DE102008028216A1

DE102008028216A1 - Einrichtung und Verfahren zur Förderung und Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors

Info

Publication number: DE102008028216A1
Application number: DE102008028216A
Authority: DE
Inventors: Hubert Handel; Josef Dr. Schöning; Dietrich Dr. Knoche
Original assignee: Westinghouse Electric Germany GmbH
Current assignee: Westinghouse Electric Germany GmbH
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-17

Abstract

Der Anmeldungsgegenstand betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen, welche zumindest eine Fördereinrichtung mit wenigstens einem Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) mit Abzugsöffnung (4, 36; 68), sowie wenigstens ein trichterartig ausgebildetes Zuführungsmittel (6, 26, 45; 70), einen mittig zum wenigstens einen Zuführungsmittel (6, 26, 45; 70) ausgerichteten Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) und/oder wenigstens ein den Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) umfänglich zumindest teilbereichsweise umgebendes Anschlagmittel (10, 28, 52; 74) umfasst, wobei im Zusammenwirken von Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104), Anschlagmittel (10, 28, 52; 74) und/oder Zuführungsmittel (6, 26, 45; 70) eine an die Größe eines Brennelementes (34) angepasste ringnutartige Brennelementaufnahme (14, 30, 54; 76, 108) gebildet ist und/oder der wenigstens eine Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) der Fördereinrichtung in die ringnutartige Brennelementaufnahme (14, 30, 54; 76, 108) mündet, so dass jeweils genau ein Brennelement (34) vor die Abzugsöffnung (4, 36; 68) des jeweiligen Abzugsschachtes (2, 38, 42; 64, 66) oder die Abzugsöffnung (4, 36; 68) vor ein Brennelement (34) bringbar und das jeweilige Brennelement (34) über den Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) entnehmbar ist. Darüber hinaus wird auch ein entsprechendes Verfahren beansprucht, wobei die jeweilige Abzugsöffnung (4, 36; 68) mittels Drehbewegung an in der Brennelementaufnahme (14, 30, 54; 76, 108) angeordneten Brennelementen (34) ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Förderung und Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors, insbesondere von Brennelementkugeln beziehungsweise Kugelbrennelementen eines Kugelhaufenreaktors, wobei durch definierte Positionierung sowie Vereinzelung der jeweiligen Brennelemente eine effiziente Entleerung des jeweiligen Hochtemperaturreaktors, insbesondere des Reaktorbehälters mit loser Kugelschüttung, auch ohne direkten Zugang oder Zugriff bewirkbar ist.
Gängige Hochtemperaturreaktoren verwenden im Gegensatz zu wassergekühlten und wassermoderierten Reaktoren Graphit als Moderator sowie Helium als Kühlmittel. Als primärer Spaltstoff wird dabei ²³⁵U eingesetzt, wobei erbrütete Spaltstoffe einen zusätzlichen Beitrag zur Energieerzeugung liefern. Aus neutronenphysikalischen Gründen erscheint der Einsatz von Thorium als Brutstoff dabei besonders vorteilhaft, da aus dem Thoriumisotop ²³²Th das spaltbare Uranisotop ²³³U gebildet wird.
Eine spezielle Eigenschaft des in Deutschland entwickelten Hochtemperaturreaktors sind die eingesetzten kugelförmigen Brennelemente, im Gegensatz zu Entwicklungen in den USA bei welchen in aller Regel prismatische Brennelemente eingesetzt werden. Diese einzelnen, kugelförmigen Brennelemente, welche im Reaktorkern einen in loser Schüttung angehäuften Kugelhaufen bilden, welcher die Bezeichnung Kugelhaufen reaktor prägt, ermöglichen eine kontinuierliche Entnahme verbrauchter und deren Ersatz durch frische, unverbrauchte Brennelemente, um den Kernspaltungsprozess aufrecht und konstant zu halten.
Ein zentrales Element eines Kernreaktors bildet der sog. Reaktorkern, im Englischen auch als „CORE” bezeichnet, in welchem die eigentlichen Kernspaltungsprozesse stattfinden. Der Reaktorkern weist neben zahlreichen Einbauten zur Prozesssteuerung und -überwachung im Wesentlichen die auswechselbaren Brennelemente, insbesondere Kugeln auf, welche von einem Kühlmittelstrom durch- beziehungsweise umflossen werden und durch welchen Kühlmittelstrom die erzeugte Wärme abgeführt und in einem Sekundärkreis in Nutzenergie umgesetzt wird. Der Reaktorkern sowie das Kühlmittel sind vom Reaktorbehälter beziehungsweise Reaktordruckbehälter umgeben.
Als Kühlmittel wird, wie vorstehen bereits angegeben, dabei ein reaktionsträges Gas wie beispielsweise Helium, Stickstoff oder Kohlendioxid eingesetzt.
Der Reaktorkern ruht auf einer Tragekonstruktion in welcher der Kühlmittelstrom auf die verschiedenen Brennelemente verteilt wird. Darüber hinaus ist beispielsweise bei Leichtwasserreaktoren ein fernbedientes Be- und Entladesystem vorgesehen, welches das Auswechseln der Brennelemente in Form von jeweils mehreren verbundenen Brennstäben in einem zyklischen (nicht-kontinuierlichen) Prozess ermöglicht.
In Hochtemperaturreaktoren wird demgegenüber der Kernbrennstoff nicht in Form von Stäben sondern insbesondere in Form von vorzugsweise Kugeln in loser Kugelschüttung in den Reaktorkern eingebracht und verwertet, wobei in den einzelnen Brennelementkugeln der Brennstoff im Innern in Form beschichteter Teilchen enthalten ist. Diese können gewonnen werden indem beispielsweise nach einem Sol-Gel-Prozess hergestellte UO₂- oder (U,Pu)O₂-Teilchen mit in etwa 0,1 mm Durchmesser mit Pyrokohlenstoff beschichtet werden. Der Beschichtung obliegt insbesondere die Aufgabe die Spaltprodukte und den Brennstoff im Innern zurückzuhalten beziehungsweise einzuschließen.
Demgemäß sind gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren bekannt geworden, deren Reaktorkern aus einer losen Schüttung von ca. 675000 kugelförmigen Brennelementen besteht, von denen jedes in etwa der Größe eines Tennisballes entspricht und durch beziehungsweise um welche das jeweilige Kühlmittel, insbesondere Helium, wobei Helium vorteilhaft keine Neutronen einfängt und demzufolge nicht radioaktiv wird, geleitet wird.
Indem die jeweiligen Brennelemente, insbesondere Kugeln, im laufenden Betrieb des jeweiligen Hochtemperaturreaktors ständig von oben zugegeben und von unten entnommen werden, wird ein kontinuierlicher Betrieb des Reaktors ermöglicht, der gleichzeitig einen kontinuierlichen Austausch des jeweils erforderlichen Brennmaterials erlaubt. Abgebrannte Brennelemente, insbesondere in Kugelform, werden demgemäß kontinuierlich entfernt und durch neue ersetzt.
Der Prozesswirkungsgrad des jeweiligen Reaktors kann bei Verwendung von Helium als Kühlmittel beispielsweise dadurch erhöht werden, indem eine direkte Speisung des Heliums in die Turbine erfolgt. Helium absorbiert fast keine Neutronen und wird im Betrieb nicht radioaktiv, wobei allerdings sicherzustellen ist, dass die eingesetzten Brennelemente, insbesondere Kugeln unversehrt ,dicht' sind beziehungsweise bleiben, so dass keine Zerfallsprodukte an die Umgebung und insbesondere an das die Brennelemente umströmende Kühlmittel abgeben werden, so dass eine Kontamination des Kühlmittels vermieden wird.
Demzufolge kommt dem Prozess der Zuführung und Entnahme der jeweiligen Brennelemente besondere Bedeutung zu, da zu gewährleisten ist, dass die Brennelemente und insbesondere deren Graphitbeschichtung möglichst unversehrt bleiben und vor Beschädigungen zu bewahren sind, wobei gleichzeitig auch eine schnelle sowie sichere Beschickung sowie Entleerung des Kernreaktors gegeben sein muss.
