DE4142112C2 - Trennrohreinrichtung zur Bildung eines in einem Moderatorraum eines Kernreaktors angeordneten Kühlmittelkanals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Trennrohreinrichtung zur Bildung eines in einem Moderatorraum eines Kernreaktors, ins­ besondere eines mit schwerem Wasser moderierten Kernreaktors, angeordneten Kühlmittelkanals und zur Aufnahme eines Brenn­ elements, wobei Kühlmittel und Moderator voneinander ver­ schieden und getrennt sind.

Aus der DE-AS 19 01 783 ist ein Schwerwasserreaktor mit Brennelementen bekannt, die im Betriebszustand vom schweren Wasser, das auch als Kühlmittel dient, umströmt werden. In einer Führungsbuchse für ein Brennelement ist eine Ventilein­ richtung angeordnet, die beim Entfernen des Brennelementes schließt. Damit wird verhindert, daß schweres Wasser in den Behälter, der die Brennelemente umgibt, einströmt, wenn ein Brennelement entfernt wird.

Eine Trennrohreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der deutschen Auslege­ schrift 20 19 271 bekannt. Die Trennrohreinrichtung dient zur Bildung eines Kühlmittelkanals, der innerhalb eines Modera­ torraums liegt und zwei an diesen Moderatorraum angrenzende Kühlmittelräume miteinander verbindet. Der Moderatorraum ist bei einem Schwerwasserreaktor mit schwerem Wasser (D₂O) ge­ füllt. In die Trennrohreinrichtung, die üblicherweise aus mehreren fest miteinander verbundenen Teilen besteht, ist ein Brennelement auswechselbar eingesetzt.

Im Betrieb des Reaktors wird das Brennelement von einem Kühl­ mittel, zum Beispiel von einem Gemisch aus Wasser und Wasser­ dampf, umströmt. Dabei ändern sich unter Betriebsbedingungen die Materialeigenschaften des im Moderatorraum liegenden Teils des Trennrohres in Folge von Strahlenversprödung und Wasserstoffaufnahme. Daher kann es erforderlich werden, die Trennrohreinrichtung im Laufe der Zeit auszuwechseln. Um bei einem Trennrohraustausch ein Eindringen von Kühlmittel in den Moderatorraum zu vermeiden, mußte bisher der Reaktor abge­ schaltet werden. Dies wiederum hat eine lange Stillstandszeit des Reaktors zur Folge und ist daher äußerst unerwünscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen Kernreaktor, insbesondere für einen Schwerwasserreaktor, eine Trennnrohreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, von der mindestens der im Moderatorraum liegende Teil während des Betriebs des Reaktors austauschbar ist, ohne daß dabei Kühlmittel in den Moderator­ raum eindringen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Trennrohreinrich­ tung der o. g. Art gelöst, die mehrere in Richtung der Kühlmittelströmung hintereinander angeordnete Rohrteile aufweist, wobei ein das Brennelement umgebendes erstes Rohrteil mit dem Brennelement verbunden ist und wobei ein im Bereich zwischen dem Modera­ torraum und einem angrenzenden Kühlmittelraum angeordnet es zweites Rohrteil eine Verschlußvorrichtung aufweist.

Bei einem Brennelementwechsel kann das erste Rohrteil zusam­ men mit dem Brennelement während des Betriebs des Reaktors ausgetauscht werden. Gleichzeitig mit dem Entnehmen des Brennelements wird der Kühlmittelkanal mit der Verschlußvor­ richtung verschlossen, so daß kein Kühlmittel aus dem Kühl­ mittelraum in den Moderatorraum eindringen kann.

Das erste Rohrteil ist in vorteilhafter Ausgestaltung der er­ findungsgemäßen Trennrohreinrichtung mit dem Brennelement lösbar verbunden, so daß es bei einem Brennelementwechsel wahlweise wiederverwendet oder ebenfalls ausgewechselt werden kann.

