DE3603951C2 - Vorrichtung zur Filtration einer im Kühlmittelkreislauf eines Kernreaktors zirkulierenden Flüssigkeit und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Filtration einer im Kühlmittelkreislauf eines Kernreaktors während der Erwär­ mungsversuche vor seiner Inbetriebnahme zirkulierenden Flüs­ sigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrich­ tung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6. Eine solche Vorrichtung ist aus der FR-A-2 280 178 bekannt.

Vor der Inbetriebnahme eines Druckwasserkernreaktors werden Versuche durchgeführt, in denen der Primärkreislauf mit Was­ ser gefüllt wird, das zuerst Raumtemperatur und dann die Be­ triebstemperatur des Reaktors hat. Dieses Wasser wird im ge­ samten Primärkreislauf unter Verwendung der Druckwasserpum­ pen zur Kühlung des Reaktors zirkuliert. Diese Versuche wer­ den vor der Beladung des Reaktorkerns durchgeführt und er­ möglichen insbesondere die Entfernung aller Metall- oder an­ deren Teilchen, die aus der Herstellung und der Montage des Primärkreislaufes des Reaktors stammen und sich dort auch noch nach der Montage befinden. Trotz aller Vorsichtsmaßnah­ men bei der Herstellung und Montage der Behälterelemente ist die Anwesenheit in diesem Behälter von kleinen Metallteil­ chen nicht zu vermeiden, die jedoch unbedingt vor der Inbe­ triebnahme des Reaktors entfernt werden müssen.

In den Primärkreislauf werden daher Filtriervorrichtungen angebracht, durch die das in diesem Primärkreislauf während der Versuche und insbesondere während der Erwärmungsversuche des Reaktors zirkulierende Wasser durchgehen muß. Derartige Filtriervorrichtungen halten die zirkulierenden Teilchen zu­ rück und zwar auf dem Filter selbst oder unmittelbar vor dem Filter.

Die Entfernung von Teilchen mit einer Größe über 3×10^-3 m am Eingang des Kerns auf der Höhe der die Kernelemente auf­ nehmenden Trägerplatte ist bekannt.

In der FR 2 280 178 bzw. der DE 31 30 398 A1 ist eine Mo­ dulfiltriervorrichtung beschrieben, die einen Träger zu ihrer Befestigung auf der unteren Platte des Kerns eines Druckwasserkernreaktors anstelle eines Brennelements umfaßt. Diese Filtrationsvorrichtung enthält ein auf dem Träger angebrachtes Gitter, das in den Wasserkreislauf eingebracht wird. Das Wasser strömt durch die untere Platte des Reaktor­ kerns durch Löcher, die in dieser Platte für den Durchgang des Reaktorkühlmittels vorgesehen sind. Mit diesem Gitter können am Kerneingang die Teilchen zurückgehalten werden, die eventuell mit dem Wasser während der Erwärmungsversuche transportiert werden. An jeder Stelle eines Elements befin­ det sich eine Filtriervorrichtung, so daß der Gesamtdurch­ satz des im Primärkreislauf während der Erwärmungsversuche des Reaktors zirkulierenden Wassers filtriert wird. Das Git­ ter der Filtriervorrichtungen besteht im allgemeinen aus einem Drahtgewebe aus rostfreiem Stahl mit feinen Maschen, das von einem flachen Gitter gestützt wird, dessen Maschen größer sind als die Gewebemaschen und das eine genügend große Steifheit aufweist, die mit einem Draht mit einem re­ lativ großen Durchmesser, beispielsweise im Bereich von 2×10^-3 m, erreicht wird. Der mittlere, runde Teil des Gitters wird außerdem von einem mit dem Träger der Filtriervorrich­ tung fest verbundenen Bügel gestützt, da es notwendig ist, daß das Gitter starke Belastungen aushalten kann, die auf die sehr große Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit während der Versuche zurückzuführen sind.

