DE3723730A1 - Kernreaktor mit einem aus einzelnen brennelementen loesbar zusammengesetzten kern und mit einem fluessigen kuehlmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem aus einzelnen Brennelementen lösbar zusammengesetztem Kern und mit einem flüssigen Kühlmittel, das entgegen der Schwerkraft durch den Kern strömt, wobei die Brennelemente Brennstäbe umfassen, die in einem Kopfstück und einem Fußstück gehalten sind, und wobei ferner die Kopfstücke in einer oberen Gitterplatte und die Fußstücke in einer unteren Gitterplatte festgelegt sind.

Bei Kernreaktoren der vorgenannten Art besteht das Problem, daß das Kühlmittel beim Durchströmen des Kerns einen großen Druckverlust erleidet, der auf die Brennelemente hohe Kräfte ausübt. Diese Kräfte sind größer als das Eigengewicht der Brennelemente und müssen von den Halterungen der Brennelemente abgetragen werden. Dazu werden bei normalen Leichtwasserreak­ toren Federn benutzt, über die die Brennstäbe der Brennele­ mente an der oberen Gitterplatte abgestützt sind. Solche so­ genannten mechanischen Niederhalterungen sind jedoch nur für verhältnismäßig geringe Drücke gut geeignet. Sie sind deshalb dann nicht ausreichen, wenn aufgrund einer besonderen Kern­ figuration, wie sie z.B. in hochkonvertierenden Leichtwasser­ reaktoren oder in Brutreaktoren vorliegt, wegen der dort engen Stabteilung mehrfach höhere Druckverluste vorliegen.

Für dieses Problem sucht die Erfindung eine Lösung, durch die weder die Kühlung beeinträchtigt wird noch der Ein- und Ausbau der Brenn­ elemente erschwert ist. Darüber hinaus soll auch der Kernaufbau einfach bleiben, weil eine Reparatur nur mit großem Aufwand durch Fernbedienung möglich wäre.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einem Kernreaktor der obengenannten Art in der unteren Gitterplatte nach oben offene Hohlräume vorgesehen sind, in die die Fußstücke dicht sitzend eingreifen, und daß die Hohlräume mit dem Bereich der oberen Gitterplatte verbunden sind.

Bei der Erfindung wird der durch den Druckverlust an den Brenn­ elementen sonst wirksame Auftrieb durch eine hydraulische Gegenkraft kompensiert, bei der der Brennelementfuß in den nach oben offenen Hohlräumen wie ein Kolben in einem Zylinder wirkt. Da der "Zylinder" mit dem niedrigeren Druck im Bereich der oberen Gitterplatte beaufschlagt ist, kann eine praktisch vollständige Kompensation der Auftriebskraft erreicht werden. Der Grad der Kompensation ist nur noch von der Größe der wirk­ samen Flächen und von der Druckdifferenz gegenüber der oberen Gitterplatte abhängig.

Um möglichst große Flächen und damit eine entsprechend große Kompensation zu erhalten, kann man so vorgehen, daß an einem Fußstück zwei Hohlräume vorgesehen sind und daß zwischen den beiden Hohlräumen ein in das Brennelement führender Kühl­ mitteleinlaß vorgesehen ist. Das Kühlmittel gelangt dabei in die Mitte des Brennelementes, wenn der obere Hohlraum ring­ förmig an den Außenrand des Brennelements angrenzt.

Die Hohlräume können mit Hilfe von Gußkörpern gebildet sein, die mit einer Stahlplatte verschraubt sind. Beide Teile zu­ sammen bilden dann die untere Gitterplatte, in die die Brenn­ elemente in normaler Weise von oben her einsetzbar sind. Nach oben können sie entsprechend ohne weiteres ausgebaut werden. Die Gußkörper können zugleich Kanäle zur Verbindung der Hohl­ räume enthalten. Man kann aber auch besondere Leitungen ver­ wenden, wenn dies konstruktiv günstiger ist.

