DE3601749A1 - Graphit-seitenreflektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Graphit-Seitenreflektor in Blockbauweise eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreak­ tors mit einem mit kugelförmigen Betriebselementen ge­ füllten Reaktorkern mit nasenartigen Vorsprüngen, soge­ nannten Nasensteinen, die aus aufeinander gesetzten Gra­ phitblöcken gebildet radial in den Reaktorkern ragen, auf ihrer innenseitigen Oberfläche rastermäßig angeord­ nete schlitzartige Einformungen in regelmäßigem Abstand zueinander und an ihrer Stirnseite einen durchgehenden Spalt aufweisen, durch den der Reaktorkern mit einem vertikal im Nasenstein angeordneten Hohlraum, der zur Aufnahme von Absorbermaterial dient, verbunden ist.

Reflektoren in Kernreaktoren dienen dazu, Verluste durch Abwandern von Neutronen zu verringern. Wie der Name be­ reits andeutet, soll wenigstens ein Teil der nach außen bewegten Neutronen in die Spaltzone des Reaktors, den sogenannten Reaktorkern oder Core, zurückgestreut wer­ den. Mit Seitenreflektor ist der seitlich angeordnete Reflektor bezeichnet im Gegensatz zum Boden- und Decken­ reflektor.

Als Material für Reflektoren kommt bei gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktoren hochgereinigter Graphit zur Anwendung, der durch Neutronenstrahlung eine Veränderung seiner kristallinen Struktur erfährt, die sich in einer Festigkeits- und Volumenänderung äußert.

Unter Einfluß von Temperatur und hohen Neutronenfluenzen treten beim Graphit zunächst negative doch mit wachsen­ der Fluenz ab einem Umkehrpunkt positive Dehnungen auf, die über die ursprünglichen Dimensionen hinausgehen. Dehnungsdifferenzen innerhalb des Bauteils infolge unterschiedlicher Fluenz- und Temperaturverteilung über den Querschnitt sind Ursache für die Entstehung von Eigenspannungen. Um die Eigenspannungen in beherrsch­ baren Grenzen zu halten, sind Möglichkeiten für den Deh­ nungsausgleich vorzusehen. Dies wird vorteilhaft durch geschlitzte Oberflächenstrukturen erreicht.

Neuere Entwicklungen von gasgekühlten Hochtemperatur­ kernreaktoren, insbesondere von solchen mit niedriger Leistung (ca. 100 MWel) und dementsprechend kleinem Core­ durchmesser sehen vor, zur Reaktorabschaltung anstelle von Absorberstäben, die direkt in die Schüttung kugel­ förmigen Betriebselemente eingefahren werden, kleine Ab­ sorberkugeln zu verwenden, die in entsprechende Hohl­ räume des Seitenreflektors eingebracht werden. Hierzu werden im Kern sogenannte Nasensteine angeordnet, welche durchgehende vertikale Hohlräume aufweisen, die zur Auf­ nahme der Abschaltkugeln vorgesehen sind. Die Nasenstei­ ne sind quaderförmige Graphitblöcke, welche radial vom Seitenreflektor ausgehend, in den sie mechanisch einge­ bunden sind, über die gesamte Höhe des Reaktorkerns in diesen hineinragen.

Wegen der vorher bereits erwähnten Volumenänderungen und der dadurch bedingten Eigenspannungszustände in den be­ strahlten Graphitblöcken sind deren kernseitige Oberflä­ chen mit vertikalen und horizontalen Oberflächen­ schlitzungen versehen, die eine Auflösung der ursprüng­ lich großen Oberfläche in einzelne kleine Stollen dar­ stellt. Zur Beherrschung der Spannungen in den Nasen­ steinen sind die für die Aufnahme der Kleinabsorberku­ geln vorgesehenen Hohlräume durch schmale spaltähnliche durchgehende Öffnungen mit dem Core verbunden. Durch diese Öffnungen werden die Spannungen in den Nasenstei­ nen auf erträgliche Werte gemindert. Die bereits vorher erwähnten Dehnungen (sogenannte Wigner-Dehnungen) führen jedoch im Laufe des Betriebs zu so großen Änderungen der Spaltbreite, daß eine Trennung von Absorbermaterial und Betriebselementen nicht mehr gewährleistet ist und so­ wohl Kleinabsorberkugeln aus den Hohlräumen austreten als auch Betriebselemente in die Hohlräume eintreten können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine konstruktive Lösung vorzuschlagen, die einfach und kostengünstig herstellbar und betriebs­ sicher ist und die vorgenannten Mängel vermeidet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Es ist danach vorgesehen, in die spaltähnliche Öffnung ein Verschlußteil einzusetzen, das formschlüssig in dem Nasenstein verankert ist und den Durchtritt von Absorbermaterial und Betriebselemen­ ten verhindert.