Es wurde jedoch festgestellt, daß während der Anwendung der­ artiger Vorrichtungen eine deutliche Abnützung und folglich ein Reißen der Gitter während Langzeitversuche auftreten kann. Tatsächlich bringt das durch die Gitter durchströmende Wasser diese zum schlagen, was zu Zusammenstößen zwischen dem Metallgewebe und dem Stützgitter führt.

Diese Zusammenstöße sind der Grund für eine deutliche Abnüt­ zung und das Zerreißen der Gitter.

Wird nur ein einfaches Drahtgewebe als Filterelement verwen­ det, so ist der mechanische Widerstand dieses Elements ge­ ringer, es tritt Abnützung und Zerreißen der Metallgewebefä­ den im Bereich der Mittelstütze auf. Diese übermäßige Abnüt­ zung beruht auf der Reibung und Ermüdung der Drähte an den Netzknoten.

Andererseits ist der Durchgangsquerschnitt der flachen Git­ ter, der dem geraden Querschnitt der Filtrierelemente ent­ spricht, zwangsläufigerweise geringer und das um so mehr, je feiner die Netzmasche und je größer der Durchmesser des das Gitter bildenden Drahts ist.

Es wurde vorgeschlagen, den Durchgangsquerschnitt der Fil­ trierelemente durch Verwendung von Gittern in konischer oder elliptischer Form zu erhöhen; die Richtungsabweichung der die Filtrierelemente passierenden Flüssigkeitsströme ist je­ doch sehr stark, was insbesondere bei Modulvorrichtungen stört, die nebeneinander in einem engen Netz, das dem Netz der Reaktorkernelemente entspricht, angeordnet sind. Die verschiedenen, durch die Filtriervorrichtungen durchgehenden Flüssigkeitsströme interferieren miteinander und stören die Zirkulation des Wassers im Reaktorbehälter ganz beträcht­ lich.

Die DE 31 30 398 A1 beschreibt somit eine Vorrichtung zur Filtration einer im Kühlmittelkreislauf eines Kernreaktors, während der Erwärmungsversuche vor seiner Inbetriebnahme zirkulierenden Flüssigkeit, mit einem Träger zur Befestigung der Vorrichtung auf eine Trägerplatte des Reaktorkerns an der Stelle eines Brennelements, einem Metallgitter, das so auf dem Träger angebracht ist, daß es sich am Eingang zum Kern auf dem Weg der zirkulierenden Flüssigkeit befindet und einer Stützvorrichtung für den Mittelteil des Gitters, die mit dem Träger fest verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Nachteile zu be­ seitigen und eine Filtriervorrichtung anzugeben, die eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Abnützungsfestig­ keit aufweist und, in den Kreislauf der Flüssigkeit einge­ bracht, einen begrenzten Belastungsverlust und nur eine kleine Richtungsabweichung der durch das Gitter durchgehenden Flüssigkeitsströme verursacht.

Die Aufgabe wird mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung da­ durch gelöst, daß das Gitter 10 aus einem Netz gekreuzter Drähte besteht, die in jedem Knoten des Netzes fest miteinander verbunden sind und die Form einer Kalotte aufweist, die durch Verformung eines flachen Gitters, dessen Drähte aufeinander gelötet sind, erhalten worden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filtriervorrichtung wird anhand der Fi­ guren erläutert, wobei

Fig. 1 ein senkrechter Querschnitt einer Filtriervor­ richtung auf einer unteren Kernplatte eines Druck­ wasserkernreaktors ist,

Fig. 1a eine Teilansicht des Gitters gemäß AA in Fig. 1 darstellt.

