DE2410701A1

DE2410701A1 - Schneller kernreaktor

Info

Publication number: DE2410701A1
Application number: DE2410701A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Berniolles; Sabino Gallo
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Creusot Loire SA
Current assignee: Creusot Loire SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-03-07
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1974-10-24
Also published as: FR2220847B1; SE407301B; JPS5949559B2; SU597351A3; JPS49125797A; BE811627A; FR2220847A1; IT1009206B; US3962032A; GB1427673A; DE2410701C2; ES423992A1

Description

410-22.273P 6. 3. 1974

COMMISSARIATA L'ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich) CREUSOT-LOIRE, Paris (Frankreich)

Schneller Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellen Kernreaktor mit Kühlung durch Flüssigmetall, insbesondere Natrium, mit einem die Spaltzone des Reaktors enthaltenden Hauptbehälter mit senkrechter Achse, mit einem Primär behälter, der im Hauptbehälter angeordnet ist und die Spaltzone enthält, wobei der Primärbehälter die Trennung zwischen dem aus der Spaltzone austretenden heißen Flüssigmetall und dem aus in den Hauptbehälter hineinragenden Wärmetauschern austretenden kalten Flüssigmetall ermöglicht, und mit Umwälzpumpen für das aus den Wärme-

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tauschern austretende kalte Flüssigmetall, um es in die Spaltzone zurückzubringen, wobei der Primär behälter einen seitlichen Absatz mit Durchtrittsringen für die Wärmetauscher und die Flüssigmetallpumpen aufweist.

Bei Anlagen dieser Art, vor allem bei der "integriert" genannten Ausführungsform, wie insbesondere beim soeben fertiggestellten (französ.) Prototypreaktor Phenix mit 250 MWe, besteht das Grundprinzip des Reaktors darin, daß man im Inneren eines äußeren Schutzschilds mit dicken Betonwänden einen ersten dichten Behälter,. Hauptbehälter mit vertikaler Achse genannt, vorsieht, und in diesem einen zweiten Behälter, Primärbehälter genannt, der die Spaltzone enthält und die Trennung von heißem und kaltem Natrium ermöglicht. Der Primärbehälter weist eine Seitenerweiterung oder einen Seitenabsatz auf, der von den Wärmetauschern durchsetzt ist, die das heiße Natrium auffangen, wobei jeder Wärmetauscher sich im Hauptbehälter parallel zur vertikalen Achse der Spaltzone um diese herum erstreckt und den Seitenabsatz durch sich fortsetzen in den Raum zwischen den beiden Behältern unter dem Absatz durchsetzt, um das kalte Natrium in diesen Raum zurückzuführen. Letzteres wird dabei erreicht durch zwischen den Wärmetauschern angeordnete Pumpen, wobei diese Pumpen, um es in die Spaltzone zurückzuführen, ebenfalls den Absatz durchsetzen.

Obwohl technisch vollkommen bewährt, weist diese Lösung Unvollkommenheiten auf, wenn sie auf Leistungsreaktoren hoher Leistung angewendet werden soll, was nämlich eine bedeutende Zunahme des Durchmessers des Primärbehälters mit sich bringt, ebenso wie einen Druck-

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unterschied aufgrund der Niveaudifferenz des Natriums zwischen Innerem und Äußerem des Behälters. Diese sehr harten Bedingungen, zusammen mit einer relativen Ungenauigkeit bezüglich der thermohydraulischen Verhältnisse des Natriums zwischen den beiden Behältern, was zu unvorhersehbaren Beanspruchungen führt,- erlauben es nicht, die Lösung mit einem Absatz wie im Reaktor Phenix mit ausreichender Zuverlässigkeit wieder durchzuführen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue Bauweise eines schnellen Kernreaktors mit einem Hauptbehälter und einem Primär behälter, der mit einem Seitenabsatz versehen ist, zu entwickeln, der die oben genannten Nachteile überwindet, insbesondere für Hochleistungsreaktoren in der Größenordnung von 1000 MWe.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Primärbehälter eine Drehform um die senkrechte Achse des Hauptbehälters ist, und daß der Absatz am Rand des Primärbehälters durch einen nach unten umgebogenen Rand fortgesetzt ist, der an seinem unteren Ende mit dem Hauptbehälter verbunden ist.

