DE1764258B2 - Atomkernreaktor mit gaskuehlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Atomkernreaktor mit Gaskühlung und stabförmigen Brennelementen, die zu mehreren in einer Gruppe zusammengefaßt und in eine Gitterzelle eines gitterartigen Kerntragrostes eingehängt sind.

Bei dem in den USA.-Patentschriften 3 201320 und 3 201321 angegebenen Atomkernreaktoren der obengenannten Art sind neun Brennelemente in quadratischer Anordnung zusammengefaßt und mit jeweils einer eigenen Verschraubung an einer Tragplatte hängend befestigt. Das Montieren der Verschraubungen erfordert jedoch einen relativ großen Aufwand, zumal bedacht werden muß, daß diese Arbeit bei Radioaktivität vorgenommen werden muß.

Deshalb besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine bessere und einfachere Möglichkeit zum Zusammenfassen von stabförmigen Brennelementen zu einer Gruppe zu finden.

Diese Aufgabe wird bei dem obengenannten Atomkernreaktor dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Brennelemente einzeln in jede Gitterzelle des Kerntragrostes e^;nhängbar und dort erst durch das zuletzt eingehängte Brennelement der Gruppe festgelegt sind.

Auf diese Weise braucht nur noch das letzte Brennelement befestigt zu werden. Der Arbeitsaufwand verringert sich dadurch entsprechend der Zahl der zu einer Gruppe gehörenden Brennelemente.

Nimmt man die gleiche Brennelementgruppierung wie nach den USA.-Patentschriften 3 201 320 und 3 201 321, so ist der Aufwand für das Festlegen der Brennelemente auf etwa V₈ verringert.

Bei der Verwirklichung der Erfindung können die Brennelemente vorteilhaft in an sich bekannter Weise einen quadratischen Querschnitt aufweisen und in jeder Gitterzelle zu einem Quadrat gruppiert sein. Dadurch ergibt sich eine gute Raumausnutzung,

während bei der Anordnung nach den USA.-Patent- jeweils einem Schritt greifen. Dies geschieht mit dem

Schriften 3 201320 und 3 201321 im Querschnitt durch die öffnung des Niederhalters ausfahrbaren

kreisförmige Brennelemente zu einem Quadrat grup- Greifkopf,

piert sind." " Beim Einsetzen der Brennelemente werden in um-

Bei quadratischer Anordnung empfiehlt es sich. 5 gekehrter Reihenfolge zunächst die Eckelemente und das Brennelement in der Mitte" des Quadrates zur anschließend die übrigen Randelemenu zwischen Festlegung der restlichen Brennelemente der Gruppe diesen Eckelementen in den Kerntragrost eingehängt, zu vei »venden. Man erhält dadurch seitlich den groß- Zur Ausrichtung dieser äußeren Elemente kann anten Spielraum für die Befestigung des letzten Brenn- schließend ein Spreizwerkzeug eingefahren werden, elementes. Außerdem kann das Schließen oder Lösen io das diese Elemente in eine genaue senkrechte Lage der Befestigung nicht durch benachbarte Wandteile bringt. Anschließend wird dann als letztes das mittgestört werden." lere Brennelement eingesetzt und nach Einbringen

Zur Festlegung der Brenneiemerte kann man des Stopfens über dessen Verlängerung niedergehal-

insbesondere so vorgehen, daß die äußeren acht ton.

