FI74830B - Kaernreaktor, vars haerd aer avskaermad med en konstruktion av staenger och tvaerstaellda plattor. - Google Patents

Description

1 74830

Ydinreaktori, jonka sydän on erotettu varsien ja poikittais-levyjen muodostamalla rakenteella

Nyt selostettava keksintö koskee ydinreaktoreita,jois-5 sa sydämen muodostamat polttoaine-elementit jäähdytetään kierrättämällä jäähdytysnestettä sydämen läpi erillisiä keskenään yhdensuuntaisia elementtejä pitkin. Keksintö koskee nimenomaan laitteita, joilla sydän pystytään erottamaan ja järjestämään myös jäähdytysaineen kierto, niin että voidaan 10 välttää reaktorin tehokkuutta vähentävät kierrätysradat.

Polttoaine-elementit eivät tällöin peitä yhtenäisesti kier-rätyspintaa.

Nestejäähdytteisissä reaktoreissa polttoaine on sauvoina, jotka on ryhmitetty yksiköiksi, joiden kautta jäähdy-15 tysaine kulkee. Sydän on muodostettu tällaisista vierekkäisistä yksiköistä, jotka on puristettu toisiinsa, ja jotka ovat särmiömäisiä, yleensä poikkileikkaukseltaan nelikulmaisia, joten sydämen kehässä on särmiä. Po. rakenne on sijoitettu sydäntä tukevaan vaippaan, joka on lieriön muotoinen 20 tai ainakin särmätön, kuten paineastia, joka sisältää sydämen ja siihen kuuluvat jäähdytysnesteessä olevat laitteet. Kehäyksiköiden ja lieriövaipan välissä on siis rengasvyöhy-ke, jossa ei ole polttoainetta.

Jäähdytysaineen vapaan kiertämisen estämiseksi tässä 25 vyöhykkeessä ja sen ohjaamiseksi varsinaiseen sydämeen käytetään tunnetusti erotusyksikköä, joka vastaa täsmälleen sydämen muotoa. Tämän erotusyksikön kiinnittämiseen liittyy kuitenkin tiettyjä vaikeuksia, joita ei ole vielä pystytty täysin eliminoimaan. Erotus- 1. väliseinälevyt voidaan kiin-30 nittää poikittaisiin vahvistuslevyihin, jotka on kiinnitetty sydämen lieriövaippaan. Ei ole kuitenkaan helppo konstruoida sellaista kiinnitysrakennetta, joka vastaa alan erittäin tiukkoja mitoitusvaatimuksia, ja joka kestää myös väliseinissä ja vahvistuslevyissä esiintyvien lämpötilojen synnyt-35 tämät mekaaniset rasitukset sekä lisäksi myös reaktorin toimintaan liittyvät suuret neutroni- ja gammasädevuot. Ruuvi-kiinnitys on erittäin herkkä mekaanisille jännityksille ja 74830 neutronivuolle, joten onkin ehdotettu, että jokainen ruuvi varustetaan erityisellä jäähdytysjärjestelmällä. Hitsaus-ja tappikiinnitys aiheuttaa taas valmistus- ja asennusvai-keuksia sekä jännityksiä, jotka johtuvat erilaisesta lämpö-5 laajenemisesta, joten tämäkään menetelmä ei ole hyvä.

Nämä epäkohdat pystytään eliminoimaan uudella erotus-1. väliseinärakenteella, jossa tavanomaiset pystylevyt on korvattu varsilla, jotka suorittavat samat toiminnot, ts. kanavoivat jäähdytysnestekierron. Lisäksi keksinnön mukaili) seen rakenteeseen liittyy muitakin parannuksia eikä tällöin esiinny em. kiinnitysvaikeuksia. Varsien lisäetuna on vielä se, että niitä voidaan käyttää sydämen ja reaktorin paineastian väliseen neutronivaimennukseen, niin että paineastia pystytään suojaamaan tehokkaammin säteilyltä.

