DE2354540C2

DE2354540C2 - Zwischen dem thermischen Schild und dem Kern eines Reaktors eingefügter Reflektor

Info

Publication number: DE2354540C2
Application number: DE2354540A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 5170 Jülich Mauersberger; Hans-Georg 6834 Ketsch Schwiers
Original assignee: Hochtemperatur-Reaktorbau 5000 Koeln De GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau 5000 Koeln GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1973-10-31
Filing date: 1973-10-31
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE2354540A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zwischen dem thermischen Schild und dem Kern eines Reaktors eingefügten Reflektor, der aus einer Vielzahl von vertikalen Säulen aus übereinandergestellten prismatischen Graphitblöcken besteht, die einen zylindrischen Hohlraum für die Aufnahme von fließfähigen kugelförmigen Brennelementen umschließen.

Bei Kernreaktoren mit kugelförmigen Brennelementen haben die Graphiteinbauten mehrere Aufgaben zu --•rfüllen, die teilweise von denen der Moderatoraufbauten in üblichen graphit:noderierten Kernreaktoren abweichen. Sie haben z. B. kernphysikalisch als Reflektor zu wirken, das heiße Gas durch den Reaktorkern zu führen und die im Reaktor vorhandenen Eisenkonstruktionen vor Neutronen- und y-Strahlung zu schützen. Vor allem aber bilden sie den Aufnahmeraum für die kugelförmigen Brennelemente, die von oben zugeschüttet und nach unten wieder abgezogen werden. Derartige Kernreaktoren sind aus den französischen Patentschriften 13 23 167 und 14 26 264 bekannt

Um die genannten Aufgaben erfüllen zu können, müssen die Graphiteinbauten physikalisch stabil ausgebildet sein, was durch die eingangs beschriebene Konstruktion und eine sorgfältige Auswahl des Werkstoffes erreicht werden kann. Die hierbei auftretenden Probleme — die mechanische Beanspruchung des Graphits etwa durch den Wigner-Effekt oder durch temperaturbedingte Veränderungen im Laufe des Reaktorbetriebes — sind allen Kernreaktoren mit Graphiteinbauten gemeinsam, und zu ihrer Überwindung ist eine Reihe von Lösungsvorschlägen gemacht worden. So wird in der oben erwähnten französischen Patentschrift 13 23 167 vorgeschlagen, den Decken-, Boden- und Seitenreflektor aus ein..;r Vielzahl dichtgepackter, vertikal bzw. horizontal angeordneter Graphitstangen aufzubauen und das dem Kugelhaufen zugekehrte Ende jeder Graphitstange auf der Stirnseite mit einer koaxialen konischen Bohrung zu versehen. Diese Maßnahme soll die durch Schrumpfen des Graphits hervorgerufenen Spannungen vermindern.

Speziell bei Kernreaktoren mit kugelförmigen Brennelementen tritt ein zusätzliches Problem auf, das mit dem Fließverhalten der Brennelemente bei ihrem Durchgang durch den Reaktorkern zusammenhängt und also auf einer ganz anderen Ebene liegt Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei Kernreaktoren mit einem zylindrischen Hohlraum für die Schüttung der Brennelemente die Brennstoffkugeln in den Randzonen der Schüttung sehr stark abgebremst werden. Dies hat zur Folge, daß sich über den gesamten Reaktor ein ungleichmäßiger Abbrand der Brennelemente einstellt, was wiederum die Leistung des Reaktors ungünstig beeinflußt. Durch eine Reihe von Versuchen wurde herausgefunden, daß für das Abbremsen der Brennstoffkugeln in den an den Reflektor angrenzenden Zonen ein Effekt verantwortlich zu machen ist, der sich am besten als »Ordnungseffekt« bezeichnen läßt. Dieser Effekt besteht darin, daß sich in den Randschichten der Schüttung eine regelmäßige Ordnung der Brennstoffku geln aufbaut, d. h. die Randzone der Kugelschüttung nimmt im Laufe des Reaktorbetriebes eine völlig reguläre Anordnung ein, die sich etwa bis zur vierten

