DE3619422A1 - Verfahren zur entnahme kugelfoermiger brennelemente aus einem kugelhaufenreaktor sowie entnahmevorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dosierten Entnahme kugelförmiger oder dergleichen Brennelemente aus einem Kugelhaufenreaktor, bei dem die Brennelemente aus dem Reaktorinnenraum abgezogen, gestaut und schließlich einzeln entnommen werden. Gegenstand der Erfindung ist des weiteren eine Entnahmeeinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem am unteren Ende des Reaktorinnenraums angeordneten Abzugsrohr, einer Staueinrichtung und einer Entladeeinrichtung.

Bei den bekannten Kugelhaufenreaktoren sind am unteren Ende des Reaktorinnenraums ein oder mehrere Abzugsrohre vorgesehen (DE-PS 12 81 046). In diesem Abzugsrohr werden die Brennelemente mit Drehtellervorrichtungen aufgestaut und vereinzelt. Die Drehtellervorrichtungen bestehen jeweils aus einer ortsfesten Stauscheibe und einem schwenkbar gelagerten Drehteller, die beide je eine Öffnung aufweisen, die etwas größer als der Durchmesser der abzuziehenden Brennelementkugeln von etwa 6 cm sind. Für den Durchlaß eines Brennelements wird der Drehteller so verschwenkt, daß die vorgenannten Öffnungen deckungsgleich zu liegen kommen. Die Brennelemente gelangen anschließend mit Hilfe von erst nach unten und dann seitlich wegführenden Rohrleitungen zu einer Entladeeinrichtung, über die die Brennelemente einzeln wieder nach oben gefördert werden.

Nachteilig bei dieser Brennelemententnahme ist die Tatsache, daß die Entnahmevorrichtung einen hohen Platzbedarf hat, da für die Drehtellervorrichtung ein Antrieb vorgesehen werden muß. Hierdurch erhöht sich die Bauhöhe des Reaktorgebäudes um etwa 8 bis 10 m. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Entnahmevorrichtung mit beweglichen Teilen arbeitet, die störanfällig sind. Im Falle einer Beschädigung ist eine Reparatur nur unter großem technischem Aufwand möglich, denn für das Auswechseln beispielsweise des Drehtellers müssen zuerst die Brennelemente aus dem Reaktorinnenraum entfernt und anschließend wieder in diesen gebracht werden. Hierdurch wird die Verfügbarkeit des Reaktors gemindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, mit dessen Hilfe die Brennelemente auf einfache Weise und ohne großen Platzbedarf entnommen werden können. Die weitere Aufgabe besteht darin, eine Entnahmevorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens so zu gestalten, daß ihre Störungsanfälligkeit und ihr Platzbedarf wesentlich verringert ist.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennelemente nach dem Abzug derart umgelenkt und einem solchen Widerstand ausgesetzt werden, daß durch Selbsthemmung ein Stau mit zumindest teilweise frei zugänglicher Stauoberfläche entsteht.

Der Grundgedanke dieser Erfindung besteht darin, die Brennelemente nach dem Abzug nicht mehr durch irgendwelche Sperrglieder, wie beispielsweise Drehtellervorrichtungen, aufzustauen, sondern durch Selbsthemmung, verursacht durch die Reibung der Brennelemente untereinander und an sie führenden Wandungen und/oder durch Gravitationskräfte. Dabei soll die Umlenkung so beschaffen sein, daß sich eine zumindest teilweise frei zugängliche Stauoberfläche bildet, von der die einzelnen Brennelemente mittels einer Entladevorrichtung abgenommen werden können.

Durch die Staubildung mittels Selbsthemmung kann auf die störungsanfälligen und erheblichen Raumbedarf einnehmenden Stauvorrichtungen mit beweglichen und motorisch angetriebenen Teilen verzichtet werden. Hierdurch können die Kosten wegen des erheblich geringeren konstruktiven Aufwandes und der Einsparung an Bauhöhe gesenkt werden.

Die Brennelemente werden von der freien Stauoberfläche zweckmäßigerweise einzeln abgesaugt. Durch diese Absaugung können die Brennelemente an einen beliebigen Ort in der Nähe des Reaktorgebäudes befördert werden, wodurch eine hohe Flexibilität für die Ortswahl der Belademaschinen erreicht wird.