Brennelemente einer jeden Gruppe im Oberteil ent- 15 An Hand einer schematischen Zeichnung sind

sprechend der Höhe des Kerntragrostes auf zwei be- Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispie-

nachbarten Längsseiten um jeweils angenähert die len nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

halbe Wandstärke der Tragroststreben eingezogen F i g. 1 einen Querschnitt durch einen gasgekühlten

und am oberen Ende dieser Seiten mit auskragenden schnellen Brutreaktor,

Traghaken versehen sind. Dabe' ist es besonders ao F i g. 2 a und 2 b einen Längsschnitt und eine

günstig, wenn das mittlere Brennelement über die ge- Draufsicht auf eine Zelle mit Brennelementen, wäh-

samte Länge gleichmäßigen quadratischen Quer- rend in

schnitt aufweist und am oberen Ende mit überstehen- F i g. 3 ein Querschnitt durch einen Teil der mit

den Tragleisten zur Abstützung auf den benachbar- dem Stopfen verschlossenen Deckelplatte und der

ten Brennelementen versehen ist. Abgesehen von der 25 niedergehaltenen Brennelemente sowie den Greifer

vorstehend erwähnten Ausbildung des oberen Endes, mit dem teilweise gezogenen mittleren Brennelement

die für die Festlegung benötigt wird, können die dargestellt sind; in den

Brennelemente vollständig gleich sein. Auch der ge- Fig. 4a und 4b ist ein Längs- und Querschnitt nannte Unterschied am oberen Ende betrifft nur das beim Ziehen eines der seitlichen Brennelemente darmittlere Brennelement, während die äußeren Brenn- 30 gestellt, während

elemente unter sich auch dort gleich ausgebildet sein Fig. 5 das Einfahren des Spreizwerkzeuges bei

können. teilweise eingesetzten Brennelementen zeigt.

Zur Steuerung des neuen Kernreaktors kann man Nach F i g. 1 befindet sich der eigentliche Reaktoreinen Regelstab verwenden, wie an sich bekannt ist. kern 105 im oberen Teil des zylinderrohrförmigen Dabei ist es günstig, wenn das zur Festlegung die- 35 Spannbeton-Druckbehälters 101. Dieser Druckbehälnende mittlere Brennelement mit einem Regelstab ter besteht aus segmentförmigen vorgespannten Ferver^ehen ist. tigbauteilen und ist am oberen Ende von einer ebe-

Die Festlegung des mittleren Stabes kann, wie ge- nen Deckelplatte 102 und am unteren Ende mit funden wurde, mit Vorteil so ausgebildet sein, daß einem konischen Einsatzstück 103 abgeschlossen, ein über dem mittleren Brennelement in einer Boh- 40 Die Brenn- und Brutelemente im Reaktorkern 105 rung der Deckelplatte angeordneter Stopfen über sind in einem Kerntragrost IC eingehängt, der wieeine mit seitlichen Bohrungen versehene zylinder- derum über Zuganker 1C6 in der oberen Deckelrchrförmige Verlängerung das mittlere Brennelement platte 102 befestigt ist. Unterhalb der Brennelemente und damit auch die Randelemente einer jeden Zelle befindet sich zunächst der Verteilerkegel 108 und niederhält. Der Stopfen kann darüber hinaus mit 45 eine Graphitabschirmung 109, die aus graphitgefülleinem Regelstabantrieb versehen sein. Auf diese ten Stahlrohren als Neutronenabschirmung besteht. Weise sind die Befestigungselemente und die zur Re- Im unteren Teil des Druckbehälters 101 befindet sich gelung vorgesehenen Teile vereinigt, so daß sie in dann der Dampferzeuger 110. Diesem Dampferzeukurzer Zeit gemeinsam montiert und demontiert wer- ger wird das Speisewasser über die Sammelleitungen den können. 50 111 zugeführt, während der Frischdampf über die