Die sicherheitsgerichteten Rahmenbedingungen beziehungsweise Randbedingungen zum Betrieb eines Hochtemperaturreaktors erlauben keinerlei Entleerung der Brennelemente nach unten aus dem Reaktorbehälter, da dieser aus sicherheitstechnischen Gründen nach Unten keine Öffnungen beziehungsweise Auslässe aufweisen darf. Alternativ zu einer Entleerung nach Unten besteht bekanntermaßen die Möglichkeit die Brennelemente mittels geeigneter Saugeinrichtungen mit genügend hoher Saugkraft von beziehungsweise nach oben abzusaugen. Bei ausreichend großer Saugkraft und demgemäß auch Fördergeschwindigkeiten können dabei nahezu beliebig große Förderhöhen und Entfernungen überbrückt und bewältigt werden.
Um zu gewährleisten, dass keine Verstopfungen oder Blockierungen entstehen, ist der Durchmesser der Förderrohre hinreichend groß zu wählen, was nachteilig dabei in aller Regel ur Absaugung der Brennelemente in vergleichsweise großen Massengruppierungen führt, eine Separation in einzelne Elemente ist bei bekannten Einrichtungen und Verfahren jedoch nicht vorgesehen. Damit ist einhergehend weiterhin ein vergleichsweise großer Gasmassenstrom erforderlich, der aufgrund der dadurch bedingten vergleichsweise hohen Fördergeschwindigkeit zu einer entsprechend großen Beanspruchung der einzelnen Brennelemente sowie der Rohrleitungen in den Krümmern der Rohre, insbesondere durch Stöße und Kollisionen der Brennelemente untereinander sowie mit den Wandungen der Rohrleitungen, und damit in aller Regel auch zu Beschädigungen und ggf. auch zum Bruch von Brennelementen führen kann.
Um jedoch einen reibungslosen Betrieb des jeweiligen Hochtemperaturreaktors zu gewährleisten und eine Kontamination des eingesetzten Kühlmittels weitestgehend zu vermeiden ist auch bei entsprechender, kontinuierlicher Entnahme eine Beschädigung und insbesondere ein Bruch von Brennelementen möglichst zu vermeiden und die mechanische Beanspruchung der Brennelemente möglichst zu minimieren.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu Grunde eine effiziente sowie materialschonende Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors, insbesondere von Brennelementkugeln eines Kugelhaufenreaktors, zu ermöglichen.
Vorgenannte Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Förderung und Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren sind in weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors umfasst zumindest eine Fördereinrichtung mit wenigstens einem Abzugsschacht mit Abzugsöffnung, sowie wenigstens ein trichterförmig ausgebildetes Zuführungsmittel, einen mittig zum wenigstens einen Zuführungsmittel ausgerichteten Entnahmekopf und/oder wenigstens ein den Entnahmekopf umfänglich zumindest teilbereichsweise umgebendes Anschlagmittel, wobei im Zusammenwirken von Entnahmekopf, Anschlagmittel und/oder Zuführungsmittel eine an die Größe eines Brennelementes angepasste ringnutartige Brennelementaufnahme gebildet ist und/oder der wenigstens eine Abzugsschacht der Fördereinrichtung in der ringnutartigen Brennelementaufnahme mündet, so dass jeweils genau ein Brennelement vor die jeweilige Abzugsöffnung des Abzugsschachtes bringbar und über den Abzugsschacht mittels Gasmassenstrom der Fördereinrichtung aus dem Reaktorbehälter förder- sowie entnehmbar ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die in loser Schüttung vorliegenden Brennelemente, insbesondere die Brennelementkugeln eines Kugelhaufenreaktors, in wohl definierter Geometrie vor der Abzugsöffnung des jeweiligen Abzugsschachtes der Fördereinrichtung positionierbar und mittels Gasmassenstrom vereinzelt aus dem Reaktorbehälter förder- sowie entnehmbar.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist demgemäß der Durchmesser des Abzugsschachtes auf den Durchmesser eines Brennelementes angepasst und mit einem Durchmesser nur wenig größer als der Brennelementdurchmesser ausbildbar.
Durch Vereinzelung beziehungsweise vereinzelte Förderung und/oder Entnahme kann der Gasmassenstrom reduziert und mechanische Belastung der Brennelemente minimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen, im Folgenden auch als Entnahmevorrichtung bezeichnet, ist das Anschlagsmittel in den Entnahmekopf integriert und/oder als Teil des Entnahmekopfes ausgebildet und/oder an den Entnahmekopf angeformt.
Darüber hinaus sind Entnahmekopf und Anschlagsmittel einstückig ausbildbar.
In einer alternativen Ausgestaltung ist das Anschlagsmittel am trichterförmigen Zuführungsmittel angeordnet und/oder an das Zuführungsmittel angeformt.
Darüber hinaus sind Zuführungsmittel und Anschlagsmittel ebenfalls einstückig ausbildbar.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante sind Entnahmekopf und Zuführungsmittel kraftschlüssig miteinander verbunden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Anschlagsmittel als eine feste beziehungsweise starre, umlaufende Kante ausgebildet und insbesondere in einem Winkel von 90° und mehr zur Neigung des trichterartigen Zuführungsmittels ausgerichtet.
In einer weiteren Ausföhrungsform ist der wenigstens eine Abzugsschacht an einem Endbereich nahe der Abzugsöffnung abgewinkelt ausgestaltet.
Weiterhin ist vorsehbar, dass wenigstens ein Abzugsschacht, zumindest anteilig, zentral und/oder in vertikaler Rechtung verlaufend, ausgehend vom Entnahmekopf nach oben und insbesondere aus dem Reaktorbehälter geführt ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Abwinkelung derart gestaltet, dass der abgewinkelte Teilbereich des Abzugsschachtes einen Winkel von ca. 90° mit dem trichterartigen Zuführungsmittel einschließt, also nahezu senkrecht zu diesem ausgerichtet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung sind Zuführungsmittel, Anschlagmittel, Abzugsschacht und/oder Entnahmekopf derart ausgebildet, dass die Abzugsöffnung oberhalb der jeweilig zu fördernden beziehungsweise zu entnehmenden Kugel und/oder anordbar und/oder angeordnet ist und/oder wenigstens ein Abzugsschacht von oben in der ringnutartigen Brennelementaufnahme mündet.
In einer dazu alternativen Ausgestaltung sind Zuführungsmittel, Anschlagmittel, Abzugsschacht und/oder Entnahmekopf derart ausgebildet, dass die Abzugsöffnung unterhalb der jeweilig zu fördernden beziehungsweise zu entnehmenden Kugel anordbar und/oder angeordnet ist und/oder wenigstens ein Abzugsschacht von unten in der ringnutartigen Brennelementaufnahme mündet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens ein Abzugsschacht zumindest anteilig in den Entnahmekopf integriert und/oder im Entnahmekopf ausgebildet.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Abzugsschacht als Rohr ausgebildet welches zumindest anteilig auf beziehungsweise am Entnahmekopf, vorzugsweise dessen Kontur oder Profil folgend, angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Entnahmekopf und/oder wenigstens ein Abzugsschacht drehbar ausgebildet.
In vorteilhafter Weiterbildung ist wenigstens ein Antrieb vorgesehen, der mit dem Entnahmekopf und/oder dem wenigstens einen Abzugsschacht zusammenwirkt und diesen um eine vorbestimmte Drehachse, insbesondere die Symmetrieachse des trichterförmigen Zuführungsmittels, in Drehbewegung versetzt.
Weiterhin ist der Antrieb außerhalb des Reaktorbehälters beziehungsweise des Reaktordruckbehälters anordbar, wobei der wenigstens eine Antrieb mit dem Entnahmekopf über ein Getriebe und/oder eine Antriebswelle, insbesondere ein Getriebe mit unterschiedlichen Übersetzungen, zusammenwirkt.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Antriebswelle als Abzugsschacht ausbildbar und/oder ein Abzugsschacht zumindest anteilig in die Welle integrierbar.
In einer weiteren Ausführungsvariante rotiert der Entnahmekopf in einer freien Kugelschüttung, die durch ein zentrales Rohr gebildet wird. Demnach erfolgt die Beschickung des Reaktors mit Brennelementen über ein zentrales Rohr.
