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Lager für kugelförmige Brennelemente
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Lager zur Aufnahme von kugelförmigen
Brennelementen.
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Das Lager dient vorrangig der zwischenzeitlichen Aufnahme von Brennelementen,
die dem Core eines Kernkraftwerkes entnommen werden.
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Es ist bereits ein Lager zur Aufnahme von kugelförmigen Brennelementen
bekannt. Sowohl im Normalbetrieb als auch im Störfall soll ein solches Lager mit
Absorberstäben, die zwischen den Brennelementen positioniert werden, ausgerüstet
sein. Dies ist besonders dann wichtig, wenn beispielsweise aufgrund einer Schnellabschaltung
alle im Kern des Kernkraftwerkes enthaltenen kugelförmigen Brennelemente von dem
Lager aufzunehmen sind. Die Absorberstäbe sind auch dann erforderlich, wenn das
Lager durch einen Wassereinbruch teilweise oder vollständig überflutet wird. Besonders
wichtig sind diese Absorberstäbe für den Fall, daß eine Kernentladung mit maximal
möglicher Abzugsrate und ein gleichzeitiger Wassereinbruch im Lagerschacht vorliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lager für kugelförmige
Brennelemente so zu schaffen, daß innerhalb des Lagers Absorberelemente eingesetzt
werden können, deren Verteilung zur Aufrechterhaltung der Unterkritikalität auch
beim Auftreten von Erschütterungen und sonstigen Störfällen erhalten bleibt.
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Die Aufgabe wird bei dem Lager der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, daß die kugelförmigen Brennelemente in mindestens einem zylindirschen Schacht,
dessen Abmessungen zur Aufrechterhaltung des Multiplikationsfaktors keff kleiner
oder gleich 0,9 ausgelegt sind, gelagert sind beiden eingefüllten Brennelementen
in einem vorgebbaren Mischungsverhältnis kontinuierlich Absorberkugeln beigefügt
sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung steht das Mischungsverhältnis
zwischen Brennelementen und Absorberkugeln in einem bestimmten vorgebbaren Verhältnis.
Die Absorbermenge jeder Absorberkugel ist durch vorgebbare Werte (z. B. durch den
Abbrand der Brennelemente, Homogenität der Absorberverteilung) bestimmt.
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Es ist weiterhin zweckmäßige, wenn der Absorberkugeldurchmesser in
einem vorgebbaren Verhältnis zu dem Brennelementedurchmesser steht. Bei einer Ausführungsform
des Lagers liegt das Verhältnis von Brennelementdurchmesser zu Absorberkugeldurchmesser
bei einem Wert von 1,2 bis 2. Weisen die kugelförmigen Brennelemente einen Durchmesser
von 6 cm auf, so werden innerhalb des Lagers Absorberkugeln mit einem Durchmesser
von 3 bis 5 cm verwendet. Durch Verwendung dieser mittelgroßen Absorberkugeln wird
ein Hindurchfallen zwischen den gelagerten Brennelementen
beim Auftreten
von Erschütterungen verhindert, so daß die beim Füllen eines jeden Schachtes erzielte
homogene Verteilung der Absorberkugeln in jedem Fall beibehalten wird.
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Wenn zu einem Lager mehrere Schächte gehören, ist es zweckmäßig, wenn
jeder Schacht eine Höhe von 11 m und einen Innendurchmesser von 1,50 m aufweist.
Wird das Lager zur Aufnahme von Brennelementen mit einem Durchmesser von 0,06 m
verwendet, so können in jeden Schacht eines derartigen Lagers etwa 100.000 kugelförmige
Brennelemente eingefüllt werden. Jedes Lager kann etwa zwanzig solcher Schächte
umfassen. Zum Füllen einer Lagereinheit ist diese mit einer gemeinsamen Beschickungseinrichtung
für Brennelemente und Absorberkugeln ausgerüstet.
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Dadurch ist es möglich, den einzufüllenden Brennelementen Absorberkugeln
in einem vorgebbaren Mischungsverhältnis beizufügen.
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Die Anzahl der Absorberkugeln je Schacht richtet sich, wie bereits
erwähnt, nach dem Abbrandzustand der Brennelemente, nach dem Absorbermaterial und
der Absorbermenge pro Absorberkugel.