Die neue Anordnung der Brennelemente bringt Rohre 112 abströmt. Im unteren konischen Abauch Vorteile beim Brennelementwechsel. Dabei schlußstück 103 befinden sich Durchbrüche für die kann man so vorgehen, daß beim Auswechseln der Antriebswellen der Kühlmittelgebläse 114, die von Brennelemente nach Ziehen des Stopfens von einer den Gebläsemotoren 113 angetrieben werden. Das auf der Oberseite der Deckelplatte verfahrbaren La- 55 Kühlmittel durchströmt dabei den Reaktorkern und demaschine mit Brennelement-Trommelmagazin, die Wärmetauscher von oben nach unten.
Winde und Greiferführungsrohr ein rohrförmiger Auf der Oberfläche der Deckelplatte 102 ist die Niederhalter für die äußeren Brennelemente durch Lademaschine 115 verfahrbar. Dabei weist die Ladedie Bohrung der Deckelplatte eingefahren wird. Vor- maschine eine Brennelementtrommel 116, das zugsweise weist der rohrförmige Niederhalter im un- 60 Greiferführungsrohr 117 und eine Winde 118 zum teren Bereich eine seitliche, sich etwa über einen Heben und Senken des Greifergestänges auf. Ober-Winkel von 90° des Querschnittes erstreckende öff- halb dieser Lademaschine 115 befindet sich der nung auf. Im Verlauf dieser öffnung kann dann ein Rundlaufkran 119. Der gesamte Brutreaktor ist Greifer bewegt werden, der die einzelnen Brennele- schließlich vom Reaktorgebäude 110 eingeschlossen, mente packt. Der Greifer ist insbesondere in 45°- 65 Die von der Lademaschine gezogenen Brennele-Schritten um elüc zum rohrförmigen Niederhalter ko- mente können in wassergefüllten Tanks durch einen axiale Achse drehbar. Er kann dann bei quadrati- Aufzugsschacht 120 in das mit Wasser gefüllte Brennscher Gruppierung die äußeren Brennelemente nach elementbecken 121 abgesenkt werden.

Nach F i g. 2 a und 2 b sind jeweils neun im Quer- ausgleichsleitungen 17 und die Thermoelemente 19 schnitt quadratische Brenn- bzw. Brutelcmente zu in den Brennelementköpfen auf. Die Anschlüsse 26 einer Gruppe zusammengefaßt. Diese neun Elemente für die Druckausgleichsleitungen münden dabei in sind von oben in die Zelle 11 eines gitterartig aufge- einer gemeinsamen Ringleitung 27, von der aus die bauten Kerntragrostes 10 eingehängt. Dabei sind die 5 Gaszufuhr zentral über die Leitung 28 geregelt wird, äußeren Brennelemente 1 bis 8 einer jeden Gruppe Eine zusätzliche Helium-Sperrgasleitung kann wüngleich aufgebaut. Sie sind in ihrem Oberteil entspre- sehenswert sein, wenn als Primärkühlmittel CO₂ verchend der Höhe des Kerntragrostes 10 auf jeweils wendet wird und dessen Einbringen in die Brennzwei benachbarten Seiten 12 und 13 um jeweils ange- stäbe trotz kleiner Undichtigkeiten in den Anschlüsnähert die halbe Wandstärke der Tragroststreben 10 io sen ausgeschlossen werden soll,
eingezogen. Am oberen Ende dieser Seiten 12 und 13 Im rechten Teil der F i g. 3 ist der Ziehvorgang des sind sie mit auskragenden Traghaken 14, 15 und 16 mittleren Brennelementes 9 dargestellt. Die hier nicht zum Einhängen in den Kerntragrost 10 versehen. näher dargestellte Lademaschine verfährt oberhalb Das mittlere Brennelement 9 weist demgegenüber der Deckelplatte 102 auf einem Koordinaten-Fahrüber die gesamte Länge einen gleichmäßigen quadra- 15 werk, so daß jeder Punkt angefahren werden kann, tischen Querschnitt auf. Am oberen Ende dieses Nach dichtem Aufsetzen der Lademaschine auf das mittleren Brennelementes 9 sind seitlich Uberste- Betondruckgefäß und nach Druckausgleich wird der hende Tragleisten 21 angebracht, die sich in Ab- Stopfen 24 gelöst und in die Lademaschine gezogen, schrägungen der äußeren Brennelemente 1 bis 8 ab- In die frei gewordene öffnung 23 wird ein Niederstützen, so daß dieses mittlere Brennelement 9 von ao halterohr 29 eingeführt. Es weist an seinem unteren den äußeren Elementen 1 bis 8 gehalten wird. Gleich- Ende eine seitliche öffnung 30 auf, die sich in etwa zeitig kann das mittlere Brennelement 9 einen Regel- über einen Winkel von 90° des Querschnittes erstab 20 enthalten. streckt. Das Niederhalterohr 29 ist über einem An-

