DE1278615B - Gasgekuehlter Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G 21 c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1278 615

Aktenzeichen: P 12 78 615.1-33 (G 33778)

Anmeldetag: 7. Dezember 1961

Auslegetag: 26. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasgekühlten Kernreaktor, umfassend ein Druckgefäß, im Bodenteil dieses Druckgefäßes einen Reaktorkern, zusammengesetzt aus langgestreckten, an einer Trägerplatte lotrecht aufgehängten Brennstoffelementen, und eine Kühlgasführung mit — in der Reihenfolge des Gasdurchflusses aufgezählt — einem Gaseinlaß am unteren Ende des Reaktorkernes, einem Ringkanal zwischen Druckgefäß und Reaktorkern, Umlenkflächen am oberen Ende des Reaktorkernes, Kühlkanälen zwischen den Brennstoffelementen und einem Gasauslaß wiederum am unteren Ende des Reaktorkernes.

Es ist ein Kernreaktor bekannt (französische Patentschrift 1206 080), bei dem Kühlgas längs der Seiten des Reaktors nach aufwärts strömt, dann nach unten durch den Reaktorkern fließt und schließlich an der Unterseite des Reaktors wieder ausströmt. Die Art und Weise der Umlenkung des Kühlgases oberhalb des Reaktorkernes ist nicht bekannt. Es ist ferner nicht bekannt, wie der obere Teil des Druckraumes bei diesem Reaktor ausgebildet ist und ob er von dem unteren Teil getrennt ist.

Es ist weiterhin ein gasgekühlter Kernreaktor bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 046 790), in dem der obere Teil des Druckgefäßes zur Aufnahme von Einrichtungen zur Handhabung und zur Speicherung von Brennstoffelementen ausgebildet ist. Das Kühlgas steigt bei diesem Kernreaktor zunächst aufwärts durch den Kern und wird dann an den Wänden des Druckgefäßes wieder abwärts geleitet und im unteren Teil des Reaktors entnommen. Ein derartiger Verlauf des Kühlgasstromes hat jedoch den Nachteil, daß der obere Teil des Druckgefäßes, in dem sich die Einrichtungen zur Handhabung und Speicherung der Brennstoffelemente befinden, nicht relativ kühl ist, sondern sogar durch das Kühlmittel erhitzt wird. Da die Brennstoffelemente bei diesem bekannten Reaktor auf einer unteren Trägerplatte ruhen, ist auch keine Trennwand zwischen dem oberen und unteren Teil des Druckgefäßes vorgesehen, die das Kühlgas an dem Einströmen in den oberen Teil des Druckgefäßes hindern würde.

Es ist weiterhin ein Kernreaktor bekannt (VDI-Z 101, 1959, Nr. 32, Seite 1480, Bild 32). Dieser bekannte Kernreaktor ist gasgekühlt. Der Reaktorkern ist bei diesem Reaktor im Bodenteil des Druckgefäßes untergebracht und aus langgestreckten, an einer Trägerplatte lotrecht aufgehängten Brennstoffelementen zusammengesetzt. Das Kühlgas wird durch einen Gaseinlaß am unteren Ende des Reaktorkernes eingeführt, durch einen Ringkanal zwischen dem Gasgekühlter Kernreaktor

Anmelder:

GuIf General Atomic Incorporated,

San Diego, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann und Dr. K. Fincke,

Patentanwälte, 8000 München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Peter Fortescue, Ranco Santa Fe, Calif.;

Cornin Lloyd Rickard,

Solana Beach, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 7. Dezember 1960
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Druckgefäß und dem Reaktorkern geleitet, an Umlenkflächen am oberen Ende des Reaktorkernes umgelenkt, dann zwischen den Brennstoffelementen abwärts geleitet und schließlich wieder an einem Gasauslaß am unteren Ende des Reaktorkernes entnommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gasgekühlten Kernreaktor der zuvor genannten Art in der Weise zu verbessern, daß sein Aufbau und seine Bedienung vereinfacht werden.

Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Umlenkflächen von der durch die eingehängten Brennstoffelemente abgedichteten Trägerplatte gebildet sind und daß in einem oberen, durch die Trägerplatte vom Kühlgasstrom abgetrennten Teil des Druckgefäßes ein, an sich bekannter, mit Handhabungsgeräten ausgerüsteter Speicher für Brennstoffelemente untergebracht ist.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß die Trägerplatte nunmehr eine Doppelfunktion ausübt, d. h. sie dient zur Umlenkung des ausströmenden Kühlgases und gleichzeitig als Halterung für die Brennstoffelemente. Die Trägerplatte verhindert, daß erwärmtes Kühlgas in den oberen Teil des Druckgefäßes einströmt, so daß hier Brennstoffelemente und Handhabungsgeräte gelagert wer-

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den können. Der Speicher für Brennstoffelemente ist nicht damit abgetan ist, einfach die Größe der Brennan sich bekannt (Nucleonics, Dezember 1959, FaIt- Stoffelemente heraufzusetzen, da hierbei eine erhebblatt zwischen Seite 68—75). Dadurch, daß die liehe Verminderung der Leistungsdichte eintreten Handhabungsgeräte bereits im Reaktor angeordnet würde. Vielmehr braucht man eine größere Anzahl sind, wird die Bedienung des Reaktors vereinfacht. 5 von Brennstoffelementen, deren Größe annähernd Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kern- die gleiche ist als die Größe von Brennstoffelementen reaktors besteht darin, daß eine Mehrzahl sich ver- bei kleineren Reaktoren. Beispielsweise verwendet tikal erstreckender Graphitzellen innerhalb des Reak- man in 150-MW-Reaktoren Brennstoffelemente der torkernes je ein Bündel von Brennstoffelementen auf- gleichen Größe wie bei 40-MW-Reaktoren. Die Hernehmen, ίο aufsetzung der Zahl der Brennstoffelemente bringt Der Graphit, aus dem die Zellen bestehen, dient neue Probleme mit sich, hat aber den Vorteil, daß zur Abbremsung der Neutronen in dem Reaktorkern, die Neutronenbilanz im Reaktorherz verbessert ist, und die Zellen als solche dienen dazu, das Kühlmittel und wegen dieser verbesserten Neutronenbilanz ist es gleichmäßig dem Brennstoffelement-Bündel zuzulei- möglich, eine halbautomatische Neubeschickung des ten, so daß das Kühlmittel voll ausgenutzt wird. Es 15 Reaktorherzens mit Brennstoffelementen durchzufühist zwar bekannt (deutsche Patentschrift 1054 603), ren.ZumBeispiel kann man Vs der in demHerzen voreine Mehrzahl von Brennstoffelementen mit einem handenen Brennstoffelemente jährlich erneuern; dies Metallblech zu ummanteln. Dieser Mantel dient je- ergibt insgesamt eine wirtschaftliche Betriebsweise doch nicht dazu, das Kühlmittel gleichmäßig auf die des Reaktors. Hinzu kommt, daß ein verringerter einzelnen Brennstoffstäbe eines Bündels zu leiten; 20 Aufbewahrungsraum für die Brennstoffelemente erer verhindert vielmehr nur den Aufwärtsfluß des forderlich ist. Es hat sich ergeben, daß dieser AufKühlmittels im Bereich außerhalb von ihm. Es sind bewahrungsraum innerhalb des Druckgefäßes des noch weitere mit Mäntel versehene Brennstoff- Reaktors ausgebildet werden kann, so daß die vielen elemente bekannt (USA.-Patentschrift 2 806 819 und Probleme, die sonst bei der Lagerung von Brenndeutsche Patentschrift 1054 603); aber auch diese 25 Stoffelementen außerhalb des Druckgefäßes des Mantel dienen nur dazu, die Brennstoffelemente zur Reaktors auftreten, vermieden werden. Abstützung zusammenzuhalten. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildungsform eines Eine andere zweckmäßige Weiterbildung des Reaktors macht man sich diesen Vorteil zunutze und Reaktorkernes kann darin bestehen, daß die Graphit- sieht einen Lagerungsraum für die Brennstoffelemente zellen auf Säulen abgestützt sind, die sich von einem 30 im oberen Teil des Gefäßes vor, während man die unteren Gitter aus nach oben erstrecken. Zirkulation des gasförmigen Kühlmittels durch das Die Figuren erläutern die Erfindung. Es stellt dar Reaktorherz auf die untere Hälfte des Gefäßes be-F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Reaktorgefäß schränkt und dadurch den oberen Teil in verhältnismit erfindungsgemäßen Kernreaktoren, mäßig kühlem Zustand hält.

