DE1236674B

DE1236674B - Verfahren und Einrichtung zum Umladen von Brennstoffelementen in Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1236674B
Application number: DEG42086A
Authority: DE
Inventors: Arno Mueller
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1964-11-24
Filing date: 1964-11-24
Publication date: 1967-03-16
Also published as: US3428522A; NL6515154A; FR1456196A; BE672803A; DE1297778B

Description

DEUTSCHES JmVW^ PATENTAMT

DeutscheKl.: 21g-21/20

AUSLEGESCHRIFT —= ^

Aktenzeichen: G 42086 VIII c/21 g

236 674 Anmeldetag: 24.November 1964

Auslegetag: 16. März 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Umladen von Brennstoffelementen in Kernreaktoren, die mit im Betriebszustand flüssigen Medien, insbesondere mit Natrium, gekühlt sind, mittels einer mit einem Beschickungsrohr zur Aufnahme der zu wechselnden Brennstoffelemente versehenen Einrichtung, bei dem der Kühlmittelstand im Reaktorbehälter abgesenkt wird und das beim Umladen im Beschickungsrohr befindliche Brennelement auch oberhalb der Oberfläche des Kühlmittels im Reaktorbehälter weiterhin vom Reaktorkühlmittel gekühlt wird.

Für Kernreaktoren, die mit Flüssigkeiten gekühlt werden, sind Beschickungsverfahren bekannt, bei denen die Beschickungsvorrichtung in das Kühlmittel eingetaucht arbeitet. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß auch die empfindlichen Steuerteile der Beschickungsvorrichtung vom Kühlmittel bespült werden und daß die Brennelementpositionen blind, d. h. lediglich nach einem vorgegebenen Koordinatenschema angesteuert werden müssen.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, beim Wechseln der Brennelemente den Kühlmittelspiegel so weit abzusenken, daß die Köpfe der Brennelemente über dem Kühlmittelspiegel Sichtbarwerden. Dadurch wird zwar das Greifen der Brennelemente sehr erleichtert, weil man den Greifvorgang über Beobachtungseinrichtungen nach Sicht steuern kann, aber das aus der Spaltzone in das Beschickungsrohr hineingezogene Brennelement kann nicht mehr oder höchstens noch mit Kühlgas gekühlt werden.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist es weiterhin bekannt, an das Beschickungsrohr eine Kühlmittelleitung mit einer Förderpumpe anzuschließen. Für schwierig zu handhabende Kühlmittel wie z. B. Natrium treten jedoch ähnliche Probleme auf wie bei dem zuerst genannten Beispiel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Umladen von Brennstoffelementen in Kernreaktoren zu schaffen, bei dem die Brennstoffelemente unter Sicht von der Greifvorrichtung gefaßt werden können, trotzdem aber im Beschickungsrohr vom Kühlmittel gekühlt werden.

Hierzu wird auch bei dem Verfahren nach der Erfindung der Kühlmittelstand im Reaktor abgesenkt. Erfindungsgemäß wird aber beim Umladen in dem mit seinem unteren offenen Ende in die Kühlflüssigkeit des Reaktorbehälters eintauchenden Beschikkungsrohr eine das abgesenkte Kühlmittelniveau im Reaktor übersteigende Kühlflüssigkeitssäule, die mindestens bis zum oberen Ende des darin befindlichen Verfahren und Einrichtung zum Umladen von Brennstoffelementen in Kernreaktoren

Anmelder:

Gesellschaft für Kernforschung m. b. H._; Karlsruhe, Weberstr. 5

Als Erfinder benannt: Arno Müller, Neuthard

Brennstoffelements reicht, aufrechterhalten, wobei die Einstellung der Flüssigkeitsniveaus durch den über den Flüssigkeiten liegenden Gasdruck erfolgt und der Unterschied zwischen der Höhe des Kühlmittelstandes im Reaktorbehälter und der im Beschickungs rohr durch eine entsprechende Differenz der über den Flüssigkeitsschichten liegenden Gasdrücke erhalten wird.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß das Brenn-

stoffelement auch noch im Beschickungsrohr der Belademaschine gekühlt wird, da die Kühlflüssigkeit auch bei abgesenktem Kühlmittelspiegel mindestens bis zum oberen Ende des Brennstoffelements in das Beschickungsrohr hinaufsteigt. Dabei kann man be obachten, wie die Brennelemente vom Greifer der Belademaschine erfaßt werden, so daß keine komplizierten Steuervorrichtungen zum Einfahren der Brennelementpositionen benötigt werden. Die Antriebseinrichtungen der Belademaschine kommen je- doch nicht mit dem Kühlmittel in Berührung.