Erfindungsgemäß ist eine formschlüssige Verankerung des Verschlußteils im Nasenstein gewählt, um den mit der spaltähnlichen Öffnung angestrebten Zweck des Spannungs­ abbaus durch Dehnungsausgleich auch weiterhin zu gewähr­ leisten. Hierzu ist vorteilhafterweise eine doppelte, das heißt sich gegenüberliegende, Nut- und Feder-Verbin­ dung vorgesehen.

Alternativ kann anstelle einer doppelten Nut- und Feder-Verbindung auch eine Keilnut-Verbindung (Schwal­ benschwanz-Führung) vorgesehen sein.

Bei allen in Frage kommenden formschlüssigen Verbin­ dungen zwischen Nasenstein und Abschlußteil ist die durch Neutronenfluenz bedingte Volumenänderung einzu­ beziehen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist vorgesehen, die Stirnfläche des Nasensteins durch das Abschlußteil deckelähnlich zu überdecken. Die im Reaktorkern befindlichen kugelförmigen Betriebsele­ mente pressen auf diese Weise das Abschlußteil gegen den Nasenstein und verhindern so eine ungewollte, gegebenen­ falls den Reaktorbetrieb störende Lageänderung des Ab­ schlußteils. Gleichzeitig wird das Entstehen eines großen Spaltes zwischen Langloch und Kern verhindert, durch das bei Druckunterschieden große Gasströme fließen können, die als Bypaß wirken und zu Problemen bei der Vermischung führen können. Das Anschlußteil wirkt als selbsttätigende Dichtung sowohl bei höherem Druck im Langloch als auch bei Überdruck im Kern. Diese und wei­ tere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung in der Ausführungsbeispiele der Er­ findung gezeigt sind soll die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Bei den in der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläu­ terten Fig. 1 bis 6 handelt es sich jeweils um einen Längsschnitt durch den stirnseitigen Teil eines Nasen­ steins mit eingesetztem Abschlußteil, dessen Verankerung im Nasenstein jedoch unterschiedlich ausgestaltet ist.

Es zeigen:

Fig. 1 Verankerung mit Rechtecknut im Nasenstein,

Fig. 2 Verankerung mit Rechtecknut im Abschlußteil,

Fig. 3 Verankerung mit Keilnut im Nasenstein,

Fig. 4 Verankerung mit Keilnut im Abschlußteil,

Fig. 5 Verankerung mit Zylindernut im Nasenstein,

Fig. 6 Verankerung mit zylindrischer Säule,

Fig. 7 Seitenansicht des Nasensteins mit eingesetztem Abschlußteil mit niedrigem Deckelteil,

Fig. 8 Seitenansicht des Nasensteins mit eingesetztem Abschlußteil mit Stütznocken.

In Fig. 1 ist ein horizontal geführter Längsschnitt durch einen Nasenstein 10 mit eingesetztem Abschlußteil 20 gezeigt. Der Nasenstein 10 weist zwei parallel zuein­ ander angeordnete Wangen 11 auf, die zwischen sich einen länglichen Hohlraum 12 begrenzen und in deren Außenflä­ chen 13 in Abstand zueinander befindliche schlitzartige Nuten 14, die zum Abbau von dehnungsbedingten Eigenspan­ nungen dienen, eingeformt sind.