Zur Vermeidung von unzulässigen Beanspruchun- trieb zusammen mit dem Manipuliergestänge 31 des

gen der Brennstabhülirohre hat es sich als zweckmä- as Greifers um 45 -Schritte koaxial drehbar, so daß

Big erwiesen, wenn in den Brennstäben ein Druck- das Greifwerkzeug 32, das aus der seitlichen öffnung

ausgleich gegenüber dem äußeren Hauptkühlmedium ausfahrbar ist, alle um das zentrale Brennelement 9

herbeigeführt wird. Dazu wird in den einzelnen gelagerten Elemente jeder Gruppe erreichen kann.

Brennstäben durch ein zusätzliches Gas ein Druck Durch das Nieucrhalterohr 29 werden die fiuu'n im

erzeugt, der jeweils etwas unterhalb des äußeren 30 Tragrost 10 hängenden Brennelemente 1 bis 8 in ih-

Kühlmitteldruckcs liegt. Zur Zuführung dieses ren Aufhängungen gehalten, denn beim Ziehen des

Druckausgleichmediums sind in den Köpfen der ein- mittleren Brennelementes könnten durch eventuell

zelncn Brennelemente Anschlußleitungen 17 vorgc- auftretende Reibungskräfte zwischen den mit einem

sehen. Diese Anschlußleitungen 17 befinden sich da- BIcchgehäuse umgebenen Brennelementsäulen die

bei in den dem mittleren Brennelement 9 benachbar- 35 äußeren Elemente 1 bis 8 bei NichtVorhandensein des

ten Ecken der äußeren Brennelemente I bis 8. Niederhalterohres aus ihrer Halterung am Kerntrag-

Ferner sind im Oberteil der Brennelemente Dros- rost 10 ausklinken und nach unten abstützen,
sein 22 zur Regelung des Kühlmiiieldurchsatzes Das mittlere Brennelement 9 wird nun von den durch die Brennelemente eingesetzt. Diese Drosseln Klinken 33 des Greifkopfes 32 erfaßt und mit Hilfe 22 werden über Anschlüsse 18 in den Brennelement- 40 des Manipuliergestänges 31 nach oben in die Ladeköpfen verstellt. maschine gezogen.

Ferner können in den Brennelementen zusätzlich Dabei weist die Lademaschine 115 ein eigenes

noch Thermoelemente vorgesehen sein, deren An- Gaskühlsystem zur Kühlung der in der Trommel ent-

schlüsse 19 ebenfalls in den Brennelementköpfen haltenen verbrauchten Brennelemente auf. Aber

münden. 45 auch das als Rohr ausgeführte Manipuliergestänge

Fig.3 zeigt zwei benachbarte Gruppen von 31 wird vom Kühlgas durchströmt, so daß wΓirend

Brennelementen, von denen die linke Gruppe in be- des Ziehvorganges der Brennelemente die Nachzer-

triebsbereiter Anordnung und die rechte Gruppe fallswärme gut abgeführt wird,

während des Ziehens des mittleren Brennelementes9 Nach den Fig.4a und 4b, in denen das Ziehen

dargestellt ist. Die Deckelplatte 102 des Reaktorkes- so der Randelemente näher dargestellt ist, wird der

sels und der dicht darunter angeordnete thermische Greifkopf 32 des Greifers seitlich durch die schon

Schild 107 weisen jeweils über dem mittleren Brenn- beschriebene öffnung 30 ausgefahren, so daß er auch

element 9 eine Bohrung 23 auf, die bei der linken die in den Ecken befindlichen Brennelemente 1,3,5