F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht des unteren Teils 35 Betrachtet man Fig. 1, so erkennt man ein Druckdes Reaktorgefäßes, " gefäß innerhalb einer Betonkammer 14 mit einem

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie3-3 der Fig. 1, Anschluß an eine Versorgung des gasförmigen Kühl-Fig. 4 einen Schnitt nach Linie4-4 der Fig. 1. mittels (nicht eingezeichnet) und an einem Dampf-Der in den Figuren dargestellte Reaktor 10 ist ein generator zur Ausnützung des erhitzten Gases für Reaktor, bei dem Gaskühlung angewandt ist und bei 40 Leistungserzeugung. Die Anschlüsse an diesen Gedem die Brennstoffelemente 11 aus einer Mischung nerator sind über konzentrische Leitungen 16 und 18 von Brennstoff und Moderator aufgebaut sind, so daß hergestellt, die nächst dem Boden des Gefäßes ausjegliche Metallgehäuse oder Belegungen der Brenn- gebildet sind; die äußere Leitung 16 führt das Kühlstoffelemente vermieden sind. Das Reaktorherz ein- mittel dem Reaktorgefäß 12 zu, während die innere schließlich der Brennstoffelementenaufhängung, der 45 Leitung 18 das erhitzte Gas nach dem Dampfgenera-Reflektoren und der thermischen Abschirmungen ist tor führt. Vorzugsweise betreibt man den Reaktor so ausgebildet, daß das Kühlmittel längs der Seiten- wie in Fig. 4 dargestellt, mit einer Vielzahl von wände des Reaktorgefäßes nach oben steigt und dann Kraftanlagen, vorzugsweise vier, die über den Umdurch den die Brennstoffelemente aufnehmenden Teil fang des Reaktorgefäßes verteilt angeordnet sein des Herzens wieder nach unten strömt. Das aus dem 50 können.

Reaktorherz austretende Gas strömt einem Auslaß Der Boden des Reaktorgefäßes umfaßt eine Trag-

zu, der in Verbindung mit einem Dampfgenerator konstruktion 20 aus Stahl od. dgl. Auf dieser ruht od. dgl. steht und das erhitzte Gas zur Energieerzeu- das gesamte Reaktorherz einschließlich eines Bodengung verwendet. reflektors 22 aus Graphit, Seitenabschirmwänden 24

In dem hier beschriebenen Reaktor wurden keine 55 aus Graphit und einer Vielzahl thermischer Abbesonderen Anstrengungen gemacht, um alle Spalt- schirmungswände 26, welche zwischen der Außenprodukte innerhalb der Brennstoffelemente zurück- wand des Druckgefäßes 12 und den seitlichen Abzuhalten. Es ist vielmehr beabsichtigt, die Verun- schirmplatten untergebracht sind. Am oberen Ende reinigung dadurch herabzusetzen, daß verhältnis- des Reaktorherzens im Zentralbereich des Gefäßes ist mäßig undurchlässige Graphitbelegungen der Brenn- 60 eine Gitterplatte 28 angebracht, vorzugsweise aus Mestoffkörper in Verbindung mit einem gerichteten tall; die Gitterplatte dient der Aufhängung der Strom des gasförmigen Kühlmittels und einem Spalt- Brennstoffelemente und Kontrollstäbe und dient produkteinfangsystem verwendet werden, so daß die überdies als Kühlgasablenkorgan für das obere Ende Aktivität auf den Kern und/oder ein Spaltprodukt- des Reaktorherzens.

