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Tragboden für den Kern eines Hochtemperatur-
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reaktors mit kugelförmigen Brennelementen Die Erfindung betrifft
einen Tragboden für den aus kugelförmigen Brennelementen aufgeschütteten und von
einem zylindrischen Seitenreflektor aus Graphitblöcken umgebenen Kern eines Hochtemperaturreaktors,
bestehend aus einer Vielzahl horizontal unterteilter, vertikal angeordneter Graphitsäulen,
die unmittelbar nebeneinander aufgestellt sind, mit mehreren Abzugsrohren für die
kugelförmigen Brennelemente.
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Stand der Technik ist ein in der DE-AS 1 261 606 beschriebener Reflektor
für einen Kernreaktor, der zwischen dem thermischen Schiwq und dem Reaktorkern eingefügt
ist. Der Reflektor besteht aus einem einen zylindrischen Hohlraum einschließenden
Seitenreflektor und einem als Tragboden dienenden unteren Reflektor.
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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 Graphitblökken bestehende Seitenreflektor
ist über seine gesamte Höhe mittels einer Anzahl in radialer Richtung wirkender
elastischer Bauteile an dem thermischen Seitenschild abgestützt.
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Bei einem Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen, dem THTR-300,
besteht der Tragboden für die Aufschüttung der Brennsf:offkuge in ,lU.z (:iner Vielzahl
von hexagonal>n Graphitblöcken, die zu frei beweglichen Säulen angeordnet sind
und axiale Bohrungen für das 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.
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Unter bestimmten instationären Betriebsbedingungen bzw. bei Störfällen
können sich diese Spalte aufsummieren, und es können relativ große Einzel spalte
entstehen. Bei den Dimensionen des THTR-300 sind jedoch die zum Schließen der Spalte
erforderlichen Rückstellkräfte von untergeordneter Bedeutung.
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Eine Tragvorrichtung für einen Kugelhaufenreaktor größerer Leistung
ist aus der DE-OS 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.
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Innerhalb einer Schicht sind die vorzugsweise hexagonalen Graphitblöcke
nicht miteinander verzahnt. Die Blöcke 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, bei der Rückstellkräfte nicht erforderlich
sind.
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Die bekannte Vorrichtung setzt jedoch besondere Maßnahmen gegen Verformungen
voraus, die in den Bodenlagen des Kernreaktors bzw.
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in dem Boden des Druckbehälters auftreten.
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Ein weiterer Tragboden für einen Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen
wird in der DE-OS .29 29 741 beschrieben. Er besteht aus einer Vielzahl von Graphitblöcken,
die zu prismenartigen vertikalen Säulen angeordnet sind. Die vertikalen Säulen sind
als unabhängige Einzel säulen ohne Dehnspalte unmittelbar nebeneinander aufgestellt.
In horizontaler Richtung werden sie durch Rückstellelemente, z.B. Federstützen,
zusammengehalten, die in dem Ringraum zwischen dem unteren Teil des zylindrischen
Seitenreflektors und dem thermischen Seitenschild angeordnet sind. Da der Tragboden
in eine Vielzahl von unabhängigen Einzelsäulen aufgelöst ist, paßt er sich zwangsfrei
den Verformungen des Druckbehälterbodens an. Die vertikalen Säulen sind bevorzugt
mit hexagonalem Querschnitt ausgeführt.
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An einen derartigen Tragboden wird die Anforderung gestellt, daß seine
Formstabilität nicht durch die auftretenden mechanischen, thermischen und kernphysikalischen
Beanspruchungen beeinträchtigt werden darf und daß er seine Funktionen (vertikale
Absttzung der Brennstoffkugeln, Abziehen der Brennstoffkugeln aus dem Kern, Gasführung,
Abschirmung) voll erfüllen muß. Bei den nach dem eben beschriebenen Prinzip aufgebauten
Tragboden ist dies jedoch nicht grundsätzlich gewährleistet, da beim unbemerkten
Versagen einzelner Säulen die stützende Funktion dieser Einzelelemente entfällt
und gegenseitige Verschiebungen auszuschließen sind. Außerdem können im Laufe des
Betriebes wie auch herstellungsbedingt zwischen den einzelnen Säulen Spalten auftreten,
die sich aufgrund unterschiedlicher Dehnungen und Verschiebungen auf summieren können,
so daß deren Schließen mittels der Rückstellelemente relativ hohe radial wirkende
Rückstellkräfte erfordert.
