DE3528714A1

DE3528714A1 - Waermesperre und halterung fuer den brennstoffkern eines kernreaktors

Info

Publication number: DE3528714A1
Application number: DE19853528714
Authority: DE
Inventors: William Spencer Betts jun.; William Edward San Diego Calif. Black; James Larry Del Mar Calif. Pickering
Original assignee: GA Technologies Inc
Current assignee: GA Technologies Inc
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1986-03-06
Also published as: US4673548A; JPS6165189A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Wärmesperre für einen Kernreaktorbehälter und insbesondere auf eine solche Wärmesperre, die eine Brennstoffsäule im Reaktorbehälter haltert.

Bei einem gut bekannten Reaktor sind die Brennstoff- bzw. Spaltstoffsäulen des Reaktorkerns in einem Reaktorbehälter enthalten, der gewöhnlich aus Spannbeton hergestellt ist und eine feste, starre Metallzwischenlage besitzt. Der Reaktorkern wird gekühlt, indem ein Edelgas, wie z.B. Helium, durch ihn in Umlauf gebracht wird, und Kühlmittelrohre sind in dem Reaktorbehälter aus Spannbeton eingebettet, um den Behälter zu kühlen. Die Metallzwischenlage des Reaktorbehälters ist mit einer thermischen Abschirmung versehen, die auch darin wirksam ist, daß sie den Reaktorkern abstützt. Ein solcher Kernreaktor ist in der US-PS 3 733 760 gezeigt und beschrieben, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme mitaufgenommen werden soll.

Die bei diesen Reaktoren verwendeten Wärmesperren bzw. -barrieren besitzen gewöhnlich in ihrer Konstruktion eingeschlossen keramische Materialien, was auf deren allgemein bessere Feuerfestigkeitseigenschaften zurückgeht, in Kombination mit Graphit und Stahl. Eine solche Barriere ist in der US-PS 3 776 814 beschrieben. Bei derartigen bekannten Wärmesperren sind die keramischen Materialien tragend und werden dazu verwendet, die Brennstoffsäulen des Reaktorkerns zu haltern.

Wenn eine Konstruktion für eine Wärmesperre/Kernhalterung erhalten werden soll, sind sowohl eine lange Lebensdauer als auch eine hohe Sicherheitsmarge erwünscht und not-

wendige Merkmale. Während die Hochtemperatureigenschaften von Keramikmaterialien überlegen sind, ist die Datenbasis bzw. -bank in bezug auf die strukturellen Eigenschaften von Keramikmaterialien nicht annäherend so gut entwickelt, wie die Datenbasis für Metalle. Es ist beispielsweise bekannt, daß Keramikmaterialien für statische Ermüdung anfällig sind, wenn sie einer Dauerbeanspruchung ausgesetzt sind. Die Haltbarkeitsgrenze von Keramikmaterialien in bezug auf statische Ermüdung ist nicht gut abgegrenzt bzw. bestimmt.

Unter normalen Betriebsbedingungen sind die im Inneren des Reaktorbehälters erreichten Temperaturen nicht ausreichend hoch, um ein thermisches Versagen, d.h. plastische Deformation, der im Reaktorbehälter verwendeten Metalle zu verursachen. Da das mechanische Verhalten von Metallen gut dokumentiert ist, fühlen sich somit Konstrukteure sehr sicher, wenn sie Metall unter normalen Betriebsbedingungen für Konstruktionszwecke verwenden. Metalle unterliegen jedoch langsamer plastischer Deformation, d.h. Formänderung ("Kriechen"), wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, selbst unter geringer Beanspruchung, der Keramikmaterialien nicht unterliegen. Während somit Metallkonstruktionen unter normalen Betriebsbedingungen zufriedenstellend funktionieren, wobei ein solches Funktionieren mit einem hohen Sicherheitsgrad voraussagbar ist, funktionieren keramische Materialien bei den hohen Temperaturen besser, die bei einem Systemversagen auftreten können, aber die Verhaltenscharakteristik der Keramikmaterialien ist weniger gut dokumentiert.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmesperre zu schaffen, um den Brennstoffkern eines Kernreaktors zu haltern, die eine in hohem Maße voraussagbare Verhaltenscharakteristik von Metallen und zugleich Feuerfestigkeitseigenschaften von Keramikmaterialien besitzt.

