter innen in den Graphitblöcken weitere Bohrungen in
horizontaler und/oder vertikaler Richtung vorzusehen. Diese bewirken ein Glätten
des Temperaturprofils in den einzelnen Graphitblöcken und damit eine gleichmäßigere
Beanspruchung.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele eines Graphitblocks
schematisch dargestellt, der Teil des erfindungsgemäßen Seitenreflektors ist. Er
ist jeweils in perspektivischer Ansicht wiedergegeben.
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Eine Vielzahl der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Blöcke 1 bildet
zusammen einen Ring (der Einfachheit halber ist der Graphitblock 1 in den Figuren
als Quader dargestellt), und aus mehreren aufeinandergesetzten Ringen ist der zylindrische
Seitenreflektor aufgebaut. Dieser umgibt die Brennelementschüttung eines Hochtemperaturreaktors.
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Bei einer Blocklänge von c = 500 mm besitzt der Graphitblock 1 eine
Höhe von b = 250 mm und eine Breite von a = 250 mm. Im vorderen Bereich des Graphitblocks
1 ist eine definierte Verschleißzone 2 vorhanden, deren Größe bei der konstruktiven
Auslegung des Seitenref lektors berücksichtigt ist. Sie beträgt in diesem speziellen
Falle z.B. etwa 70 mm. Eine Tragfunktion wird von der Verschleißzone 2 nicht ausgeübt.
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Auf der innenseitigen Stirnfläche 3 des Graphitblocks 1 der Figuren
1 und 2 ist durch Einsägen ein aus vertikalen Schlitzen 4b und horizontalen Schlitzen
4a bestehendes Raster 4 aufgebracht. Die Schlitze 4a wie auch die Schlitze 4b haben
untereinander einen Abstand von ca. 40 mm, und sie sind ca. 40 mm tief in den Graphitblock
1 eingesägt, so daß an der betreffenden Oberfläche des Graphitblocks 1 Einzelblöcke
5 mit kubischer Form entstanden sind. Die Breite aller Schlitze 4a, 4b beträgt ca.
2 mm. Mit Hilfe des Rasters 4 läßt sich die Größe eventuell abbröckelnder Reflektorteile
nach oben hin begrenzen.
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Am Ende jedes Schlitzes 4a, 4b ist eine Bohrung 6 vorgesehen, die
jeweils den Schlitzgrund bildet. Der Durchmesser aller Bohrungen 6 beträgt das Dreifache
der Schlitzbreite, also 6 mm.
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Durch die Bohrungen 6 strömt kaltes Kühlgas als Bypaß zu der Schüttung
der kugelförmigen Brennelemente des Hochtemperaturreaktors, wodurch eine ausreichende
Kühlung des Seitenreflektors ermöglicht wird.
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Neben der Reflektorkühlung wird durch die Bohrungen ein weiterer wünschenswerter
Effekt erzielt: die durch strahlungsbedingte Verformungen verursachten Spannungskonzentrationen
werden in dem tragenden Blockbereich wesentlich reduziert. Im Versagensfall wirken
die Bohrungen außerdem als Rißstopper.
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Der in der Figur 2 gezeigte Graphitblock 1 weist weitere Bohrungen
7 auf, die weiter innen in dem Seitenreflektor in vertikaler Richtung verlaufen.
Sie können versetzt zueinander angeordnet sein, wie in der Figur 2 dargestellt.
Derartig ausgebildete Graphitblöcke finden in einem bestimmten Temperaturbereich
und für eine bestimmte Beanspruchung des Seitenreflektors Verwendung Durch die Bohrungen
7 wird eine Glättung des Temperaturprofils im einzelnen Graphitblock erreicht, was
zu einer gleichmäßigeren Beanspruchung führt.