Die Fußstücke können mit Kolbenringen zur Abdichtung der Hohl­ räume versehen sein. Diese sind dann nach dem Herausnehmen der Brennelemente zur Inspektion und gegebenenfalls Reparatur leicht zugänglich. Es ist aber auch denkbar, Dichtelemente wie Kolbenringe an den festen Teilen, d.h. an der Gitter­ platte und gegebenenfalls den dazu gehörenden Gußkörpern an­ zubringen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der Zeich­ nung ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Die Zeichnung zeigt in einem Schnitt längs der Achse eines Brennelementes das Fußstück des Brennelementes und die Gitter­ platte, in der das Fußstück sitzt. Das Brennelement gehört zum Kern eines Druckwasserreaktors, der mit normalem, d.h. leichtem Wasser gekühlt und moderiert wird, wobei das Mode­ rationsverhältnis auf eine erhöhte Brutwirkung abgestellt ist, wie z.B. in der DE-OS 30 09 937 beschrieben ist. Die über dem Fußstück liegenden Teile des Brennelementes, insbe­ sondere die kastenlos dem Kühlwasser ausgesetzten Brennstäbe, das Kopfstück des Brennelementes und die zu seiner Halterung vorgesehene obere Gitterplatte, sind nicht dargestellt. Sie sind jedoch so ausgebildet, wie dies für fortgeschrittene Druckwasserreaktoren bekannt ist, die als sogeannnte hochkon­ vertierende Leichtwasserreaktoren arbeiten.

Mit 1 ist die untere Gitterplatte eines hochkonvertierenden Leichtwasserreaktros bezeichnet, die aus Stahl besteht und Gußkörper 2 umfaßt, die in kreisförmige Öffnungen 3 der Gitterplatte 1 eingesetzt sind. Die Gußkörper 2 sind mit einer Schraube 4 an der Gitterplatte 1 festgelegt, auf die eine Mutter 5 aufgeschraubt ist. Zur Sicherung der Schraubverbindung dient ein Sicherungsblech 6.

Der Gußkörper 2 bildet mit einer inneren hochgezogenen Wand 8 einen inneren Hohlraum 9. Die Wand 8 kann zylindrisch sein, so daß der Hohlraum 9 einen Kreisquerschnitt hat.

Die Wand 8 ist mit Abstand von einer Außenwand 10 umgeben, so daß ein Ringkanal 11 entsteht. Der Ringkanal 11 verbindet Einlaßöffnungen 12, die im unteren Teil des Gußkörpers 2 vorgesehen sind, mit einem Ringspalt 13, der zur Achse 14 des Brennelements 16 führt, von dem im Wesentlichen nur das Fuß­ stück 17 dargestellt ist.

Zu dem Fußstück 17 gehört ein unterer Bodenteil 20, der zylindrisch ist und an seiner Außenseite zwei Kolbenringe 21 und 22 trägt, die durch einen Distanzring 23 aneinander abgestützt sind. Die Kolbenringe 21, 22 und der Distanzring 23 sind mit einer Kappe 24 festgelegt, die mit Schrauben 25 an dem Bodenteil 20 befestigt ist. Die Kolbenringe 21, 22 liegen, wie die Figur deutlich zeigt, dicht an der Innenseite der Ringwand 8 an, so daß der Hohlraum 9 abgedichtet ist.

Von dem Bodenteil 20 erstreckt sich ein Rohrstück 28 nach oben, das im Bereich des Ringspaltes 13 Durchtrittsöffnungen 27 mit der aus der Figur ersichtlichen rechteckigen Form hat. Die Durchtrittsöffnungen 27 führen das als Kühlmittel die­ nende leichte Wasser aus dem Ringkanal 11 in den Bereich der darüberliegenden, nicht weiter dargestellten Brennstäbe.

Das Rohrstück 28 besitzt an seinem oberen Rand 29 an der Außenseite ein Gewinde 30. Dort ist ein oberes Bodenteil 32 aufgeschraubt, das an seiner Innenseite eine konische Er­ weiterung 33 aufweist. Die Außenseite des oberen Bodenteiles ist mit verschiedenen Absätzen versehen.