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Im Auslegungsfall muß die Anzahl der Absorberkugeln rechnerisch oder
experimentell ermittelt werden. Bei dem Absorbermaterial der Absorberkugeln handelt
es sich vorzugsweise um Bor, Hafnium oder Europium.
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Jedem Schacht des Lagers können die in ihm eingefüllten Brennelemente
und Absorberkugeln aufgrund des unterschiedlichen Durchmessers auf einfache Weise
getrennt entnommen werden.
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Durch die kontinuierliche und gezielt dosierte Beigabe von
Absorberkugeln
mit dem oben angegebenen Durchmesser wird erreicht, daß die homogene axiale Verteilung
innerhalb einer jeden Lagereinheit auch beim Auftreten von Störfällen, wie Erdbeben,
immer erhalten bleibt. Des weiteren gewährleistet die Verwendung mittelgroßer Absorberkugeln
gegenüber den bekannten Absorberstäben eine große Flexibilität, da die Absorbermenge
vom Abbrand der zu lagernden Brennelemente dosiert werden kann.
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Die erfindungsgemäßen Absorberkugeln sind weitaus unempfindlicher
gegenüber hohen Temperaturen als die bekannten Absorberstäbe. Sie können daher über
einen viel längeren Zeitraum zum Einsatz gebracht werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erlattert,
und es wird der mit der Erfindung erzielbare Fortschritt dargestellt. Dargestellt
ist in der einen Form ein Vertikalschnitt durch einen Schacht des Lagers.
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In der Zeichnung ist ein Schacht 1 eines aus mehreren Schächten bestehenden
Lagers im Detail dargestellt. Die Einfüllöffnung 2 dieses Schachtes ist geöffnet.
In sie ist eine Beschickungseinrichtung 3 eingesetzt. Im einfachsten Fall besteht
diese Beschickungseinrichtung 3 aus einem zylindrischen Rohr 3 A, dessen Außendurchmesser
geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Einfüllöffnung 2. An seinem
oberen Ende ist das zylindrische Rohr 3 A mit zwei Zuführungen 4 und 5 verbunden.
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Die beiden Zuführungen 4 und 5 sind vorzugsweise wiederum als zylindrische
Rohre ausgebildet und mit je einer Verriegelungseinrichtung 4 A bzw. 5 A versehen.
Über die Zuführung 4 werden
die aus dem Reaktorkern entnommenen
kugelförmigen Brennelemente 6 über die Beschickungseinrichtung 3 in den Schacht
1 eingefüllt. Die Zuführung 5 ist an einen Vorratsbehälter 7 angeschlossen. Dieser
ist mit Absorberkugeln 8 gefüllt. Der Schacht ist etwa 11 m hoch und besitzt einen
Innendurchmesser von 1,50 m. Alle Schächte 1 sind. so angeordnet, daß ihre Längsachsen
in vertikaler Richtung verlaufen. Der Mindestabstand zwischen den Längsachsen zweier
benachbarter Schächte muß mindestens 2 m betragen. Damit der erforderliche Mindestabstand
zwischen den Längsachsen zweier benachbarter Schächte eingehalten wird, ist der
zwischen den Schächten verbleibende Raum bewehrt und mit Beton ausgefüllt. Um das
gesamte Lager nach außen hin genügend abzuschirmen, kann eine zusätzliche Betonummantelung
vorgesehen sein. Jeder Schacht 1 besitzt an seinen nach oben weisenden Stirnflächen
eine verschließbare Öffnung 2. Diese Öffnung dient zum Einfüllen de zu lagernden
Brennelemente und der dafür erforderlichen Absorberelemente. Diese Einfüllöffnung
2 kann auch durch dicht schließende Stopfen verschlossen werden.
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Wie der Figur zu entnehmen ist, ist der Schacht 1 innen mit einer
zusätzlichen Stahlauskleidung 9 von etwa 1 cm Dicke versehen. Im unteren Bereich
des Schachtes 1 ist eine Trennungseinrichtung 10 eingebaut. Mit deren Hilfe können
die über die Einfüllöffnung 2 in den Schacht 1 eingebrachten kugelförmigen Brennelemente
6 und die Absorberkugeln 8 wieder voneinander getrennt werden. Am unteren Ende ist
der Schacht 1 mit zwei Entnahmeeinrichtungen 11 und 12 versehen. In jede der beiden
Entnahmeeinrichtungen ist ein Abschlußorgan 11 A und 12 A eingebaut. Insbesonderen
können über die Entnahmeeinrichtung 11
die von den Absorberkugeln
8 getrennten kugelförmigen Brennelemente 6 dem Schacht 1 wieder entnommen werden.