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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 Hochtemperaturreaktor mit kugelförmigen Brennelementen zu schaffen,
der auch beim Versagen einzelner Graphitsäulen über eine gute Formstabilität verfügt.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die vertikalen
Graphitsäulen mit sternfrmigem Querschnitt ausgeführt und jeweils mit den ihnen
benachbarten Graphitsäulen derart verzahnt sind, daß sich ein geschlossener Verband
ergibt.
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Die Übertragung von Kräften erfolgt bei den erfindungsgemäßen Graphitsäulen
über die anliegenden Flanken, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der wirksamen
Beanspruchungen auf die einzelnen Säulen des Verbandes erreicht und der Einfluß
einzelner Säulen ausgeschlossen wird. Somit können sich eventuelle Leerstellen im
Verband (z.B. durch Versagen einzelner Graphitsäulen) nicht negativ auf die Integrität
und Funktion des Tragbodens auswirken, und die Formstabilität des Tragbodens bleibt
beim Versagen einzelner Graphitsäulen gewahrt. Voraussetzung ist lediglich, daß
die radialen Dehnungswege der einzelnen Graphitblöcke in Abhängigkeit von der Flankenhöhe
begrenzt sind.
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Von Vorteil ist auch, daß sich auftretende Spalte infolge der Verzahnung
der Graphitsäulen nicht aufsummieren können und daß dadurch zur Unterdrückung der
Spalte geringere Rückstellkräfte ausreichen.
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Die an den Seitenreflektor angrenzenden Randsäulen des Tragbodens
können in den Graphitblöcken des Seitenreflektors eingebunden und an ihrer Innenwand
der sternförmigen Kontur der Graphitsäulen weitgehend angepaßt sein. Das hat den
Vorteil,
daß sich Tragboden und Seitenreflektor nicht gegeneinander
verdrehen können.
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Die vertikale Abstützung des Tragbodens auf dem Boden des Reaktordruckbehälters
erfolgt über Rundsäulen, die auf den Bodenlagen des Hochtemperaturreaktors aufgestellt
sind. Dabei ruhen die vertikalen Graphitsäulen jeweils auf einer dieser Rundsäulen.
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Die Kugelabzugsrohre, die in den Tragboden eingebettet und mit einem
konischen Einlauf versehen sind, stellen innerhalb des Tragbodens eine Sonderkonstruktion
dar. Auch sie wirken sich bei einem Tragboden mit erfindungsgemäß ausgebildeten
Graphitsäulen nicht negativ auf die Integrität und Funktion des Tragbodens aus und
bleiben selbst frei von Beanspruchungen, wenn sie so angeordnet sind, daß ihre Mittelachsen
jeweils mit der Mittelachse einer fiktiven vertikalen Graphitsäule zusammenfallen.
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In der Zeichnung ist der Tragboden gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen: Figur 1 einen Vertikalschnitt durch
den allgemeinen Aufbau des Tragbodens in stark vereinfachter Form, Figur 2 einen
Vertikalschnitt durch den unteren Teil eines Hochtemperaturreaktors mit dem erfindungsgemäßen
Tragboden, Figur 3 die Ansicht der Figur 2 von oben, Figur 4 eine einzelne Säule
des Tragbodens der Figur 2 und Figur 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Figur
4.
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Die Figur 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 Figur 2 gezeigt).
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Der Tragboden 5 besteht aus einer Vielzahl von vertikalen Graphitsäulen
6, die in horizontaler Richtung unterteilt sind.