Gruppe der Brennelemente mit einem Stopfen 24 und 7 sicher ereichen kann.

verschlossen ist. über eine mit seitlichen Bohrungen ⁵* Nach dem gezeigten Ausführungsbeispiei werden versehene hohlzylindrische Verlängerung 25 unter- also die äußeren Bre.inelemente 1 bis 8 zunächst vom halb des Stopfens 24 wird das mittlere Brennele- Greifkopf 32 gegriffen, etwas angehoben, so daß sie ment 9 und damit auch die äußeren Elemente 1 bis 8 aus der Halterung des Kerntragrostes 18 ausklinken niedergehalten. Im Stopfen 25 kann gleichzeitig der und dann nach innen unter die Bohrung 23 der Dekhier nicht näher dargestellte Regelstabantrieb an- 60 kelplatte 102 geführt, so daß sie sicher in die Ladegeordnet sein, so daß keine Antriebsteile aus der maschine gezogen werden können.
Deckenplatte 102 nach oben herausragen. Der Regel- DeT Einsetzvorgang der Brennelerente vollzieht stab 20 ist dabei etwa hn Bereich der Spaltzone des sich in ähnlicher Weise, jedoch in umgekehrter Rei-Brennetementes angeordnet, während sich jeweils henfolge. Dabei werden zunächst die BrenneleoberhaJb und unterhalb der Spaltzone die entsp ^e- «5 mente 1,3,5 und 7 in den Ecken der jeweiligen ZtDe chenden Brutzoaen befinden. gesetzt und anschließend die Brennelemente 2, 4, 6

Die Verlängerung 25 des Stopfens 24 weist am un- und 8 zwischen den Eckelementen,

teren Ende kuppeibare Anschlüsse 26 für die Druck- F i g. 5 zeigt eine Zelle mit bereits teilweise

setzten Brennelementen. Wenn die Eckbrennelementc 1,3,5 und 7 eingehängt, sind, kann es vorkommen, daß wegen der auftretenden Reibungskräfte die mittleren Brennelemente 4 und 8 bzw. 2 und 6 nach Fuihängen in den Kerntragrost 10 nicht sofort senkrecht hängen, sondern am unteren Ende schräg zur Mitte geneigt sind. Um diese Brennelemente in ihre vorgeschriebene Lage zu bringen, wird nach Hochfahren des Manipuliergestänges in die Lademaschine ein Spreizwerkzeug 34 herabgedrückt, das die Seitencicmcnte 4 und 8 mittels der am Spreizkopf 34 angebrachten Rollen in ihre vorgeschriebene Lage bringt. Mit den beiden anderen seitlichen Brennelementen 2 und 6 wird ähnlich verfahren. Abschließend kann dann das zentrale Brennelement 9 eingesetzt werden. Nach Ziehen des Nicderhalterohres 29 und Einsetzen des Stopfens 24 mit dem Verlängerungsstück 25 wird das mittlere Brennelement 9 und damit auch die übrigen Elemente niedergehalten, so daß der Reaktor wieder betriebsbereit ist.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene Ausführung beschränkt. An Stelle durch die Einzelstopfen verschlossenen Bohrungen kann der Kern auch durch einen oder mehrere Manipulatoren beladen werden, die bei Reaktorstillstand durch öffnungen von oben in den Raum zwischen Kern und Druckgefäßdeckel eingefahren werden. Dabei muß dieser Raum allerdings eine relativ große Höhe haben. Weiterhin kann die Zahl der Brennelemente je Bcladezelle über neun hinaus vergrößert

ίο werden. Es ist auch denkbar, an Stelle der quadratischen Brennelemente solche mit sechseckigem Querschnitt zu verwenden, jedoch muß dann mehr als ein Zentralelemcnt je Zelle vorhanden sein und entladen werden, bevor die übrigen entladen werden können.