15 Keksinnöllä pyritään siis kehittämään sellainen kevyt- vesiydinreaktori, joka koostuu särmiönmuotoisista polttoai-neyksiköistä, jotka on sovitettu vierekkäin vaipan sisäpuolelle, joka rajaa sivusuunnassa tilan, jonka läpi näissä yksiköissä pituussuunnassa kiertävä sydämen jäähdytysneste 20 virtaa, jolloin reaktori käsittää kehäyksiköiden ja vaipan välissä poikkilevyjä, jotka liittyvät kiinteästi vaippaan ja joiden sisä-ääriviiva seuraa sydämen ulkoääriviivaa. Keksinnölle on tunnusomaista, että reaktori lisäksi käsittää kehäyksiköiden ja vaipan välissä yhdensuuntaisina mainittu-25 jen yksiköiden kanssa yhden tai useamman varren, jotka on sovitettu sydämen ympärille vapaasti liukuviksi poikkilevy-jen rei'ityksissä ja toinen toisensa lähelle ja jotka seu-raavat tarkasti sydämen porrastettua ääriviivaa jäähdytys-nesteen kierron kanavoimiseksi yhdessä poikkilevyjen kanssa. 30 Varsia voi olla hyvin paljon ja ne on liitetty toi siinsa useina riveinä sydämen ympärillä siten, että ne mukautuvat sydämen särmärakenteeseen. Varret rajaavat siis poikittaisvirtaukset jäähdytysnesteen kierrätyksessä sydämen kehällä, niin että nämä virtaukset eivät pääse synnyttä-35 mään värähtelyjä eivätkä myöskään kehäyksiköiden polttoaineen alijäähtymistä. Varret sallivat kuitenkin riittävän yhteyden sydämen sisätilaan painetasapainon tasaamiseksi ja tekevät primaarijäähdytysainehäviön sattuessa mahdolliseksi 3 74830 sen, että vaipan ja sydämen välissä oleva primaarijäähdytys-aine poistuu samanaikaisesti kuin polttoaineyksiköiden läpi menevä jäähdytysainekin. Näin vältetään kokonaan tavanomaisiin väliseinälevyihin liittyvät deformaatioriskit, jot-5 ka aiheuttivat jäähdytyshäiriöitä jäähdytysainehäviön sat tuessa .

Keksinnön mukaisilla reaktorin varsilla pystytään ratkaisemaan yksinkertaisella tavalla mekaanisiin jännityksiin liittyvä probleema ja myös erilaisesta lämpölaajenemisesta 10 johtuvat vaikeudet. Varret on helppo panna paikoilleen poi- kittaislevyihin, joissa on tätä varten reiät, ja ne liikkuvat niissä vapaasti pituussuunnassa, ts. polttoaineyksiköiden pystysuunnassa sekä asennuksen aikana että käytössä esiintyvään lämpölaajenemiseen liittyen. Poikittaislevyt liit-15 tyvät kiinteästi vaippaan, johon ne on kiinnitetty esim.

ruuveilla tai hitsaamalla.

Varret ovat mieluimmin lieriön muotoisia, jolloin ne menevät helposti poikittaislevyjen vastaaviin pyöreisiin aukkoihin. Varret on järjestetty yleensä kolmion, neliön 20 tai muuhun säännölliseen muotoon ja suhteellisen lähelle toisiaan esimerkiksi siten, että niiden keskinäinen etäisyys ei ole juuri niiden halkaisijaa suurempi. Varret voivat olla joko umpinaisia tai onttoja ja ne voidaan valmistaa mistä tahansa sellaisesta materiaalista, joka kestää sydä-25 men ympärillä esiintyvät säteilyolosuhteet, esim. ruostu mattomasta teräksestä tai sirkoniumseoksesta, mieluimmin kuitenkin selliasesta materiaalista, jolla on suuri neutro-niheijastuskerroin. Varret voidaan tehdä esim. metalli-putkina, jotka sisältävät heijastusainetta, esim.

30 berylliumia.

Jäähdytysaineen kierrättämiseen liittyvän tehtävänsä lisäksi varret suojaavat reaktorin paineastiaa neutroni- ja gammasäteilyltä, jota ydinpolttoaine synnyttää. Tämän vuoksi on edullista vaihdella rivien lukumäärää sydämen 35 ympärillä, ts. varsien tiheyttä säteen suunnassa, niin että 74830 pystytään kompensoimaan ne etäisyyden vaihtelut, joita esiintyy kehäyksiköiden ja paineastian välillä, sekä vaimentamaan säteily riittävästi kaikkialla ennen sen kohdistumista paineastiaan.