Diese Aufgabe ist bei einer Wärmesperre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Allgemein umfaßt die Wärmebarriere/Kernhalterung gemäß der Erfindung eine metallische Kernhalterung vorzugsweise in der Form eines Zylinders,der an der Metallzwischenschicht des Reaktorbehälters befestigt ist und von faserartigem Isolierungsmaterial umgeben ist, das auch die Metallzwischenschicht überdeckt. Auf der Oberseite des Zylinders ruhend befinden sich Einrichtungen, die einen Stützen- bzw. Stabsitz enthalten, und einen der Stäbe lokalisieren und haltern, der sich vom Brennstoffkern her erstreckt. Unter normalen Betriebsbedingungen trägt der

j^ Metallzylinder die gesamte, von dem ihm zugeordneten Berennstoffkernstab ausgeübte Last. Im Inneren des metallischen Zylinders ist eine Säule aus keramischem Material angeordnet, deren Höhe geringer als die des Metallzylinders ist, und somit ist sie normalerweise nicht tragend. Im Fall einer Temperaturauslenkung über die Konstruktionsgrenzen des Metallzylinders hinaus, die zu einer Deformation des Zylinders führt, stößt die keramische Säule an die den Stabsitz enthaltende Einrichtung, so daß sie den Brennstoffkern-

2g stab trägt bzw. haltert.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus der Zeichnung weiter hervor. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Wärmesperre und eine Halterung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer der Halterungen, gg die im wesentlichen längs Linie 2-2 von Fig. 1 ausgeführt ist.

Es wird nun insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen.

Eine Gruppe von drei identischen Halterungskonstruktionen 10 von der erfindungsgemäßen Art sind dargestellt. Jede Halterungs- bzw. Stützkonstruktion 10 umfaßt einen Graphitabdeckblock 11 und einen Graphitsitzstab 12, wobei jede Gruppe mit drei Stützkonstruktionen 10 zusammenwirkt/ so daß sie teilweise drei Brennstoffsäulenbereiche und/oder periphere Reflektorblöcke des Reaktorkerns (nicht gezeigt) tragen. Die Halterungskonstruktionen 10 einer jeden Gruppe sind 120° voneinander entfernt angeordnet, und ihre Abdeckblöcke 11, die geringfügig mit Abstand angeordnet sind, um einer Relativbewegung aufgrund von Wärmeausdehnung und -kontraktion Rechnung zu tragen, wirken zusammen, um ein Hexagon zu formen. Eine typische Größe für jedes Hexagon ist etwa 1,63 m² (17,5 square feet), wobei jede Seite des Hexagons etwa 0,56 m (22 Inch) lang ist. Solche Hexagon bildende Halterungskonstruktionen überdecken im wesentlichen den gesamten Boden des Reaktorbehälters, um den Reaktorkern

2Q zu haltern und zu stützen, und bei einer typischen Reaktorkonstruktion können nicht weniger als 500 Halterungshexagone verwendet werden.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist eine 2g einzelne Halterungskonstruktion 10 mehr im einzelnen gezeigt. Ein Abschnitt des Kernreaktorbehälters aus Spannbeton ist bei dem Bezugszeichen 14 veranschaulicht. Der Reaktorbehälter 14 ist mit einer Stahlwand oder Zwischenschicht 15 versehen, die in geeigneter __ Weise am Betonreaktorbehälter 14 durch nicht gezeigte Mittel verankert ist. Der Behälter 14 und die Zwischenschicht 15 umgrenzen eine Kammer, die den Reaktorkern (nicht gezeigt) enthält. Der Reaktorkern umfaßt eine Anzahl von Brennstoffsäulen, die gewöhnlich durch einen Graphitblock gehaltert sind und eine An-

zahl von vertikalen Graphitstäben besitzen, die sich von dort her erstrecken, wie z.B. der mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnete Stab. Um die Stäbe 16 zu

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haltern, umfaßt jede Halterung 10 eine Metallkernstütze, vorzugsweise in der Form eines Zylinders 18, der fest an der Stahlzwischenschicht 15 mittels starrer Gewindebolzen 19 befestigt ist, die an der Zwischenschicht angeschweißt worden sind und sich durch die Basis 18a des Zylinders 18 erstrecken. Der Zylinder 18 ist entfernbar an den Bolzen 19 durch Mutter-Unterlagscheibenkombinationen 20, 21 befestigt. Derartige Zylinder 18 sind gewöhnlich 0,22 m (8,5 Inch) lang und sind aus einer Hochtemperatur-Metallegierung hergestellt. Zwischen die Basis des Metallzylinders 18 und die Zwischenschicht 15 sind Zwischenlagen, d.h. Abstandsstücke 22 eingefügt, um die Höhe der Halterungs- bzw. Stützanordnung einzustellen und eine korrekte Positionierung des zugeordneten Abdeckblocks 11 sicherzustellen.

