DE3143351A1

DE3143351A1 - Aufnahmebehaelter und aufnahmeanordnung fuer nukleare brennelemente

Info

Publication number: DE3143351A1
Application number: DE19813143351
Authority: DE
Inventors: John Edgar Thurnby Leicestershire Hyde
Original assignee: Nuclear Power Co Ltd
Current assignee: Nuclear Power Co Ltd
Priority date: 1980-10-31
Filing date: 1981-10-31
Publication date: 1982-09-02
Also published as: JPS57104895A; US4470950A

Description

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ITOCLBAR POWER COMPANY LIMITED, London, England

Aufnahmebehälter und Aufnahmeanordnung für nukleare Brennelemente

Die Erfindung betrifft einen Aufnahmebehälter und eine Aufnahmeanordnung für nukleare Brennelemente.

Eine bekannte Ausbildungsform eines Aufnahmebehälters hat ein rohrförmiges Gefäß für ein oder mehrere Brennelemente, das konzentrisch von einem äußeren Hüllenrohr umgeben ist, durch das Wasser von zwei unabhängigen Kühlkreisläufen zirkuliert. .:"""■

Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß bei dem Bruch eines Zufuhr- oder Rückleitungswasserrohres eines Kühlkreislaufs Wasser aus beiden Kreisläufen verlorengehen kann, was sehr unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aufnahmebehälter bzw. Lagerbehälter für Brennstoffe und eine Aufnahmeanordnung bzw. Lageranordnung anzugeben, bei der dieser Nachteil vermieden und eine erhöhte Sicherheit gewährleistet ist. ■

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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Aufnahmebehälter für einen oder mehrere nukleare Brennelemente mit einem rohrförmigen Gefäß innerhalb eines äußeren Hüllenrohres dadurch gelöst, daß zwischen den Wänden des Gefäßes und dem äußeren Hüllenrohr wenigstens zwei getrennte Kühlmittelleitungen ausgebildet sind, durch die ein Kühlfluid umlaufen kann.

Beim Gebrauch enthält das Hüllenrohr eine Flüssigkeit, üblicherweise Wasser, die in Ruhe ist und als Wärmeübertragungsmedium zwischen dem Aufnahme- bzw. Lagergefäß und den Kühlmittelleitungen dient. Die Kühlmittelleitungen sind so ausgebildet, daß sie mit voll-

ständig getrennten Kühlkreisläufen verbunden sind, so daß der Ausfall eines Kreislaufes keine Auswirkung auf den anderen Kreislauf hat. Vorzugsweise ist jeder der Kühlkreisläufe mit der damit verbundenen Kühlleitung so ausgebildet, daß durch ihn eine ausreichende Kühlung eines geladenen Brennstoffgefäßes gewährleistet ist.

Üblicherweise ist beim Betrieb, das innere Gefäß ein mit Gas, beispielsweise Kohlendioxid, gefülltes Druckgefäß, wobei das Gas die Wärme durch Konvektion von dem Brennelement oder den Brennelementen auf die Gefäßwand überträgt. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei Austritt von Gas aus dem Druckgefäß in das umgebende Hüllenrohr keine Beeinträchtigung der Kühlleistung der Kühlkreise auftritt.

Vorzugsweise sind die Kühlmittelleitungen so ausgebildet, daß selbst dann, wenn die Flüssigkeit aus dem umgebenden Hüllenrohr vollständig verlorengeht, die Zirkulation des Kühlfluids durch die Leitungen ausreichend ist, um einen gefährlichen Temperaturanstieg in dem geladenen Druckgefäß zu verhindern.

Die Kühlmittelleitungen können zur Vereinfachung ihrer Herstellung die Form von U-Röhren haben, jedoch können sie auch eine Spiralform oder eine andere geometrische Form haben.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigen:

F I G . 1 einen Längsschnitt durch einen Aufnahmebehälter gemäß der Erfindung;

F I G . 2 eine Aufsicht auf den Behälter;

F I G . 3 und 4 Querschnitte durch verschiedene Teile des Aufnahmebehälters und

FIG. 5 eine schematische Darstellung des Kühlsystems.

Der Aufnahmebehälter bzw. Lagerbehälter weist ein rohrförmiges Druckgefäß 1 auf, das typischerweise etwa 22 m lang ist und einen Außendurchmesser von 32 cm hat.

Ein nahe dem Boden des Druckgefäßes innen vorspringender, ringförmiger Rand 2 trägt ein Trümmergefäß 3, dessen Rand 4 nach innen geneigt ist und das als Auflager für das untere Ende einer Kette oder Anzahl von Brennelementen (nicht dargestellt) dient. Innere Rippen, wie sie bei 5 und 6 dargestellt sind, dienen dazu, die Brennelementkette innerhalb des Gefäßes zu zentralisieren.