Vorzugsweise wird ein "niedriger" Absatz verwendet, d. h. daß der Absatz des Primärbehälters unterhalb des oberen Endes der Spaltzone angeordnet ist und an seinem oberen Ende geringfügig über dem Austrittsniveau der Wärmetauscher liegt.

Diese Ausführungsform hat zugleich Vorteile in bezug auf die Handhabung der Brennstoffelemente und bezüglich des Erfassens der thermischen Bedingungen, wie das im einzelnen im folgenden erläutert werden wird.

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Gemäß einer üblichen Ausbildungsform wird die im Primärbehälter angeordnete Spaltzone von einem waagrechten Belag getragen, der sich im Behälter erstreckt und durch einen konischen seitlichen Ring an der Wand des Hauptbehälters gehalten ist. Gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform stützt sich der umgebogene Rand des Absatzes des Primärbehälters direkt auf dem konischen Ring in der Nähe seiner Verbindung mit der Wand des Hauptbehälters ab.

Bei einem Hauptbehälter, der auf diese Weise die Kernspaltzone durch das Zusammenwirken zwischen dem Belag und dem konischen Ring enthält, ist es besonders vorteilhaft, wenn nicht gar unerläßlich, die Form Stabilität des Behälters zu erreichen und insbesondere zu vermeiden, daß er Ausgangspunkt differentiell bedeutender Wärmedehnungen ist. Zu diesem Zweck enthält der Hauptbehälter an seinen Seitenwänden mindestens ein Leitblech, das mit der Wand einen ringförmigen Raum begrenzt, durchsetzt von einer Aufwärts strömung kalten Natriums, und mit einem Gegenleitblech, das mit dem Leitblech ein^n ringförmigen Raum begrenzt, der von einer Abwärtsströmung von Natrium durchsetzt ist, das von der Aufwärtsströmung stammt und das in das unterhalb des Absatzes des Primärbehälters angeordnete kalte Natrium volumen zurückkehrt. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der umgebogene Rand des Absatzes des Primär behälter s mit dem Gegenleitblech verbunden ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch einen schnellen Kernreaktor mit einem erfindungsgemäßen Primärbehälter,

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Fig. 2 einen Teilschnitt in größerem Maßstab gemäß Linie II—II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Detailansicht der Fig. 2, die den Übergang zwischen Primärbehälter und Hauptbehälter wiedergibt,

Fig. 4 einen Teilschnitt einer Ausbildungsform des betrachteten Behälters.

In Fig. 1 ist schematisch ein schneller Kernreaktor dargestellt mit, wie allgemein üblich bei Anlagen dieser Art, einem Außenaufbau 1 aus dicken Betonwänden; die einen Innenhohlraum mit großen Abmessungen umgeben, in dem ein Behälter aus Metall, insbesondere Stahl, angeordnet ist, der Hauptbehälter 2 genannt wird und dazu bestimmt ist, sowohl die Kernspaltzone zu enthalten und zu tragen als auch das flüssige Natrium für die Kühlung. Dieser Behälter ist außenseitig doppelt ausgeführt durch ein paralleles und koaxiales Gehäuse 3, das einen Sicherheitsbehälter bildet bei Bruch oder Unglücksfall des Hauptbehälters 1 im Betrieb. Die Behälter 2 und 3 sind an ihren oberen Enden an einer dicken Platte 4 angehängt, die den Aufbau 1 und die Behälter abschließt durch Einschließen des aktiven Teils des Reaktors in den inneren Hohlraum. In der Platte 4 sind Verschlußdeckel 5, 6 und 7 befestigt, die Drehbewegungen relativ zueinander unterworfen werden können, um auf diese Weise in einer an sich bekannten Art den Zugang zur Kernspaltzone durch Handhabungsorgane zu ermöglichen, von denen übrigens später die Rede sein wird. In der Platte 4 sind jeweils senkrechte Öffnungen 8 und 9 vorgesehen für das Anbringen von einerseits Wärmetauschern

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und andererseits Umwälzpumpen 11 durch die Platte, wobei die Figur jeweils ein sich gegenüberliegendes Beispiel wiedergibt, wobei die Anzahl der Wärmetauscher 10 und der Pumpen 11 beliebig sein kann und den Betriebsmerkmalen des Reaktors angepaßt ist. Vorzugsweise sind die Pumpen 11 und die Wärmetauscher 10 gleichmäßig um die senkrechte Achse des Hauptbehälters 2 verteilt, wobei z. B. jede Pumpe 11 mit einem oder zwei benachbarten Wärmetauschern 10 zusammenwirken kann.