Weiterhin ist vorsehbar, dass das zentrale Rohr die Antriebswelle und/oder den anteilig zentral geführten Abzugsschacht zumindest teilbereichsweise in Längsrichtung, insbesondere in vertikaler Richtung, umgibt. Vorteilhaft unterscheidet sich der Außendurchmesser der Antriebswelle und/oder des den, insbesondere vertikal verlaufenden, Abzugsschacht aufnehmenden Rohres beziehungsweise Rohrleitung vom Innendurchmesser des zentralen Rohres zur Beschickung des Reaktors um wenigstens zwei Brennelementdurchmesser, insbesondere Kugeldurchmesser.
Vorteilhaft ist dabei vorsehbar, dass am Entnahmekopf eine Schütthöhe von zwei bis drei Brennelementdurchmessern, insbesondere Kugeldurchmessern, ansteht beziehungsweise vorgesehen ist, wodurch die Reibung zwischen den Kugeln minimierbar ist und/oder die Kugeln frei bewegbar sind, und/oder der Abstand des Zentralrohrs zum Zuführungselement mindestens 3,5 Kugeldurchmesser beträgt, um Brückenbildung zu vermeiden. Je nach Durchmesser des Zentralrohrs und Neigung des Bodens des trichterartigen Zuführungsmittels können sich beide Randbedingungen jedoch auch ausschließen.
Dabei komm der Einhaltung des Mindestabstandes größerer Bedeutung zu als der Schütthöhe, das heißt die Einhaltung des Mindestabstandes ist zu priorisieren.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Fördereinrichtung Mittel um einen Gasmassenstrom zu erzeugen, wobei ein Fördern der Brennelemente mittels Gasmassenstrom mit Überdruck oder Unterdruck realisierbar beziehungsweise durchführbar ist.
Als Fördermedium ist beispielhaft das jeweilige Kühlmittel des Hochtemperaturreaktors, insbesondere Helium, einsetzbar.
Das Einlaufen der Brennelemente in die Ringnut (Vorsortierung) wird vorteilhaft durch die geometrische Gestaltung des Entnahmekopfes bestimmt, wobei um dies zu erreichen und unterstützen insbesondere Oberflächenprofilierungen, beispielsweise Taschen, Höcker oder Exzentrizitäten vorsehbar sind. Dadurch kann eine Brückenbildung von Brennelementen sicher vermieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das jeweilige Fördermedium beziehungsweise der jeweilige Gasmassenstrom dabei sowohl durch die Kugelschüttung im Zentralrohr und/oder durch einen Ringspalt zwischen Entnahmekopf und Zuführungsmittel von unten zuführbar. Dabei ist, um vergleichsweise hohe Druckverluste zu vermeiden, ein separates Rohr für die Gasmassenzuführung vorteilhaft einsetzbar.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Zuleitung, insbesondere ein gesondertes Rohr, vorgesehen, durch welches das Fördermedium zuführbar ist.
Unterhalb des Entnahmekopfs ist ein Injektor angeordnet, dem die vereinzelten Kugeln über wenigstens einen von der ringnutartigen Brennelementaufnahme zum Injektor geführten Abzugsschacht mittels der auf die Kugeln wirkenden Schwerkraft zugeführt beziehungsweise zugeleitet werden. Eine dem gemäße Rohrleitung wird auch als sog. Schwerkraftleitung bezeichnet.
Durch die Massenträgheit der Kugeln aufgrund ihres Eigengewichtes werden diese vom jeweilig applizierten, in den Injektor eingeleiteten Gasmassenstrom erfasst und vereinzelt. Die Vereinzelung wird derart bewirkt, dass sich ein wohl definierter Abstand zwischen den geförderten Kugeln einstellt.
In vorteilhafter Weiterbildung ist die jeweilige Fördergeschwindigkeit und/oder -rate bedarfsgerecht kontrollierbar, insbesondere durch den Gasmassenstrom und/oder die Drehgeschwindigkeit des Entnahmekopfes.
In einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens eine brennelementführende Rohrleitung, insbesondere der wenigstens eine Abzugsschacht, als Rippenrohr ausgebildet. Bei den jeweiligen Förderleitungen und insbesondere dem jeweiligen Abzugsschacht genügen sechs Rippen, um einen zentrischen Spalt für das Fördermedium zu erzeugen. Auf diese Weise ist die Fördergeschwindigkeit und damit auch die mechanische Belastung auf die einzelnen Brennelement sowie die eingesetzten Förden- und/oder Rohrleitungen reduzierbar und/oder minimierbar.
Bei der jeweiligen Schwerkraftleitung-Rohrleitung welche einen Abzugsschacht umfasst, bei welchem der Abzug der Brennelemente mittels Schwerkraft erfolgt – werden 12 Rippen empfohlen, so dass sich Abrieb und Staub zwischen den Rippen ablagern können. Auf diese Weise wird vorteilhaft gewährleistet, dass die jeweiligen Brennelementkugeln störungsfrei abrollen. Übergänge sind gut zu verrunden, wobei der Krümmungsradius insbesondere 3 bis 5 Kugeldurchmesser betragen sollte.
Des Weiteren wird die gestellte Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors gelöst, bei welchem die jeweiligen Brennelemente einer an die Größe eines Brennelementes angepassten ringnutartigen Brennelementaufnahme zugeführt werden und wobei, im Zusammenwirken mit einer Fördereinrichtung mit wenigstens einem Abzugsschacht mit wenigstens einer Abzugsöffnung, die jeweilige Abzugsöffnung mittels Drehbewegung an in der Brennelementaufnahme angeordneten Brennelementen vorbeibewegt und/oder das jeweils vor der jeweiligen Abzugsöffnung angeordnete Brennelement erfasst und mittels Gasmassenstrom aus dem Reaktorbehälter gefördert und entnommen wird.
In vorteilhafter Weiterführung wird das Verfahren unter Verwendung einer der vorbeschriebenen Vorrichtungen zur Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors durchgeführt.
In einer verfahrengemäßen Weiterbildung wird wenigstens eine Abzugsöffnung des Abzugsschachtes der Fördereinrichtung jeweils oberhalb oder unterhalb des jeweilig zu fördernden beziehungsweise zu entnehmenden Brennelementes, insbesondere Brennelementkugel, angeordnet und/oder positioniert.
In vorteilhafter Fortbildung wird die Positionierung dadurch bewirkt, dass der Entnahmekopf und/oder der wenigstens eine Abzugsschacht und/oder das Anschlagsmittel um eine vorbestimmte Drehachse, insbesondere die Symmetrieachse und/oder Mittelachse des Zuführungsmittels, gedreht wird.
In einer weiteren Ausprägung wird der Entnahmekopf und/oder das Anschlagmittel und/oder wenigstens ein Abzugschacht über einen Antrieb, welcher insbesondere im Außenbereich des Reaktorbehälters angeordnet ist, um eine vorbestimmte Drehachse, insbesondere die Symmetrieachse und/oder Mittelachse des Zuführungsmittels in Drehbewegung versetzt.
Verfahrensgemäß ist weiterhin vorsehbar, dass der Entnahmekopf und/oder wenigstens ein Abzugsschacht und/oder wenigstens eine Abzugsöffnung in einer freien Kugelschüttung gedreht wird, wobei die Kugelschüttung durch ein zentrales Rohr gebildet wird und/oder am Entnahmekopf und/oder im Nahbereich er Abzugsöffnung beispielsweise eine Schütthöhe von zwei bis drei Brennelementdurchmessern, insbesondere Kugeldurchmessern, gebildet oder aufgebaut wird.
Verfahrengemäß wird mittels der Fördereinrichtung ein Gasmassenstrom erzeugt, welchem das jeweilige Brennelement zugeführt, von diesem erfasst und/oder mit Überdruck oder Unterdruck aus dem Reaktorbehälter gefördert wird.
Auch kann das Verfahren dahingehend ausgestaltet werden, dass der Gasmassenstrom mit dem jeweiligen Kühlmittel des Hochtemperaturreaktors, insbesondere Helium, oder mit Luft gebildet beziehungsweise aufgebaut wird.
Weiterhin ist vorteilhaft vorsehbar, dass der Gasmassenstrom dabei durch die Kugelschüttung im Zentralrohr und/oder durch einen Ringspalt zwischen Entnahmekopf und Zuführungsmittel, insbesondere von unten, zugeführt oder geleitet wird.
Zur Vermeidung und/oder Reduktion von Druckverlusten ist vorteilhaft ein separates Rohr für die Gasmassenzuführung einsetzbar.