Im Betrieb enthält das Druckgefäß 1 Kohlendioxidgas mit einem Druck, der demjenigen des damit verbundenen Reaktors entspricht und das zur Yärmeübertragung durch Konvektion von den Brennelementen auf die Gefäßwand dient. Das Kohlendioxid wird durch ein Rohr 7 in das Gefäß eingeführt, wobei dieses mit einem Einlaß 8 verbunden ist, der sich radial durch einen Flansch 9 am oberen Ende des Gefäßes erstreckt (siehe Ausschnitt 1A). Bei 7A ist in Fig. 2 ein Auslaßanschluß ausgebildet.

Das Druckgefäß 1 wird von dem Flansch 9 koaxial innerhalb eines äußeren Hüllenrohrs oder Ummantelungsrohrs 11 getragen und von Bolzen oder Schrauben 12, von denen in Fig. 2 nur einige dargestellt sind, an seinem Platz gehalten, während doppelte Elastomer-O-Ringe 13

eine fluiddichte Dichtung bilden.

Ein mit einem Flansch versehenes Ummantelungsrohr 14 ist oberhalb des Tragflansches 9 geschraubt und wie bei 15 über den oberen Teil des Druckgefäßes 1 gestülpt, wodurch eine sekundäre Halterung für den Fall eines Fehlers im Druckkreislauf gegeben ist.

Die Brennelemente innerhalb des Druckgefäßes 1 werden durch die natürliche Wärmeübertragung von dem Hochdruckkohlendioxidgas innerhalb des Kessels gekühlt, das ihre Wärme auf in Ruhe befindliches Wasser überträgt, das sich innerhalb des äußeren Hüllenrohres 11 befindet. Die Wärme wird von diesem Wasser durch Kühlwasser abgeführt, das durch Rohre 17 mit e.inem Durchmesser von 25 mm zugeführt wird, wobei die Rohre zwei getrennte Kühlschleifen oder Kühlrohrleitungen 18 und 19 bilden, die sich über die gesamte Länge der Wasserhülle erstrecken. Die zwei Kühlrohrleitungen sind schematisch in Fig. 5 dargestellt. Anschlüsse wie bei 21 und 22 bilden Einlaßöffnungen und AustrittsÖffnungen für die Kühlrohrleitungen oben an dem Wasserhüllenrohr 11.

Um eine genügend große Wärmeübertragungsfläche zu erhalten, sind die Einlaß- und Auslaßseiten einer jeden Kühlrohrleitung 18 und 19 innerhalb der Wasserhülle gegabelt, und die beiden gegabelten Arme 18A und 19A einer jeden Rohrleitung sind unterhalb des Druckgefäßes durch eine horizontale Windung 20 miteinander verbunden. Dies ermöglicht zwischen den Armen eine veränderliche Ausdehnung. Die die Rohrleitungen bildenden Rohre sind in den oberen Flansch 9 des Druckgefäßes 1 eingeschweißt, so daß die Arme 18A und 19A herabhängen und acht axial verlaufende Kühlleitungen bilden, die gleichmäßig zwisehen den Wänden des Druckgefäßes 1 und des äußeren Hüllenrohres 11 beabstandet sind, wie dies besonders deutlich aus Fig. 3 zu ersehen ist, \tfobei die Rohre an vier

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Stellen ihrer Länge von hakenförmigen Befestigungsarinen 23 gehalten sind, die an der Außenseite des Druckgefäßes 1 angeschweißt sind. Diese Befestigungsarme 23 dienen sowohl dazu, das Druckgefäß 1 innerhalb des äußeren Hüllenrohres 11 zu zentralisieren, als auch dazu, die Rohre zu halten.

Die Ausbildung von zwei vollständig voneinander getrennten Kühlrohrleitungen, die mit zwei Kühlkreislaufen verbunden sind, stellt sicher, daß ein Fehler oder der Ausfall eines Kreislaufs sich nicht auf den Betrieb des anderen Kreislaufs auswirkt.

Das Wasser in dem äußeren Hüllenrohr 11 dient als Wärmeübertragungsmedium zwischen dem Druckgefäß 1 und den Kühlrohrleitungen 18 und 19* und bildet eine zusätzliche Wärmekapazität für bestimmte Störfälle. Normalerweise ist nur ein offener Anschluß (wie bei 24) vom oberen Bereich des Hüllenrohres 11 mit einem Ausgleichsbehälter oder Ausgleichstank (nicht dargestellt) verbunden. Dies ermöglicht die Ausdehnung des Wassers innerhalb des Hüllenrohres. Ein weiterer Anschluß 24A (Fig. 2) ist zum Zwecke des Einfüllono vorgesehen.