einfangsystem beschränkt bleibt und eine Verunreini- 65 Die Tragkonstruktion 20 aus Stahl sieht Durch-

gung des Kühhnittelprimärkreises nicht eintritt. gänge 30 vor, welche mit dem Einlaß 16 des Kühl-

Es hat sich gezeigt, daß bei Vergrößerung von mittels in Verbindung stehen, so daß die Bodenplatte

Kernreaktoren zur Erzielung höherer Leistung es durch das gasförmige Kühlmittel gekühlt wird, bevor

dieses zwischen den Metallplatten 26 der seitlichen Abschirmung und den Seitenwänden des Druckgefäßes 12 nach oben strömt. Sobald das gasförmige Kühlmittel das obere Ende des Reaktorherzens erreicht, wird es durch die obere Gitterplatte 28 nach dem Inneren des Kernes hin umgelenkt (Fig. 1 und 2) und sodann nach unten durch das Reaktorherz hindurch. Im Reaktorherz nimmt das Kühlmittel die durch die Kernreaktionen innerhalb des Reaktorherzens erzeugte Wärme auf. Wenn das Gas im unteren Teil des Reaktorherzens angelangt ist, so wird es durch den unteren Reflektor 22 umgelenkt und durch die innere Leitung 18 der beiden konzentrischen Leitungen nach dem Dampfgenerator geführt.

Wie bereits festgestellt, ist der beschriebene Reaktor bestimmt für den Betrieb mit Brennstoffelementen, bei denen Moderator und Brennstoff miteinander gemischt sind und bei denen kein metallisches oder ähnliches Gehäuse für die Elemente vorgesehen sind. Vorzugsweise schließt man die Brennstoffelemente in äußere Hülsen oder Gehäuse aus relativ wenig gasdurchlässigem Graphit ein, welche den Brennstoff einkapseln.

Im allgemeinen sind die Brennstoffelemente in Bündeln von je 9 Stück (F i g. 3) angeordnet; jedes Bündel ist in einer Zelle untergebracht, welche durch Trennwände 32 innerhalb des Kernes ausgebildet sind. Die oberen Enden eines jeden Bündels von neun Brennstoffelementen sind durch Aufhänger 34 in einem Aufhängerahmen 36 aufgehängt, der seinerseits auf der oberen Gitterplatte 28 getragen ist. In den Aufhängern 34 sind Kanäle ausgebildet, welche mit einer Axialbohrung der Brennstoffelemente in Verbindung stehen und andererseits mit einem Kanalsystem in den Aufhängerahmen 36. Kanalsysteme in den Aufhängerahmen 36 wiederum stehen in Verbindung mit einem Kanalnetz der Gitterplatte 28, und dieses Kanalnetz ist an Spaltproduktfallen angeschlossen, die in Form von Tanks 40 ausgebildet und an den Seitenwänden des Reaktorgefäßes in dessen oberem Teil aufgehängt sind. Es besteht somit eine kontinuierliche Spaltproduktventilation, welche den Aufbau von inneren Überdrucken in den Brennstoffelementen und dem Reaktorherz als Ganzem unterbindet.

Die Brennstoffelementenbündel sind jedes innerhalb einer der durch die Trennwände 32 gebildeten Zellen untergebracht und an ihren unteren Enden auf Säulen 42 gestützt, welche von der unteren Gitterplatte 22 getragen sind. Diese Anordnung sichert die Stellung der Brennstoffelemente innerhalb des Reaktorherzens, läßt aber dennoch ein gewisses Anwachsen oder eine Expansion der Brennstoffelemente zu. Die Tragrahmen 36 der Brennstoffelemente sind mit nach oben weisenden Tragköpfen 44 ausgerüstet, welche von Greifern 46 eines Brennstoffelemententransportmechanismus 48 erfaßt werden können. Dieser Transportmechanismus ist in der Lage, jedes Brennstoffelementenbündel als Ganzes zu erfassen.

