DE1280428B - Kernreaktor-Moderatoraufbau - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Inta.:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1280 428

Aktenzeichen: P 12 80 428.3-33 (C 28259)

Anmeldetag: 24. Oktober 1962

Auslegetag: 17. Oktober 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor-Moderatoraufbau, bestehend aus zu einzelnen miteinander verbundenen Säulen zusammengefaßten Blöcken aus Moderatormaterial mit von einem Kühlmittel durchströmten zylindrischen Längskanälen, in deren Wandung durchlaufende Nuten eingearbeitet sind, wobei in die Kanäle Brennstoffelemente, deren Oberfläche mit Kühlrippen besetzt sind, unter Anlage der Kühlrippen an die Kanalwand, eingesetzt sind. ίο

Kernreaktoren mit einem Moderatoraufbau dieser Art sind in der britischen Patentschrift 791 011 sowie in dem »Directory of Nuclear Reactors« in Band 1 auf den Seiten 114, 134 und 164 beschrieben. Dabei dienen die in die Längskanäle der einzelnen Moderatorblöcke eingearbeiteten Nuten der Führung der in die Kanäle eingesetzten Brennstoffelemente, wozu diese Brennstoffelemente Ansätze aufweisen, die in die Nuten eingreifen und diese vollständig ausfüllen. Ähnliche Führungsnuten gibt es ao auch bei den in den britischen Patentschriften 844 884 und 858 247 beschriebenen Moderatorblöcken; auch in diesen Fällen werden also die Nuten in den Moderatorblockkanälen von Ansätzen an den in den Kanälen befindlichen Brennstoffelementen ausgefüllt, so daß für den Durchtritt des Kühlmittels durch die Reaktorkanäle nur der jeweils zwischen den Brennstoffelementen bzw. ihren Rippen einerseits und den Kanalwänden andererseits eingeschlossene freie Raum verbleibt.

Moderatorblöcke, die auf einem Teil ihrer Länge zusätzlich zu einem Längskanal mit an diesen angrenzenden Nuten versehen sind, sind auch in der deutschen Patentschrift 1031439, der britischen Patentschrift 790 688 und der USA.-Patentschrift 2 782158 beschrieben. In diesen Fällen sind die Nuten jedoch als Einlasse bzw. Auslässe für das Kühlmittel gedacht, wobei sie diesem im Falle der deutschen Patentschrift 1031439 außerdem eine Zirkularströmung aufprägen sollen, die ihrerseits zu einer entsprechenden Drehbewegung der in Kugelform vorliegenden Brennstoffelemente führen soll. Gemäß der USA.-Patentschrift 2 782158 dient der Kühlmittelstrom gleichzeitig dem Transport des Brennstoffs, der in Form einer in dem Kühlmittel mitströmenden Suspension vorliegt. In allen drei Fällen dienen die Nuten in den Kanälen der Moderatorblöcke lediglich der Einspeisung bzw. der Ableitung des Kühlmediums, ohne auf die gesamte Länge des Kanals den für den Durchtritt dieses Kühlmediums zur Verfügung stehenden freien Querschnitt zu vergrößern.

Kernreaktor-Moderatoraufbau

Anmelder:

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht,

Patentanwälte,

8000 München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

lean Forestier, Montrouge, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 10. November 1961 (878 622)

Allen oben beschriebenen Bauweisen für den Moderator eines Kernreaktors ist also der eine Umstand gemeinsam, daß der Querschnitt für den Durchtritt des Kühlmittels über den gesamten Reaktorkanal im wesentlichen gleich ist und sich nicht verändern läßt. Steht man daher vor der Aufgabe, eine Steigerung der Reaktorleistung durch Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes durch die einzelnen Reaktorkanäle zu erzielen, so bleibt nur der Weg, die Leistung der die Kühlmittelströmung bewirkenden Gebläse oder Pumpen entsprechend zu erhöhen, um eine entsprechende Steigerung der Kühlmittelgeschwindigkeit und einen Ausgleich der Druckverluste beim Durchtritt des Kühlmittels durch die freien Räume im Kanalinneren zu erhalten.

Diese Lösung für die Leistungssteigerung bei einem bereits bestehenden Reaktor ist jedoch äußerst unbequem, da sie einerseits einen Austausch der Gebläse und Pumpen, d. h. also sehr umfangreicher Aggregate, voraussetzt und außerdem auch Umbauten an den mit dem Kühlmittelstrom in Berührung kommenden Wärmeaustauschern verlangt. Der Erfindung liegt daher ausgehend von dem oben genannten Stande der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Moderatoraufbau für einen Kernreaktor anzugeben, bei dem ein erhöhter Kühlmitteldurchsatz

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durch die Reaktorkanäle möglich ist, ohne daß es dazu einer Leistungssteigerung der den Kühlmittelstrom bewirkenden Gebläse oder Pumpen bedarf.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Moderatoraufbau der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlrippen der Brennstoffelemente zwischen den Nuten, also an den stehengebliebenen Teilen der Kanalwand, zur Anlage kommen.