Die Verschlußvorrichtung ist vorteilhafterweise von dem Brennelement betätigbar und schließt beim Entnehmen des Brennelements selbsttätig. Dazu ist als Verschlußvorrichtung zweckmäßigerweise eine Blende vorgesehen, die aufgrund des im Kühlmittelraum herrschenden hohen Drucks in Strömungsrichtung des Kühlmittels an eine im zweiten Rohrteil vorgesehene Dichtfläche gepreßt wird. Beim Einsetzen eines neuen Brenn­ elements in den Kühlmittelkanal wird die Blende in Gegenrich­ tung zur Kühlmittelströmung verschoben und der Kühlmittelka­ nal freigegeben. Dabei ist gegebenenfalls ein neues erstes Rohrteil an dem Brennelement befestigt.

Die Blende weist vorteilhafterweise mindestens eine Öffnung auf, durch die das Kühlmittel bei geöffneter Verschlußvorrich­ tung strömt. Dabei entspricht der Außendurchmesser der Blen­ de vorteilhafterweise dem Innendurchmesser des zweiten Rohr­ teils. Bei geschlossener Verschlußvorrichtung wird die Öff­ nung durch die Dichtfläche verschlossen. Es kann aber auch eine Blende ohne Öffnung verwendet werden. In diesem Fall ist der Durchmesser der Blende kleiner als der Innendurchmesser des zweiten Rohres, so daß bei geöffneter Verschlußvorrich­ tung das Kühlmittel an der Blende vorbei strömen kann.

Zum Fixieren der Blende, insbesondere um ein Verkanten der Blende im Kühlkanal zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise eine zweite Blende vorgesehen, die über ein Verbindungselement mit der ersten Blende verbunden ist. Dabei ist der Abstand zwi­ schen den Blenden so gewählt, daß bei eingesetztem Brennele­ ment die zweite Blende mit dem Brennelement in Eingriff steht und daß zwischen der ersten Blende und der Dichtfläche ein Mindestabstand zur Gewährleistung eines ausreichenden Kühl­ mittelflusses sichergestellt ist.

Das freie Ende des ersten Rohrteils ist vorteilhafterweise in das zweite Rohrteil einschiebbar, so daß das erste Rohr­ teil beim Einsetzen des Brennelements geführt ist. Um auch während des Herausziehens des mit dem Brennelement verbunde­ nen ersten Rohrteils ein Eindringen von Kühlmittel in den Mo­ deratorraum zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise die Eindring­ tiefe des ersten Rohrteils in das zweite Rohrteil größer als der Abstand zwischen der ersten Blende und der Dichtfläche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß einerseits durch Verbinden des im Moderator­ raum liegenden Rohrteils mit dem Brennelement dieses der Strahlung am stärksten ausgesetzte Rohrteil der Trennrohrein­ richtung zusammen mit dem Brennelement ausgewechselt werden kann. Andererseits wird durch die bei einem derartigen Brenn­ elementwechsel automatisch schließende Verschlußvorrichtung ein Eindringen von Kühlmittel aus dem Kühlmittelraum in den Moderatorraum und damit eine Vermischung von Kühlmittel und Moderator sicher vermieden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben; darin zeigen:

Fig. 1 im Ausschnitt einen Reaktorkern eines Schwerwasser­ reaktors mit einer erfindungsgemäßen Trennrohreinrichtung, und

Fig. 2 einen Ausschnitt II aus Fig. 1 in größerem Maßstab mit einer Verschlußvorrichtung.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Von dem Reaktorkern ist in Fig. 1 lediglich eine einzelne Trennrohreinrichtung 1 und eine Bodenplatte 2 sowie eine Deckelplatte 3 gezeigt.

Die Trennrohreinrichtung 1 umfaßt ein in einem Moderatorraum 4 liegendes erstes Rohrteil 5 und ein in die Bodenplatte 2 eingesetztes zweites Rohrteil 6. Das Rohrteil 6 ist in Form eines Stutzens ausgebildet. Ein weiteres Rohrteil 7 ist in die Deckelplatte 3 eingesetzt. Das erste Rohrteil 5 besteht aus einer Zirkonlegierung. Die Rohrteile 6 und 7 bestehen aus besonders korrosionsbeständigem Stahl, zum Beispiel aus austenitischem Stahl.

