DE3601750A1 - Keramische einbauten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft keramische Einbauten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unter keramischen Einbauten versteht man bei gasgekühl­ ten Hochtemperaturkernreaktoren die Seiten-, Boden- und Deckenreflektoren, welche dazu dienen, Verluste durch Abwandern von Neutronen zu verringern. Damit soll wenig­ stens ein Teil der nach außen bewegten Neutronen in die Spaltzone des Reaktors, den sogenannten Reaktorkern oder das Core, zurückgestreut werden. Durch den am Rand der Spaltzone infolge der Reflektorwirkung vergrößerten Neu­ tronenfluß steigt die je Masseeinheit des Spaltstoffs erzeugte Leistung und bewirkt eine bessere Ausnutzung und damit einen sparsameren Verbrauch des Kernbrenn­ stoffs.

Als Material für keramische Einbauten kommt bei den gas­ gekühlten Hochtemperaturkernreaktoren hochgereinigter Graphit zur Anwendung. Er ist vergleichsweise billig,

genügend fest und läßt sich mechanisch bearbeiten. Darü­ ber hinaus zeigt er gute Feuerfestigkeit und Wärmeleit­ fähigkeit. Nachteilig ist die durch Neutronen- und Gammastrahlung verursachte Veränderung seiner kristalli­ nen Struktur, die sich in einer Festigkeits- und Volu­ menänderung äußert.

Unter Einfluß von Temperatur und hohen Neutronenfluenzen treten beim Graphit zunächst negative doch mit wachsen­ der Fluenz ab einem Umkehrpunkt positive Dehnungen auf, die über die ursprünglichen Dimensionen des Graphitkör­ pers hinausgehen. Dieser Ablauf verschiebt sich mit steigender Temperatur zu niedrigeren Fluenzen. Die Dehnungsdifferenzen innerhalb des Bauteils - ent­ sprechend der Fluenzverteilung wollen sich zu Anfang der Bestrahlung die oberflächennahen Blockschichten der kernseitigen Stirnfläche infolge Schrumpfung relativ stärker verkürzen als die tieferliegenden Schichten sind Ursache für die Entstehung von Eigenspannungen. Zur Reduzierung der Eigenspannungen sind Möglichkeiten für den Spannungsabbau durch Dehnungsausgleich vorzusehen. Dies wird vorteilhaft durch geschlitzte Oberflächen­ strukturen erreicht, was einer Maßreduzierung in Teilen des Graphitblockes gleich kommt.

Bei neueren Entwicklungen gasgekühlter Hochtemperatur­ kernreaktoren, insbesondere bei solchen mit niedriger Leistung (ca. 100 MWel) und entsprechend kleinem Core­ durchmesser sind zur Reaktorabschaltung anstelle von Absorberstäben, welche direkt in die Schüttung kugel­ förmiger Betriebselemente eingefahren werden, kleine Ab­ sorberelemente in Kugelform vorgesehen, die in entspre­ chenden Hohlräumen des Reflektors eingebracht werden.

Ähnlich wie beim AVR-Kernkraftwerk in Jülich, in dessen Core nasenartige Vorsprünge mit vertikalen Hohlräumen zur Aufnahme von Steuer- und Abschaltstäben, sogenannte Nasensteine, angeordnet sind, weisen auch die neueren im Planungsstadium befindlichen gasgekühlten Hochtempera­ turkernreaktoren derartige Nasensteine auf, die hier allerdings nur zur Aufnahme von Abschaltstäben vorge­ sehen sind. Die Nasensteine sind quaderförmige Graphit­ blöcke, welche radial vom Seitenreflektor ausgehend, mit dem sie mechanisch verbunden sind, über die gesamte Höhe des Reaktorkerns in diesen hineinragen.