oder fünften Kugellage in den Reaktorkern hinein erstreckt und sich auf dem gesamten Umfang des zylinderartigen Reflektors fortsetzt. Das direkte Ergebnis dieser sich mit fortschreitender Betriebsdauer ausbildenden Ordnung ist die extreme Verlangsamung der Randkugeln, die bei den hier vorliegenden Verhältnissen den Faktor 2 betragen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entstehung einer regelmäßigen Ordnung der Kugelschüttiing an ihrer Begrenzung durch den m Reflektor zu verhindern und damit zugleich die Abbremsung der Randkugeln zu unterbinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß über den gesamten Reflektor verteilt bei einer größeren Anzahl der Graphitblöcke in ihrer dem 1·: Hohlraum zugewandten Fläche eine muldenartige Vertiefung vorgesehen ist, deren Ausdehnung in Fließrichtung der kugelförmigen Brennelemente mindestens zwei Kugeldurchmesser und in dazu senkrechter Richtung mindestens einen Kugeldurchmesser beträgt und deren Tiefe etwa V₄ bis V₂, vorzugsweise 'Λ, des Kugeldurchmessers ausmacht.

Die muldenartigen Vertiefungen, die »Störu.'-gen« der Reflektoroberfläche darstellen, sind so bemessen, daß ihre Breite mindestens dem Durchmesser der Brennstoffkugeln entspricht, so daß immer mindestens eine Kugel aus der sich bildenden Struktur herausgedrängt und so deren Aufbau verhindert wird. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, daß sich bei einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Reflektor das _w unerwünschte Abbremsen der Randkugeln nicht einstellt

Es sind zwar bereits einige Kernreaktoren bekannt, deren Moderator- bzw. Reflektoraufbau aus schichtweise aufeinandergestapelten Graphitblöcken besteht, die mit Ausnehmungen versehene Flächen aufweisen; jedoch haben diese Ausnehmungen eine ganz andere Aufgabe zu erfüllen und weichen daher sowohl in der Form als auch in der Lage von der erfindungsgemäßen muldenartigen Vertiefung ab.

So besitzt >in in der deutschen Patentschrift 12 61 606 beschriebener Kernreaktor einen zwischen dem thermischen Schild und dem Kern eingefügten Reflektor aus übereinandergestapelten Graphitblöcken, die einen zylindrischen Hohlraum einschließen und an ihren dem Hohlraum zugewandten Enden parallel zu den horizontalen und vertikalen Flächen der E.'öcke verlaufende Spalte aufweisen, die derart angeordnet sind, daß sich benachbarte Blöcke an diesen Enden nicht berühren können. Diese besondere Ausbildung der Reflektorblökke hat die Aufgabe, divr inneren Enden der Blöcke mechanisch zu entlasten, ohne daß dadurch die Formstabili'ät des gesamten Reflektors beeinträchtigt wird.

In der deutschen Auslegeschrift Il 18 900 wird ein ebenfalls aus übereinandergestapelten Graphitblöcken bestehender Moderatoraufbau beschrieben, bei dem jedoch die Graphitblöcke keinen Hohlraum umschließen, sondern als Brennstoffkanäle fungierende Bohrungen aufweisen. Um unerwünschte Durch- oder Verbie- ho gungen unter Strahlungs-Wachstums-Verhältnissen bei den dicht nebeneinander angeordneten Blöcken zu verhindern, sind die Seitenflächen der einzelnen Graphitblöcke derart mit Ausnehmungen versehen, daß eine Berührung benachbarter Blöcke in einer Schicht an _h-, den Seitenflächen nur längs eines kurzen Streifens an den Blockenden stattfindet.

Ferner sei noch die de· ii3che Auslegeschrift 12 99 774 genannt, in der ebenfalls ein aus übereinander gestellten Graphitblöcken bestehender Moderatoraufbau beschrieben ist, bei dem die einzelnen Blöcke mit Bohrungen zur Aufnahme von Brennstoffelementen versehen sind. Die benachbarten Seiten nebeneinanderstehender Blöcke weisen sich gegenüberliegende Nuten auf, die zur Aufnahme von Keilanordnungen bestimmt sind.

Vorteilhaft sind die gemäß der Erfindung in den Flächen der Graphitblöcke vorgesehenen muldenartigen Vertiefungen sowohl in tangentialer als auch in axialer Richtung in den Graphitblöcken eingearbeitet. Eine solche Ausbildung des Reflektors wirkt sich besonders günstig auf das Fließverhalten der Brennelementkugeln in den Randzonen der Kugelschüttung aus. Die muldenartigen Vertiefungen können länglich, d. h. wannenförmig, ausgebildet sein, wobei ihre Längsachsen parallel zur Längsachse des umrchlossenen Hohlraums verlaufen. Sie können aber auch eine kreisrunde Form aufweisen; in diesem Falle ist ihr Durchmesser so bemessen, daß sie in Fließrichtung r^er Kugeln zwei Brennelementkugeln aufnehmen können.