In einer weiteren Verfahrensausprägung werden die Brennelemente unter Ausnutzung der Schwerkraft über einen ersten Abzugsschacht zunächst nach Unten einem unterhalb des Entnahmekopfes angeordneten Injektor zugeführt, mittels eines dem Injektor zugeführten Gasmassenstroms aufgrund der Massenträgheit der einzelnen Brennelemente und bedingt durch ihr Eigengewicht vereinzelt erfasst und/oder über einen weiteren Abzugsschacht aus dem Reaktorbehälter gefördert.
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels des Gasmassenstroms, insbesondere über die Durchflussmenge und/oder Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit, ein wohl definierter Abstand zwischen den geförderten Kugeln eingestellt.
Verfahrensgemäß ist weiterhin vorsehbar, dass die jeweilige Fördergeschwindigkeit und/oder -rate bedarfsgerecht kontrolliert wird, insbesondere durch den Gasmassenstrom und/oder die Drehgeschwindigkeit des Entnahmekopfes.
In vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens werden Schmutz und Verunreinigungen der Brennelemente während des Förder- oder Entnahmeprozesses mittels wenigstens einer brennelementführenden, zumindest teilbereichsweise als Rippenrohr ausgebildeten Rohrleitung, insbesondere dem wenigstens einen Abzugsschacht, zumindest ausgefiltert und/oder von den Brennelementen abgestreift.
Die weitere Darlegung der Erfindung sowie vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen erfolgt anhand einiger nachfolgend angegebenen Figuren und Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
1 Beispielhaft ausgestaltete Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen eines HTR mit unmittelbarem Abzug nach oben in Schnittdarstellung,
2 beispielhaft ausgestaltete Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen eines HTR mit leichten konstruktiven Abwandlungen gegenüber 1 in Schnittsdarstellung,
3a vereinfachte 3-dim Schnittansicht eines Reaktorbehälters mit einer Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen mit Entnahmekopf mit externem Antrieb, zentralem Abzugsschacht nach oben sowie Zuführungsmittel und Brennelementkugeln,
3b 3-dim Schnittansicht des unteren Abschnittes E3 nach 3a mit Detailansicht des Entnahmekopfes mit Brennelementkugeln,
4 angedeuteter Drehsinn des Entnahmekopfes gemäß 3b mit angegebenem Radius r und den auf den Entnahmekopf wirkenden Kräften F,
5 beispielhaft ausgestaltete Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen mit zunächst schwerkraftgetriebenem Abzug der Brennelementkugeln nach Unten, in Schnittdarstellung,
6 vereinfachte 3-dim Ansicht eines Reaktorbehälters mit einer beispielhaft ausgestalteten Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen mit Entnahmekopf mit externem Antrieb mit Antriebswelle, Zuführungsmittel sowie erstem Abzugsschacht nach unten,
7 3-dim Schnittansicht des unteren Abschnittes E3 nach 6 mit Detailansicht des Entnahmekopfes mit Brennelementkugel,
8 Schnittansicht einer alternativen Vorrichtungsausgestaltung gemäß 6 und 7 mit unterhalb des Zuführungsmittels innerhalb des Reaktorbehälters angeordnetem Antrieb.
In 1 ist eine beispielhaft ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors in Schnittdarstellung gezeigt, wobei zumindest eine Fördereinrichtung mit wenigstens einem Abzugsschacht 2 mit Abzugsöffnung 4, sowie wenigstens ein trichterartig ausgebildetes Zuführungsmittel 6, einen mittig zum wenigstens einen Zuführungsmittel 6 ausgerichteten Entnahmekopf 8 und/oder wenigstens ein den Entnahmekopf 8 umfänglich zumindest teilbereichsweise umgebendes Anschlagmittel 10 vorgesehen ist und wobei im Zusammenwirken von Entnahmekopf 8 und/oder Anschlagmittel 10 und/oder Zuführungsmittel 6 eine an die Größe eines Brennelementes 12 angepasste ringnutartige Brennelementaufnahme 14 gebildet ist und/oder der wenigstens eine Abzugsschacht 2 der Fördereinrichtung in der ringnutartigen Brennelementaufnahme 12 mündet, so dass jeweils genau ein Brennelement 12 vor der jeweiligen Abzugsöffnung 4 des Abzugsschachtes 2 anordbar beziehungsweise die jeweilige Abzugsöffnung 4 vor genau einem Brennelement 12 anordbar ist und über den Abzugsschacht 2 mittels Gasmassenstrom das jeweilige Brennelement 12 erfassbar und nach Oben aus dem Reaktorbehälter förder- sowie entnehmbar ist. Eine Brennelementkugel 34, wie in den 1 bis 3 und 5 bis 8 gezeigt weist dabei insbesondere einen Durchmesser von ca. 230 mm auf, wobei zwischen den einzelnen Brennelementen aufgrund des Herstellungsprozesses Toleranzen beziehungsweise Durchmesserunterschiede von einigen Millimetern bis hin zu wenigen Zentimetern, insbesondere 1 bis 4 cm, auftreten können.
In der Ausführungsvariante gemäß 1 ist das Anschlagmittel 10 an das trichterförmige Zuführungsmittel 6 angeformt. Der Entnahmekopf 8 ist drehbeweglich gelagert und kraftschlüssig mit dem Zuführungsmittel 6 verbunden. Er stützt sich auf einem Lager 14 im Zentrum des trichterförmigen Zuführungsmittels 6, welches bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet ist, ab. Die untere Kante beziehungsweise Bodenkante des Entnahmekopfes 8 ist angeschrägt, wobei die Anschrägung 16 nahezu parallel zur Neigung des Zuführungsmittels 6 verläuft. Damit übergreift der Entnahmekopf 8 die ringnutartige Brennelementaufnahme 12 und verhindert damit Brückenbildungen beziehungsweise, dass in der Brennelementaufnahme 14 mehrere Brennelemente vertikal übereinander anordbar sind. Weiterhin ist der eine Abzugsschacht 2 bereichsweise in den Entnahmekopf 6 integriert, wobei der Schacht 2 zunächst mittig und vertikal, entlang der Dreh- des Entnahmekopfes 8 und/oder Symmetrieachse des Zuführungsmittels 6, geführt und derart in Richtung Brennelementaufnahme 12 abgewinkelt ist, dass Abzugsschacht 2 und Anschlagmittel 10 nahezu fluchtend zueinander angeordnet sind und/oder Anschlagmittel 10 und Abzugsschacht 2 einen nahezu gleiche Neigungswinkel α1 und α2 aufweisen. Darüber hinaus ist die Abzugsöffnung parallel zur Abschrägung 16 des Entnahmekopfes 8 ausgerichtet, das heißt beide weisen die nahezu gleichen Neigungswinkel β1, β2, insbesondere von etwa 36°, auf. In vorteilhafter Ausgestaltung ist der vertikal verlaufende Bereich des Abzugsschachtes 2 oberhalb des Entnahmekopfes 8, wie in 2 gezeigt, als Rohrleitung beziehungsweise Rohr 18 ausgebildet, dessen Wandung derart verstärkt ist, dass das Rohr 18 als Antriebswelle zum Antrieb und auch zur Drehung des Entnahmekopfes 8 einsetzbar ist.
In 2 ist eine mit 1 vergleichbare Vorrichtung gezeigt, wobei das Anschlagmittel 22 durch eine zumindest teilbereichsweise umlaufende Einformung 23 des Entnahmekopfes 24 gebildet, und damit in den Entnahmekopf 24 integriert und/oder Anschlagmittel 22 und Entnahmekopf 24 einstückig ausgebildet sind.
Auch beim in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird durch das Zusammenwirken von Entnahmekopf 24, trichterartigem Zuführungsmittel 26 und Anschlagmittel 28 eine ringnutartige Brennelementaufnahme 30 gebildet. Im Betrieb sind dabei ein oder auch mehrere Brennelemente 34, insbesondere 12 Brennelemente, vorzugsweise in Reihe, insbesondere wie Perlen auf einer Schnur, entlang beziehungsweise in der Brennelementaufnahme 30 angeordnet und umgeben den Entnahmekopf 24 ringartig beziehungsweise kettenartig.
Statt einer trichterartigen Ausführung mit geraden beziehungsweise planen Wänden oder Seitenflächen ist auch eine gewölbte beziehungsweise konkave Ausgestaltung des Zuführungsmittels 6, 26 vorsehbar.