Wegen der vorher bereits erwähnten Volumenänderungen und der dadurch bedingten Eigenspannungszustände in den be­ strahlten Graphitblöcken sind deren coreseitige Ober­ flächen mit vertikalen und horizontalen Oberflächen­ schlitzungen versehen, die eine Auflösung der ursprüng­ lich großen Oberfläche in einzelne kleine Stollen dar­ stellt. Zur Beherrschung der Spannungen in den Nasen­ steinen sind die für die Aufnahme der Absorberelemente vorgesehenen Hohlräume mittels spaltähnlicher durch­ gehender Öffnungen mit dem Core verbunden. Durch diese Öffnungen werden die eigentlichen Spannungen in den Nasensteinen auf erträgliche Werte gemindert. Die bereits vorher erwähnten Dehnungen führen jedoch im Laufe des Betriebs zu derart großen Erweiterungen der Öffnungen, daß eine Trennung von Absorbermaterial und Betriebselementen nicht mehr gewährleistet ist und so­ wohl Absorberelemente aus den Hohlräumen austreten als auch Betriebselemente in die Hohlräume eintreten können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zur Gestaltung keramischer Ein­ bauten anzugeben, die einfach und kostengünstig reali­ sierbar sind und mit großer Zuverlässigkeit die vorge­ nannten Mängel, insbesondere den Durchtritt von Absor­ ber- und/oder Betriebselementen, vermeiden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Danach ist vorgesehen, die Spaltweite, das ist der Ab­ stand der den Spalt begrenzenden Spaltflächen, auf der innenliegenden, dem Hohlraum zugewandten Seite so fest­ zulegen, daß sie höchstens der halben Stückgröße eines Absorberelements entspricht. Hiermit wird sicherge­ stellt, daß sich kein Absorberelement in dem Spalt ver­ klemmen kann und dadurch den mit dem Spalt beabsichtig­ ten Verformungsausgleich verhindert.

Gleichzeitig berücksichtigt diese Festlegung auch den Umstand, daß die infolge Neutronenstrahlung auftretenden Formänderungen, die sich im wesentlichen auf eine ober­ flächennahe Zone der dem Core zugewandten Oberfläche des aus Graphit bestehenden Nasensteins beschränken, so daß sich die Spaltweite innen im Bereich des Hohlraums nur unerheblich verändert, unbehindert bleiben und so zu­ sätzliche Spannungen vermeiden. Darüber hinaus sind die einzelnen Absorberelemente deutlich kleiner als die Be­ triebselemente, so daß mit der festgelegten Spaltgeome­ trie die vorstehend angegebene Aufgabe, den Durchtritt sowohl der Absorberelemente als auch der Betriebsele­ mente sicher zu unterbinden, problemlos gelöst wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Spalt an der Stirnseite des Nasensteins anzuordnen und zusätzlich zu den vorstehend genannten Merkmalen mit einem eingesetzten Sperrstück aus Graphit zu versehen. Dieses Sperrstück ist formschlüssig in Nuten geführt, welches in die Spaltflächen des Spaltes gegenüberliegend eingeformt sind. Es ist locker in den entsprechend vor­ bereiteten Spalt eingesetzt und gewährleistet für das in den Hohlraum eingebrachte Absorbermaterial eine gleich­ mäßige Absorption der Neutronenstrahlung, ohne daß ein räumlicher Bereich infolge Fehlens von reflektierendem Graphit bevorzugt ist.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt diesen Sachverhalt dadurch, daß die Spaltöffnung in Fortsetzung der stirnseitigen Schmalseite des Hohlraums auf einer Seite des in das Core hineinragenden Nasen­ steins angeordnet ist. Auch hierbei ist eine unmittel­ bare Beaufschlagung von Absorbermaterial mit Neutronen­ strahlung nahezu vollständig ausgeschlossen. Als günstig erweist sich in diesem Zusammenhang die Maß­ nahme, die Spaltflächen gekrümmt zu gestalten und damit eine stärkere Reflektion von in den Spalt eintretenden Neutronen zu erreichen und so eine Bestrahlung der innenliegenden Graphitbereiche zu vermeiden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung be­ treffen die Ausführung der Spaltgeometrie mit parallelen oder sich von innen nach außen erweiternden Spaltflä­ chen. Letzteres Merkmal berücksichtigt die bereits er­ wähnte Gestaltänderung, welche sich vornehmlich an der dem Core zugewandten Oberfläche des Nasensteins zeigt und bei entsprechend langer Bestrahlungszeit gleichzu­ setzen mit Gesamtbetriebsdauer, sich als Volumenver­ größerung äußert.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ver­ besserungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Figuren, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitte durch ein Reaktorcore,

Fig. 2 Seitenansicht eines Nasensteins,

Fig. 3 Draufsicht auf einen Nasenstein mit seitlichem Spalt,

Fig. 4 Draufsicht auf einen Nasenstein mit stirn­ seitigem Spalt.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch ein Core 14, das von einem kreiszylindrischen Reaktordruckbehälter 10, an dessen Innenwand 11 sich keramische Einbauten, insbeson­ dere mauerförmig aufeinandergesetzte Graphitblöcke, als Seitenreflektor 12 anschließen, begrenzt wird und in welches vier jeweils paarweise gegenüberliegende Vor­ sprünge 13 radial hineinragen.