Das Grundprinzip der Erfindung liegt also in einer Steigerung des für den Durchtritt des Kühlmittels durch die Reaktorkanäle zur Verfugung stehenden Querschnitts durch die zusätzlich vorgesehenen, in die Längskanäle eingearbeiteten Nuten. Dabei wird diese Vergrößerung des Durchtrittsquerschnitts erreicht, ohne daß man eine Beeinträchtigung der Führung und Halterung der Brennstoffelemente in den Längskanälen der Moderatorblöcke befürchten müßte.

Die Fom der Nuten in den Längskanälen hängt selbstverständlich von der Gestalt der in diese Kanäle einzusetzenden Brennstoffelemente bzw. der Anbringung ihrer Kühlrippen ab. So empfiehlt es sich beispielsweise bei Brennstoffelementen mit in Richtung ihrer Längsachse verlaufenden Kühlrippen, die Nuten schraubenlinienförmig auszubilden. Bei Brennstoffelementen mit quer zur Längsachse verlaufenden Rippen sind dagegen Nuten, die in Richtung der Längsachse verlaufen, bevorzugt, wobei diese auch noch herstellungstechnische Vorteile bieten. Schließlich besteht noch die Möglichkeit, auch die Tiefe und/oder die Breite der Nuten von einem Ende des Kanals bis zu dessen anderem Ende zu ändern, beispielsweise um durch die Änderung des Nutenquerschnittes eine Sicherung gegen das Ausstoßen der Brennstoffelemente durch den Druck des Kühlmediums zu verhindern.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nunmehr zwei Ausführungsspiele beschrieben, die in der Zeichnung veranschaulicht und einer bekannten Ausführung gegenübergestellt sind; es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines bekannten Moderatorblockes der üblichen Art mit regelmäßigem Sechseck-Querschnitt, der einen zylindrischen Längskanal zur Aufnahme der Brennstoffelemente aufweist,

Fig. 2 eine der Darstellung in Fig. 1 entsprechende Darstellung eines Moderatorblockes mit einem zentralen Kanal, der gemäß der Erfindung in seiner Innenwand eine schraubenlinienförmige Nut aufweist,

F i g. 3 eine entsprechende Darstellung eines Moderatprblockes, der eine gerade Längsnut an der Innenwand des Kanals enthält.

Der bekannte Moderatorblock 10 mit sechseckigem Querschnitt, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, wird mit anderen nicht dargestellten Blöcken gleicher Form zur Bildung einer Moderatorsäule benutzt. Bei den heute üblichen Reaktoren mit festem Moderator bestehen die Blöcke im allgemeinen aus Graphit; die Erfindung läßt sich aber ebensogut bei Blöcken aus einem anderen Material verwenden, beispielsweise aus Beryllium. Die Erfindung kann bei Blöcken mit irgendeinem geraden prismatischen Querschnitt angewendet werden, die gegebenenfalls mit seitlichen Verbindungsfedern oder -nuten versehen sind, die zur gegenseitigen Sicherung der Lage der eng aneinandergesetzten Blöcke der Moderatorsäulen bestimmt sind. Die Säulen können innerhalb des Reaktors sowohl vertikal als auch horizontal angeordnet sein.

Der Block 10 enthält eine Längskanalbohrung 12, die zur Aufnahme der Brennstoffelemente oder -patronen 14 dient, deren Hülle in der Fig. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist. Durch das koaxiale Aneinandersetzen der Bohrungen der Blöcke der gleichen Säule entsteht ein Brennstoffkanal, der

ίο durch den Moderatoraufbau von einerbis zur anderen Seite hindurchführt und von einem Strömungsmedium durchströmt wird, das die in den Brennstoffelementen 14 entstehende Wärme abführt. Die Brennstoffelemente werden in axialer Richtung gegenüber den Blöcken durch übliche Haltevorrichtungen abgestützt, deren Beschreibung nicht erforderlich ist, da sie keine Beziehung zum Gegenstand der Erfindung haben. Bei der dargestellten Ausführungsform des Moderatorblockes stützen sich die Elemente 14 durch Rippen 16 ihrer Hülle auf die Innenwand der Längskanalbohrung 12 ab.