Aus Fig. 1 ist ein Teil der unteren Kernträgerplatte 1 eines Druckwasserkernreaktors ersichtlich, mit Durchgangslöchern 2 für das Wasser auf der Höhe jeder Stelle eines Elements, wobei die Kernelemente bei der Beladung des Reaktors auf der oberen Fläche der Platte 1 aufliegen. Während der Erwärmungs­ versuche des Reaktors nimmt eine Filtriervorrichtung, wie die Vorrichtung 3, die Stelle ein, in der sich bei normalen Betrieb des Reaktors ein Brennelement befindet. Jede dieser Stellen eines Elements wird von einer Filtriervorrichtung 3 besetzt. Neben der Vorrichtung 3 ist auf der Platte 1 beispielsweise ein Teil einer Modulvorrichtung 3′ zu sehen. Das im Primär­ kreislauf des Reaktors zirkulierende Wasser kommt unter der Trägerplatte an und geht durch diese Platte durch die Löcher 2, den Pfeilen 5 entsprechend, durch.

Die Filtriervorrichtung 3 umfaßt einen Träger 6 mit quadra­ tischem Querschnitt und den Abmessungen einer Stützvorrichtung für ein Brennelement. Dieser Träger 6 weist eine zentrale runde Öffnung 7 auf, die sich über den Öffnungen 2 der Träger­ platte 1 befindet, wenn die Filtriervorrichtung in den Reaktor­ behälter eingebracht wird. Der obere Teil 8 der Öffnung 7 hat einen größeren Durchmesser, und nimmt den äußeren flachen Rand 10a des Filtriergitters 10 auf. Dieses Gitter 10 wird über einen Befestigungsring 11, der mit seinem Rand auf dem Träger 6 angeschweißt ist, auf dem Träger 6 festgehalten.

Das Gitter 10, das noch eingehender in den Fig. 1 und 1a be­ schrieben wird, hat die Form einer Kalotte und stützt sich in seinem Mittelteil über ein Stützteil 13 auf einen Bügel 12, der auf die obere Fläche des Trägers 6 geschweißt ist. Dafür wird eine Schraube 14 durch den Mittelteil des Gitters 10 in ein Gewinde des Teils 13 geschraubt und dann verschweißt.

Gemäß Fig. 1 und 1a umfaßt das Gitter einen flachen ringför­ migen Rand 10a, dessen äußerer Umfang rund ist, und ein Mittel­ teil 10b, dessen Basis den gleichen Durchmesser wie die Öffnung 7 aufweist und dessen Höhe h dem Viertel des Basisdurchmessers entspricht.

Gemäß Fig. 1a besteht das Gitter aus gewebten Drähten 15, die sich im rechten Winkel kreuzen und durch Verlöten in jedem der Knoten 16 des Netzes miteinander verbunden sind.

Die Erfindung betrifft auch eine Verfahren zur Herstellung dieser Filtriervorrichtung.

Aus einem Metallgewebe mit Drähten aus rostfreiem Stahl und einem Durchmesser von 1×10^-3 m, die in ein Netz mit einer quadratischen Masche mit einer Durchgangsöff­ nung von 2×10^-3 m Seitenlänge gewebt worden sind, wird eine Scheibe ausgeschnitten, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser D der für die Filtriervorrichtung vorgesehenen zentralen Trägeröffnung 7 . Das Metallgewebe wird in dem be­ kannten "Nicrobraz"-Verfahren so verlötet, daß jeder der Drähte 15 mit allen Drähten, die er im rechten Winkel schnei­ det, in jedem Knoten 16 fest verbunden ist. Die Drähte können bei hoher Temperatur verlötet werden; dann kann das Metallge­ webe gehärtet werden gemäß beispielsweise dem "Nicrobraz"- Verfahren oder jedem anderen bekannten Lötverfahren bei hoher Temperatur mit folgender Überhärtung.

Das gelötete Metallgewebe wird in eine Matrizentiefziehvor­ richtung so eingebracht, daß der äußere Rand, der die flache Stützfläche 10a werden soll, in einer Spannbacke festgehalten ist. Die Kalottenform des Teils 10b wird mit einem kugelför­ migen Tiefziehwerkzeug durch Tiefziehen des Gewebes erhalten, was zu einer Dehnung jedes das Gewebe bildenden Drahtes 15 führt. Das Tiefziehen wird so durchgeführt, daß die Lötstellen an den Knoten 16 des Netzes nicht beschädigt werden, die Verformung wird nur durch Verlängerung der Drähte 15 er­ reicht, was einer Kaltumformung entspricht.