Anstatt eines Trichterhalses ist bei vorgenannten Ausführungsbeispielen ein Lager mit einer Aufnahme 17, 32 zur drehbeweglichen Lagerung des Entnahmekopfes 6, 24 vorgesehen. Dazu kann am Entnahmekopf 6, 24 beispielsweise eine Welle oder einen Lagerzapfen, insbesondere mit in geeigneter Weise ausgebildeter Stirnfläche, vorgesehen sein, welche in einem dem gemäßen Wälzlager, beispielsweise in einem Schrägrollenlager, oder auch einem Punktlager drehbeweglich gehaltert ist.
Die Fördereinrichtung umfasst weiterhin Mittel zur Erzeugung wenigstens eines Gasmassenstroms, insbesondere einen Luft oder Kühlmittelstrom, mit welchem das jeweils vor der Abzugsöffnung 36 befindliche Brennelement 34 mittels Unterdruck oder Überdruck erfasst, in den Abzugsschacht 38 und über die Rohrleitung 18 nach Oben aus dem Reaktorbehälter gefördert wird.
Insbesondere durch die Drehgeschwindigkeit des Entnahmekopfes und/oder den regulierbaren Fluss des Gasmassenstroms lässt sich die Förderleistung beziehungsweise Entnahmerate der Vorrichtung regulieren und/oder kontrollieren.
Die ringnutartige Brennelementaufnahme 30, 14 kann dabei unterschiedliche Querschnitte aufweisen und insbesondere V-förmig (spitz zulaufend) oder U-förmig ausgebildet sein.
Des Weiteren sind die jeweiligen Querschnitte der Brennelementaufnahme 30, 14, des Abzugsschachtes 38, 2 sowie der Abzugsöffnung 4, 36 auf die Größe und/oder Form der jeweilig eingesetzten Brennelemente 34, insbesondere Brennelementkugeln angepasst. Vorzugsweise ist demgemäß der Durchmesser des Abzugsschachtes 38, 2, die lichte Weite der Rohrleitung 18 sowie der Abzugsöffnung 36, 4 nur wenig größer als der Brennelementdurchmesser, insbesondere der Brennelementkugeldurchmesser.
In 3a, b ist in 3-dim Darstellung ein beispielhaft ausgestalteter Hochtemperaturreaktor mit Reaktorbehälter 40 mit beispielhaft ausgestalteter erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen 34 gezeigt, wobei der Reaktorbehälter in 3a im Wesentlichen in die drei Elemente beziehungsweise Abschnitte E1, E2, E3 aufgegliedert dargelegt ist. Diese Vorrichtung umfasst dabei zumindest eine Fördereinrichtung mit einem Abzugsschacht 42 mit Abzugsöffnung (in 3a nicht explizit angegeben), sowie ein trichterförmig ausgebildetes Zuführungsmittel 45, einen mittig beziehungsweise zentrisch zum Zuführungsmittel 45 ausgerichteten Entnahmekopf 47, der sich nach oben konisch verjüngt, insbesondere bis auf den Außendurchmesser der vertikal verlaufenden Rohrleitung 18, in welcher der jeweilige Abzugsschacht 42 aus dem Reaktorbehälter 40 geführt ist und über welche der Entnahmekopf 47 mit einem zwischengeschalteten Getriebe 48 beziehungsweise einer zwischengeschalteten Übersetzung mit einem Antrieb 50 zusammenwirkt und/oder drehbar verbunden ist. Weiterhin ist wenigstens ein den Entnahmekopf 47 umfänglich zumindest teilbereichsweise umgebendes Anschlagmittel 52 vorgesehen, welches auch in 3b gezeigt ist, und welches im hier gezeigten Beispiel formschlüssig mit dem Zuführungsmittel 45, insbesondere als umlaufende Kante, verbunden und/oder einstückig mit diesem ausgebildet ist. Im Zusammenwirken von Entnahmekopf 47, Anschlagmittel 52 und Zuführungs mittel 45 ist eine an die Größe eines Brennelementes 34 angepasste ringnutartige Brennelementaufnahme 52 derart ausgebildet, dass der Entnahmekopf 47 das jeweilig zu fördernde Brennelement 34 übergreift beziehungsweise überdeckt. Wie in 3b gezeigt ist der Abzugsschacht 42 zumindest anteilig im Entnahmekopf 47 ausgebildet, wobei der Abzugsschacht 42 der Fördereinrichtung in der ringnutartigen Brennelementaufnahme 52 in einer Abzugsöffnung mündet, so dass durch eine insbesondere kontinuierliche Drehbewegung/Drehung des Entnahmekopfes 47, vermittels des dazu vorgesehenen Antriebs 50, jeweils genau ein am Anschlagmittel 52 anliegendes Brennelement 34 vor der jeweiligen Abzugsöffnung 56 des Abzugsschachtes 42 zu liegen kommt beziehungsweise positionierbar ist und/oder das jeweilige Brennelement 34 über den Abzugsschacht 42 und die jeweilige Abzugsöffnung entnommen, im hier gezeigten Beispiel abgesaugt wird.
Demgemäß ist der Entnahmekopf 47 drehbeweglich in einem dafür geeigneten Lager 56, insbesondere einem Wälzlager, gehaltert. Das jeweilige Lager 56 tritt an die Stelle eines Trichterhalses und stützt sich mittig/zentrisch auf dem trichterartigen Zuführungsmittel 45 beziehungsweise dem Anschlagmittel 52 ab. Der Entnahmekopf 47 greift mit einer Welle oder vielmehr einem Wellenzapfen 60 in das Lager 56 ein. Ein Schnittbild des Lagers 56 sowie des Wellenzapfens 60 beziehungsweise der Welle ist in 3b gezeigt und im linken oberen Eck der Figur als Ausschnittsvergrößerung angegeben. Dabei ist auch das umlaufende Anschlagmittel 52 angegeben, welches formschlüssig an das Zuführungsmittel 45 angeformt ist. Der Entnahmekopf 47 wird in vorteilhafter Weise mittels des außerhalb des Reaktorbehälters 40 angeordneten Antriebes 50 über die als Welle fungierende Rohrleitung 18 mit Abzugsschacht 42 in Drehung beziehungsweise Drehbewegung, gegebenenfalls vermittels eines zwischengeschalteten Getriebes, versetzt.
Die Drehung des Entnahmekopfes 47 kann dabei kontinuierlich oder schrittweise oder zyklisch erfolgen.
Mittels vertikal verlaufender Einformungen 49 am Entnahmekopf 47 sind über die Drehbewegung des Entnahmekopfes 47 auch die jeweiligen Brennelementkugeln 34 bewegbar, wobei die Bewegungen von Entnahmekopf 47 und Brennelementen 34 nicht synchron erfolgt.
Im angedeuteten Reaktorbehälter 40 des Hochtemperaturreaktors liegen die Brennelemente 34, insbesondere die Brennelementkugeln, in ungeordneter Schüttung 49 vor. Der Behälter ist 40 im unteren Bereich (im Bereich des Behälterboden 44) in vielen Fällen bereits trichterförmig ausgebildet, derart dass das wenigstens eine Zuführungsmittel 45 in den Behälter 40 integrierbar ist. Mit einem Schlauch oder Rohr 18 mit einem Durchmesser nur wenig größer als der Kugeldurchmesser und damit an diesen angepasst, sind die jeweiligen Brennelemente 34 nach Oben abführbar, insbesondere absaugbar. Dies bedingt jedoch, dass der jeweilige Abzugsschacht 42 und insbesondere dessen Abzugsöffnung in unmittelbarer Nähe einer Kugel 34 positionierbar ist. Bei optimaler Führung beziehungsweise Positionierung der Abzugsöffnung sind dabei Förderleistungen von 1 bis 5 Kugeln pro Sekunde möglich.
Die Positionierung kann dabei gesteuert – manuell oder automatisiert – oder auch zufällig erfolgen, wobei sich bei zufälliger Führung der Öffnung die Förderleistung erheblich reduziert. Zur Gewähr eines reibungslosen Betriebes des jeweiligen Hochtemperaturreaktors wird beispielhaft eine Förderleistung von mindestens etwa 400.000 Kugeln pro Tag gefordert, wobei sich diese nach Größe der jeweiligen Anlage sowie dem jeweiligen Leistungsbedarf richtet.