Im Inneren des Behälters 2 ist die gesamte Kernspaltzone 12 angeordnet, der im wesentlichen einen zentralen Spaltbereich 13 aufweist, der von einem Brutmantel 14 umgeben ist, während Neutronenschutzvorrichtungen 15 an den Rändern der Spaltzone 12 angeordnet sind gemäß einem an sich klassischen Aufbau. Die Spaltzone 12 ist im Inneren eines zweiten Behälters, der Primärbehälter 16 genannt wird, angeordnet und ruht mit Hilfe eines Trägers 17 auf einem Tragbelag 18. Letzterer ist an seinem Rand an einem konischen Ring 19 abgestützt, dessen äußerer Rand fest verbunden ist an Befestigungspunkten 20 der senkrechten Wand des Hauptbehälters 2, der seinerseits auf diese Weise durch das Zusammenwirken des Ringes 19 und des Belags 18 die Spaltzone 12 und den Behälter 16 trägt.

Erfindungsgemäß ist der Primärbehälter 16 eine Drehform um die gemeinsame senkrechte Achse des Hauptbehälters 2 und der Spaltzone 12 und enthält einen den oberen Teil des Trägers 17 bildenden waagerechten Boden 21 und eine senkrechte Wand 22, die sich in einem schrägen nach außen gerichteten Absatz 23 fortsetzt, wobei der

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Absatz 23 durch einen umgebogenen Rand 24 parallel zur senkrechten Wand 22 begrenzt ist, um im in den Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiel durch eine ringförmige Klammer 24a in Höhe des Abstützpunktes 20 des konischen Rings 19 und des Hauptbehälters 2 (Fig. 3) verbunden zu sein.

Der schräge Absatz 23 des Primärbehälters 16 enthält außerdem in der Verlängerung der Wärmetauscher 10 und der Pumpen 11 öffnungen zum Durchtritt dieser Bauteile, von denen auf diese Weise ein Teil innerhalb und ein anderer Teil außerhalb des Primärbehälters ist. Zu diesem Zweck enthält jeder Absatz 23 für jeden Wärmetauscher 10 eine durch einen senkrechten Flansch 25 begrenzte öffnung, der geeignet ausgebildet ist zum Zusammenwirken mit einer fest mit dem entsprechenden Wärmetauscher verbundenen Buchse 26, wobei die Elemente 25 und 26 zusammen eine Labyrinthdichtung bilden, in der der Druck eines geeigneten neutralen Gases aufrechterhalten werden kann (vgl. z. B. deutsche Patentanmeldung P 21 39 495.6: Vorrichtung zur dichten Befestigung von Wärmetauschern in Reaktoren). In gleicher Weise ist der schräge Absatz 23 mit senkrechten zylindrischen Ringen 27 in Verlängerung des Durchtritts des Gehäuses der Umwälzpumpen 11 verbunden.

Der Primärbehälter 16 grenzt auf diese Weise im Inneren des Hauptbehälters 2 zwei abgetrennte Bereiche ab, wobei der erste Bereich 28 die Spaltzone 12 enthält und das heiße Natrium an seiner Austrittsöffnung sammelt, während der zweite Bereich 29 unterhalb des Primärbehälters 16 zwischen diesem und dem Boden des Hauptbehälters 2 abgegrenzt ist, wodurch ein Sammelraum für das kalte Natrium

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gebildet ist. Um von einem Bereich in den anderen zu gelangen, wird das heiße Natrium im Bereich 28 durch die Wärmetauscher 10 geführt, dann an deren Ausgang in den Bereich 29 gedrängt, indem es sich frei ergießt, bevor es von den Pumpen 11 erhalten wird und in Umwälzleitungen 30 geschickt wird, um es in dem Träger 17 zu einem neuen Durchgang durch die Spaltzone 12 wieder einzubringen.