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Die Graphitsäulen 6 weisen einen sternförmigen Querschnitt auf, wie
aus den Figuren 3 und 5 ersichtlich. Jede vertikale Graphitsäule 6 ruht auf einer
Rundsäule 9, die sich auf den Boden lagen 10 des Hochtemperaturreaktors abstützt.
An die Bodenlagen 10 schließt sich nach unten eine Bodenplatte 11 an. Der zwischen
den Rundsäulen 9 befindliche freie Raum bildet den Heißgassammelraum 12 des Hochtemperaturreaktors
und steht daher mit Kühlgasbohrungen 7 in den Graphitsäulen 6 in Verbindung (wie
in Figur 4 gezeigt).
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Die vertikalen Graphitsäulen 6 sind unmittelbar nebeneinander aufgestellt
und greifen derart in die benachbarten Graphitsäulen über, daß quasi ein geschlossener
Verband miteinander verzahnter Einzelelemente entsteht. Der Tragboden 5 behält daher
seine Formstabilität, auch wenn einzelne Graphitsäulen 6 versagen sollten. Die Übertragung
von Kräften erfolgt über die anliegenden Flanken. Um herstellungs-, funktions- und
temperaturbedingte Spalte zwischen den Graphitsäulen 6 so klein wie möglich zu halten,
sind in dem Ringraum 4 radial nach innen wirkende elastische Stützbolzen 13 angeordnet.
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Wie die Figur 2 erkennen läßt, besteht der Seitenreflektor 2 aus einer
Vielzahl aufeinander gestapelter Graphitblöcke 2a.
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Der thermische Seitenschild 3 stützt sich über Rollenlager 14 auf
dem Boden des den Hochtemperaturreaktor umschließenden Spannbetondruckbehälters
15 ab. Der Reaktorkern 1 besitzt mehrere durch den Tragboden 5 geführte Kugelabzugsrohr
16, die je mit einem konischen Kugeleinlauf 17 versehen sind. Die Oberfläche des
Tragbodens 5 ist so gestaltet, daß die genannten konischen Kugeleinläufe entstehen.
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Die Figur 3 zeigt die Ansicht eines Teils des Tragbodens 5 von oben.
Sie läßt die Verzahnung der einzelnen Graphitsäulen 6 miteinander sowie die Anordnung
der Kugelabzugsrohre 16 erkennen. Die Mittelachse dieser Kugelabzugsrohre fällt
mit der Mittelachse einer fiktiven Graphitsäule 6 zusammen. Die dem Reaktorkern
1 zugewandten Flächen der Reflektorblöcke 2a weisen Ausnehmungen 18 auf, in denen
Vorsprünge 19 von Randsäulen 21 hineinragen, so daß der Tragboden 5 in dem Seitenreflektor
2 eingebunden ist. Die zur Reaktorachse gerichteten Flächen der Randsäulen 21 sind
weitgehend der sternförmigen Kontur der Graphitsäulen 6 angepaßt.
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Eine einzelne Säule 6 mit Kühlgasbohrungen 7 ist in der Figur 4 dargestellt.
Die Kühlgasbohrungen 7 sind in Anzahl, Durchmesser und Abstand so festgelegt, daß
in den einzelnen vertikalen Graphitsäulen keine bzw. nur geringe instationäre Wärmespannungen
entstehen können. Die Graphitsäule 6 ist in horizontaler Richtung in einzelne Graphitblöcke
20 unterteilt. Die einzelnen Graphitblöcke 20 können in Bezug auf die Kühlgasbohrungen
7 unterschiedlich gestaltet sein. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist
der oberste Graphitblock 20 eine größere Anzahl von Kühlgasbohrungen 7 auf als die
weiteren Graphitblöcke,
und am oberen Ende des zweitobersten Blocks
befinden sich ein kleiner Gassammelraum 8. Dieser steht mit den Kühlgasbohrungen
7 in dem obersten und in dem zweitobersten Block 20 in Verbindung.
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