Um den Abrieb der Brennelementkugeln beim Durchrutschen durch die muldenartigen Vertiefungen möglichst gering zu halten, weisen die mulden«.rtigen Vertiefungen einen ebenen, der Reflektoroberfläche parallelen Boden auf, an den sich zur Reflektoroberfläche hin geneigte Flächen anschließen, und der Übergang von der Reflektoroberfläche zur geneigten Fläche der Vertiefungen sowie der Übergang von der geneigten Fläche zum Boden der Vertiefungen ist abgerundet. Der Abrundungsradius des erstgenannten Übergangs soll mit rs (äußerer Radius) und der des zweitgenannten Übergangs mit γμ (innerer Radius) bezeichnet werden. Am günstigsten für den Kugeldurchgang erwies sich ein innerer Radius γμ, der geringfügig größer ist als der Radius R der kugelförmigen Brennelemente. Der äußere Radius rs wird vorteilhaft gleich dem inneren Radius γμ gemacht. Die geneigten Flächen der muldenartigen Vertiefungen werden so ausgestaltet, daß sie mit der Reflektoroberfläche einen Winkel von etwa 15° bis 20°, vorzugsweise 17°, einschließen.

Die dem eingeschlossenen zylindrischen Hohlraum zugewandten Flächen der Graphitblöcke, die mit den erfindungsgemäßen muldenartigen Vertiefungen ausgerüstet sind, haben etwa quadratische Form. Ein Teil der länglich ausgebildeten muldenartigen Vertiefungen kann derart angeordnet sein, daß ihre Längsachsen zu den vertikalen Mittelachsen der quadratischen Flächen parallel versetzt sind. Bei kreisrund ausgebildeten muldenartigen Vertiefungen fallen deren Mittelpunkte mit den Mittelpunkten der quadratischen Flächen zusammen.

In der Zeichnung ist ein Reflektor gemäß der Erfindung schematisch dargestellt und zwar zeigt
F i g. 1 den Reaktorkern im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-11 der Fig. 1,
F i g. 3 einen einzelnen Graphitblock im Aufriß,
F i g. 4 den gleic'en Graphitblock im Grundriß,
F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der F i g. 3,
F i g. 6 einen weiteren Graphitblock im Aufriß.
F i g. 7 den gleichen Graphitblock im Grundriß,
Fig.8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fi g. 6 und

Fig. 9 einen SJ;nitt durch ein Teilstück der Reflektoroberfläche.
Die Fig. 1 läßt den Reflektor eines Kernreaktors

erkennen, der aus dem Seitenreflektor f. dem Deckenreflektor 2 und dem Bodenreflektor 3 besteht und einen zylindrischen Hohlraum 4 umschließt, der der Aufnahme von kugelförmigen Brennstoffelementen 5 dient. Der Seitenreflektor 1 ist aus 72 vertikalen Säulen aufgebaut, die jeweils aus 250 mm hohen Graphitblökken 6 zusammengesetzt sind und einen inneren Zylindermantel 7 bilden. Dieser innere Mantel 7 ist von einem äußeren Zylindermantel 8 umgeben, der aus 24 vertikalen Säulen besteht, die ebenfalls aus Graphilblökken 9 aufgebaut sind. Innerhalb der Säulen sind die Graphitblöcke 6 (und die Graphitblöcke 9) gegeneinander durch Dübel 10 fixiert: die Blöcke 6 des inneren Zylindermantels 7 sind zusätzlich noch innerhalb der Ringlage durch Keile 11 miteinander verbunden. Durch diese Gestaltung und eine sichere äußere Abstützung wird eine hohe .Standsicherheit bei gleichzeitig großer Flexibilität des Aufbaus gewährleistet. Die Blöcke 9 des Verwendung von kugelförmigen Brennstoffelementen 5 mit 60 mm Durchmesser beträgt die Tiefe der muldenartigen Vertiefung ca. 20 bis 25 mm; ^;hre Breite ist geringfügig größer als der Kugeldurchmesscr, und

• ihre Länge in Kugelflicßrichtiing beträgt mindestens zwei Kiigeldurchmesser. Der Boden 23 der muldenartigen Vertiefung 22 ist eben und parallel zur Reflektoroberfläche 24 ausgebildet, und der Übergang von der Reflektoroberfläche 24 zu diesem Boden wird durch