In die vom Hohlraum 12 gebildete stirnseitige Öffnung 19 des Nasensteins 10 ist ein Abschlußteil 20 eingesetzt, das aus einem Deckelteil 20 und einem Schließteil 22 ge­ bildet ist. Das Deckelteil 23 überdeckt die Stirnseite 16 des Nasensteins 10 über die gesamte Breite, während das mittig an das Deckelteil 23 anschließende Schließ­ teil 22 in den Hohlraum 12 eingeführt ist.

An seinen Seitenflächen 25 weist das Schließteil 22 An­ formungen 24 mit Rechteckquerschnitt auf, die in ent­ sprechend geformte Nuten 18 in den Wangen 11 des Nasen­ steins 10 greifen und das Abschlußteil 20 formschlüssig fixieren. Die Nuten 18 und die als Federn anzusehenden Anformungen 24 sind maßlich so aufeinander abgestimmt, daß die so gestaltete Verankerung ausreichend beweglich ist und keine zusätzlichen Spannungen im Nasenstein 10 induziert.

Die in Fig. 2 gezeigte Darstellung entspricht weitest­ gehend der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion. Gleiche Be­ zugsziffern bezeichnen daher gleiche Teile. Abweichend jedoch ist die Gestaltung der Verankerung vorgesehen. Bei der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion sind in die Seitenflächen 35 des mittig an das Deckelteil 33 an­ schließenden Schließteils 32 Nuten 36 mit Rechteckquer­ schnitt eingeformt, in welche an die Wangen 11 des Nasensteins 10 angeformte Anformungen 27 greifen und damit das Abschlußteil 30 verankern, das in den Nasen­ stein 10 eingesetzt ist.

Die in Fig. 3 gezeigte Darstellung ist mit Ausnahme der Verankerung ebenfalls identisch mit der bereits aus Fig. 1 bekannten Konstruktion. Abweichend von dieser sind in die Wangen 11 des Nasensteins 10 vom Hohlraum 12 aus in Nähe der Stirnseite 16 Nuten 38 mit Dreieckquerschnitt eingeformt, in welche entsprechende, an das in den Hohl­ raum 12 eingeführte Schließteil 42 des Abschlußteils 40, das wiederum mittig an das Deckelteil 43 anschließt, an­ gepaßte Anformungen 44 greifen und das Abschlußteil 40 sichern.

Die in Fig. 4 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in Fig. 3 gezeigten Konstruktion dadurch, daß die Wangen 11 des sonst gleichartig gestalteten Nasensteins 10 auf der den Hohlraum 12 begrenzenden Seite unmittel­ bar an der Stirnseite 16 befindliche Anformungen 47 mit Dreiecksquerschnitt aufweisen, die in Nuten 56 greifen, die in das in den Hohlraum 12 eingeführte Schließteil 52 des Abschlußteils 50 eingeformt sind und so das Ab­ schlußteil 50 am Nasenstein 10 verankern. Wie auch bei der gemäß Fig. 3 vorgesehenen Verankerung ist durch ent­ sprechende Maßabstimmung der Nuten und Anformungen aus­ reichende Beweglichkeit des Abschlußteils 50 gewährlei­ stet.

Die in Fig. 5 gezeigte Konstruktion, die ebenfalls nahe­ zu identisch mit der vorher bereits erläuterten Kon­ struktion ist, ausgenommen die Verankerung, weist an den stirnseitigen Enden der Wangen 11, des Nasensteins 10 vom Hohlraum 12 ausgehende kreissegmentförmige, das heißt zylindrische, Nuten 58 auf, die zur Aufnahme ent­ sprechender am Schließteil 62 des Abschlußteils 60 be­ findlicher Anformungen 64 dienen.

Das Schließteil 62, das ebenfalls mittig an das Deckel­ teil 63 anschließt, sichert somit ausreichende Beweg­ lichkeit die Verankerung des Abschlußteils 60 am Nasen­ stein 10.