Einzelheiten des Verfahrens nach der Erfindung und besonders günstige Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens werden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen natriumgekühlten Kernreaktor,

Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform des Beschickungsrohrs.

Bei der Reaktoranlage gemäß F i g. 1 befindet sich der aus den Brennstoffelementen 1 zusammengesetzte Reaktorkern 2 in dem mit Kühlmittel 3 gefüllten Reaktorbehälter 4. Im Reaktorbehälter 4 ist auch noch ein Zwischenlagers für die Brennstoffelemente angeordnet. Der Deckel 9 des Reaktorbehälters ist mit einem Durchlaß 10 für die Brennstoffelemente und einem Durchlaß 11 für die Beschickungsvorrichtung 12 ausgestattet. Der Reaktorbehälter 4 und der Behälterdeckel 9 sind mit einer nicht gezeichneten

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Strahlenabschirmung umgeben bzw. ausgerüstet. Über Rohrleitungen 30, 31, 32 sind an den Reaktorbehälter 4 die Wärmeaustauscher 7 und die Umwälzpumpe 6 mit den Vorratsbehältern 8 für das Kühlmittel angeschlossen. Die über dem Kühlmittel, mit Schutzgas gefüllten Räume 13 des Reaktorbehälters 4, der Raum 14 im Wärmeaustauscher 7, der Raum 15 des Vorratsbehälters 8 sind über eine Druckausgleichsleitung 16 miteinander verbunden. In dem zum Reaktorbehälter 4 führenden Zweig der Druckausgleichsleitung sind ein zusätzliches Absperrventil 17 und ein Druckerhöhungsgebläse 18 eingeschaltet.

Während des normalen Reaktorbetriebes ist das Ventil 17 geöffnet. In den Räumen 13,14 und 15 herrscht dabei gleicher Druck. Wegen des geringen Druckverlustes des Kühlmittels in den Rohrleitungen 30, 31, und 32 und im Wärmeaustauscher 7 liegt der Kühlmittelspiegel 19 dann in allen Räumen praktisch gleich hoch. Die Beschickungsvorrichtung 12 befindet sich während des Reaktorbetriebes außerhalb des Reaktorbehälters, z. B. eingezogen ins Innere der Abschirmung des Behälterdeckels 9 oder in einer auf den Behälterdeckel aufgesetzten gasdichten Schutzflasche.

Beim Brennstoffwechsel wird nach dem Abschalten der Reaktoranlage das Ventil 17 geschlossen, dann das Gebläse 18 in Betrieb genommen und damit der Druck im Raum 13 erhöht. Dadurch sinkt der Kühlmittelspiegel 19 im Reaktorbehälter bis auf die Höhe 20. Gleichzeitig steigt er in den Räumen 14 und 15 bis auf die Höhe 21. Bei Erreichen des Niveaus 20 beginnt das vom Gebläse 18 geförderte Schutzgas in das Tauchrohr 38 einzuströmen, das mit der Ausgleichsleitung 16 in Verbindung steht, so daß der Kühlmittelspiegel nicht mehr weiter abgesenkt wird. Dabei bleibt das Ventil 39 geöffnet. Jetzt wird in den vergrößerten Gasraum des Raumes 13 die Beschikkungsvorrichtung 12 eingefahren. Das Beschickungsrohr 22 der Beschickungsvorrichtung 12 ist über die Leitung 23 und Drossel 24 mit der Druckausgleichsleitung 16, d. h. mit den auf niedrigerem Druck stehenden Räumen 14 und 15 verbunden. Während des Einfahrens der Belademaschine in Betriebsstellung strömt daher ständig eine durch die Drossel 24 begrenzte Gasmenge aus dem Raum 13 über die Leitungen 23 und 16 in die Räume 14 und 15. Nach dem Eintauchen des Beschickungsrohres 22 in den Kühlmittelspiegel 20 steigt jedoch auf Grund der zwischen den Räumen 13 einerseits und 14 und 15 andererseits herrschenden Druckdifferenz das Kühlmittel im Beschickungsrohr 22 bis zur Höhe 21 auf. Das Beschickungsrohr 22 wird nun über die zu entladende Brennelementposition gefahren. Dann wird das betreffende Brennstoffelement mit einem im Beschickungsrohr 22 beweglich angeordneten Greifer 29 gefaßt, in das Beschickungsrohr eingezogen und durch horizontales Verfahren mit dem Beschickungsrohr 22 und daran anschließendes Absenken in das Zwischenlager 5 gebracht. Aus dem Zwischenlager 5 wird das Brennstoffelement, zweckmäßigerweise nach einer entsprechenden Abklingzeit, von einer nicht gezeichneten, durch den Durchlaß 10 im Behälterdeckel 9 greifenden Entnahmevorrichtung entnommen. Die neuen Brennstoffelemente werden in umgekehrter Reihenfolge, ebenfalls über das Zwischenlager 5, dem Reaktorkern 2 zugeführt.