Unterhalb des Kernes kann ferner eine netzartige Stahlkonstruktion so angeordnet werden, daß sie beim versehentlichen falschen Beladen dasHir.abfallcr einzelner Brennelemente auf den Verteilerkegcl verhindert. Sie muß andererseits so schwach ausgelegi

sein, daß sie beim teilweisen oder vollständiger Kernschmelzen dagegen nachgibt oder bricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Atonikernreaktor mit Gaskühlung und stabförmigen Brennelementen, die zu mehreren in einer Gruppe zusammengefaßt und in eine Gitterzelle eines gitterartigen Kerntragrostes eingehängt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (1 bis 4) einzeln in jede Gitterzelle (11) des Kerntragrostes (10) einhängbar und dort erst durch das zuletzt eingehängte Brennelement (9) der Gruppe festgelegt r'nd.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 mit neun Brennelementen in einer Gruppe, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (1 bis 9) in an sich bekannter Weise einen quadratischen Querschnitt aufweisen und in jeder Gitterzelle zu einem Quadrat gruppiert sind.

3. Ate. ikernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement (9) in der Mitte des Quadrates zur Festlegung der restlichen Brennelemente (1 bis 8) der Gruppe dient.

4. Atomkernreak'or nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren acht Brennelemente (1 bis 8) einer jeden Gruppe im Oberteil entsprechend der Höhe des Kerntragrostes (10) auf zwei benachbarten Längsseiten (12, 13) um jeweils angenähert die halbe Wandstärke der Tragroststreben (10) eingezogen und am oberen Ende diesig Seiten mit auskragenden Traghaken (14 bis 16) verseher, sind.

5. Atomkernreaktcr nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, da^: das mittlere Brennelement (9) über die gesamte Länge einen gleichmäßigen quadratischen Querschnitt aufweist und am oberen Ende mit überstehenden Tragleisten (21) zur Abstützung auf den benachbarten Brennelementen (1 bis 8) versehen ist.

6. Atomkernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Festlegung dienende, insbesondere das mittlere Brennelement (9) mit einem Regelstab (20) versehen ist.

7. Atomkernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein über dem mittleren Brennelement (9) in einer Bohrung (23) der Deckelplatte (102) angeordneter Stopfen (24) über eine mit seitlichen Bohrungen versehene zylinderrohrförmige Verlängerung (25) das mittlere Brennelement (9) und damit auch die Randelemente (1 bis 8) einer jeden Zelle (11) niederhält.

8. Atomkernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (24) mit einem Regelstabantrieb versehen ist.

9. Verfahren zum Auswechseln der Brennelemente bei einem Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ziehen des Stopfens (24) von einer auf der Oberseite der Deckelplatte (102) verfahrbaren Lademaschine (115) mit Brennelement-Trommelmagazin (116), Winde (118) und Greiferführungsrohr (117) ein rohrförmiger Niederhalter (29) für die äußeren Brennelemente (1 bis 8) durch die Bohrung (23) der Deckelplatte (102) eingefahren wird.

10. Atomkernreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Niederhalter (29) im unteren Bereich eine seitliche, sich etwa über einen Winkel von 90° des Querschnittes erstreckende öffnung (30) aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß nach Einfahren des Niederhalters (29) zunächst das mittlere Brennelement (9) mittels eines innerhalb des Niederhalters (29) verfahrbaren Greifers (31, 32) gezogen wird.

12. Kernreaktor nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß der Niederhalter (29) zusammen mit dem Greifer (31) in 45°-Schritten koaxial drehbar ist.

13. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Randelemente (1 bis 8) von dem durch die seitliche öffnung (30) des Niederhalters (29) ausfahrbaren Greifkopf (32) des Greifers (31) greifbar sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsetzen der Brennelemente (1 bis 9) zunächst die Eckelemente (1,3,5,7) und die übrigen Randelemente (2,4,6,8) in den Kerntragrost (10) eingehängt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach Einsetzen der äußeren Brennelemente (1 bis 8) ein Spreizwerkzeug (28) zum Ausrichten der Brennelemente (1 bis 8) eingefahren wird.