Abweichend von der in Fig. 5 gezeigten Variante ist in Fig. 6 eine Verankerung dargestellt, bei der das Schließteil 72 als Halbzylinder geformt ist, der an einer Sekantenfläche mittig an das Deckelteil 73 an­ schließt und mit dem Deckelteil 73 eine Ausnehmung 76 begrenzt. In diese Ausnehmung 76 greifen entsprechend gewölbte Anformungen 67, die nahe der Stirnseite 16 in den Hohlraum 12 ragend an den Wangen 11 des Nasensteins 10 angeformt sind.

Allen gezeigten Varianten ist gemeinsam die große ge­ lenkartige Beweglichkeit des Abschlußteils 20, 30, 40, 50, 60, 70 bei gleichzeitig sicherer Verankerung, die ein selbsttätiges Herauslösen aus dem Nasenstein 10 sicher ausschließt und relativ dicht ist, so daß nur ein geringer Gasstrom von innen nach außen bzw. von außen nach innen auftreten kann.

Darüber hinaus wirkt das eingesetzte Abschlußteil 20, 30, 40, 50, 60, 70 auch als Dichtung, die bei Druckunter­ schieden zwischen dem Hohlraum und dem Reaktorkern selbsttätig einen Druckausgleich weitgehend unterbindet.

Aus der in Fig. 7 gezeigten Darstellung eines Nasen­ steins 10 mit eingesetztem Abschlußteil 20 geht deutlich die rastermäßige Anordnung von schlitzartigen Nuten 14 auf den Seitenflächen 13 des Nasensteins 10 hervor. Dar­ gestellt sind der obere und untere Bereich des Nasen­ steins 10, die den gleichen Aufbau aufweisen wie der ausgesparte, mit Bruchlinien deutlich gemachte mittlere Bereich.

Der Deckelteil 23 des Abschlußteils 20 weist gegenüber dem Nasenstein eine geringere Höhe auf. Das Mittelteil 22 schließt sich jeweils mit einem kleinen Absatz 21 an. Hierdurch wird bei aufeinandergesetzten Nasensteinen 10 eine schlitzartige Nut erzeugt, die dem aus Graphit be­ stehenden hohen Neutronenfluenzen ausgesetzten Deckel­ teil 23 des Abschlußteils 23 gestattet, die hierdurch verursachten Volumenveränderungen und damit bedingten Eigenspannungen abzubauen.

In Fig. 8 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt wie in Fig. 7. Auch hier ist eine Seitenansicht eines Nasen­ steins 10 mit eingesetztem Abschlußteil 20 gezeigt, das aus einem Deckelteil 23 und einem Schließteil 22 gebil­ det ist. Die Seitenfläche 13 des Nasensteins 10 weist rastermäßig angeordnete schlitzartige Nuten 14 auf, die zum Abbau dehnungsbedingter Spannungen im Nasenstein 10 dienen. Das Schließteil 22 schließt bündig an das Deckelteil 23 an. Beide haben eine gegenüber dem Nasen­ stein 10 geringere Höhe. Zum Ausgleich dieses Unter­ schiedes sind Stütznocken 26 vorgesehen, die dazu die­ nen, zwischen aufeinander gesetzten Abschlußteilen 20 einen spaltartigen Zwischenraum herzustellen, der den Abschlußteilen 20 gestattet die durch die Neutronen­ fluenz bedingten Volumenänderungen abzutragen.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist der spannungs­ freie Abschluß des stirnseitig geschlitzten Nasensteins 10, der so verhindert, daß in dem im Nasenstein 10 ange­ ordneten Hohlraum 12 befindliche Kleinabsorberkugeln in den Kern austreten und sich dort mit den Betriebselemen­ ten vermischen können. Ebenso wird verhindert, daß Be­ triebselemente durch die Öffnung in den Hohlraum 12 ein­ treten können und das durch die Kleinabsorberkugeln ge­ bildete Abschaltsystem unwirksam machen.