Der erste Absatz 35 bildet eine Anschlagfläche, mit der der Brennelementfuß 16 auf der Oberseite 37 des Gußkörpers 2 aufsitzt. Ein darunterliegender Absatz 38 bildet eine ring­ förmige Kolbenfläche, die in einem zweiten Hohlraum 39 des Gußkörpers 2 sitzt.

Der Hohlraum 39 wird außen begrenzt von der Innenseite 40 des oberen Randstückes 41 des Gußkörpers 2. Der innere Rand des Hohlraumes 39 ist durch die Außenseite eines rohrförmigen Fortsatzes 43 des oberen Bodenteiles 32 gegeben. Dieser Fortsatz drückt auf zwei übereinanderliegende Kolbenringe 44 und 45, die über ein Distanzstück 46 auf einer Schulter 48 des Rohrstückes 28 abgestützt sind. Weitere Kolbenringe 49 und 50 mit einem Distanzstück 51 dazwischen sind mit einer Kappe 52 befestigt, die an dem Absatz 38 des Bodenteiles 32 angeschraubt ist.

Die Kolbenringe 44 und 45 liegen an der Innenwand 55 einer oberen Verengung 56 des Gußkörpers 2 an. Somit werden durch den Gußkörper 2 zwei nach oben offene Hohlräume 9 und 39 gebildet. Die beiden Hohlräume 9, 39 sind durch radiale Kanäle 57 und 58 mit einem vertikalen Kanal 59 verbunden, der zu einer Bohrung 60 in der Gitterplatte 1 führt. Die Bohrung 60 ist durch eine nicht dargestellte Leitung mit dem Bereich der oberen Gitterplatte verbunden, so daß in den Hohlräumen 9 und 39 der dort herrschende, um den Staudruck im Reaktorkern niedrigere Druck vorliegt. Damit wirken die in den Hohlräumen 9, 39 sitzenden horizontalen Flächen des Fußstückes 17 des Brennelementes 16 als Kolbenflächen, die mit der Druckdifferenz zwischen dem Eintrittsdruck der Kühlflüssigkeit und dem Aus­ trittsdruck in Richtung vertikal nach unten beaufschlagt sind. Diese Kräfte ergeben eine Kompensation der von dem Kühlmittel verursachten Auftriebskräfte, so daß das Brennelement 16 auch ohne mechanische Niederhaltemittel sicher in der Halterung der unteren Gitterplatte 1 und nicht dargestellten oberen Gitter­ platte festgelegt ist.

Claims (5)

1. Kernreaktor mit einem aus einzelnen Brennelementen lösbar zusammengesetztem Kern und mit einem flüssigen Kühlmittel, das entgegen der Schwerkraft durch den Kern strömt, wobei die Brennelemente Brennstäbe umfassen, die in einem Kopfstück und einem Fußstück gehalten sind, und wobei ferner die Kopfstücke in einer oberen Gitterplatte und die Fußstücke in einer unteren Gitterplatte festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der unteren Gitterplatte (1) nach oben offene Hohlräume (9, 39) vorgesehen sind, in die die Fußstücke (17) dicht sitzend eingreifen, und daß die Hohlräume (9, 39) mit dem Bereich der oberen Gitterplatte verbunden sind.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Fußstück (17) zwei Hohlräume (9, 39) vorgesehen sind und daß zwischen den beiden Hohlräumen (9, 39) ein in das Brennelement (16) führender Kühlmitteleinlaß (13) vorgesehen ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (9, 39) mit Hilfe von Gußkörpern (2) gebildet sind, die mit einer Stahlplatte (1) verschraubt sind.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gußkörpern (2) Kanäle (57, 58, 59) zur Verbindung der Hohlräume (9, 39) vorgesehen sind.

5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuß­ stücke (16) mit Kolbenringen (22, 23, 44, 45, 49, 50) zur Abdichtung der Hohlräume (9, 39) versehen sind.