Um einen geringen Wärmeverlust zu schaffen und eine Verschlechterung der konstruktiven Unversehrtheit, d.h. der Integrität des Reaktorbehälters 14 zu vermeiden, umfaßt die Innenseite der Stahlzwischenschicht 15 eine Lage aus einem faserigen Wärmeisolierungsmaterial 24, das den Halterungszylinder 18 umgibt. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel besteht die Isolierung 24 aus zwei Lagen und ist gegen die Zwischenschicht 15 durch eine Zwischenabdeckplatte 25, die gewöhnlich aus Stahl hergestellt ist, und den Graphitabdeckblock 11 gepreßt.

Um den Abdeckblock 11 auf dem Halterungszylinder 18 anzuordnen und zu befestigen, umfaßt der Zylinder 18 eine obere Kappe 26. Die obere Kappe ist vorzugsweise aus einer Hochtemperaturmetallegierung hergestellt und ist am Zylinder 18 mittels Bajonettverriegelungen 27 befestigt, wobei sich ein Zwischenschichtmaterial 28 zwischen der oberen Kappe 2 6 und der Oberseite des

3g Zylinders 18 befindet. Die untere Fläche des Abdeckblocks 11 ist bei 29 mit einer Aussparung versehen, so daß sie auf der oberen Kappe 26 sitzt und den Ab-

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deckblock 11 in bezug auf den Zylinder 18 positiv örtlich festlegt. In gleicher Weise weist der Stabsitz bei 30 eine Aussparung auf, um mit der Schulter 31 auf der Oberseite des Abdeckblocks 11 zusammenzupassen. Wenn der Stab 16 getragen wird, reicht das Gewicht des Reaktorkerns aus, um den Abdeckblock 11 und den Stabsitz 12 in der Position auf dem Halterungszylinder 18 zu halten' und die Isolierung 24 gegen die Stahlzwischenschicht zu drücken. Während der Installation wird jedoch der Abdeckblock 11 mittels einer Herunterziehsenkschraube 32 und einer Unterlagscheibe 34 in der Position gehalten, die in einem mit Gewinde versehenen Blindloch 35 in der oberen Kappe 26 aufgenommen sind. Um den Abdeckblock 11 in bezug auf die obere Kappe 26 geeignet zu orientieren, ist ein durchgehendes Loch 36 im Abdeckblock 11 mit einem Blindloch 38 in'der oberen Kappe 26 ausgerichtet. In die ausgerichteten Löcher 36, 38 ist ein Stift 39 eingefügt, um ihre relativen Positionen beizubehalten.

Während das so beschriebene Halterungssystem zufriedenstellend arbeitet, wenn die Atmosphäre im Reaktorbehälter innerhalb normaler Betriebstemperaturen liegt, könnte sich der Metallzylinder 18 der Halterung aufgrund übermäßigen Kriechens verformen und möglicherweise versagen, wenn die Konstruktionstemperatur des Reaktorbehälters überschritten werden sollte. Im Sinne der Erfindung ist demgemäß eine Säule aus Keramikmaterial 40 im Inneren des Zylinders 18 vorgesehen, um die Kombination aus der oberen Kappe, dem Abdeckblock, dem Stabsitz zu haltern und abzustützen, sollte der Zylinder 18 aufgrund übermäßiger thermischer Deformation versagen und ausfallen.

Es wird nun wieder auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Keramiksäule 40 umfaßt vier Keramikkissen bzw. Druckunterlagen 41a bis d, die jeweils zylindrische Form

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aufweisen und jeweils eine durchgehende zentrale Bohrung 42 a bisd besitzen. Die Druckunterlagen 41a bis d sind gestapelt, wobei ihre Bohrungen 42a bis d ausgerichtet sind, und besitzen ein Zwischenschichtmaterial aus Keramiktuch, das zwischen den aneinanderstoßenden Seiten der Druckunterlagen 41a bis d und auf den Außenseiten der Druckunterlagen 41a und d angeordnet sind. Um die Druckunterlagen 41a bis d in ausgerichteter Position zu halten, ist ein aufrecht stehender Keramikdübel oder -stab 43 in einem Blindloch 18b in der Basis 18a der Halterung 18 befestigt und erstreckt sich durch die zentralen Bohrungen 42a bis d der Druckunterlagen 41a bis d.