Ii geneigte Flächen 25 bewerkstelligt, die sowohl zum Boden 23 hin als auch zur Reflektoroberfläche 24 hin abgerundet sind Die beiden Abrundungsradien (äußerer Radius rs und innerer Radius γμ — siehe Fig. 9 —) betragen 32 mm, und der Winkel ß, den die geneigten

• Flächen 25 mit der Reflektoroberfläche 24 einschließen, kann zwischen 15" und 20° liegen. Aus der Fig. 4 ist noch eine Bohrung 26 zur Aufnahme eines Dübels 10 zu erkennen: ebenso sind hier die Aussparungen 27 für die

äußeren Zyliridcrrnarüc!". S weisen Stützbclzcr; J2 auf. seitliche Fixierung der Graphiiblöcke 6 rni'.ieis der

über die horizontale Kräfte auf den (nicht dargestellten) thermischen Schild übertragen werden können, da der Seitenreflektor nicht ausschließlich auf Grund seines F.igengewichtes die Rückdruckkräfte aus dem Kugelhaufen beim direkten Einfahren von Absorberstäben in den Kugelhaufen aufnehmen kann. Die Stützbolzcn 12 sind einstellbar ausgebildet, damit sie Montageungenauigkciten ausgleichen können. Jede zweite Säule des inneren Zylindermantels 7 ist mit einer senkrechten Bohrung 13 für die Aufnahme eines Abschaltstabes versehen.

Der Deckenreflektor 2 besteht aus Hängesäulen 14. die am thermischen Deckenschild aufgehängt sind (nicht dargestellt). |e sechs dieser Säulen umschließen eine Öffnung 15 für einen Absorberstab. Die Säulen 14 sind mit Schlitzen 16 für den Gasdurchtritt versehen, die in drei Lagen des 2 m dicken Deckenrcflcktors aus Abschirmungsgriinden jeweils gegeneinander versetzt sind Der Bodenrefiektor 3 ist nach innen um 30 geneigt und mundet in seiner Mitte in ein 800 mm weites Kugcl.ib/iit'-rihr 17. Fr ist überwiegend aus regelmäßigen Sec^hskanis;iiilen 18 aufgebaut, die mit axialen Bohrungen 19 fur den Kühleasdurchtritt versehen sind. Die Sechskantsaulen 18 ruhen auf Rundsäulen 20. die einen Sammelraum 21 für das heiße Kühlgas bilden.

Aus der F ι g. 2 ist die Ringform des .Seitenreflektors 1 w; der Aufbau einer Ringiage aus einzelnen Cir.iphitblöcken besonders gut zu erkennen. Sowohl hier als auch in der F ι g. ! uurde der Übersichtlichkeit wegen die erfindungsgemaße Ausbildung der Graphitbi"cke 6 πΐί,Η' dargestellt. D^:ese ist den weiteren Figuren zu eninehrr^n.

So zeiger die F ι g. I. λ und 5 einen einzelnen Gr.iphitb'ijck ft des inneren Zylindermantels 7. in dessen dem zylindrischen Hohlraum 4 zugewandter Fläche — die eine quadratische Form besitzt — eine muidenartise Vertiefung 22 vorgesehen ist. die länglich, d h. wannenformig. ausgebildet ist und deren Längsachse parallel zur Längsachse des zylindrischen Hohlraums 4. aber versetzt zu der vertikalen Mittelachse der quadratischen Fläche des Blockes 6 verläuft. Bei der 11 gut sichtbar.

Die F i g. 6, 7 und 8 zeigen eine andere Ausführungsart der muldenartigen Vertiefungen, und zwar ist hier die muldenartige Vertiefung 29 kreisrund ausgebildet, weist aber ebenfalls einen ebenen Boden 28 auf, an den sich

r> zur Reflektoroberfläche 24 hin geneigte Flächen 30 anschließen. Der Mittelpunkt der kreisrunden Vertiefung 29 fällt mit dem Mittelpunkt der quadratisch ausgebik' 'en Fläche des Graphitblocks 6 zusammen. Die Tiefe der kreisrunden muldenartigen Vertiefung ist

in die gleiche wie die der länglichen Vertiefung: ihr Durchmesser ist so bemessen, daß zwei Brennstoffkugeln in der Vertiefung Platz finrjEn. Auch bei dieser Form der muldenartigen Vertiefung sind die Übergänge von der Reflektoroberfläche 24 zu den geneigten

Γ· Flächen 30 und von diesen Flächen zum Boden 28 abgerundet, und die Abrundungsradien — die wieder mit /\ und r\i bezeichnet sind — betragen ebenfalls 32 mm. Der Neigungswinkel der geneigten Flächen 30 liegt bei 17".