Ein unterhalb der Bodenplatte 2 liegender Kühlmittelraum 8 ist mit einem Kühlmittel KM, zum Beispiel mit einem Gemisch aus Wasser und Wasserdampf, gefüllt. Der durch die Deckelplat­ te 3 und die Bodenplatte 2 begrenzte Moderatorraum 4 ist mit einem Moderator M, zum Beispiel mit schwerem Wasser (D₂O), gefüllt. Die Trennrohreinrichtung 1 bildet einen innerhalb des Moderatorraums 4 liegenden Kühlmittelkanal KK, der den Kühlmittelraum 8 mit einem oberhalb der Deckelplatte 3 lie­ genden Sammelraum 9 für das Kühlmittel KM verbindet.

Innerhalb des ersten Rohrteils 5 ist ein Brennelement 10 an­ geordnet, an dessen oberen Ende eine Halterung 11 vorgesehen ist. Das erste Rohrteil 5 Ist dort mit dem Brennelement 10 lösbar verbunden, zum Beispiel verschraubt. Oberhalb der Hal­ terung 11 ist ein mit dem Brennelement 10 verbundener Füll­ stutzen 13 zum Befüllen des Brennelements 10 mit Brennstoff B angeordnet. An dem Füllstutzen 13 ist ein Zuganker 14 befe­ stigt, über den das Brennelement 10 zusammen mit dem ersten Rohrteil 5 durch das Rohrteil 7 der Trennrohreinrichtung 1 aus dem Kühlmittelkanal KK gezogen werden kann.

Innerhalb des zweiten Rohrteils 6 ist eine Verschlußvorrich­ tung 20 angeordnet. Die Verschlußvorrichtung 20 umfaßt eine Blende 21 und eine Dichtfläche 22, die mit dem Rohrteil 6 fest verbunden ist. An der Blende 21 ist ein Verbindungsele­ ment 23 befestigt, das mit dem Brennelement 10 in Eingriff steht.

In Fig. 2 ist die Verschlußvorrichtung 20 in größerem Maß­ stab und in zwei verschiedenen Positionen dargestellt. Die rechte Hälfte der Fig. 2 zeigt die Verschlußvorrichtung 20 in geöffnetem Zustand, das heißt bei in die Trennrohreinrich­ tung 1 eingefahrenem Brennelement 10. Die linke Hälfte der Fig. 2 zeigt die Verschlußvorrichtung 20 in geschlossenem Zustand, das heißt bei entnommenem Brennelement 10.

Die Blende 21′ ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 über das Verbindungselement 23′ im Abstand A mit einer zweiten Blende 24 verbunden. Der Abstand A ist so gewählt, daß bei eingefahrenem Brennelement 10 ein Mindestabstand C zwischen der Blende 21′ und der Dichtfläche 22 sichergestellt ist.

Durch die Verwendung von zwei Blenden 21′ und 24 ist eine ausreichende Führung dieses Teils 21′, 23′, 24 der Verschluß­ vorrichtung 20, insbesondere bei in die Trennrohreinrichtung 1 eingesetztem Brennelement 10, sichergestellt.

Während die Blende 21 gemäß Fig. 1 einen gegenüber dem In­ nendurchmesser d₁ des zweiten Rohrteils 6 kleineren Durchmes­ ser d₂ aufweist, entspricht der Durchmesser d₂ der Blende 21′ gemäß Fig. 2 dem Innendurchmesser d₁ des Rohrteils 6. Um in diesem Fall einen Kühlmittelfluß bei geöffneter Verschlußvor­ richtung 20 durch den Kühlmittelkanal KK zu gewährleisten, weisen die Blende 21′ und die Blende 24 Öffnungen 25 bzw. 26, vorzugsweise jeweils im peripheren Bereich, auf.