Um das Absaugen der Brennelemente zu erleichtern, sollten sie durch Einblasen eines Gases, beispielsweise des als Kühlmittels ohnehin verwendeten Heliums, im Bereich der Stauoberfläche aufgelockert werden.

Eine Entnahmevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Staueinrichtung eine Umlenkung zur Bildung einer frei zugänglichen Stauoberfläche aufweist und dabei eine die Selbsthemmung der Brennelemente bewirkende Formgebung hat. Dies bedeutet, daß die Brennelemente durch die Umlenkung einen solchen Verlauf nehmen müssen, daß sie sich durch Reibung und Gravitationskräfte derart abbremsen, daß ein Stau ohne jedes zusätzliche Sperrglied entsteht, und sich dann eine Stauoberfläche bildet, von der die Brennelemente mittels der Entladevorrichtung entnommen werden können. Dabei verringert sich die Selbsthemmung durch die fortlaufende Entnahme so weit daß die Brennelemente nachrutschen, bis sie durch erneute Staubildung zum Stillstand kommen. Auf Grund des Fehlens zusätzlicher Maschinen und Vorrichtungen kann diese Entnahmevorrichtung sehr platzsparend und konstruktiv einfach ausgebildet werden.

Es versteht sich von selbst, daß unter dem Reaktorinnenraum eines Kugelhaufenreaktors auch mehrere solche Entnahmevorrichtungen angeordnet werden können, über die dann parallel Brennelemente entnommen werden können.

In einer Ausgestaltung des vorstehenden Grundgedankens der Erfindung ist die Umlenkung als U-förmig gebogenes Abzugsrohr ausgebildet. Dabei hat dieses Abzugsrohr, wenn die kugelförmigen Brennelemente den üblichen Durchmesser von ca. 6 cm aufweisen, eine lichte innere Weite von 50 bis 60 cm. Auf Grund der Reibung der Brennelemente untereinander und an den Rohrwänden sowie der Gravitationskräfte der sich im nach oben gerichteten Schenkel stauenden Brennelemente wird dann eine Stauhöhe von etwa 1 bis 1,5 m erreicht.

Die Umlenkung kann aber auch als im Abstand zum Ende des Abzugsrohrs angeordnete Stauscheibe ausgebildet sein. Die Stauscheibe läßt auf Grund ihres Abstandes zum Ende des Abzugsrohrs einen Spalt frei, durch den die Brennelemente aus dem Abzugsrohr austreten und dabei so gebremst werden, daß sich auch in diesem Fall ein Stau mit freier Stauoberfläche bildet.

Das Abzugsrohr kann bei der Ausführungsform mit Stauscheibe im wesentlichen vertikal verlaufen. Die Stauscheibe ist dann zweckmäßigerweise horizontal unterhalb des Abzugsrohrs angeordnet. Dabei sollte der freie Abstand zwischen dem Abzugsrohr und der Stauscheibe größer als der 1,5fache Durchmesser der Brennelemente sein, besser noch das 2fache dieses Durchmessers.

Die Stauscheibe sollte leicht mittig hochgewölbt sein, damit die Brennelemente besser umgelenkt werden. Bewährt hat sich dabei eine Steigung für die Wölbung, die zwischen zwei und zehn Winkelgraden liegt.

Die Stauscheibe ist zweckmäßigerweise am außenseitigen Rand hochgewölbt, um die Staubildung durch die Rückstellkräfte der an diesem Rand hochsteigenden Brennelemente zu unterstützen. Der Rand kann schräg ansteigend ausgebildet sein, wobei eine zwischen fünf und zwanzig Winkelgraden liegende Steigung anzustreben ist. Er sollte derart geformt sein, daß sich radial nach außen gerichtete Rinnen ergeben, die ein leichteres Entnehmen der Brennelemente zulassen.

Die Entladeeinrichtung ist vorzugsweise als Saugrohr mit angeschlossener Absaugeinrichtung ausgebildet. Selbstverständlich können zur Einzelentnahme der Brennelemente auch mehrere Saugrohre vorgesehen sein. Sind diese mehreren Saugrohre mit einer mit Rinnen versehenen Stauscheibe kombiniert, so sollten die Saugrohre jeweils einer Rinne zugeordnet sein. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, die Saugrohre etwa tangential zur Rinne münden zu lassen.

