DE2005868B2 - Einrichtung zur Dosierung des Kühlmitteldurchflusses in Brenn- oder Brutstoffelementen von Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Dosierung: des Kühlmitteldurchflusses in Brenn- oder Brutstoffelementen von Kernreaktoren, wobei Gruppen von Spaltstoffelementen gleichen Kühlmitteldurchsatzes an je einen unterhalb des Reaktorkernes angeordneten, gemeinsamen Kühlmittelzuführungskanal angeschlossen sind und wobei dieser Kanal über eine einstellbar« Drossel mit der Kühlmitteleintrittsseite des Reaktors verbunden ist.

Die in Brenn- und/oder Brutstoffelementen von Kernraktoren erzeugte Wärme wird durch das Reaktorkühlmittel abgeführt und normalerweise über Wärmetauscher und Dampfturbinen in elektrische Energie umgeformt. Als Kühlmittel werden üblicherweise Wasser, Gase, wie z. B. Kohlendioxid oder flüssiges Metall, verwendet. Letzteres findet vor allem bei schnellen Brutreaktoren Verwendung, da dort die

ic abzuführende spezifische Wärmeleistung im Reaktorkern außerordentlich hoch ist. In allen Fällen aber muß angestrebt werden, die Austrittstemperatur des Reaktorkühlmittels auf möglichst hohes Temperaturniveau zu bringen und damit einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu erreichen.

Da ein Reaktorkern aus einer Vielzahl von einzelnen Spaltstoffelementen aufgebaut ist, von denen jedes von einem Teil des Gesamtkühlmittelstromes durchflossen ist, muß auch bei unterschiedlicher Wärmeentwicklung in den einzelnen Spaltstoffelementen dafür gesorgt werden, daß die Austrittstemperatur aus allen Spaltstoffelementen einigermaßen konstant und gleich ist. Dies wird in üblicher Weise dadurch erreicht, daß der Kühlmitteidurchfluß in Spaltstoffelementen mit geringerer Wärmeleistung durch Drosselstellen entsprechend vermindert wird. Dieses Ziel kann — allerdings mit ziemlich großem technischem Aufwand — dadurch erreicht werden, daß bestimmte Spaltstoffelementgruppen mit niedrigerer Wärmeleistung eine eigene Kühlmittelzuführung erhalten, in der der Durchsatz des Kühlmittels einstellbar ist. Vorschläge dieser Art sind z.B. aus den DE-AS 10 71 854 und 11 13 761 bekannt. Konzentrisch liegende Bereiche des Reaktorkernes werden mit unterschiedlichen durch Drosseleinrichtungen einstellbaren Kühlmittelmengen versorgt. Bei gemeinsamer Kühlmittelzuführung zu allen Spaltstoffelementen ist es möglich, alle diese Elemente mit einzelnen von außerhalb des Reaktors einstellbaren Drosseleinrichtungen zu versehen. Siehe dazu die französische Patentschrift 12 36 628, wonach vor dem Einsatz des jeweiligen Brennelementes eine Gewindehülse durch Drehen vertikal verschoben wird und dabei die Kühlmitieleintrittsöffnung eines den Brennelementfuß aufnehmenden Rohres mehr oder weniger abdeckt.

Eine Bestätigung solcher Drosselstellen an eingesetzten Spaltstoffelementen von außerhalb des Reaktorkessels ist praktisch nicht durchführbar. Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Lösung dieses Drosselproblems zu finden, die während des Abbrar.des der Spaltstoffelemente und damit einer entsprechend sich ändernden Wärmeentwicklung eine Verstellung nur möglichst weniger solcher Einrichtungen notwendig macht. Ein Auswechseln von Teilen (DE-AS 1113 761) sollte dabei unbedingt vermieden werden.

Diese Aufgabe und bei der eingangs genannten Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Drossel durch den Fußpunkt wenigstens eines Spaltstoffelementes einer Gruppe gebildet ist und da8 diese Drossel durch Verdrehung des Fußpunktes um die Spaltstoffelementachse einstellbar ist.