Die beschriebene Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung kann in verschiedener Weise abgewandelt werden. Insbesondere kann das

Kühlmittelniveau im Reaktorbehälter 4 auch auf andere Art und Weise, z. B. durch Ablassen von Kühlmittel in einen Tank, gesenkt werden.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann das Anfahren der Brennelementpositionen und das Ankoppeln des Greifers an das Brennelement leicht mit Hilfe eines Periskops oder einer Fernsehanlage 25 beobachtet werden. In diesem Fall wird der Kühlmittelspiegel im Reaktortank vorübergehend bis auf den Stand 26 abgesenkt, so daß die Brennelementköpfe 27 sichtbar werden und das Beschickungsrohr 22 einjustiert und der Greifer 29 eingeklinkt werden kann. Für die Einstellung des Kühlmittelspiegels wird hierbei zweckmäßig ein Überlauf verwendet. Danach kann der Kühlmittelstand auf das während der übrigen Beschickung einzuhaltende Niveau 20.angehoben werden und der Brennelementwechsel wie vorstehend beschrieben ablaufen. Die Absetzpositionen im Zwischenlager 5 für die Brennelemente werden blind unter Kühlmittel angesteuert; dies ist leicht möglich!, da die Absetzpositionen mit großen Toleranzen ausgeführt werden können. Frische Brennelemente können zu ihren genauen Positionen im Reaktorkern ohne weiteres unter Sicht, d. h. bei weit abgesenktem Kühlmittelniveau gebracht werden, da diese Elemente keine Wärme entwickeln und deshalb nicht gekühlt werden müssen.

In F i g. 2 ist ein Beschickungsrohr zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt. Der an einem Seil 28 hängende Greifer 29 ist im Beschickungsrohr 33 senkrecht beweglich angeordnet. Im oberen Teil, jedoch noch unterhalb des während des Ladevorganges im Beschickungsrohr sich einstellenden oberen Kühlmittelstandes ist an das Beschickungsrohr 33 ein Kühlmittelrücklaufkanal 34 angeschlossen, dessen untere Mündung auf gleicher Höhe mit der unteren Mündung des Beschickungsrohres 33 liegt und deshalb gleichzeitig mit dem Beschickungsrohr 33 mit Kühlmittel gefüllt ist. Dieser Kühlmittelrücklaufkanal 34 ermöglicht einen wirkungsvollen Kühlmittelumlauf, wenn sich ein wärmeerzeugendes Brennelement im Beschickungsrohr befindet und das Kühlmittel mit Brennelement infolge einer aufgetretenen Verzögerung während des Transportes zu sieden beginnt. Der dabei erzeugte Kühlmitteldampf strömt über die Leitungen 23 in die Druckausgleichsleitung 16 und die daran angeschlossenen Geräte; hier kondensiert er an den auf niedrigen Temperaturen gehaltenen Wandungen, wenn z. B. Wasser bzw. Wasserdampf als Kühlmittel vorgesehen ist. '

Ein wirkungsvoller Kühlmittelumlauf im Beschikkungsrohr kann auch dadurch erzielt werden, daß dessen Wandung im unteren Teil, jedoch noch oberhalb des abgesenkten Kühlmittelstandes 20, mit kleinen Gaseintrittsöffnungen ausgerüstet ist. Durch diese öffnungen wird dann ständig eine gewisse Menge Schutzgas aus dem Raum 13 in das mit Kühlmittel gefüllte Beschickungsrohr eingesaugt, so daß sich das mittlere spezifische Gewicht des Kühlmittels im Beschickungsrohr verringert und der Umlauf einsetzt. Das in das Beschickungsrohr eingetretene Schutzgas strömt ebenso wie der bei dem zuerst beschriebenen Verfahren erzeugte Kühlmitteldampf über die Leitung 23 bzw. 35 ab.