Im Betrieb des Kernreaktors strömt das Kühlmittel KM in Rich­ tung der Pfeile 15 über das Rohrteil 6 in den Kühlmittelka­ nal KK und wird im Bereich des Brennelements 10 durch die Zerfallswärme des Brennstoffs B aufgewärmt. Dabei strömt das Kühlmittel KM an der Blende 21 vorbei (Fig. 1) oder durch die Öffnungen 25 und 26 der Blenden 21′ bzw. 24 (Fig. 2) in das erste Rohrteil 5. Das aufgewärmte Kühlmittel KM verläßt den Kühlmittelkanal KK in Richtung des Pfeils 16 und strömt in den Sammelraum 9. Dabei beträgt die Druckdifferenz Δp zwischen dem Druck p₁ im Kühlmittelraum 8 und dem Druck p₂ im Moderatorraum 2 etwa 0,5 MPa. Die Druckdifferenz Δp′ zwi­ schen dem Druck p₂ im Moderatorraum 2 und dem Druck p₃ im Sammelraum 9 ist gleich 0.

Beim Entnehmen des Brennelements 10 wird die Blende 21, 21′ aufgrund der Druckdifferenz Δp mit der Kühlmittelströmung gegen die Dichtfläche 22 gepreßt, so daß das zweite Rohrteil 6 verschlossen ist. Der Kühlmittelraum 8 bleibt somit auch bei entnommenem Brennelement 10 und Rohrteil 5, das heißt bei offenem Kühlmittelkanal KK, vom Moderatorraum 4 getrennt.

Um auch während des Herausziehens des Brennelements ein Ein­ dringen von Kühlmittel KM in den Moderatorraum 4 zu vermei­ den, ist die Eindringtiefe D des ersten Rohrteils 5 in das zweite Rohrteil 6 größer als der Abstand C zwischen der Blen­ de 21, 21′ und der Dichtfläche 22.

Claims (7)

1. Trennrohreinrichtung zur Bildung eines in einem Moderatorraum eines Kernreaktors, insbesondere eines mit schwerem Wasser mode­ rierten Kernreaktors, angeordneten Kühlmittelkanals und zur Aufnahme eines Brennelements, wobei Kühlmittel und Moderator vonein­ ander verschieden und getrennt sind, gekennzeichnet durch mehrere in Richtung der Kühlmittelströmung hintereinander angeordnete Rohrteile (5, 6, 7), wobei ein das Brennelement umgebendes erstes Rohr­ teil (5) mit dem Brennelement (10) verbunden ist, und wobei ein im Bereich zwischen dem Moderatorraum (4) und einem angrenzenden Kühlmittelraum (8) angeordnetes zweites Rohrteil (6) eine Verschlußvorrichtung (20) aufweist.

2. Trennrohreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrteil (5) mit dem Brennelement (10) lösbar verbunden ist.

3. Trennrohreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verschluß­ vorrichtung (20) von dem Brennelement (10) betätigbar ist und beim Entnehmen des Brennelements (10) selbsttätig schließt.

4. Trennrohreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ver­ schlußvorrichtung (20) eine gegen eine Dichtfläche (22) an­ preßbare erste Blende (21, 21′) vorgesehen ist.

5. Trennrohreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Blende (21′) minde­ stens eine Öffnung (25) aufweist, und daß der Durchmesser (d₂) der ersten Blende (21′) dem Innendurchmesser (d₁) des zweiten Rohrteils (6) entspricht.

6. Trennrohreinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, ge­ kennzeichnet durch eine über ein Verbindungsele­ ment (23′) mit Abstand (A) zur ersten Blende (21′) gehaltene zweite Blende (24).

7. Trennrohreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des ersten Rohrteils (5) in das zweite Rohrteil (6) ein­ schiebbar ist, wobei die Eindringtiefe (D) größer als der Ab­ stand (C) zwischen der Blende (21, 21′) und der Dichtfläche (22) ist.