Um das Absaugen der Brennelemente an der Stauoberfläche zu erleichtern, sollte das Saugrohr radial und/oder axial beweglich und/oder teleskopartig ausgebildet sein. Zusätzlich ist von Vorteil, wenn unterhalb der Stauoberfläche der Brennelemente eine Einblasdüse vorgesehen ist, die an eine Blaseinrichtung zum Einblasen von beispielsweise Helium angeschlossen ist. Durch das Einblasen von Helium werden die Kugeln in eine leichte Bewegung gebracht, die das Absaugen über das bzw. die Saugrohr(e) unterstützt. Dabei können nicht nur intakte, vollständig erhaltene Brennelemente, sondern auch beschädigte Elemente und sogar Staub, der sich durch Abrieb der Brennelemente gebildet hat, durch das Saugrohr abgeführt werden.

Schließlich sieht die Erfindung vor, daß das Ende des Abzugskanals von einem die Staueinrichtung umgebenden Gehäuse gasdicht gekapselt ist. Dies soll verhindern, daß das durch den Reaktorinnenraum geführte Kühlmedium, nämlich Helium, nach außen dringt.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Kugelhaufenreaktors im Vertikalschnitt;

Fig. 2 die schematische Darstellung eines anderen Kugelhaufenreaktors im Vertikalschnitt;

Fig. 3 ein Vertikalschnitt der Entnahmevorrichtung des Kugelhaufenreaktors gemäß Fig. 2 in vergrößerter Darstellung und

Fig. 4 einen Horizontalschnitt durch das Abzugsrohr der Entnahmevorrichtung gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt den Reflektor (1) eines Kugelhaufenreaktors, der aus einer zylindrischen Reflektorseitenwandung (2) und einer darüber angeordneten Reflektordeckenwandung (3) besteht. Das Material für den Reflektor (1) ist Graphit.

Im zylindrischen Reaktorinnenraum (4) sind eine Vielzahl von kugelförmigen Brennelementen (5) eingefüllt, von denen hier nur die Brennelemente (5) eingezeichnet sind, die die schüttkegelförmige Oberfläche bilden. Das Einfüllen der Brennelemente (5) geschieht über ein zentral angeordnetes Fallrohr (6).

Für die Entnahme der Brennelemente (5) aus dem Reaktorinnenraum (4) ist ein Abzugsrohr (7) vorgesehen. Es schließt sich an das untere Ende des Reaktorinnenraums (4) an und besteht aus einem von dort senkrecht nach unten führenden Schenkel (8), einem daran anschließenden waagerechten Schenkel (9) und einem von diesem wieder nach oben gerichteten Schenkel (10). In der Biegung zwischen Schenkel (9) und Schenkel (10) mündet eine Einblasdüse (11), die über ein Einblasohr (12) mit einem hier nicht näher gezeigten Gebläse verbunden ist. Über die Einblasdüse (11) kann Helium in das Abzugsrohr (7) geblasen werden.

In den nach oben gerichteten Schenkel (10) des Abzugsrohrs (7) ragt von oben ein Saugrohr (13) hinein. Es ist an eine hier nicht näher dargestellte Saugeinrichtung angeschlossen und kann vertikal verfahren werden.

Die Brennelemente (5) fließen auf Grund von Schwerkrafteinwirkung in das Abzugsrohr (7) und stauen sich in dem senkrecht nach oben geführten Schenkel (10) aufgrund von Selbsthemmung. Die Stauhöhe ist von der Geometrie des U-förmigen Abzugsrohrs (7) und vor allen Dingen von den Reibungskoeffizienten der Brennelemente (5) untereinander und von dem Reibungskoeffizient zwischen den Brennelementen (5) und der Innenwandung des Abzugsrohrs (7) abhängig. Die Stauhöhe wird hier durch die Brennelemente (14) dargestellt.

Von der Stauoberfläche können die Brennelemente (14) mit Hilfe des Saugrohrs (13) einzeln entnommen werden. Durch Einblasen von Helium über das Einblasrohr 12) und die Einblasdüse (11) werden die Brennelemente (14) in diesem Bereich aufgelockert, was das Ansaugen mittels des Saugrohrs (13) erleichtert. Eine zusätzliche Anpassung kann durch vertikales Verfahren des Saugrohrs (13) geschehen. Ist eine bestimmte Anzahl von Brennelementen (14) entnommen, so ist die Selbsthemmung aufgehoben und Brennelemente (14) rutschen so lange nach, bis sich wieder ein Gleichgewichtszustand einstellt und die Brennelemente (14) zum Stillstand kommen.