Um sicherzustellen, daß die Keramiksäule 40 die Last des Reaktorkerns nur bei Versagen des Halterungszylinders trägt, ist die Säule 40 in der Höhe so bemessen, daß ein Spalt 45 zwischen der Oberseite der Säule 40 und der Unterseite der oberen Kappe 26 gelassen ist. Der Spalt 45 sollte ausreichend bemessen sein, so daß er sich der Wärmeausdehnung und -kontraktion des HalterungsZylinders 18 und der Keramiksäule 40 anpaßt, ohne daß die Oberseite der Säule 40 mit der Unterseite der oberen Kappe 26 in Eingriff tritt, was eine Kompressionskraft auf die Säule ausüben würde. Ein Spalt 45 mit 3,2 mm (0,125 Inch) wird für eine Säule mit einer Höhe von 216 mm (8,5 Inch) als ausreichend erachtet. Um den Wärmefluß zur Stahlzwischenschicht 15 herabzusetzen und radiale Temperaturgradienten in den keramischen Wärmedruckunterlagen 41a bis d auf ein Minimum herabzusetzen, enthält das Innere des Halterungszylinders 18 weiteres faseriges Wärmeisolierungsmaterial 46.

Es kann daher gesehen werden, daß die Erfindung eine Halterung und Stütze für den Brennstoffkern eines Kernreaktors schafft, bei der die am meisten erwünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften sowohl

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von Hochtemperaturmetallegierungen als auch von Keramikmaterialien verwendet werden, um eine zuverlässige Sicherheitshalterung im Fall eines Versagens vorzusehen. Während die Erfindung in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist sie selbstverständlich nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Im Gegenteil, sie soll alle Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente abdecken, die unter den Schutz der Ansprüche fallen.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-^:In;g. H.-We-ickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A.¥eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska, Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel
3528714 ^{8000 MüNCHEN 8}
POSTFACH 860 820
GA TECHNOLOGIES INC.
10955 John Jay Hopkins Drive
San Diego, Kalifornien 92138
U.
S.A.

MÖHLSTRASSE 22

TELEFON (089) 980352

TELEX 522621

TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÜNCHEN
9. Aug. 1985

Kö

Wärmesperre und Halterung für den Brennstoffkern eines Kernreaktors

Ansprüche

ι lj, Wärmesperre zum Haltern einer Brennstoff säule eines Kernreaktorkerns im Inneren eines Reaktorbehälters, der eine feste, starre Metallzwischenschicht besitzt, wobei die Brennstoffsäule einen sich von ihr nach unten erstreckenden feuerfesten Stab besitzt, wobei die Wärmesperre in Kombination gekennzeichnet ist durch

- eine an der Metallzwischenschicht (15) befestigte metallische Kernhalterung (18), die eine Innenkammer aufweist,

- faseriges Wärmeisolierungsmaterial (24), das die Metallzwischenschicht bedeckt und die metallische Kernhalterung umgibt,

- eine Einrichtung (26), die der metallischen Kernhalterung zugeordnet ist und auf ihrer Oberseite ruht, wobei sie eieinen Stabsitz umfaßt, der den Brennstoffsäulenstab (16) haltert, und

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- eine Säule (40) aus Keramikmaterial, die in der Innenkammer der metallischen Kernhalterung angeordnet ist und deren Höhe geringer als die Höhe der metallischen Kernhalterung ist, so daß die Keramiksäule nur bei plastischer Deformation der metallischen Kernhalterung mit der Einrichtung zur Lokalisierung und Halterung des Brennstoffsäulenstabs in Eingriff tritt.

2. Kombinierte Wärmesperre nach Anspruch 1, g e -

kennzeichnet durch eine faserige Isolierung (46) in der Innenkammer der metallischen Kernhalterung (18), die die Keramiksäule (40) umgibt.

3. Kombinierte .Wärmesperre nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Lokalisierung und Halterung des Brennstoffsäulenstabes (16) einen feuerfesten Abdeckblock umfaßt, der auf dem faserigen Wärmeisolierungsmaterial liegt und dieses zusammendrückt.

4. Kombinierte Wärmesperre nach einem der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernhalterung (18) einen Zylinder umfaßt und daß die Keramiksäule (40) eine Anzahl von koaxial ausgerichteten keramischen Druckunterlagen (41a bis d) umfaßt, wobei jede Druckunterlage ein durchgehendes Loch (42a bis 42d) besitzt und innerhalb des Metallzylinders mittels eines Keramikstabes (43) lokalisiert ist, der durch die Löcher in den Druckunterlagen verläuft.

5. Kombinierte Wärmesperre nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kernhalterung (18) einen Zylinder umfaßt, daß die Einrichtung zur Lokalisierung und Halterung des Brennstoffsäulenstabes (16) weiter eine obere Kappe (26) aufweist, die das obere Ende des Metallzylinders (18) verschließt, und einen feuerfesten Abdeckblock, der auf der faserigen Wärmeisolierung liegt und diese zusammendrückt, wobei der Stabsitz auf dem Abdeckblock ruht.