Im in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kernspaltzone 12 durch Zusammenwirken eines Trägers 17, eines Belags 18 und des konischen Ringes 19 mit dem Hauptbehälter 2 auf Höhe des Abstützpunkts 20 des Ringes 19 und des Behälters 2 gebildet, der die gebogene ringförmige Klammer 24 a (Fig. 3) enthält, die an die Wand des Behälters 2 und an den Ring 19 des Behälters 2 angeschweißt ist. Der Hauptbehälter 2 legt dadurch selbst die Spaltzone 12 fest, was praktisch zwangsweise für den Behälter 2 eine gute Maßhaltigkeit durch Begrenzen seiner Temperatur auf einen gegebenen niedrigen Wert hervorruft, um im größtmöglichen Umfang die Auswirkungen der differentiellen Wärmedehnungen zu vermindern. Zu diesem Zweck können die senkrechten Wände des Behälters 2 ständig gekühlt werden durch eine Teilung des kalten Natriums, das aus dem Berei ch 29 entnommen ist und sich umwälzt innerhalb eines durch ein erstes, sich parallel zur Wand erstreckendes Gehäuse gebildeten Leitbleches 31. Das Leitblech 31 ist doppelt ausgeführt durch ein Gegenleitblech 32, das es dem kalten Abkühl-Natrium ermöglicht, in Nachbarschaft zur Wand einen doppelten Weg zu durchlaufen, wobei die Leitbleche 31 und 32 zwischen sich und dem Behälter 2 einen ringförmigen engen Raum 33 abgrenzen. Vorzugsweise wird dieser Raum durch eine am untersten

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Ende des Randes 24 des Absatzes 23 unter dem konischen Ring 19 vorgesehene Eintrittsöffnung 35 mit kaltem Natrium versorgt, wobei das Natrium nach dem Durchgang zwischen den Leitblechen 31, 32 durch eine Öffnung 36 hindurchgeht, die im Rand 24 vorgesehen ist, aber unterhalb des Endes des Leitblechs 32.

In Fig. 2 sind bestimmte andere wichtige Bestandteile des Reaktors dargestellt, im einzelnen die Brennelemente 37, die die Spaltzone 12 mit dem aktiven Teil 13 und dem Brutmantel 14 bilden, wobei die Elemente 37 bewegt werden können, insbesondere durch deren Einführung oder deren Entfernung aus der Spaltzone 12 mittels einer Handhabungsvorrichtung 38, die durch die drehbaren Deckel 5, 6 und 7 führt, deren Relativ-Drehbewegungen es seinem untersten Ende mit einer Greifklammer 39 ermöglicht, auf irgendein Element 37 der Spaltzone 12 geführt zu werden, um es nach dem Ergreifen am Rand in einen Auffangbehälter 40 abzulagern. Letzterer kann durch ein geeignetes Stangen-System entlang einer Ausführrampe 41 entleert werden, die in eine am äußeren Rand des Hohlraums der Umfassung 1 über dem Rand der Verschlußplatte 4 angeordnete abgeschirmte Umsetzmaschine 42 mündet, wobei die Maschine 42 die Umsetzung der so aus der Spaltzone 12 entfernten Brennelemente 37 über eine zweite Rampe 43 ermöglicht, um sie in eine (nicht dargestellte) Lagerzone zu bringen.

Die erfindungsgemäße Ausführungsform eines Primärbehälters 16 mit niedrigem ringförmigem Absatz, der mit einem umgebogenen, sich gegen den unteren Teil des Hauptbehälters 2 abstützenden Rand versehen ist, weist zahlreiche Vorteile auf. In erster linie und wie in Fig. 2 dar-

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gestellt ist keinerlei gegenseitige mechanische. Einwirkung zu befürchten zwischen dem Primärbehälter 16 und der Handhabungsvorrichtung 38 der Brennelemente 37, was übrigens die Anwendungsform ist, die sich für die Vorrichtung durchgesetzt hat. Weiterhin ermöglicht die Drehform des Behälters 16 die leichtere Erfassung der ausgeübten Spannungen für jeden Betriebszustand des Reaktors und die genauere Berechnung der mechanischen Festigkeit. Der Eigenaufbau des Behälters 16 ermöglicht schließlich das Erzielen einer wirksamen Vermischung des Natriums unter dem Absatz 23 im Sammler für das kalte Natrium, den er teilweise begrenzt, und erreicht eine angemessene Abkühlung des Behälters durch Verwenden insbesondere der aus der Austrittsöffnung der Wärmetauscher 10 austretenden Natrium strahlen. Es wird ebenso die Möglichkeit von toten Zonen unter dem Absatz 23 beseitigt, was die natürliche Konvektion beträchtlich einschränkt, wodurch der Wärmeaustausch mit dem heißen Natrium in dem Bereich im Inneren des Primär behälter s 16 oberhalb des Absatzes 23 im wesentlichen durch Zwangskonvektion vollzogen wird.