Der Ausdruck »Spaltstoffelemente« wird hier ganz allgemein für alle Aufbauelemente des Reaktorkernes verwendet, die mit den durch die Kettenreaktion gebildeten Neutronen in Wechselwirkung stehen. Sie

t>5 umfassen damit vor allen Dingen auch die sogenannten Brutstoffelemente, in denen durch Neutronenabsorption neuer Spaltstoff entsteht. Gerade bei Ihnen ergeben sich im Laufe der Betriebszeit durch diesen Voreane

Änderungen in der Wärmeenlbindung, so daß insbesondere bei diesen eine Nachjustierung der Kühlmittelströmung notwendig ist. Zur besseren Veranschaulichung dieses Erfindungsgedankens sei auf die F i ^. 1 und 2 verwiesen, in denen ein mögliches Ausführungsbeispiel in seinen wesentlichsten Einzelheiten näher dargestellt ist.

F i g. 1 zeigt eine von unten gesehene schematische Darstellung des Reaktorkerns eines schnellen Brutreaktors. Der Reaktorkern ist in diesem Beispiel nach einer Sechseckgeometrie aufgebaut und hat einen zentralen Kern 1, der aus Spaltstoffelementen 11 aufgebaut ist. Die Spaltstoffelemente selbst haben einen sechseckigen Querschnitt, liegen dicht an dicht, und gehen an ihrem unteren und oberen Ende in einen runden Querschnitt über. Der Bereich 2 des Kernreaktors, der mantelförmig zur Kernbrennstoffzone 1 angeordnet ist, besteht aus Brutitoffelementen 21 und 22. Dabei fungieren die Brutstoffelemente 22 gleichzeitig als Drosseln für den Kiihlmittelzufluß zu den anderen Brutstoffelementen 21. Durch Stege 31 sowie durch eine unterhalb der Kerntragplatte angeordneten Platte 32 sind Kühlmittelzuführungskanäle 3 gebildet, an die jeweils eine Gruppe von Brutstoffelementen 21 angeschlossen ist, die während des Reaktorbetriebes ein praktisch gleiche Brutrate aufweisen. Die außerhalb der dargestellten Kanäle 3 angeordneten Brutstoffelemente 21 haben eine so geringe Brutrate, daß der Kühlmitteldurchsatz in diesen Bereichen nicht verstellt werden muß. Es genügt, daß der segmentförmige Raum zwischen der Platte 32 und der Kerntragplatte nur durch einige kleine Bohrungen als Drosselstellen mit dem Kühlmittelzuführungsraum 34 unterhalb der Platte 32 Verbindung hat. Mit diesem Raum haben außerdem die Brutelemente 22 bzw. die Fußstruktur derselben Verbindung. Wie in der Fi g. 2 — sie stellt einen Schnitt entlang der Linie H-II von F i g. 1 dar — in einem Querschnitt dargestellt, ist die Platte 32 an diesen Stellen mit entsprechenden Bohrungen 32a versehen.

In dieser Figur ist nun diese Einrichtung zur Dosierung des Kühlmitteldurchflusses als Längsschnitt durch einen Teil der Kerntragplatte dargestellt. Diese Tragplatte besteht in diesem Beispiel aus den Gitterplatten 4 und 4', die in der dargestellten Weise durch Gitterplattenrohre 41 miteinander verbunden sind. Damit erhält die Kerntragplatte bei geringstmöglichem Gewicht die benötigte Festigkeit. Die Gitterp'"'«enrohre 41 dienen dabei nicht nur als Konstruktionselement, sondern auch zur Zuführung des Kühlmittels zu den Spaltstoffelementen.