5 Keksinnön mukaisessa suositettavassa reaktoriraken- teessa poikittaislevyt, joihin varret liittyvät sivusuunnassa, on järjestetty samoihin vaakatasoihin kuin poltto-aineyksiköiden ristikot, jotka on sijoitettu eri tasoihin po. yksiköiden korkeussuunnassa. Lisäksi levyt on tehty niin, 10 että sydämen ympärillä niiden sisäpinta vastaa sydämen kehä yksiköiden ristikoiden ulkopintaa. Jos keksinnön mukaisen reaktorin poikittaislevyt koskettavat sisäpinnallaan kehäyksiköiden ristikolta, on mahdollista, että esim. seismisistä ilmiöistä johtuvien sydämen poikittaiskuormitusten olles-15 sa kysymyksessä kehän suuntaiset polttoaineyksiköt tukeutuvat ristikoillaan poikittaislevyihin, jotka lisäävät näin reaktorin kestävyyttä.

Varsille tehtyjen aukkojen lisäksi poikittaislevyissä on mieluimmin myös muita reikiä, niin että jäähdytysaine 20 pääsee kiertämään pystysuunnassa sydämen ja sen vaipan välissä. Sydämen ympäri kiertävän jäähdytysaineen häviö voidaan säätää em. reikien määrän, sijainnin ja koon perusteella. Näin voidaan varmistua siitä, että tietyn kierrätyksen ollessa kyseessä, joka on yleensä sadasosa sydämen läpi 25 tehokkaasti menevästä pääkierrätyksestä, kierrätettävän jääh- dytysaineen häviö on jokaisessa poikittaislevyssä yhtä suuri kuin pääkierrätyksen jäähdytysainehäviö samassa tasossa olevien polttoaineyksiköiden ristikoiden kohdalla. Jotkut reiät on tällöin edullista tehdä pystyreikinä niihin poikit-30 taislevyihin, jotka sijaitsevat sydämen vaipan ja varsien välissä.

Muita keksintöön liittyviä piirteitä käy ilmi seu-raavasta selostuksesta, joka koskee erästä erityisrakennetta (ei rajoita keksintöä) ydinreaktorista, jossa on vesijääh-35 dytys (tavallinen vesi) ja keksinnön mukaan erotettu sydän.

74830

Selostuksessa viitataan oheisiin kuviin 1-5, joissa kuva 1 on pystyleikkaus (osaleikkaus) reaktorista, kuva 2 on pystyleikkaus sydämen väliseinä- 1. erotus-rakenteeseen kuuluvista osista keksinnön ensimmäisen raken-5 teen mukaan, kuva 3 esittää vaakaleikkauksena em. osia sydämen reunassa; poikittaislevy on esitetty ylhäältä nähtynä, ja kuvat 4 ja 5 vastaavat muuten kuvia 2 ja 3, mutta havainnollistavat nyt toista keksinnön mukaista rakennetta. 10 Kuvassa 1 nähdään kaaviona reaktoriyksikkö. Se on sijoitettu paineastiaan 1, joka on varustettu putkiyhteillä 2 ja 3 vastaavasti primaarijäähdytysnesteen syöttöä ja poistoa varten. Primaarijäähdytysneste suorittaa sydämen 4 jäähdyttämisen. Sydän 4 käsittää pystysuorat polttoaine-15 yksiköt 5. Jokainen niistä koostuu polttoainesauvayksi- köstä 7. Ristikot 6, jotka sijaitsevat eri tasoissa, pitävät sauvat paikoillaan sivusuunnassa toisiinsa nähden.