Bei einer anderen Ausführungsform des Absatzes 23 des Behälters 16 gemäß Fig. 4 ist der Belag 18, der die Spaltzone 12 durch Zusammenwirken mit dem Träger 17 hält, wieder vorhanden; jedoch ist der Verbindungsring des Belags 18 mit dem Hauptbehälter 2 in diesem Fall nicht mit dem umgebogenen Rand 24 des Absatzes 23 verbunden, sondern stützt sich auf dem Boden des Behälters 2 direkt an einem Verstärkungsstück 45 ab. Bei dieser Ausbildungsform ist der umgebogene Rand 24 des Absatzes 23 direkt mit dem unteren Ende des Gegenleitblechs 32 verbunden, wodurch die Entnahme des zwischen dem Leit-

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blech 31 und der senkrechten Wand des Hauptbehälters 2 umgewälzten kalten Natriums bereits auf dem Niveau des äußersten Endes des Ringes 44 durch Durchtrittsöffnungen 46 erfolgt, wobei der Austritt des Natriums jenseits des Gegenleitblechs 32 durch Löcher 47 unter der unabhängigen Verbindung zwischen dem umgebogenen Rand 24 des Absatzes 23 und der Außenfläche des Gegenleitblechs 32 erreicht ist. In einer Abwandlung kann der umgebogene Rand 24 des Absatzes 23 den unteren Endabschnitt des Gegenleitbleches 32 ersetzen. Alle anderen im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 dargestellten Bauteile sind im übrigen beibehalten.

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Claims

Patentansprüche

IySchneller Kernreaktor mit Kühlung durch Flüssigmetall, insbesondere Natrium, mit einem die Spaltzone des Reaktors enthaltenden Hauptbehälter mit senkrechter Achse, mit einem Primärbehälter, der im Hauptbehälter angeordnet ist und die Spaltzone enthält, wobei der Primärbehälter die Trennung zwischen dem aus der Spaltzone austretenden heißen Flüssigmetall und dem aus in den Hauptbehälter hineinragenden Wärmetauschern austretenden kalten Flüssigmetall ermöglicht, und mit Umwälzpumpen für das aus den Wärmetauschern austretende kalte Flüssigmetall, um es in die Spaltzone zurückzubringen, wobei der Primärbehälter einen seitlichen Absatz mit Durchtrittsringen für die Wärmetauscher und die Flüssigmetallpumpen aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Primärbehälter (16) eine Drehform um die senkrechte Achse des Hauptbehälters (2) ist, und

daß der Absatz (23) am Rand des Primärbehälters (16) durch einen nach unten umgebogenen Rand (24) fortgesetzt ist, der an seinem unteren Ende mit dem Hauptbehälter (2) verbunden ist.
2. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absatz (23) des Primär behälter s (16) unterhalb des oberen Endes der Spaltzone (12) angeordnet ist und an seinem

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oberen Ende geringfügig über dem Austrittsniveau der Wärmetauscher (10) liegt.
3. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Hauptbehälters (2) mindestens aufweist

ein Leitblech (31), das mit der Wand einen ringförmigen Umwälzraum für eine Aufwärtsströmung des dem aus den Wärmetauschern (1O) austretenden kalten Flüssigmetallvolumen entnommenen Flüssigmetalls bildet, und ·

ein Gegenleitblech (32), das mit dem Leitblech (31) einen ringförmigen Umwälzraum für die gleiche Flüssigmetallmenge bildet, die zum Rückführen in das kalte Flüssigmetallvolumen abwärts strömt.
4. Schneller Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 - 3, bei dem die Reaktorspaltzone von einem durch einen konischen seitlichen Ring mit der Wand des Hauptbehälters verbundenen horizontalen Belag getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der umgebogene Rand (24) des Absatzes (23) des Primärbehälters (16) sich direkt auf dem konischen Ring (44) in der Nähe seiner Verbindung mit der Wand des Hauptbehälters (2) abstützt.
5. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der umgebogene Rand (24) des Absatzes (23) des Primärbehälters (16) mit dem Gegenleitblech (32) verbunden ist.

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