Die Vorsprünge sind aus einzelnen aufeinander gesetzten Nasensteinen 20, 30 gebildet, die formschlüssig in den Seitenreflektor 12 eingebunden sind. Die Nasensteine 20, 30, die ebenso wie der Seitenreflektor 12 aus Graphit bestehen, weisen im Bereich ihrer freien in das Core 14 ragenden Stirnseite 17 einen vertikal angeordneten Hohl­ raum 18 auf, der einen länglichen parallel zu den äuße­ ren, dem Core 14 zugewandten Oberflächen verlaufenden Querschnitt hat. Im Bereich seiner Stirnseite 17 ist in jedem Nasenstein 20, 30 ein durchgehender Spalt 23, 33 eingelassen, der den Hohlraum 18 mit dem Core 14 verbin­ det. Während das Core 14 zur Aufnahme von Betriebsele­ menten 15 vorgesehen ist, dient der vertikal angeordnete Hohlraum 18 zur Aufnahme von Absorberelementen 16.

In Fig. 2 ist ein einzelner Nasenstein in Seitenansicht gezeigt. Die in Core 14 ragende Oberfläche 21 des Nasen­ steins 20 ist mit rastermäßig angeordneten vertikalen horizontalen oberflächennahen, schlitzartigen Einfor­ mungen 22 versehen, die zur Aufteilung der durch Neu­ tronenstrahlung beanspruchten äußeren Oberfläche in kleine Oberflächeneinheiten im Hinblick auf ausreichende Möglichkeit zum Ausgleich von Neutronen induzierten Volumenänderungen dienen.

Von der geschlitzten seitlichen Oberfläche 21 des Nasen­ steins 20, in die der das Core 14 mit dem Hohlraum 18 verbindende Spalt 23 mündet, ist mittels einer Stufe 25 die Auflagefläche 24 abgesetzt, mit der der Nasenstein 20 jeweils nach unten und nach oben an den nächsten Nasenstein 20 bzw. an den Boden- oder Deckenreflektor anschließt.

Die Höhe der Stufe 25 entspricht der halben Breite eines Oberflächenschlitzes 22, so daß bei aufeinandergesetzten Nasensteinen im Bereich der aneinander grenzenden Auf­ lageflächen 24 ebenfalls ein Schlitz 22 entsteht.

Der rückwärtige Teil des Nasensteins 20, der im Seiten­ reflektor 12 eingebunden ist, weist zu seiner Veranke­ rung eine in die seitliche Oberfläche 26 eingeformte Nut 27 auf, in welche der Seitenreflektor 12 formschlüssig eingreift. Die ansonsten ungeschlitzte Oberfläche 26 schließt bündig an die geschlitzte Oberfläche 21 an.

Mit Ausnahme der seitlichen Anordnung des Spaltes 23, der die Verbindung des Hohlraums 18 mit dem Core 14 her­ stellt, ist die in Fig. 2 gezeigte Seitenansicht eines Nasensteins 20 identisch mit der eines Nasensteins 30, welcher eine stirnseitige Spaltöffnung aufweist. Daher wurde auf eine diesen Unterschied deutlich machende Dar­ stellung in einer separaten Figur verzichtet.

Fig. 3 zeigt einen Nasenstein 20 in Draufsicht. In Er­ gänzung zur Darstellung in Fig. 2 ist die Ausgestaltung der oberflächennahen Schlitze 22 auf der dem Core 14 zugewandten Oberfläche 21 sowie die Mittelstufe 25 abge­ setzte Auflagefläche 24 ebenso zu erkennen, wie die glattflächige Oberfläche 26 im rückwärtigen Teil des Nasensteins 20, die nur von jeweils einer auf beiden Seiten vertikal angeordneten Nut 27 unterbrochen ist. Die Nut 27 ist als Rechtecknut ausgeführt, jedoch kann erfindungsgemäß aus Gründen der Spannungsminderung im Nutgrund, insbesondere in den Ecken, eine Nut mit zylin­ drischen Nutprofil vorgesehen sein.