Claims (14)

1. Graphit-Seitenreflektor in Blockbauweise eines mit kugelförmigen Betriebselementen gefüllten Reaktor­ kerns eines gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktors mit nasenartigen Vorsprüngen, die aus aufeinander gesetzten aus Graphit bestehenden Nasensteinen gebildet radial in den Reaktorkern ragen, auf ihrer dem Reaktorkern zuge­ wandten Oberfläche rastermäßig angeordnete schlitzartige Nuten und an ihrer Stirnseite eine durchgehende von Wan­ gen begrenzte spaltförmige Öffnung aufweist, durch den der Reaktorkern mit einem im Nasenstein vertikal ange­ ordneten Hohlraum, der zur Aufnahme von Absorbermaterial dient verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein in die Öffnung (19) eingesetztes und formschlüssig ver­ ankertes Abschlußteil (20, 30, 40, 50, 60, 70) den Durchtritt von Absorbermaterial und Betriebselementen verhindert und als selbsttätige Dichtung den Austausch größerer Gasmengen zwischen dem Hohlraum (12) und dem Reaktorkern unterbindet.

2. Graphit-Seitenreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußteil (20, 30, 40, 50, 60, 70) ein Deckelteil (23, 33, 43, 53, 63, 73) und mit diesem ein­ stückig verbunden ein Schließteil (22, 32, 42, 52, 62, 72) aufweist und aus Graphit besteht.

3. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die form­ schlüssige Verbindung von Nasenstein (10) und Abschluß­ teil (20, 30, 40, 50, 60, 70) als Nut- und Federverbindung vorgesehen ist.

4. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (18, 38, 58) vom Hohlraum (12) aus in die Wangen (11) des Nasensteins (10) nahe seiner Stirnseite (16) eingeformt sind und die Feder als Anformung (24, 44, 64) an das Schließteil (22, 42, 62) vorgesehen ist.

5. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (36, 56, 76) in das Schließteil (32, 52, 72) eingeformt ist und die Feder als Anformung (27, 47, 67) an die stirnsei­ tigen Enden der Wangen (11) des Nasensteins (10) den Hohlraum (12) einengend angeformt sind.

6. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (18, 36) und Federn (24, 47) rechteckigen Querschnitt auf­ weisen.

7. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (38, 56) und Federn (44, 47) Dreiecksquerschnitt aufwei­ sen.

8. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (58) und die Feder (64) zylindrisch geformt sind.

9. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließ­ teil (72) als halbzylindrische Säule ausgestaltet ist, die an einer Sekantenfläche an das Deckelteil (73) an­ schließt, und von Anformungen (67), die an den Wangen (11) des Nasensteins (12) angeformt sind und den Hohl­ raum (12) einengen, gehalten ist.

10. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschluß­ teil (20, 30, 40, 50, 60, 70) mit seinem Deckelteil (23, 33, 43, 53, 63, 73) die Stirnseite (16) des Nasensteins (10) über dessen ganze Breite vollständig abdeckt.

11. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Deckelteils (23, 33, 43, 53, 63, 73) des Abschlußteils (20, 30, 40, 50, 60, 70) kleiner ist als die Höhe des Nasen­ steins (10), jedoch das zugehörige Schließteil (22, 32, 42, 52, 62, 72) gleiche Höhe wie der Nasenstein (10) aufweist.

12. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschluß­ teil (20, 30, 40, 50, 60, 70) mit seinem Schließteil (22, 32, 42, 52, 62, 72) mit seinem Deckelteil (23, 33, 43, 53, 63, 73) geringere Höhe aufweist als der Nasenstein (10) und, daß zum Ausgleich dieses Höhen­ unterschiedes das Deckelteil (23, 33, 43, 53, 63, 73) auf seinen oberen und unteren Stirnflächen Stütznocken (26) aufweist.

13. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die form­ schlüssige Verbindung zwischen Abschlußteil (20, 30, 40, 50, 60, 70) und dem Nasenstein (10) als Spiel­ passung ausgeführt ist.

14. Graphit-Seitenreflektor nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufein­ andersetzen von Nasensteinen (10) mit eingesetzten Ab­ schlußteilen (20, 30, 40, 50, 60, 70) an deren oberen und unteren Stirnflächen horizontale Nuten entstehen, deren Tiefe bis zu dem Nasenstein (10) reicht.