Eine dem gemäße manuelle Lösung wäre nur mit einer vergleichsweise aufwendigen, optischen Überwachung innerhalb des Reaktorkerns zu realisieren, wobei sowohl die manuelle wie auch die automatische Positionierung einer fernbedienten aufwendigen mechanischen Lösung bedürfen. Die empirisch abgesicherte Förderleistung liegt dabei bei 1 bis 2 Kugeln pro Sekunde, wobei für den jeweiligen Anwendungsfall jedoch eine um den Faktor 5 bis 10 höhere Förderleistung bei gleichzeitig möglichst schonender Behandlung der einzelnen Brennelemente zu bewirken wäre, um Beschädigungen und damit aufgrund von aufgenommenen Bruchstücken möglicherweise auftretende Störungen des Förderprozesses zu vermeiden, zumindest jedoch zu minimieren. Diese Förderleistung zu erreichen wird der Entnahmekopf 47 kontinuierlich gedreht, wobei dann nahezu jede im Verlauf der Drehbewegung unmittelbar vor der Abzugsöffnung auftretende oder befindliche Brennelementkugel 34 abgesaugt und die durch die abgesaugte Kugel 34 gebildete Lücke, auch aufgrund der Drehbewegung, durch nachrückende Kugeln 34 wieder gefüllt wird.
In 4 ist die mögliche Drehrichtung im Uhrzeigersinn eines beispielhaft erfindungsgemäß ausgebildeten Entnahmekopfes 47, gemäß 3a, mit sechs über den Umfang des Entnahmekopfes gleichmäßig verteilt angeordneten, vertikal verlaufenden Einformungen 49, auch als Kammern bezeichnet, sowie die von den Brennelementen 34 auf die Kammern und damit den Entnahmekopf 47 aufgrund der Drehbewegung wirkenden Kräfte F beziehungsweise das wirkende Drehmoment gezeigt. Bei einem Gewicht G von ca. 60 N (6 kg) pro Brennelement ergibt sich bei einem Brennelementradius r = 0,115 m, gemäß T = 6 × G × r = 6 × 60 N × 0,115 m = 41 Nm, bei sechs gefüllten Kammern ein Drehmoment T von ca. 41 Nm.
In den 5 bis 7 ist eine alternative Ausführungsform angegeben. Zwar ist auch dort eine Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen 34 mit zumindest einer Fördereinrichtung mit wenigstens einem Abzugsschacht 64,66 mit Abzugsöffnung 68, sowie einem trichterartig ausgebildeten Zuführungsmittel 70, einem mittig beziehungsweise zentrisch zum wenigstens einen Zuführungsmittel 70 ausgerichteten Entnahmekopf 72 und/oder wenigstens ein den Entnahmekopf 72 umfänglich zumindest teilbereichsweise umgebendes Anschlagmittel 74 gezeigt. Der Ausdruck teilbereichsweise kann sich dabei sowohl auf die Längserstreckung als auch den Umfang beziehen. Im Zusammenwirken von Entnahmekopf 72, Anschlagmittel 74 und Zuführungsmittel 70 ist eine an die Größe eines Brennelementes 34 angepasste ringnutartige Brennelementaufnahme 76 mit V-förmigem Querschnitt gebildet. Jedoch umfasst vorgenannte Vorrichtung einen ersten Abzugsschacht 64 sowie einen zweiten Abzugsschacht 66, wobei der erste Abzugsschacht 66 mit einem Ende in der ringnutartigen Brennelementaufnahme 76 und mit dem zweiten Ende in einem unterhalb des Entnahmekopfes 72 angeordneten Injektor 78 endet. Zur Gasmassenzuführung ist eine separate Zuleitung 80, insbesondere ein weiteres Rohr oder ein Schlauch, eingesetzt, welche mit ihrem einen Ende im Injektor 78 und mit ihrem zweiten Ende in der Fördereinrichtung beziehungsweise im den Gasmassenstrom erzeugenden Mittel der Fördereinrichtung (nicht in der Zeichnung ersichtlich) mündet und/oder einkoppelt.
Dem unterhalb des Entnahmekopfes 72 angeordneten Injektor 78 werden aus der Brennelementaufnahme 74 durch die auf die Kugeln 34 wirkende Schwerkraft vereinzelt Kugeln 34 über den wenigstens einen, im Entnahmekopf 72 nach unten zum Injektor 78 verlaufenden ersten Abzugsschacht 64 sowie die von unten in die Aufnahme 74 mündende Abzugsöffnung 82 zugeführt.
Der zweite Abzugsschacht 66 beziehungsweise die entsprechende Rohrleitung 84 zur Ableitung und/oder zum Abzug der Brennelemente 34 aus dem Injektor 78 und zur Förderung der Brennelemente 34 nach Oben aus dem Reaktorbehälter 40 mündet mit einem Ende im Injektor 78 und mit dem zweiten Ende außerhalb des Reaktorbehälters 40, insbesondere in einem Behälter zu Lagerung abgebrannter Brennelemente.
Der Injektor 78 bewirkt mittels des ihm zugeführten Gasmassenstroms aufgrund der Massenträgheit der einzelnen Brennelemente bedingt durch ihr Eigengewicht eine vereinzelte Erfassung und/oder einen vereinzelten Abzug und/oder Förderung der Brennelemente 34.
Vorteilhaft kann durch den Gasmassenstrom, insbesondere Durchflussmenge und/oder Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit, ein wohl definierter Abstand zwischen den geförderten Kugeln eingestellt werden.
Die jeweilige Fördergeschwindigkeit und/oder -rate ist individuell und bedarfsgerecht anpassbar, insbesondere durch den Gasmassenstrom und/oder die Drehgeschwindigkeit des Entnahmekopfes 72.
Vorteilhaft ist der jeweilige Abzugsschacht 64, 66, zumindest teilbereichsweise als Rippenrohr ausgebildet um Verunreinigungen und/oder kleinere Bruchstücke zwischen den Rippen abzusondern und/oder zu filtern.
Der Injektor 78 stützt sich dabei nach Unten auf dem Boden des Reaktorbehälters 40 ab. Darüber hinaus umfasst der Injektor 78 eine Aufnahme 85, insbesondere eine Einformung oder Ausnehmung, mit Lager 86 in welchem der Entnahmekopf 72 drehbeweglich gehaltert ist. Der Entnahmekopf 72 weist einen an das Lager 86 und die Aufnahme 85 größenmäßig angepasste Anformung 88, insbesondere in Form eines Zylinders oder eines konisch zulaufenden Zylinders, auf, welche vom ersten Abzugsschacht 64 durchgriffen beziehungsweise in vertikaler Richtung durchzogen wird. Die Anformung 88 reicht längenmäßig bis nahezu an den Injektor 78 heran, so dass gewährleistet ist, dass die Brennelemente 34 mittels des durchgreifenden Abzugsschachtes 64 sicher bis in den Injektor 78 geführt sind. Zwischen Injektor 78 und Anformung 88 verbleibt lediglich ein kleiner Spalt 90, wobei die Spaltbreite deutlich kleiner als der Radius einer Brennelementkugel 34 ist.
Der Entnahmekopf 72 ist, wie in den 5, 6, 7 gezeigt, zentrisch beziehungsweise mittig zum trichterförmigen Zuführungsmittel 70, welches mittig eine kreisförmige Öffnung beziehungsweise Ausnehmung umfasst, angeordnet und durchgreift vorgenannte Öffnung beziehungsweise ragt durch diese Öffnung hindurch. Der Entnahmekopf 72 ist im Wesentlichen als Zylinder ausgebildet, welcher sich ab einer Höhe von etwa einem Kugeldurchmesser unterhalb des Zuführungsmittels 70 konisch nach Oben verjüngt. Der Durchmesser des Entnahmekopfes 72 und die lichte Weite der Öffnung des Zuführungsmittels 70 sowie der Durchmesser des ringartigen, am Zuführungsmittel 70 angeordneten Anschlagmittels 74 sind aufeinander derart angepasst, dass zwischen Entnahmekopf 72 und Zuführungsmittel 70 sowie Entnahmekopf 72 und Anschlagmittel 74 ein umlaufender Spalt 92 mit einer Spaltbreite kleiner als der Kugelradius verbleibt. Ausgehend vom Entnahmekopf 72 erstreckt sich eine Antriebswelle 94 zum vorzugsweise außerhalb des Reaktorbehälters 40 angeordneten Antrieb 96, wie auch in 6 gezeigt.