Die oben geschilderte Anordnung wird im allgemeinen bei Reaktoren verwendet, in denen Strangpreß-Graphit als Material der Blöcke benutzt ist.

as Diese Anordnung hat einen Nachteil: Der Durchtrittsquerschnitt des Kühlmediums ist durch die Form des Brennstoffelementes bzw. der Brennstoffpatrone bestimmt. Wenn man Brennstoffelemente einer gegebenen Gestalt in einem neu projektierten Reaktor verwenden will und der Kühlmittel-Durchtrittsquerschnitt festgelegt ist, kann man die aus dem Generator abzuführende Wärmeleistung nur durch Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erhöhen, was angesichts des dabei wachsenden Strömungswiderstandes nur durch eine Vergrößerung der Leistung der Gebläse oder Pumpen möglich ist. In gleicher Weise bedingt die Erhöhung der Reaktorleistung während des Betriebes eine Vergrößerung des Kühlmitteldurchsatzes und damit ebenfalls eine Steigerung der Gebläse- oder Pumpenleistung.

Die Erfindung macht es im Gegensatz hierzu möglich, den Durchtrittsquerschnitt des Kühlmediums in einem Kanal und damit den Strömungsdruckverlust zu ändern.

Die Fig. 2 zeigt einen Moderatorblock eines ersten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung; einander entsprechende Teile sind in den F i g. 1 und 2 mit jeweils gleichen Bezugszeichen versehen worden; die entsprechenden Bezugszeichen in F i g. 2 sind mit einem Strich-Index versehen. Der prismatische Moderatorblock 10' enthält eine Bohrung 12', in deren Wand eine oder mehrere schraubenlinienförmige Nuten 18 vorgesehen sind, die sich von einem bis zum anderen Ende der Bohrung 12 erstrecken und den Querschnitt für den Durchtritt des Kühlmediums vergrößern. Um die Darstellung genügend klar zu halten, ist nur eine Nut mit sehr großer Steigung dargestellt. Tatsächlich werden im allgemeinen mehrere Nuten 18 vorgesehen. Diese Nuten können entweder sämtlich den gleichen Windungssinn und die gleiche Ganghöhe aufweisen, es können aber auch jeweils zwei Nuten einen einander entgegengesetzten Windungssinn haben. Die Ganghöhe und der Umfangsabstand der Nuten müssen natürlich so gewählt sein, daß die stehenbleibenden Wandteile oder Felder der Bohrungs-Innenwand eine einwandfreie Abstützung der Brennstoffelemente 14' gewährleisten.

Das soeben beschriebene Ausführungsbeispiel ist vor allem bei der Verwendung von Brennstoffelementen geeignet, die gerade Längsrippen 16' aufweisen.

Die Ausführungsform, wie sie die F i g. 3 zeigt, ist anderseits geeignet für Brennstoffelemente mit Queroder Umfangsrippen in Schraubenlinienform oder abgewinkelten Rippen, im allgemeinen also für Rippen, die sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung erstrecken.

In der F i g. 3 sind die einzelnen Teile wiederum mit den sinngemäß gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die aber einen Doppelstrich-Index tragen.

Der Moderatorblock 10" hat eine Längsbohrung 12", in der eine oder mehrere gerade Längsnuten 18" vorgesehen sind. Die Nuten erstrecken sich von einem bis zum anderen Ende der gesamten Säule und ergeben einen zusätzlichen Querschnitt zu dem innerhalb der Bohrung vorhandenen Durchtrittsquerschnitt. Die Nuten, wie sie in den F i g. 2 und 3 dargestellt sind, können entweder in der bereits zusammengebauten Moderatorsäule des Moderatoraufbaues hergestellt werden, oder in den einzelnen Blöcken vor ihrem Zusammensetzen. Im zweiten Fall ist es natürlich notwendig, daß die Ganghöhe der Schraubenliniennuten so gewählt wird, daß die Nutenmündungen an den Stirnseiten der Blöcke zweier benachbarter Blöcke einander genau oder fluchtend gegenüberliegen. Da bei Blöcken mit sechseckigem Querschnitt die Umfangs-Symmetriezahl der Blöcke 6 ist, muß man entweder eine entsprechende Anzahl von Nuten in den Blöcken vorsehen oder beim Zusammensetzen der Blöcke auf deren winkelmäßige Ausrichtung innerhalb der gleichen Säule achten, damit die Nuten an den Berührungsstellen der Blöcke miteinander fluchten.