■■■ Beim Durchgang der Brennstoffkugeln 5 durch den zylindrischen Hohlraum 4 tritt stets mindestens eine der sich am Rande der Schüttung befindlichen Kugeln in die muldenartige Vertiefung 22 bzw. 29 ein. wodurch verhindert wird, daß sich eine Ordnungsstruktur der

··" Kugeln herausbildet. Damit wird erreicht, daß das Fließen der Kugeln im Randbereich sich nicht verlangsamt; d.h. es stellt sich über den gesamten Querschnitt des Reaktorkerns ein gleichmäßiges Kugelfließen ein.

Die Fig. 9 zeigt ein Teilstück der Reflektoroberfläche 24 mit einer Spalte 31 zwischen zwei benachbw.ien Graphitblöcken 6. In dem rechten Graphitblock ist ein Teil einer kreisrunden muldenartigen Vertiefung 29 zu erkennen, deren Kanten — wie bereits beschrieben —

"■" abgerundet sind, um den Abrieb der Brennstoffelemente ϊ möglichst eering zu halten. Um auch die Ecken und Kanten 32 der einzelnen Graphitblöcke 6 vor mechanischen Schaden zu bewahren, sind diese Ecken und Kanter, ebenfalls abgerundet. Der Radius dieser

■·■ Gründungen ist ebenfalls 32 mm.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zwischen dem thermischen Schild und dem Kern eines Reaktors eingefügter Reflektor, der aus einer Vielzahl von vertikalen Säulen aus übereinandergestellten prismatischen Graphitblöcken besteht, die einen zylindrischen Hohlraum für die Aufnahme von fließfähigen kugelförmigen Brennelementen umschließen, dadurch gekennzeichnet, daß über den gesamten Reflektor (1) verteilt bei einer größeren Anzahl der Graphitblökke (6) in ihrer dem Hohlraum (4) zugewandten Fläche eine muldenartige Vertiefung (22 bzw. 29) vorgesehen ist, deren Ausdehnung in Fließrichtung der kugelförmigen Brennelemente (5) mindestens is zwei Kugeldurchmesser und in dazu senkrechter Richtung mindestens einen Kugeldurchmesser beträgt und deren Tiefe etwa V₄ bis V2. vorzugsweise '/3, des Kugeldurchmessers ausmacht.

2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daü die muldenartige Vertiefung (22 bzw. 29) sowohl in tangentialer als auch in axialer Richtung in den Graphitblöcken (6) eingearbeitet ist.

3. Reflektor nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die muldenartigen Vertiefungen (22) länglich ausgebildet sind und ihre Längsachsen parallel zur Längsachse des imschlossenen Hohlraums (4) verlaufen.

4. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die muldenartigen Vertiefungen (29) kreisrund ausgebildet sind.

5. Reflekt' r nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die muMenartigen Vertiefungen (22 bzw. 2Si) einen ebenen, der Reflektoroberfläche (24) parallelen Boden (23 bzw. 28) aufweisen, an ss den sich zur Reflektoroberfläche (24) hin geneigte Flächen (25 bzw. 30) anschließen.

6. Reflektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der Reflektoroberfläche (24) zur geneigten Fläche (25 bzw. 30) der muldenartigen Vertiefungen (äußerer Radius rs) sowie von der geneigten Fläche (30) zum Boden (23 bzw. 28) der muldenartigen Vertiefungen (innerer Radius r«) abgerundet ist.

7. Reflektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Radius r_M geringfügig größer ist als der Radius R der kugelförmigen Brennelemente (5).

8. Reflektor nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Radius rs to gleich dem inneren Radius γα·/ist.

9. Reflektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Flächen (25 bzw. 30) der muldenartigen Vertiefungen (22 bzw. 29) mit der Reflektoroberfläche (24) einen Winkel von etwa 15° r> bis 20°, vorzugsweise 17", einschließen.

10. Reflektor nach den Ansprüchen I und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem eingeschlossenen Hohlraum (4) zugewandten Flächen der Graphitblöcke (6) quadratische Form haben. eo

11. Reflektor nach den Ansprüchen I₁ 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen einer Anzahl der länglich ausgebildeten muldenartigen Vertiefungen (22) zu den vertikalen Mittelachsen der quadratischen Flächen parallel versetzt sind. h >

12. Reflektor nach den Ansprüchen I, 4 und 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der kreisrund ausgebildeten muldenartigen Vertiefungen (29) mit den Mittelpunkten der quadratischen Flächen zusammenfallen.