Verfahrensgemäß wird über die wenigstens eine Zuleitung 80 für den jeweiligen Gasmassenstrom dem Injektor 78 ein Gasmassenstrom zugeführt, wobei der Gasmassenstrom beispielsweise aus dem jeweilig eingesetzten Kühlmittel des Hochtemperaturreaktors, insbesondere Helium, oder auch Luft gebildet wird. Mittels des zugeführten Gasmassenstroms und dem daraus resultierenden Überdruck werden die Brennelemente, insbesondere die Kugeln 34, bedingt durch ihr Eigengewicht und ihre Massenträgheit vorteilhaft einzeln beziehungsweise vereinzelt erfasst und über den zweiten Abzugsschach 66 und die entsprechende Rohrleitung 84 vereinzelt abgezogen und/oder nach Oben aus dem Reaktorbehälter 40 gefördert.
Durch den Gasmassenstrom, insbesondere die Durchflussmenge und/oder Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit, ist ein wohl definierter Abstand zwischen den geförderten Kugeln 34 einstellbar.
Auch die jeweilige Fördergeschwindigkeit und/oder -rate ist bedarfsgerecht kontrollierbar, insbesondere durch Regelung des Gasmassenstroms und/oder über die Drehgeschwindigkeit des Entnahmekopfes 72.
Um Störungen des Förder- und/oder Entnahmeprozesses aufgrund von Schmutz und/oder Verunreinigungen zu vermeiden werden diese mittels wenigstens einer zumindest teilbereichsweise als Rippenrohr ausgebildeten brennelementführenden Rohrleitung, insbesondere dem ersten 64 und oder zweiten Abzugsschacht 66, zumindest anteilig ausgefiltert und/oder von den Brennelementen 34 abgestreift.
Der Entnahmekopf 76 verjüngt sich nach Oben beziehungsweise läuft Oben konisch zu, so dass etwaige Brennelemente 34 von seinem Inneren zur Brennelementaufnahme 76 und gegen beziehungsweise an das Anschlagmittel 74 geleitet werden. Darüber hinaus sind am Entnahmekopf 76 alternativ oder ergänzend Oberflächenprofilierungen, wie insbesondere Taschen, Höcker oder Exzentrizitäten vorsehbar, durch welche ebenfalls eine verbesserte Führung der jeweiligen Brennelemente 34, insbesondere der Brennelementkugeln erreicht oder bewirkt wird.
Der erste Abzugsschacht 64 ist in etwa in halber Höhe des Entnahmekopfes 72 abgewinkelt ausgebildet.
Aufgrund der Massenträgheit der einzelnen Brennelemente 34, bedingt durch ihr Eigengewicht, wird im beziehungsweise durch den Injektor mittels zugeführtem Gasmassenstrom eine vereinzelte Erfassung und/oder ein vereinzelter Abzug und/oder Förderung der Brennelemente 34 bewirkt.
Durch Regulierung des Gasmassenstroms, insbesondere bezüglich Durchflussmenge und/oder Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit, ist ein wohl definierter Abstand zwischen den geförderten Kugeln 34 einstellbar.
Auch ist die jeweilige Fördergeschwindigkeit und/oder -rate ist bedarfsgerecht kontrollierbar, insbesondere durch den Gasmassenstrom und/oder die Drehgeschwindigkeit des Entnahmekopfes 72.
Durch die Drehbewegung des Entnahmekopfes 72, ist zumindest jeweils genau ein Brennelement 34 vor die jeweilige Abzugsöffnung 82 des ersten Abzugsschachtes 64 und/oder die Abzugsöffnung 82 vor ein Brennelement 34 bringbar, wobei das jeweilige Brennelement 34 über den Abzugsschacht 64 entnehmbar ist.
Wie in den 5 bis 7 gezeigt bilden die Zuleitung 80 für den Gasmassenstrom und der zweite Abzugsschacht 66 in Verbindung mit dem Injektor 78 eine U-förmige Anordnung.
Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und der Kraftwirkung auf die jeweilige Brennelementkugel 34 verjüngt sich die Zuleitung 80 im Injektor 78. Alternativ oder auch ergänzend dazu ist im Injektor 78 auch eine entsprechende Düse vorsehbar. Vorteilhaft kann diese Düse auch eine größenveränderliche Düsenöffnung oder Auslass aufweisen.
In 6 ist ein beispielhaft ausgestalteter Hochtemperaturreaktor mit Reaktorbehälter 40 mit beispielhaft ausgestalteter erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen 34 gemäß 5 in 3-dim Darstellung gezeigt, so dass in den wesentlichen Merkmalen auf die Beschreibung zu 5 verwiesen wird. Auch hier ist der Hochtemperaturreaktor in die drei Abschnitte E1, E2 und E3 aufgegliedert.
Zum Antrieb des Entnahmekopfes 72 ist auch hier ein außerhalb des Reaktorbehälters 40 angeordneter Antrieb 96 vorgesehen, welcher, gegebenenfalls über ein zwischengeschaltetes Getriebe 100 und über eine mit dem Entnahmekopf 72 starr verbundene Welle 94 mit dem Entnahmekopf 72 wechselwirkt und diesen in Drehbewegung versetzt.
Die Drehbewegungen können dabei kontinuierlich oder schrittweise durchgeführt werden.
Auch betreffend 7, welche lediglich einen Schnitt durch die 3-dim Darstellung des unteren Bereichs oder Abschnittes E3 gemäß 6 zeigt, wird auf die Beschreibung zu 5 sowie 6 verwiesen.
Alternativ zu den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen besteht, wie in 8 gezeigt, auch die Möglichkeit den Antrieb 102 für den jeweiligen Entnahmekopf 104 innerhalb des Reaktorbehälters 40 anzuordnen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist der Antrieb 102 seitlich benachbart zum Lager 106, in welchem der Entnahmekopf drehbeweglich gelagert ist, unterhalb des Zuführungsmittels 70 angeordnet.
Der Antrieb 102 wechselwirkt dabei insbesondere über ein entsprechendes Getriebe mit dem Entnahmekopf 104.
Vorteilhaft kann bei dieser Anordnung die nach oben aus dem Reaktorbehälter 40 geführte Welle entfallen.
Auch bei dieser Ausführungsvariante finden sich die wesentlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele gemäß der 5 bis 7, so dass zur weiteren Darlegung der 8 auf die Beschreibungen zu den 5 bis 7 verwiesen wird.