Über das Saugrohr (13) und die anschließende Saugeinrichtung können die Brennelemente zur Belademaschine gebracht werden. Es ist ersichtlich, daß der Platzbedarf unterhalb des Reaktors (1) auf Grund der besonderen Ausbildung des Abzugsrohrs (7) vergleichsweise gering ist.

Der in Fig. 2 dargestellte Kugelhaufenreaktor hat ebenfalls einen Reflektor (20), der aus einer zylindrischen Reflektorseitenwandung (21) und einer darüber angeordneten Reflektordeckenwandung (22) besteht. Im zylindrischen Reaktorinnenraum (23) sind eine Vielzahl von kugelförmigen Brennelementen eingefüllt, die hier nicht näher dargestellt sind. Das Einfüllen der Brennelemente geschieht über mehrere Fallrohre (24, 25, 26) in der Reflektordeckenwandung (22).

Die Reflektorseitenwandung (21) verläuft nach unten und zur Mitte hin konisch zu. Dort ist ein senkrecht verlaufendes Abzugsrohr (27) vorgesehen, in dem sich kugelförmige Brennelemente (28) stauen. Es ist nur ein Teil der Brennelemente (28) im unteren Bereich des Abzugsrohrs (27) dargestellt.

Im Bereich des unteren Endes des Abzugsrohrs (27) ist eine Staueinrichtung (29) angeordnet, die aus einem gasdichten Gehäuse (30) und einer Stauscheibe (31) besteht. Letztere ist im Abstand zur Mündung des Abzugsrohrs (27) symmetrisch zu dessen Längsachse angeordnet. Sie läßt zwischen sich und der Mündung des Abzugsrohrs (27) einen Ringspalt (32) frei, durch den die Brennelemente (28) in den äußeren Bereich der Stauscheibe (31) gelangen können.

In den Fig. 3 und 4 ist die Staueinrichtung (29) deutlicher zu sehen. Die Stauscheibe (31) ist zur Mitte hin hochgewölbt, wobei dies in Form einer dreiseitigen Pyramide mit im Winkel von 120° angeordneten Kanten (33, 34, 35) geschieht. An den sechseckigen Umriß der Stauscheibe (31) schließt sich ein schräg nach außen ansteigender Rand (36) an, der in sechs Segmente dergestalt aufgeteilt ist, daß sich drei tiefer liegende Rinnen (37, 38, 39) bilden. Jeder Rinne (37, 38, 39) zugeordnet ist je ein Saugrohr (40, 41, 42), die tangential zu den Rinnen (37, 38, 39) verlaufen und mit einer hier nicht näher dargestellten Absaugeinrichtung verbunden sind.

Im Bereich der Rinnen (37, 38, 39) sind eine Vielzahl von Düsen - beispielhaft mit (43) bezeichnet - angeordnet, durch die Helium geblasen werden kann, um die darüber liegenden Brennelemente (28) aufzulockern und in Richtung auf die Mündungen der Saugrohre (40, 41, 42) zu treiben.

Die Stauscheibe (31) sorgt auf Grund ihrer geometrischen Anordnung und Formgebung dafür, daß sich die Brennelemente (28) infolge Selbsthemmung stauen. Die Selbsthemmung entsteht zum einen durch Reibung der Brennelemente (28) aneinander und an dem Abzugsrohr (27) und der Stauscheibe (31) und zum anderen durch Gravitationskräfte, nämlich die Rückstellkräfte der auf dem Rand (36) sitzenden Brennelemente (28). Die Selbsthemmung verhindert ein Ausfließen der Brennelemente (28) aus dem Reaktorinnenraum (23). Nach dem Absaugen einer gewissen Anzahl von Brennelementen (28) ist die Selbsthemmung so gering geworden, daß es zu einem Nachrutschen der Brennelemente (28) kommt. Das Nachrutschen dauert so lange, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht und damit die Selbsthemmung eingestellt hat.