Das Gitter 10 wird auf einen speziell hergestellten Träger 6 über den Ring 11 befestigt, der auf dem Träger 6 zur Befesti­ gung des Gitters 10 angeschweißt ist. Der Bügel 12 wird auf dem Träger 6 befestigt, die Schraube 14 wird durch die mit dem Bügel 12 fest verbundene Mittelstütze 13 durchgeführt und durch Verschweißen fixiert.

Die Filtriervorrichtung 3 wird auf der Kernträgerplatte 1 zugleich mit anderen ähnlichen Vorrichtungen 3′ an den Stellen angebracht, die den Stellen eines Brennelements auf der Platte 1 entsprechen.

Die 17 Stunden dauernden Versuche werden so durchgeführt, daß durch jede der Filtriervorrichtungen Wasser mit einem Durch­ satz von 0,2 m³ /s durchgeht.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der durch das Gitter 10 durch­ gehende Wasserstrom 5′ während der Versuche leicht abgelenkt wird, wobei die Abweichung gegen den Rand des Gitters 10 etwas verstärkt ist. Diese Abweichung ist jedoch sehr begrenzt, der Austrittsstrom 5′′ wird sehr schnell wieder aufgerichtet, so daß die durch die Filtriervorrichtungen 3, 3′ . . . durchgehen­ den Flüssigkeitsströme miteinander praktisch nicht interferieren.

Am Ende der Versuche wird eine leichte Wölbung des Gitters festgestellt, jedoch keine Abnützung und kein Zerreißen der Drähte.

Im Bereich des Versuchsdurchsatz konnte ein Belastungsverlust­ koeffizient K entsprechend ΔP/Q (wobei ΔP der Belastungs­ verlust und Q der Durchsatz ist) von etwas unter 10 gemessen werden.

Es wurden Vergleichsversuche mit einem verlöteten, jedoch nicht tiefgezogenem Gitter und einem Gitter aus durchlöchertem und tiefgezogenem Blech durchgeführt.

Das flache Gitter besteht aus einem Metallgewebe, das dem kalottenförmigen Gitter der erfindungsgemäßen Filtriervor­ richtung entspricht; das durchlöcherte und tiefgezogene Blech ist aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 10^-3 m, das in einem Abstand von 3,5×10^-3 m mit Löchern von 2×10^-3 m versehen ist und auf einer dem Viertel des Durchmessers des Filtrierelements entsprechenden Tiefe tief­ gezogen worden ist.

Das flache Gitter weist einen Belastungsverlustkoeffizienten von etwas über 10 auf. Am Ende des Versuchs zeigt das Gitter eine deutliche Verformung und einen fast vollständigen Riß auf der Höhe des sich auf dem Bügel stützenden Mittelteils.

Das Gitter aus einem durchlöcherten und tiefgezogenen Blech zeigt zwar keine feststellbare Verformung, sein Belastungs­ verlustkoeffizient beträgt jedoch etwa 18, was praktisch doppelt so hoch ist wie der der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem verlöteten und tiefgezogenen Metallgewebe.

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Filtriervor­ richtung sind somit ihre große Einfachheit, ihre sehr leichte Herstellbarkeit, die geringe Abweichung des durch sie durch­ gehenden Stroms und der begrenzte Belästigungsverlust sowie die geringe Verformung und die vernachlässigbare Abnützung nach einer Langzeitanwendung.

Insbesondere ermöglicht die Härtung und die Erhöhung der me­ chanischen Festigkeit der Metallgewebedrähte durch Kaltum­ formung beim Ziehen die Verwendung der erfindungsgemäßen Filtriervorrichtung dort, wo die Anordnung der sich stromauf­ wärts der Filtriervorrichtung befindlichen Öffnungen für das Auftreten von Hochgeschwindigkeitsbereichen im Strom der zirkulierenden Flüssigkeit und folglich eine deutliche lokale Erosion verantwortlich sind.