Claims

Vorrichtung zur Entnahme von Brennelementen, welche zumindest eine Fördereinrichtung mit wenigstens einem Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) mit Abzugsöffnung (4, 36; 68), sowie wenigstens ein trichterartig ausgebildetes Zuführungsmittel (6, 26, 45; 70), einen mittig zum wenigstens einen Zuführungsmittel (6, 26, 45; 70) ausgerichteten Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) und/oder wenigstens ein den Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) umfänglich zumindest teilbereichsweise umgebendes Anschlagmittel (10, 28, 52; 74) umfasst, wobei im Zusammenwirken von Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104), Anschlagmittel (10, 28, 52; 74) und/oder Zuführungsmittel (6, 26, 45; 70) eine an die Größe eines Brennelementes (34) angepasste ringnutartige Brennelementaufnahme (14, 30, 54; 76, 108) gebildet ist und/oder der wenigstens eine Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) der Fördereinrichtung in der ringnutartigen Brennelementaufnahme (14, 30, 54; 76, 108) mündet, so dass jeweils genau ein Brennelement (34) vor die Abzugsöffnung (4, 36; 68) des jeweiligen Abzugsschachtes (2, 38, 42; 64, 66) oder die Abzugsöffnung (4, 36; 68) vor ein Brennelement (34) bringbar und das jeweilige Brennelement (34) über den Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) entnehmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagsmittel (28) in den Entnahmekopf (24) integriert und/oder als Teil des Entnahmekopfes (24) ausgebildet und/oder an den Entnahmekopf angeformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagsmittel (10, 52, 74) am trichterartigen Zuführungsmittel (6, 70) angeordnet und/oder an das Zuführungsmittel (6, 70) angeformt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Entnahmekopf (8, 47) und Zuführungsmittel (6, 45) kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagsmittel (10, 52) als eine feste umlaufende Kante ausgebildet und/oder in einem Winkel von wenigstens 90° zur Neigung des trichterartigen Zuführungsmittels (6, 70) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Abzugsschacht (2, 38, 42; 64) an einem Endbereich nahe der Abzugsöffnung (2, 36, 68) abgewinkelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwinkelung derart gestaltet, dass der abgewinkelte Teilbereich des Abzugsschachtes (2, 38, 42; 64) einen Winkel von wenigstens 90° mit dem trichterartigen Zuführungsmittel (6, 70) einschließt. also nahezu senkrecht zu diesem ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zuführungsmittel (6, 26, 45; 70) und/oder Anschlagmittel (10, 28, 52; 74) und/oder Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) und/oder Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Abzugsöffnung (4, 36; 68) oberhalb oder unterhalb der jeweilig zu fördernden beziehungsweise zu entnehmenden Kugel (34) anordbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) und/oder der Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) und/oder das Anschlagsmittel (10, 28, 52; 74) drehbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb (50, 96, 102) vorgesehen ist, der mit dem Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) und/oder dem wenigstens einen Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) und/oder dem Anschlagmittel (10, 28, 52; 74) zusammenwirkt und/oder um eine vorbestimmte Drehachse in Drehbewegung versetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (50, 96) außerhalb des Reaktorbehälters (40) angeordnet ist und/oder ein Getriebe (48) vorgesehen ist, über welches Entnahmekopf (8, 24, 47; 72) und/oder Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) und/oder Anschlagmittel (10, 28, 52; 74), insbesondere ein Getriebe (48) mit unterschiedlichen Übersetzungen, zusammenwirken.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) in einer freien Kugelschüttung rotiert, die durch ein zentrales Rohr gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) eine Schütthöhe von zwei bis drei Brennelementdurchmessern, insbesondere Kugeldurchmessern, anstehen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung Mittel umfasst, um einen Gasmassenstrom zu erzeugen, wobei ein Fördern der Brennelemente (34) mittels Gasmassenstrom mit Überdruck oder Unterdruck realisierbar und/oder durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördermedium das jeweilige Kühlmittel des Hochtemperaturreaktors, insbesondere Helium, eingesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) Oberflächenprofilierungen, wie insbesondere Taschen, Höcker oder Exzentrizitäten aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom dabei durch die Kugelschüttung im Zentralrohr oder durch einen Ringspalt zwischen Entnahmekopf (8) und Zuführungsmittel (6) von unten zugeführt wird oder geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung und/oder Reduktion von Druckverlusten ein separates Rohr (80) für die Gasmassenzuführung eingesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Entnahmekopfes (72, 104) ein Injektor (78) angeordnet ist, dem die vereinzelten Kugeln (34) über den wenigstens einen Abzugsschacht (66) durch die wirkende Schwerkraft zugeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rohrleitung (80) zur Zuleitung des Gasmassenstromes in den Injektor (78) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rohrleitung (84) zur Ableitung und/oder Abzug der Brennelemente aus dem Injektor (78) und/oder Förderung der Brennelemente (34) nach Oben aus dem Reaktorbehälter (40) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (78) mittels des zugeführten Gasmassenstroms aufgrund der Massenträgheit der einzelnen Brennelemente (34) bedingt durch ihr Eigengewicht eine vereinzelte Erfassung und/oder vereinzelten Abzug und/oder Förderung der Brennelemente (34) bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Gasmassenstrom, insbesondere Durchflussmenge und/oder Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit, ein wohl definierter Abstand zwischen den geförderten Brennelementen (34), insbesondere Kugeln, einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Fördergeschwindigkeit und/oder -rate bedarfsgerecht kontrollierbar ist, insbesondere durch den Gasmassenstrom und/oder die Drehgeschwindigkeit des Entnahmekopfes (8, 24, 47; 72, 104).
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine brennelementführende Rohrleitung, insbesondere der wenigstens eine Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66), zumindest teilbereichsweise als Rippenrohr ausgebildet ist.
Verfahren zur Entnahme von Brennelementen eines Hochtemperaturreaktors, wobei die jeweiligen Brennelemente einer an die Größe eines Brennelementes (34) angepassten ringnutartigen Brennelementaufnahme (14, 30, 54; 76, 108) zugeführt werden und wobei, im Zusammenwirken mit einer Fördereinrichtung mit wenigstens einem Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) mit wenigstens einer Abzugsöffnung (4, 36; 68), die jeweilige Abzugsöffnung (4, 36; 68) mittels Drehbewegung an in der Brennelementaufnahme (14, 30, 54; 76, 108) angeordneten Brennelementen (34) vorbeibewegt und/oder das jeweils vor der jeweiligen Abzugsöffnung (4, 36; 68) angeordnete Brennelement erfasst und mittels Gasmassenstrom aus dem Reaktorbehälter (40) gefördert und entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzugsöffnung (4, 36; 68) jeweils oberhalb oder unterhalb des jeweilig zu fördernden beziehungsweise zu entnehmenden Brennelementes (34), insbesondere Brennelementkugel, angeordnet und/oder positioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) und/oder die Abzugsöffnung (4, 36; 68) und/oder der Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) um eine vorbestimmte Drehachse, insbesondere die Symmetrieachse und/oder Mittelachse des jeweiligen Reaktorbehälters (40), in Drehbewegung versetzt werden, wobei die Drehbewegung insbesondere kontinuierlich durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung mittels eines Antriebs (50, 96, 102) bewirkt wird, welcher insbesondere außerhalb des Reaktorbehälters (40) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66) und/oder Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) in einer freien Kugelschüttung gedreht wird, welche durch ein zentrales Rohr gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass im Nahbereich der Abzugsöffnung (4, 36; 68) und/oder am Entnahmekopf (8, 24, 47; 72, 104) eine Schütthöhe von zwei bis drei Brennelementdurchmessern, insbesondere Kugeldurchmessern, gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Fördereinrichtung ein Gasmassenstrom erzeugt wird, mit welchem die jeweiligen Brennelemente (34) mittels Überdruck oder Unterdruck erfass- und/oder vereinzelbar und/oder aus dem Reaktorbehälter förderbar sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom mit dem jeweiligen Kühlmittel des Hochtemperaturreaktors, insbesondere Helium, als Fördermedium gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmassenstrom durch die Kugelschüttung im Zentralrohr und/oder durch einen Ringspalt zwischen Entnahmekopf (72, 104) und Zuführungsmittel (70) von unten zugeführt wird oder geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung und/oder Reduktion von Druckverlusten ein separates Rohr (80) für die Gasmassenzuführung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 27 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Entnahmekopfes (72, 104) ein Injektor (78) ange ordnet wird, dem die vereinzelten Kugeln (34) über wenigstens einen Abzugsschacht (64, 66) durch die wirkende Schwerkraft zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rohrleitung (80) zur Zuleitung des Gasmassenstromes in den Injektor (78) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rohrleitung (84) zur Ableitung und/oder Abzug der Brennelemente (34) aus dem Injektor (78) und/oder Förderung der Brennelemente (34) nach Oben aus dem Reaktorbehälter (40) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zugeführten Gasmassenstroms und aufgrund der Massenträgheit der einzelnen Brennelemente (34) bedingt durch ihr Eigengewicht eine vereinzelte Erfassung und/oder ein vereinzelter Abzug und/oder Förderung der Brennelemente (34) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Gasmassenstrom, insbesondere die Durchflussmenge und/oder Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit, ein wohl definierter Abstand zwischen den geförderten Kugeln (34) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 26 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Fördergeschwindigkeit und/oder -rate bedarfsgerecht kontrolliert wird, insbesondere durch den Gasmassenstrom und/oder die Drehgeschwindigkeit der jeweiligen Abzugsöffnung (4, 36; 68, 82) und/oder des Entnahmekopfes (8, 24, 47; 72, 104).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 26 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass Schmutz und Verunreinigungen während des Förder- oder Entnahmeprozesses mittels wenigstens einer brennelementführenden, zumindest teilbereichsweise als Rippenrohr ausgebildeten Rohrleitung, insbesondere wenigstens ein Abzugsschacht (2, 38, 42; 64, 66), ausgefiltert und/oder von den Brennelementen abgestreift werden.