Das Hüllenwasser enthält Lithiumhydroxid, und der Ausgleichstank ist von einer unter Druck stehenden Wasserstoffhülle überdeckt. Ein schmales Rohr 25, das mit einem Auslaß 27 in dem Flansch 9 verbunden ist, erstreckt sich zum Boden des Hüllenrohres 11 und ermöglicht es, von Zeit zu Zeit Wasser hochzuziehen, um den pH-Wert des Wassers zu untersuchen. Die Anschlüsse 24 und 27 sind in Fig. 1 wegen der größeren Klarheit übereinander dargestellt, obwohl sie normalerweise im Winkel zueinander angeordnet sind, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist.

Obwohl in Wirklichkeit nicht die Gefahr besteht, daß Wasser aus dem Hüllenrohr 11 austritt, ist eine Warneinrichtung für einen Niedrigpegelstand des Wassers in dem Ausgleichstank angeordnet, um jeden Wasserverlust anzeigen zu können. Trotzdem sind die Kühlrohrleitungen und die damit verbundenen Kreisläufe so ausgebildet, dai3 selbst bei vollständigem Wasserverlust aus dem Hüllenrohr, das ein neu beladenes Druckgefäß umgibt, ein übermäßig schneller Temperaturanstieg verhindert wird.

Das Hüllenrohr 11 ist für den gleichen Arbeitsdruck wie für das Druckgefäß 1 ausgebildet und stellt eine sekundäre Sicherheitseinfässung dar. Wenn Kohlendioxid in das Hüllenrohr 11 eintritt, wird es im Laufe der Zeit in den Ausgleichstank zurücksteigen. Dabei ist festzustellen, daß ein Eintritt von Kohlendioxid in das Hüllenrohr 11 in keiner Weise die Wirksamkeit der Kühlkreisläufe beeinträchtigt. Trotzdem wird ein Eintritt von Kohlendioxid in die Wasserhülle von einem Überwachungsgerät erfaßt und angezeigt, das in das von dem Ausgleichstank kommende Zufuhrrohr eingebaut ist.

Unter normalen Bedingungen sind beide Kühlkreislaufe wirksam, wobei die höchsten Temperaturen dann auftreten, wenn ein Behälter neu geladen ist. Die Kühlkreisläufe sind so ausgebildet, daß die Auslaßtemperatur aus den Kühlrohrleitungen, die eine Einlaßtemperatur von 25 ⁰C haben, etwa bei 62 ⁰C unmittelbar nach dem Laden liegt, wobei die maximale Wasserspiegeltemperatur unter einer solchen Bedingung etwa 65 ⁰C beträgt. Diese Temperaturen sinken, wenn die Brennelemente anfangen abzuklingen. Wenn ein Kühlkreislauf ausfällt, dann verhindert der andere verbleibende Kühlkreislauf, 'Vj daß die Wasserhüllentemperatur auf einen Wert über 100 ⁰C ansteigt.

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Um unter solchen Bedingungen ein Sieden zu unterdrücken, wird der Druck in dem Ausgleichstank bei einem Wert gehalten, der einer Wassersäule von 17 m entspricht.

Die gesamte Anordnung eines Druckgefäßes 1 innerhalb eines äußeren Hüllenrohres 11 ist über vier Bolzen oder Schrauben 28 an einem Tragrohr befestigt, das teilweise bei 26 dargestellt ist, wobei dieses Tragrohr an einem unteren Ende an einem Tragrost angeschweißt ist, der eine Mehrzahl von gleichen Aufnahmeanordnungen bzw. Lageranordnungen trägt, die in mehreren parallelen Reihen angeordnet sind.

Der Zwischenraum zwischen den Tragrohren ist mit Beton gefüllt, um eine Schutzabschirmung zu bilden, ,jedoch sind Vorkehrungen getroffen, um eine Verbindung des Betons mit den Tragrohren zu verhindern. Damit ist im Falle eines eingefallenen Brennstoffverschlußstückes die gesamte Länge des jeweiligen Tragrohres imstande, die Aufprallkraft als Verformungsenergie zu absorbieren.

Um die Größe des Rohrwerks innerhalb des Aufnahmebzw. Lagerbereichs zu verringern, wird das Kühlwasser Paaren von Aufnahmebehältern in Folge bzw. hintereinander zugeführt, und die Aufmachung oder Aufbereitung der Wasserhülle und die Zufuhr des Hochdruckkohlendioxids für die Druckgefäße wird für vier Aufnahmebehälter jeweils hintereinander vorgenommen.