Man kann auch Gitter verwenden, die eine etwas andere Form als die beschriebene aufweisen, wobei das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser der Kalotte etwas anders sein kann. Von dem Verhältnis Höhe zu Durchmesser der Kalotte von einem Viertel sollte nicht zu weit abgewichen werden, um die Vorteile der höheren Durchgangsfläche des Gitters, der Verformung durch Tiefziehen und der begrenzten Abweichung des durch das Gitter durchgehenden Stroms nicht zu verlieren. Auch die Mittelstütze des Gitters auf dem Bügel oder jedes andere, mit dem Träger fest verbundene Stützteil kann auf andere Weise hergestellt werden.

Das Formen des Gitters kann auch in einem anderen Verfahren als dem Matrizentiefziehen oder freiem Tiefziehen durchge­ führt werden, solange diese Maßnahme nur die Drähte dehnt, ohne die Lötstellen zwischen den Drähten an den Knoten des Netzes zu zerstören.

Schließlich kann das Gitter aus jedem Material hergestellt werden, das für eine Verwendung in Kernreaktorversuchen angepaßt ist.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Filtration einer im Kühlmittelkreislauf eines Kernreaktors während der Erwärmungsversuche vor seiner Inbetriebnahme zirkulierenden Flüssigkeit, mit

• - einem Träger (6) zur Befestigung der Vorrichtung auf einer Trägerplatte (1) des Reaktorkerns an der Stelle eines Brennelements,
• - einem Metallgitter (10), das so auf dem Träger ange­ bracht ist, daß es sich am Eingang zum Kern auf dem Weg der zirkulierenden Flüssigkeit befindet, und
• - einer mit dem Träger (6) fest verbundenen Stützvor­ richtung (12, 13, 14) für den Mittelteil des Gitters (10), dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (10) aus einem Netz gekreuzter Drähte (15) besteht, die in jedem Knoten (16) des Netzes fest mit­ einander verbunden sind, und die Form einer Kalotte (10b) aufweist, die durch Verformung eines flachen Git­ ters, dessen Drähte (15) aufeinander gelötet sind, erhalten worden ist.

2. Filtriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte (10b) eine etwa dem Viertel ihres Basisdurchmes­ sers (D) entsprechende Höhe (h) aufweist.

3. Filtriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (10) aus Drähten (15) aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von etwa 10^-3 m und quadratischen Maschen besteht, deren Öffnung eine Seitenlänge von etwa 2×10^-3 in hat.

4. Filtriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Stützvorrichtung des Gitters (10) einen mit dem Träger (6) fest verbundenen Bügel (12) umfaßt, an dem ein Stützteil (13) zur Aufnahme einer Verbindungs­ schraube (14) angebracht ist, die durch das Gitter (10) durchgeht und auf dem Stützteil (13) durch Verschweißen blockiert ist.

5. Filtriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (10) einen flachen Rand (10a) zur Befestigung auf dem Träger (6) und einen Mittelteil (10b) in Form einer Kalotte umfaßt.

6. Verfahren zur Herstellung der Filtriervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch

• - Ausschneiden einer Scheibe mit einem bestimmten Durch­ messer aus einem Metalldrahtgewebe,
• - Verlöten der Drähte (15) des Metalldrahtgewebes in jedem Knoten des Drahtnetzes,
• - Verformen durch Tiefziehen der Drahtgewebescheibe zu einer Kalotte (10) durch Ziehen der Drähte (15) ohne Zerstörung der Lötstellen der Drähte (15) in den Knoten (16) des Netzes,
• - Befestigen des erhaltenen Gitters (10) in Kalottenform an seinem Rand auf einem Träger (6) mit einer zentralen Öffnung (7) und
• - Verbinden des Mittelteils des Gitters (10) in Kalotten­ form mit einer Stützvorrichtung (12, 13), die mit dem Träger (6) fest verbunden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Verlöten der Drähte (15) des Metalldrahtgewebes bei hoher Temperatur und anschließende Überhärtung.