Die Trennwände 32, welche die Zellen innerhalb des Reaktorherzens bilden, verhindern Kurzschlußströmungen des Kühlmittels und stellen sicher, daß die Strömung durch jedes Brennstoffelementenbündel in der richtigen Weise stattfindet. Die Trennwände können als monolithische Teile ausgebildet sein, sie können aber auch aus einzelnen Teilen zusammengesetzt sein, die übereinander gestapelt sind. Zweckmäßig ist jedes zweite Bündel innerhalb einer Zelle eingeschlossen, welche durch vier umgebende, ebenfalls Zellen bildende Kästen definiert ist.

Der untere Graphitreflektor ist teilweise von den Brennstoffelementen selbst dargestellt, welche eine untere Verlängerung 50 aus Graphit aufweisen; teilweise wird er von dem unteren Gitter 22 und den Tragsäulen 42 der Trennwände 32 gebildet. Jede Zelle ruht an zwei einander diagonal gegenüberliegenden Ecken auf je einer solchen Säule auf. Die oberen Enden der Trennwände werden durch Metallkeile od. dgl. in Position gehalten, welche von der oberen Gitterplatte nach unten stehen und in Ausnehmungen der Trennwände eingreifen.

Der Aufbau des Reaktorherzens ist also ein solcher, daß eine Zunahme des gesamten Reaktorherzens gebunden ist an diejenige des Druckgefäßes am Boden und an der oberen Gitterplatte. Eine Expansion des Druckgefäßes verursacht also nur kleine und gleichmäßige Änderungen in der Position der Zellen und Trennwände, während der grundsätzliche Aufbau erhalten bleibt. Dadurch, daß das gasförmige Kühlmittel, etwa Helium, durch das Reaktorherz nach unten strömt, bleibt der obere Teil des Gefäßes verhältnismäßig kühl und ist verfügbar für die Unterbringung von verbrauchten Brennstoffelementen und für Spaltprodukteneinfangtanks. Der angegebene Strömungsverlauf des Kühlmittels ist auch insofern von Vorteil, als er die seitlichen Reflektoren 24 wirksam kühlt und die Notwendigkeit druckdichter Reflektoren längs der Seiten des Reaktorherzens ausschließt. Die Druckdifferenz zwischen dem einströmenden Gas und dem durch das Zentrum des Reaktorherzens herabströmenden Gas wird durch die Metallplatten 26 aufgenommen, welche eine thermische Abschirmung um das Reaktorherz herum bilden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gasgekühlter Kernreaktor umfassend ein Druckgefäß, im Bodenteil dieses Druckgefäßes einen Reaktorkern, zusammengesetzt aus langgestreckten, an einer Trägerplatte lotrecht aufgehängten Brennstoffelementen, und eine Kühlgasführung mit — in der Reihenfolge des Gasdurchflusses aufgezählt — einen Gaseinlaß am unteren Ende des Reaktorkernes, einem Ringkanal zwischen Druckgefäß und Reaktorkern, Umlenkflächen am oberen Ende des Reaktorkernes, Kühlkanälen zwischen den Brennstoffelementen und einem Gasauslaß wiederum am unteren Ende des Reaktorkernes, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkflächen von der durch die eingehängten Brennstoffelemente (11) abgedichteten Trägerplatte (28) gebildet sind und daß in einem oberen, durch die Trägerplatte (28) vom Kühlgasstrom abgetrennten Teil des Druckgefäßes ein, an sich bekannter, mit Handhabungsgeräten (36, 40, 46, 48) ausgerüsteter Speicher für Brennstoffelemente (11) untergebracht ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl sich vertikal erstreckender Graphitzellen (32) innerhalb des Reaktorkernes je ein Bündel von Brennstoffelementen (11) aufnehmen.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitzellen (32) auf Säulen (42) abgestützt sind, die sich von einem unteren Gitter (32) aus nach oben erstrecken.