Die Anzahl und der Querschnitt der Nuten werden unter Berücksichtigung der Festigkeit des Materials und der Strömungseigenschaften der Kühlmedien bestimmt. Einerseits soll der Block durch die Nuten nicht übermäßig geschwächt werden, und die Brennstoffelemente müssen durch ihr Abstützen über die Rippen in den stehenbleidenden Teilen der Bohrung genau zentriert sein. Anderseits nimmt bei dem Einarbeiten von Nuten, die den Durchtrittsquerschnitt erhöhen, die von dem Strömungsmedium »benetzte« Umfangsfiäche zu, deren Einfluß auf den Druckverlust entgegengesetzt der Querschnittsvergrößerung ist.

Beispielsweise läßt sich die Erfindung zur nachträglichen Verbesserung der Wärmeabfuhr eines Reaktors verwenden, dessen zylindrische Kanäle nach dem Einsetzen der Elemente dem als Kühlmedium verwendeten Gas einen Durchschnittsquerschnitt von 28 cm² bei einer »benetzten« Umfangslinie von 67 cm darbieten. Das nachträgliche Einarbeiten von acht Schraubenliniennuten von 1 cm Breite und Tiefe, deren Steigung zweckmäßigerweise 45° beträgt, erhöht den Durchtrittsquerschnitt um 20 °/o und vermindert den linearen Druckverlust oder Druckabfall um etwa 28°/o bei dem gleichen Kühlmedium-Durchsatz, wobei bereits die Verringerung des hydraulischen Durchmessers berücksichtigt ist.

Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, daß eine sorgfältige Bestimmung des Verlaufes der Nuten eine Verbesserung des Wärmeaustausches zwischen dem Kühlmedium und den Rippen der Brennstoffelemente möglich macht. Diese Verbesserung läßt sich beurteilen, wenn man eine grundsätzliche Analogie zwischen dem mit Nuten versehenen Kanal und Brennstoffelementen mit polyzonaler Hülle berücksichtigt. Bei einer solchen polyzonalen Brennstoffhülle strömt das Kühlmedium längs der Hülle in schraubenlinienförmigen Teilkanälen, die von den

ίο Rippen der Hülle begrenzt sind. In Längsrichtung angeordnete Abweisflächen stören absatzweise die Stetigkeit dieser Teilkanäle und zwingen das erwärmte Kühlmedium, in längsgerichtete Teilkanäle von größerem Querschnitt zu fließen, in denen der Durchflußwiderstand kleiner ist.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Nuten ist entlang der Hülle der Brennstoffelemente zwischen zwei Längsrippen ein Teilkanal vorhanden, zu dessen Durchflußquerschnitt sich ab-

ao satzweise der des Teilkanals addiert, der durch die in die Wand der Bohrung eingearbeitete Nut hinzukommt. Diese abwechselnde Querschnittsänderung der für den Durchtritt des Kühlmediums zur Verfügung stehenden Teilkanäle begünstigt den Aus-

S5 tausch des im Kontakt mit der Hülle und dem tieferen Teil der Rippen erhitzten Kühlmediums durch kälteres Kühlmedium, das in den Nuten des Moderatorblockes strömt.
Obgleich nur zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, dürfte klar sein, daß die Erfindung auch solche Maßnahmen und Anordnungen umfaßt, die im Rahmen der für den Fachmann naheliegenden Äquivalente bleiben.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Moderatoraufbau, bestehend aus zu einzelnen miteinander verbundenen Säulen zusammengefaßten Blöcken aus Moderatormaterial mit von einem Kühlmittel durchströmten zylindrischen Längskanälen, in deren Wandung durchlaufende Nuten eingearbeitet sind, wobei in die Kanäle Brennstoffelemente, deren Oberflächen mit Kühlrippen besetzt sind, unter Anlage der Kühlrippen an die Kanalwand, eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (16', 16") der Brennstoffelemente (14', 14") nur zwischen den Nuten (18, 18"), also an den stehengebliebenen Teilen der Kanalwand (12', 12"), zur Anlage kommen.

2. Moderatoraufbau nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffelemente in Richtung der Längsachse verlaufende Rippen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (18) schraubenlinienförmig ausgebildet sind.

3. Moderatoraufbau nach Anspruch 1, bei dem die Brennstoffelemente quer zur Längsachse verlaufende Rippen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (18") in Richtung der Längsachse verlaufen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 790 688, 791011,
844 884, 858 247;

USA.-Patentschrift Nr. 2 782158;
Directory of Nuclear Reactors, Vol. I, »Power Reactors«, 1959, S. 114, 134, 164.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 627/1150 10.68 Bundesdruckerei Berlin