Unterhalb dieser Kerntragplatte ist für die Ausbildung der Kühlmittelzuführungskanäle 3 eine Platte 32 eingezogen, die durch Stege 31, siehe F i g. 1, gegenüber der Kerntragplatte abgestützt ist und damit die Kühlmittelzuführungskanäle 3 für die einzelnen Brennstabgruppen bildet. Diese Zwischenwand 32 ist an jenen Stellen, an denen Spaltstoffelemente mit Drosselsteilen eingesetzt werden sollen, mit Bohrungen 32a gegenüber den entsprechenden Gitterplattenrohren 41 versehen. Außerdem sind an diesen Stellen die Gitterplattenrohre 41 bis unter diese Zwischenplatte 32 verlängert und mit 41a bezeichnet. Oberhalb der Kerntragplatte sind sie durch Gitterplatteneinsätze 43 verlängert. In diese werden die Spaltenstoffelemente 21 bzw. 22 eingesetzt und durch kolbenringartige Einrichtungen 53 am zylindrischen Fuß 52 abgedichtet. Ein konisches Teil 51 bildet den Übergang zum sechseckigen Teil der Sualtstoff elemente.

Der zylindrische Fuß 52 des Spaltstoffelementes ist nach unten durch ein zylindrisches Teil 54 verlängert, das eine große seitliche öffnung 56 enthält. Mit diesem Teil 54 greift der Spaltstoffelementfuß über ein inneres Einsatzrohr 45, das mit dem Gitterplattenrohr 41a bzw. dem Gitterplatteneinsatz 43 über Rippen 44 konzentrisch verbunden ist. Dieses innere Einsatzrohr hat in Höhe der öffnung 56 des Spaltstorfelementfußes 54 an seinem Umfang eine Reihe von seitlichen öffnungen 46 to abgestufter Größe, im Falle des hier vorgesehenen sechseckigen Brennelementes sind es sechs Öffnungen, die durch Drehung desselben um jeweils 60° zur Deckung mit der öffnung 56 des Spaltstoffelementfußes gebracht werden können. Oberhalb des inneren Einsatzrohres 45 ist der Spaltstoffelementfuß 54 durch eine Querwand 57 für den direkten Kühlmitteldurchfluß gesperrt. Darüber sind seitliche Bohrungen 58 vorgesehen, durch die die benötigte Kühlmittelmenge für das jeweilige Element nach oben strömen kann. Das innere Einsatzrohr 45 ist mit dem äußeren 41a — auch Gitterplattenrohr genannt — in der Höhe der unteren Platte 32 mit einer Kolbenringdichtung 48 verbunden. Das äußere Rohr 41a ist zum Kühlmittelzuführungskanal 3 hin mit seitlichen großen öffnungen 47 versehen.

Die Wirkungsweise dieser beschriebenen Einrichtung ist nun kurz folgende: Das frische Kühlmittel tritt in den Raum 34 zwischen der unteren Platte 32 und dem Reaktorkesselboden 33 ein, strömt durch die öffnung 49 in das innere Einsatzrohr 45, steigt in demselben hoch

■ίο und tritt durch jene öffnung 46, die dem Fenster 56 des Spaltstoffelementfußes gegenübersteht, nach der Seite aus, strömt zu einem kleinen Teil durch die Bohrungen 58 durch dieses Spaltstoffelement nach oben, zum größten Teil aber im Zwischenraum zwischen den Einsatzrohren 45 und 41 a nach unten, und tritt durch die seitliche öffnung 47 des letzteren in den betreffenden Kühlmittelzuführungskanal 3 aus. Aus diesem Kanal 3 steigt es in den normalen Gitterplattenrohren 41 nach oben und durch die auf den Gitterplatteneinsätzen 42 aufsitzenden, ungedrosselten Brenn- oder Brutstoffelemente. Diese sind mit 21 bezeichnet. Ihr Fuß besitzt anstelle des vielfach durchbrochenen Rohres 54 ein glattes Zylinderrohr 55, das in seinem Inneren mit einer fest eingestellten Drossel 59 versehen sein kann.

Letztere kann, wenn erforderlich, außerhalb des Reaktorkernes in ihrem Durchlaßwert verändert werden.