Po. yksiköt ovat poikkileikkaukseltaan nelikulmaisia ja ne on sijoitettu vierekkäin sekä puristettu kiinni toi-20 siinsa kuvan 3 esittämällä tavalla. Koko rakenne on sijoi tettu lieriövaipan 8 sisäpuolelle, joka tukee sydäntä tuki-pohjan 9 avulla. Sydän on kiinnitetty paineastian ylälaip-paan taas lieriövaipan 8 avulla. Jäähdytysaineen syöttö-putket 2 liittyvät paineastiaan 1 lieriövaipan 8 ulkopuo-25 lella ja poistoputket 3 vaipan 8 sisäpuolella. Jäähdytys- ainekierto käsittää näin ollen radan, joka laskee paineastian 1 ja vaipan 8 väliseen rengastilaan. Kierto jatkuu sitten nousevana ratana tukipohjan 9 ja sydämen 4 läpi.

Kuvassa 1 nähdään myös sydämen alalevy 12, edelleen 30 sydämen instrumentointipylväät 13 sekä ylemmät sisäpuoliset laitteet, jotka käsittävät sydämen ylälevyn 14 ja valvonta-tankojen ohjausputket 15. Polttoaineyksiköt 5 suuntautuvat sydämen alalevystä 12 ylälevyyn 14. Alalevy, jossa on em. yksiköt, on pohjatuen 9 päällä pylväiden 16 avulla, kun 35 taas ylälevy tukeutuu suoraan yksiköihin ylempien sisä- 74830 laitteiden painon avulla ja paineastian kannen puristamana. Molempiin levyihin on tehty useita reikiä polttoaineyksiköi-den keksiöintiä ja jäähdytysveden kiertoa varten. Kuvassa 1 nähdään lisäksi varret 17, jotka suuntautuvat polttoaine-5 yksiköitä vastaavalla tavalla sydämen levyjen 12 ja 14 vä liin. Lisäksi kuvassa 1 nähdään poikittaislevyt 18, joihin varret 17 liittyvät pienellä kitkalla.

Varsien sijainti nähdään tarkemmin sekä kuvasta 2 reaktorin pystysuorassa säteistasossa että kuvasta 3 vaaka-10 leikkauksena. Poikittaislevyjen muoto ja sijainti esitetään samoissa kuvissa.

Kuvassa 3 esitetään, kuinka vierekkäisten polttoaine-yksiköiden särmiömuoto tekee sydämen ulkopuolen särmäiseksi. Varret 17 on nyt selostettavassa tapauksessa sijoitettu 15 nimenomaan tähän pintaan kolmeen riviin kolmiorakenteena.

Ulkopuolelle suuntautuvia kulmia vastapäätä on järjestetty lisää varsiriviä 21 lieriövaippaa vasten lämpösuojaustoimin-non tehostamiseksi paineastiaan nähden.

Varret 17 ovat lieriön muotoisia ja umpinaisia. Nii-20 den alapäät on sijoitettu läpi menemättömiin reikiin, jotka on porattu tätä varten sydämen alalevyyn 12, joka ottaa vastaan sekä varsien että polttoaineyksiköiden painon.

Kuvassa 2 nähdään kehäyksikkö 22, joka tukeutuu alapäästään 26 sydämen alalevyyn 12. Yläpäästään 27 kehäyksikkö 22 tukeu-25 tuu sen sijaan ylälevyyn 14, jonka läpi liikkuvat valvontatan- got menevät pystysuunnassa yksiköihin 5. Varret 17 tukeutuvat yläpäistään tähän sydämen ylälevyyn, kun se on paikallaan. Varsien lämpölaajenemista varten on järjestetty tietty välys.

30 Poikittaislevyt 18 ohjaavat varsien pystysiirtymistä.

Poikittaislevyjä on järjestetty useita kappaleita sydämen eri tasoille. Levyjä on tällöin aina yksi jokaisessa sellaisessa tasossa, jossa polttoaineyksiköissä on poikit-taisristikko. Jokainen poikittaislevy on renkaan muotoisena 35 sydämen ympärillä useina toisiinsa hitsattuina sektoreina.

7 74830

Levy on ulkokehästään, joka on ympyrän muotoinen ja vastaa säteeltään lieriövaipan 8 sisähalkaisijaa, kiinnitetty lie-riövaippaan, tässä tapauksessa hitsaamalla. Levyn ulkopinnassa on särmiä, jotka vastaavat hyvin tarkasti sydämen ulko-5 kehän särmiä ja jotka tukeutuvat myös samassa tasossa ole vien kehäyksiköiden ristikoihin 28.