Der Hohlraum 18 weist einen länglichen Querschnitt auf und ist an seiner stirnseitigen Schmalseite 19 über einen Spalt 23 mit dem Core 14 verbunden. Der Spalt 23 ist hierbei in Fortsetzung der stirnseitigen Schmalseite 19 des Hohlraums 18 durch eine der beiden Längsseiten des Nasensteins 20 nach außen geführt und erweitert sich unter einem Winkel von innen nach außen, wobei die Spaltflächen jeweils eben sind. Gemäß der Erfindung können die Spaltflächen jedoch auch evolventenartig ge­ krümmt sein.

In Fig. 4 ist die Draufsicht auf einen Nasenstein 30 mit stirnseitig angeordnetem Spalt 33 gezeigt, das heißt der Spalt 33 durchdringt mittig die stirnseitige Schmalseite 19 des länglichen Hohlraums 18. Hierbei ist der Nasen­ stein 30 durch den vertikal durchgehenden Spalt 33, in dessen Spaltflächen Nuten 38 zur Aufnahme eines Sperr­ stücks 39 eingeformt sind, in zwei gleiche Hälften unterteilt, die wangenartig den Hohlraum 18 seitlich um­ fassen. Die seitliche in das Core 14 ragende Oberfläche 31 ist in gleicher Weise wie in Fig. 3 bereits gezeigt mit oberflächennahen schlitzartigen Einformungen 32 ver­ sehen. Ebenso ist die Auflagefläche 34 mit einer Stufe 35 gegen den geschlitzten Bereich abgesetzt.

Der rückwärtige Bereich des Nasensteins weist ebenfalls eine glatte Oberfläche 36 auf, in welche beiderseits eine vertikal verlaufende Nut 37 eingeformt ist, welche zur Verankerung im Seitenreflektor 14 dient.

Claims (8)

1. Keramische Einbauten aus Graphit, eingesetzt als Reflektor in Blockbauweise in einem mit kugelförmigen Betriebselementen gefüllten Core eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktors, mit nasenartig radial in das kreiszylindrische Core hineinragenden Vorsprüngen, soge­ nannten Nasensteinen, die aus aufeinandergesetzten Gra­ phitblöcken gebildet sind, wobei jeder Nasenstein einen Hohlraum enthält, der mit dem im darüberliegenden Nasen­ stein fluchtet und der zum Ausgleich der von Neutronen induzierten Gestaltänderungen des Nasensteins auf der dem Core zugewandten Oberfläche rastermäßig angeordnete oberflächennahe schlitzartige Einformungen sowie einen durchgehenden vertikalen Spalt aufweist, der den Hohl­ raum mit dem Core verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende vertikale Spalt (23, 33) zur Verhinde­ rung des Durchtritts von Absorberelementen (19) und/oder Betriebselementen (15) auf der dem Hohlraum (18) zuge­ wandten innenliegenden Seite eine Spaltweite aufweist, die höchstens der halben Stückgröße eines Absorberele­ ments (19) entspricht.

2. Keramische Einbauten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Spalt (33) an der in das Core (14) ragenden Stirnseite des Nasensteins (30) angeordnet ist und mit einem in den Spalt (33) ein­ gesetzten Sperrstück (39) aus Graphit versehen ist.

3. Keramische Einbauten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrstück (39) formschlüssig in Nuten (38) greift, welche in die den Spalt (33) begren­ zenden Spaltflächen eingeformt sind.

4. Keramische Einbauten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Spalt (23) in seitlicher Fortsetzung der stirnseitigen Schmalseite (19) des Hohlraums (18) auf einer Seite (21) des in das Core (14) ragenden Nasensteins (20) angeordnet ist.

5. Keramische Einbauten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Spalt (23, 33) eine gleichbleibende Spaltweite aufweist.

6. Keramische Einbauten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite des Spaltes (23) sich zum Core (14) hin vergrößert.

7. Keramische Einbauten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Spalt (23, 33) ebene Spaltflächen aufweist.

8. Keramische Einbauten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltflächen des Spaltes (23) gekrümmt sind.