Man könnte den Kühlmittelumlauf im Beschikkungsrohr 33 und dem daran angeschlossenen Kühlmittelrücklaufkanal 34 dadurch erzeugen, daß man'

Claims

dem im Beschickungsrohr aufgestiegenen Kühlmittelstrom im oberen Teil des Umlaufsystems einen kälteren Kühlmittelstrom zumischt. Auf diese Weise wird die Temperatur des im Beschickungsrohr aufgestiegenen und vom Brennelement erwärmten Kühlmittels erniedrigt, bevor es im Kühlmittelrücklaufkanal wieder nach unten sinkt. Die Förderung des zusätzlichen kalten Kühlmittelstromes erfolgt zweckmäßigerweise in einer in F i g. 2 gezeichneten zusätzlichen Steigleitung 36 zur Mischstelle. In diese Steigleitung ist im unteren Teil ein Düsensystem 37 eingebaut, durch welches Schutzgas in den aufsteigenden Kühlmittelstrom zur Dichteverminderung eingeleitet wird. Das Schutzgas strömt wieder über die Leitung 35 ab. Zur Abscheidung eventuell mitgerissener Kühlmittelreste kann in diese Leitung bzw. in den oberen Teil des Beschickungsrohres ein Flüssigkeitsabscheider eingebaut werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, das Beschikkungsrohr wechselweise mit Kühlmittel zu füllen und ao wieder leerlaufen zu lassen, indem man den Innenraum des Beschickungsrohres abwechselnd mit der Unterdruckleitung 16 und mit dem Innenraum 13 des Reaktorbehälters 4 verbindet. Dadurch strömt das Kühlmittel dauernd, wenn auch mit wechselnder Strömungsrichtung, am Brennelement im Beladerohr 22 bzw. 33 vorbei. Das nach oben zum Windwerk der Beschickungsmaschine laufende Seil 28 läuft im Innern des Schutzrohres 35. Dieses Schutzrohr 35 kann gleichzeitig die Leitung 23 der Fig. 1 sein. Als Antrieb für das Greiferfutter sind jedoch auch andere Ausführungen möglich. So könnte man beispielsweise auch einen direkten elektrischen Antrieb für das Greiferfutter vorsehen oder das Seil durch eine Stopfbuchsdichrung aus dem Führungsrohr herausführen und die Leitung 23 getrennt, eventuell flexibel, verlegen. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Umladen von Brennstoffelementen in Kernreaktoren, die mit im Betriebszustand flüssigen Medien, insbesondere mit Natrium, gekühlt sind, mittels einer mit einem Beschickungsrohr zur Aufnahme der zu wechselnden Brennstoffelemente versehenen Einrichtung, bei dem der Kühlmittelstand im Reaktorbehälter gegenüber dem normalen Betriebszustand abgesenkt wird und das beim Umladen im Beschikkungsrohr befindliche Brennelement auch oberhalb der Oberfläche des Kühlmittels im Reaktorbehälter weiterhin vom Reaktorkühlmittel gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß beim Umladen in dem mit seinem unteren offenen Ende in die Kühlflüssigkeit (3) des Reaktorbehälters (4) eintauchenden Beschickungsrohr (22, 33) eine das abgesenkte Kühlmittelniveau (20) im Reaktor übersteigende Kühlflüssigkeitssäule, die mindestens bis zum oberen Ende des darin befindlichen Brennstoffelements reicht, aufrechterhalten wird, wobei die Einstellung der Flüssigkeitsniveaus durch den über den Flüssigkeiten liegenden Gasdruck erfolgt und der Unterschied zwischen der Höhe des Kühlmittelstandes im Reaktorbehälter und der im Beschickungsrohr durch eine entsprechende Differenz der über den Flüssigkeitsschichten liegenden Gasdrücke erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausrichten des Beschikkungsrohres (22) auf das auszuwechselnde Brennelement und zum Ankuppeln des Brennelements an den Greifer (29) der Kühlmittelspiegel (20) vorübergehend bis unter die Brennelementköpfe (27) auf ein tieferes Niveau (26) abgesenkt wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer das Innere des Reaktorbehälters (4) mit den Wärmeaustauschern (7), den Vorratsbehältern (8) und dem Beschickungsrohr (22) verbindenden Druckgasleitung (16,23) ein Gasgebläse (18) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschickungsrohr (33) mit einem Kühlmittelrücklaufkanal (34) ausgestattet ist, dessen unteres offenes Ende auf gleicher Höhe mit dem unteren Ende des Beschickungsrohres liegt und das an seinem oberen Ende unterhalb des während des Ladevorganges im Beschickungsrohr (33) sich einstellenden Flüssigkeitsspiegels in das Beschickungsrohr (33) mündet.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschickungsrohr (22 bzw. 33) am unteren Ende, jedoch noch über der Oberfläche des abgesenkten Kühlmittels (20) mit Gaseintrittsöffnungen versehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 5, gekennzeichnet durch ein Umschaltventil in der Leitung (23 bzw. 35), das den Innenraum des Beschikkungsrohres (22 bzw. 33) wechselweise mit der Unterdruckleitung (16) oder mit dem Innenraum (13) des Reaktorbehälters (4) verbindet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
DeutscheAuslegeschriftNr. 1 045 003.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 519/433 3.67 ö Bundesdruckerei Berlin