Kaikki poikittaislevyt ovat samanlaisia, mikä helpottaa niiden valmistusta. Levyissä on varsille tarkoitettujen reikien lisäksi myös reiät 23, jotka on sijoitettu varsien 10 17 ja lieriövaipan 8 välisiin tiloihin, Lisäksi levyjen sisä- kehässä on puolipyöreät hammastukset 24. Sydämen alalevyyn 12 ja ylälevyyn 14 on tehty samanlaiset reiät. Sydämen yläpäässä viimeinen poikittaislevy 25 on sijoitettu poltto-aineyksiköiden yläpäiden kohdalle aivan ylälevyn 14 alle, 15 joka on varsien 17 yläpuolella olevassa osassaan ympinainen.

Varsien kokonaispituus on sellainen, että niiden yläpää mukautuu normaalisti viimeisen poikittaiselvyn 25 vahvuuteen, joten ne pääsevät laajenemaan lämmön vaikutuksesta, ennen kuin ne tukeutuvat sydämen ylälevyn alapintaan.

20 Varsien 17 päähän voidaan sijoittaa jouset (ei kuvissa), jotta ne eivät pääse värähtelemään kiertävän jäähdytysaineen vaikutuksesta. Ylälevy pitää aina sekä varret että poltto-aineyksiköt paikallaan jäähdytysaineen työntövaikutuksen alaisena.

25 Valitsemalla varsien 17 väli ja niiden halkaisija sopivaksi ja lisäksi myös sopivien reikien 23 ja hammastuen 24 avulla määrätään jäähdytysaineen kierto-olosuhteet sydämen kohdalla. Yksikkö toimii siis sydämen erotusrakenteena (väliseinänä) ja rajoittaa yhteysmuutoksia sydämen sekä 30 sydämen ja sen vaipan välisen renkaan muotoisen kierto- vyöhykkeen välillä kuitenkaan kokonaan estämättä niitä, vaan mahdollistaa vähäisen kiertosyötön ja sallii tässä vyöhykkeessä sydämen ympärillä tietyn pystykierron, jota voidaan jarruttaa niin paljon, että saadaan aikaan suunnilleen sama 35 kuormitushäviö poikittaislevyjen kohdalla kiertovyöhykkeessä kuin polttoaineyksiköiden ristikoiden kohdalla.

74830

Kuvien 2 ja 3 esittämässä konstruktiossa toiminta sydämen väliseinärakenteessa liittyy lähinnä kolmeen yhtäjaksoiseen varsiriviin, joiden halkaisija ja etäisyys voivat olla suurempia kuin yksiköiden polttoainesauvojen halkaisija 5 ja etäisyys, mutta jotka pysyvät kuitenkin samansuuruisina.

Lisävarret 21 sydämen ulkonevien kulmien edessä takaavat kolmen rivin säteilyvaimennuksen lisäksi vielä tietyn lisä-s äteilyvaimennuksen.

Tämän rakenteen erilaisia etuja on selostettu edellä. 10 Tässä yhteydessä on kuitenkin vielä syytä mainita, että varsien asentaminen ei edellytä kiinnitystä ja että varret on helppo valmistaa vetämällä. Ne eivät myöskään vaadi erikoiskäsittelyä. Poikittaislevyt on myös helppo valmistaa rei'ittämällä samanlaiset levyt. Varsien asennus mahdollis-15 taa niiden vapaan laajenemisen poikittaislevyihin ja sydämen vaippaan nähden. Lisäksi varsien ja vaipan välinen erilainen laajeneminen on vähäistä, sillä varsien ja vaipan keskilämpötilat pysyvät hyvin samanlaisina. Varret joutuvat tosin suurempaan gammavuohon, mutta ne ovat vaippaa ohuempia 20 ja jäähtyvät sen vuoksi paremmin. Lisäksi väliseinäraken- teen kunto voidaan tarkastaa ajoittain ottamalla näytteet joistakin varsista, kun ylemmät sisärakenteet on ensin irrotettu. Tällöin voidaan huonot varret vaihtaa uusiin.