Das gesamte Lager ist von Gußeisenplatten bedeckt, wobei oberhalb eines jeden Aufnahmebehälters eine entfernbare, kreisförmige Platte angeordnet ist, um den Zugang zu den Druckgefäßen zum Laden und Entladen zu ermöglichen.

Unabhängige Kühlkreisläufe beschicken jede der beiden Kühlrohrleitungen innerhalb der Wasserhülle eines jeden Aufnahmebehälters, wobei jeder Kühlkreislauf zwei Pumpen enthält, von denen eine normalerweise in Betrieb ist, während die andere in automatischer Bereitschaft steht. Diese Ausbildung gewährt vollständigen Schutz gegen die folgenden Störfälle:

(a) Ausfall zweier Pumpen bei gleichzeitiger Wartung einer weiteren Pumpe.

(b) Bruch irgendeines Rohres in dem einen Kreislauf und Ausfall einer Pumpe in dem anderen Kreislauf.

(c) Blockierung irgendeines Rohres in einem Kreislauf und Ausfall einer Pumpe in dem anderen Kreislauf.

Wenn der Durchfluß durch beide Rohrleitungen ausfällt, erwärmt sich der Wasserhülleninhalt, wobei jedoch die thermische Kapazität des in Ruhe befindlichen Wassers innerhalb des Hüllenrohres einen Puffer gegen ein kurzzeitiges Aussezten des Kühlflusses darstellt.

Die elektrisch betriebenen Wasserumlaufpumpen in jedem Kühlkreislauf werden von voneinander unabhängigen elektrischen Zuleitungen gespeist. In dem äußerst unwahrscheinlichen Fall, daß beide Zuleitungen unterbrochen sind und nicht rechtzeitig wiederhergestellt werden können, um zu verhindern, daß ein nennenswerter Teil des Wassers in dem Hüllenrohr eines gerade eben neu beladenen Aufnahmebehälters durch Verdampfung verlorengeht, sind Vorkehrungen getroffen, daß die Außenflächen des Wasserhüllenrohres über geeignet gerichtete Wasserdüsen abgekühlt wird.

Claims

10041 Paienianwalie

>* Reichel u. Reichel *..^: ... ... ... .....

Parksiraße 13 314 33 O Ί

60CO Frankfurt σ. Μ. 1

NUCLEAR POTOR COMPANY LIMITED, London, England

Patentansprüche

(Vl Aufnahmebehälter für ein oder mehrere nukleare Brennelemente mit einem Gefäß innerhalb eines Hüllenrohres, gekennzeichnet durch mindestens zwei Kühlmittelleitungen (18, 19) zwischen den Wänden des Gefäßes (1) und des Hüllenrohres (11), durch die ein Kühlfluid umlaufen kann.

2. Aufnahmebehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

10. daß eine nicht umlaufende Flüssigkeit als Wärmeübertragungsmedium zwischen dem Gefäß (1) und den Kühlmittelleitungen (18, 19) dient.

3. Aufnahmebehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (18, 19) die Form von U-Rohren haben.

4. Aufnahmebehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (18, 19) gegabelt sind.

5. Aufnahmebehälter nach Anspruch 4, dadurch gekonnzeichnet, daß die Arme (10Λ, 19A) der Kühlmittellaitungen (18, 19) zwischen den Wänden des Gefäßes (1) und des Hüllenrohres (11) gleichmäßig beabstandet angeordnet sind.

6. Aufnahmeanordnung für ein oder mehrere nukleare Brennelemente,

dadurch gekennzeichnet, daß sie ein oder mehrere Aufnahmebehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 enthält.

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7. Aufnahmeanordnung für ein oder mehrere nukleare Brennelemente mit einem Aufnahmebehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitungen (18, 19) jeweils mit getrennten Kühlkreisläufen verbunden sind.

8. Aufnahmeanordnung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem Gefäß (1) durch Umlauf von Kühlfluid durch eine einzige Kühlmittelleitung innerhalb des Sicherheitsbereichs gehalten werden kann.

9. Aufnahmeanordnung mit einem Aufnahmebehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit außen unter Druck gesetzt ist.

10. Aufnahmeanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß das Kühlfluid im wesentlichen aus Wasser besteht. 20

11. Aufnahmeanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kühlkreislauf mindestens zwei Pumpen aufweist, von denen eine in automatischer Bereitschaft steht.

12. Aufnahmeanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Pumpe über eine getrennte elektrische Zuleitung angetrieben ist.

13· Aufnahmeanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid Paaren von Aufnahmebehältern der Reihe nach zugeführt wird.