Die Ausbreitung der Brennelemente (28) auf der Stauscheibe (31) und dem Rand (36) ist vor allem von deren Geometriekennwerten abhängig. Bei der dargestellten Ausführungsform verläuft der statistische Mittelwert entlang der strichpunktierten Linie (44). Die Ausbreitung ist vor allem abhängig von der Aufwölbung der Stauscheibe (31), der Steigung des Randes (36), der Höhe des Ringspaltes (32) und dem Reibungskoeffizienten der Brennelemente (28) sowie des Abzugsrohrs (27) und der Stauscheibe (31). Durch eine Reihe von Versuchen wurde festgestellt, daß die Höhe der Brennelementsäule im Abzugsrohr (27) kaum Einfluß auf den Ausbreitungsradius hat, da schon nach 80 Kugeldurchmessern Höhe eine Sättigung unabhängig vom Reibungskoeffizienten der jeweiligen Kugeln eintritt. Die Ausbreitung nimmt generell mit der Höhe des Ringspaltes (32) und der Neigung der Stauscheibe (31) nach außen hin zu. Bei Beachtung dieser Grundregeln kann die jeweils erforderliche Stauscheibenformgebung mit wenigen Versuchen festgelegt werden.

Claims (19)

1. Verfahren zur dosierten Entnahme kugelförmiger oder dergleichen Brennelemente aus einem Kugelhaufenreaktor, bei dem die Brennelemente aus dem Reaktorinnenraum abgezogen, gestaut und schließlich einzeln entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (5, 14, 28) nach dem Abzug derart umgelenkt und einem solchen Widerstand ausgesetzt werden, daß durch Selbsthemmung ein Stau mit zumindest teilweise frei zugänglicher Stauoberfläche entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (5, 14, 28) von der Stauoberfläche einzeln abgesaugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gestauten Brennelemente (14, 28) durch Einblasen eines Gases, beispielsweise Helium, aufgelockert werden.

4. Entnahmevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem am unteren Ende des Reaktorinnenraums angeordneten Abzugsrohr, einer Staueinrichtung und einer Entladeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Staueinrichtung (29) eine Umlenkung (7, 31) zur Bildung einer frei zugänglichen Stauoberfläche aufweist und dabei eine die Selbsthemmung der Brennelemente (5, 14, 28) bewirkende Formgebung hat.

5. Entnahmevorrichtung nach Anspuch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung als U-förmig gebogenes Abzugsrohr (7, 10) ausgebildet ist.

6. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung als im Abstand zum Ende des Abzugsrohrs (27) angeordnete Stauscheibe (31) ausgebildet ist.

7. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abzugsrohr (27) im wesentlichen vertikal verläuft und die Stauscheibe (31) horizontal unterhalb des Abzugsrohrs (27) angeordnet ist.

8. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Abstand zwischen dem Abzugsrohr (27) und der Stauscheibe (31) größer als der 1,5fache Durchmesser der Brennelemente (28) ist.

9. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauscheibe (31) mittig hochgewölbt ist.

10. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der mittigen Wölbung der Stauscheibe (31) zwischen zwei und zehn Winkelgraden liegt.

11. Entnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauscheibe (31) am außenseitigen Rand (36) hochgewölbt ist.

12. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Randes (36) zwischen fünf und zwanzig Winkelgrade liegt.

13. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (36) der Stauscheibe (31) derart geformt ist, daß sich radial nach außen gerichtete Rinnen (37, 38, 39) ergeben.

14. Entnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeeinrichtung als zumindest ein Saugrohr (13, 40, 41, 42) mit angeschlossener Absaugeinichtung ausgebildet ist.

15. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Saugrohre (40, 41, 42) vorgesehen sind, die jeweils einer Rinne (37, 38, 39) zugeordnet sind.

16. Entnahmevorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugrohre (40, 41, 42) etwa tangential zur Rinne (37, 38, 39) münden.

17. Entnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Saugrohrende (13) radial und/oder axial beweglich und/oder teleskopartig ausgebildet ist.

18. Entnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Stauoberfläche der Brennelemente (5, 14, 28) Einblasdüsen (11, 43) vorgesehen sind, die an eine Blaseinrichtung zum Einblasen von z. B. Helium angeschlossen sind.

19. Entnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Abzugsrohrs (27) von einem die Staueinrichtung (29) umgebenden Gehäuse (30) gasdicht gekapselt ist.