Useimmat em. eduista liittyvät kuvien 4 ja 5 esittä-25 mään rakenteeseen, jossa varret 17 on työnnetty sama-akseli-sina poikittaisputkiin 40, jotka on kiinnitetty pystysuunnassa kahden peräkkäisen poikittaislevyn 18 väliin. Näillä putkilla voidaan pienentää varsien välistä tilaa ja tästä johtuen myös vähentää hydraulisia muutoksia sydämen ja 30 rengasvyöhykkeen välillä.

Putket 40 ovat samaa materiaalia kuin varret ja tukeutuvat poikittaislevyihin 18, joihin ne on kiinnitetty vapaasti. Putkien 30 ja varsien 17 sekä poikittaislevyjen 18 välillä esiintyvät välykset mahdollistavat niiden vapaan 35 laajenemisen. Em. rakenteessa putket ovat keskenään tangent- tisia, jolloin tarvitaan vain yksi varsirivi kuvissa 2 ja 3 9 74830 esitetyn rakenteen kolmen rivin asemesta. Lisävarsia voidaan kuitenkin sijoittaa sydämen pinnan ulokekulmien eteen.

Kuvissa esitetty reaktori on tarkoitettu vain esi-5 merkiksi, joten keksintö käsittää kaikki ne erilaiset rakenteet, jotka tulevat kysymykseen konstruoitaessa varsia ja poikittaislevyjä tai niiden yhdistelmää ydinreaktorissa.

Claims (8)

74830

1. Kevytvesiydinreaktori, joka koostuu särmiönmuotoi-sista polttoaineyksiköistä (5), jotka on sovitettu vierek- 5 käin vaipan (8) sisäpuolelle, joka rajaa sivusuunnassa tilan, jonka läpi näissä yksiköissä pituussuunnassa kiertävä sydämen jäähdytysneste virtaa, jolloin reaktori käsittää kehäyksiköiden (22) ja vaipan (8) välissä poikkile-vyjä (18), jotka liittyvät kiinteästi vaippaan (8) ja joi-10 den sisä-ääriviiva seuraa sydämen ulkoääriviivaa, tun nettu siitä, että reaktori lisäksi käsittää kehäyksiköiden (22) ja vaipan (8) välissä yhdensuuntaisina mainittujen yksiköiden kanssa yhden tai useamman varren (17), jotka on sovitettu sydämen ympärille vapaasti liukuviksi 15 poikkilevyjen (18) rei'ityksissä ja toinen toisensa lähel le ja jotka seuraavat tarkasti sydämen (4) porrastettua ääriviivaa jäähdytysnesteen kierron kanavoimiseksi yhdessä poikkilevyjen kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reaktori, t u n - 20. e t t u siitä, että jotkut poikkilevyt (18) on sovitet tu samaan tasoon kuin ristikot (6), jotka pitävät polttoaineen sivusuunnassa jokaisessa yksikössä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että poikkilevyissä (18) on toi- 25 saalta reiät (18), jotka on jaettu varsien (17) ja vaipan (8) väliseen tilaan ja toisaalta hammastukset (24) sisä-ääriviivassa.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että varret (17) on alapäästään 30 upotettu sydämen (12) alalevyyn, johon myös polttoyksiköt (5) tukeutuvat.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää poikki-putket (40), jotka on sijoitettu poikkilevyjen (18) väliin 35 ja joihin varret (17) on työnnetty samanakselisesti siten, että tietty välys mahdollistaa vapaan lämpölaajenemisen. 11 74830

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että putket (40) ovat toistensa suhteen tangentiaaliset ainakin rivissä, joka seuraa sydämen ääriviivaa.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen reaktori, tunnettu siitä, että se käsittää sydämen ylälevyn (14), joka pidättää varsia (17) ja polttoaineyksiköitä (5) jäähdytysveden ylöspäin tapahtuvan kierron aikana.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen reaktori, t u n -10 n e t t u siitä, että varsien (17) pituus mahdollistaa niiden lämpölaajenemisen sydämen (14) ylälevyn alla, mahdollisesti jousen avulla. 74830