Über die Entnahmeeinrichtung 12 werden die Absorberkugeln 8 dem Schacht entnommen
und dem Vorratsbehälter 7 für einen weiteren Einsatz zugeführt.
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Wie bereits erwähnt, ist der Schacht zur Aufnahme von kugelförmigen
Brennelementen 6 vorgesehen. Diese kugelförmigen Brennelemente weisen einen Durchmesser
von 0,06 m auf. Ein Schacht mit einer Höhe von 11 m und einem Durchmesser von 1,5
m kann 100.000 kugelförmige Brennelement mit dem oben angegebenen Durchmesser aufnehmen.
Damit innerhalb eines solchen mit kugelförmigen Brennelementen 6 gefüllten Schachtes
1 immer eine ausreichende Unterkritikalität gewährleistet ist, werden den Brennelmenten
6 die bereits erwähnten Absorberkugeln 8 beigefügt. Bei der Auslegung eines Lagers
sind ein Wassereinbruch, bei dem die Schächte teilweise oder ganz überflutet werden,
sowie eine Kernentleerung mit maximal möglicher Abzugsrate anzunehmen, weshalb eine
kontinuierliche Zugabe der Absorberkugeln erforderlich ist. Die Absorberkugeln 8
weisen einen Durchmesser von 0,03 bis 0,05 m auf. Das Verhältnis des Durchmessers
der Brennelemente 6 zu dem Durchmesser der Absorberkugeln 8 ist so gewählt, daß
es immer einen Wert annimmt, der zwischen 1,2 und 2 liegt. Die Anzahl der Absorberkugeln
8, die beispielsweise jeweils 100 in den Schacht 1 eingefüllten Brennelementen 6
beigemischt werden, richtet sich nach dem Abbrand dieser Brennelemente.
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Als Absorbermaterial für die Absorberkugeln 8 wird bei dieser Ausführungsform
des Lagers vorzugsweise Bor, Hafnium oder Europium verwendet.
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Wie bereits oben erwähnt, wird in Abhängigkeit vom Abbrand der Brennelemente
6 das Mischungsverhältnis zwischen den Brennelementen und den Absorberkugeln.festgelegt.
Über die Verriegelungseinrichtungen 4 A und 5 A, die in den Zuführungen 4 und 5
der Beschickungseinrichtung 3 eingebaut sind, läßt sich dieses Verhältnis einstellen.
Mittels Zähleinrichtungen (hier nicht dargestellt), die mit den Verriegelungseinrichtungen
in Verbindung stehen, und einer weiteren hier nicht dargestellten Steuerungseinrichtung
können die beiden Verriegelungseinrichtungen 4 A und 5 A so geöffnet und geschlossen
werden, daß das vorgesehene Mischungsverhältnis eingehalten wird.
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Um die in dem Schacht 1 gelagerten Brennelemente 6 diesem wieder entnehmen
zu können, ist die Entnahmevorrichtung 11 vorgesehen. Um die Brennelemente und Absorberkugeln
innerhalb des Schachtes 1 voneinander zu trennen, ist, wie schematisch dargestellt,
im unteren Bereich des Schachtes die Trennungseinrichtung 10 angeordnet. Es handelt
sich hierbei um eine siebähnliche Anordnung. Da die Brennelemente 6 und die Absorberkugeln
8 unterschiedliche Durchmesser aufweisen, ist die Trennung der beiden auf relativ
einfache Weise möglich. Am
unteren Ende des Schachtes 1 können
über die Entnahmeeinrichtung 11 die Brennelemente 6 und über die Entnahmeeinrichtung
12 die Absorberkugeln 8 entnommen werden. Die Absorberkugeln 8 können, da sie sehr
temperaturbeständig sind, mehrere Male zum Einsatz kommen. Sie werden daher von
der Entnahmeeinrichtung 12 aus wieder dem Vorratsbehälter 7 zugeführt.