Das Wesentliche an dieser Konstruktion ist, daß durch Verdrehen eines einzigen Spaltstoffelementes in

so seinem Sitz innerhalb der Kerntragplatte der Strömungsdurchfluß durch eine ganze Gruppe von Spaltstoffelementen eingestellt werden kann. Pei der im vorliegenden Fall gewählten Sechseckgeometrie der Spaltstoffelemente muß zu diesem Zweck das betreffende Spaltstoffelement aus dem Reaktorkern nach oben herausgezogen werden, dann um 60° verdreht und in dieser Stellung wieder nach unten abgesetzt werden. Dies ist notwendig, da ja die Spaltstoffelemente praktisch ohne Zwischenraum nebeneinander im Reekie torkern eingesetzt sind. Selbstverständlich könnte auch eine quadratische Geometrie der Spaltstoffelemente vorgesehen sein, dieje würde aber nur vier Verstellmöglichkeuen für die Drosseleinrichtung zulassen. Für den Fall, daß es möglich ist, Spaltstoffelemente mit

Iv") Zylindergeometrie zu verwenden, wäre eine Verdrehung der Spaltstoffelemente an Ort und Stelle möglich, ohne sie aus dem Reaktorkern herauszunehmen. In diesem Falle könnten auch die verschieden großen

Seitenbohrungen 46 im inneren Einsatzrohr 45 durch einen keilförmig gestalteten Schlitz ersetzt werden, so daß dadurch eine völlig stufenlose Einstellung des Kühlmitteldurchsatzes bzw. der Drosselwirkung möglich wäre.
Dieses neue Konstruktionsprinzip ist selbstverständlich unabhängig von Reaktorsystem und Kühlmittelart, es ist jedoch besonders vorteilhaft bei Brutreaktoren, insbesondere schnellen Brütern mit Natriumkühlung, bei denen eine Veränderung der Durchströmungsverhältnisse von Spaltstoffelementgruppen während der Betriebsdauer nicht zu umgehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Dosierung des Kühlmitteldurchfiusses in Brenn- oder Brutstoffelementen von Kernreaktoren, wobei Gruppen von Spaltstoffelementen gleichen Kühlmitteldurchsatzes an je einen unterhalb des Reaktorkernes angeordneten, gemeinsam Kühlmittelzuführungskanal angeschlossen sind und wobei dieser Kanal über eine einstellbare Drossel mit der Kühlmitteleintrittsseite dss Reaktors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Drossel durch den Fußpunkt (52) wenigstens eines Spaltstoffelementes (22) einer Gruppe gebildet ist und daß diese Drossel durch Verdrehung des Fußpunktes um die Spaltstoffelementachse einstellbar ist.

2. Einrichtung, bei der die SpaltSioffelemente auf einer im Kern angeordneten Tragplatte angeordnet sind, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragplatte mit je zwei konzentrischen, durch Rippen (44) miteinander verbundenen durchgehenden Einsatzrohren (45 und 43) für die Aufnahme der Fußteile der Spaltstoffelemente versehen ist.

3. Einrichtung räch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Einsatzrohr (45) in der Nähe seines oberen Randes mit abgestuft großen seitlichen öffnungen (46) versehen ist und mit seiner unteren öffnung (49) mit der Kühlmitteleintrittsseite des Reaktors in Verbindung steht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzrohre an ihrem unteren Ende abdichtend miteinander verbunden sind und der Zwischenraum über seitliche Öffnungen (47) mit dem Kühlmittelzuführungskanal (3) der Spaltstoffstabgruppe in Verbindung steht.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des äußeren Einsatzrohres gleichzeitig ein Versteifungselement einer doppelwandigen, die Kühlmittelzuführungskanäle begrenzenden Kerntragplatte (4,4') bildet.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Spaltstoffelementfuß über die seitlichen öffnungen (46) des inneren Einsatzrohres (45) greift und in gleicher Höhe derselben mit einer Seitenöffnung (56) versehen ist, die der größten Öffnung (46) des Einsatzrohres entspricht.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Spaltstoffelementfuß oberhalb des Eingriffes des inneren Einsatzrohres mit einer starren dichten Querwand (57) und oberhalb dieser Wand mit seitlichen Öffnungen (58) versehen ist, die die Verbindung des die Spaltstoffstäbe enthaltenden Spaltstoffelementinnenraumes mit dem Raum zwischen den Einsatzrohren besorgen.