DE2510844A1

DE2510844A1 - Vorrichtung zum einspritzen einer fluessigkeit in das core eines kernreaktors

Info

Publication number: DE2510844A1
Application number: DE19752510844
Authority: DE
Inventors: Jean-Jacques Verdeau
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-03-12
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1975-09-18
Also published as: CH591744A5; GB1481913A; IT1030314B; NL7502653A; SE414684B; JPS50127096A; SE7502680L; BE826531A; FR2264368A1; FR2264368B1; ES435463A1; US4078966A

Description

Patentanwälte C r'.-Ing. R. B E E T 2 sen. Dipi.-Ing. K. LAMPRECHT D, -Ing. R. BEETZ Jr.

410-23

8 München 22, Stelnsdorfstr. 1O Tel. (089)227201/227244/295910

Telegr. Allpatent München Telex 522O48

12. 3. 1975

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Vorrichtung zum Einspritzen einer Flüssigkeit in das Core eines Kernreaktors

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einspritzen einer Flüssigkeit im Notfall in das Core eines Kernreaktors der Bauart mit zylindrischem Druckbehälter, der das Core des Reaktors enthält, in dem mehrere, jeweils aus mehreren langgestreckten Brennstoffelementen zusammengesetzte Brennstoffbündel angeordnet sind.

Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die im Falle des Bruches der Hauptzuführleitungen der Kühlflüssigkeit eines Reaktors, der mit "Wasser gekühlt wird, den vorhergehenden, zumindest teilweisen Ausfall des Kühlwassers dadurch unschädlich macht,

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daß sie in das Reaktorgefäß, und insbesondere unmittelbar in das Core des Reaktors, eine Flüssigkeit einspritzt, welche die Kühlung des Cores gewährleisten und eine Beschädigung dieses Cores begrenzen soll..

Im Fall des Bruches einer Primärzuführleitung, welche den Reaktorbehälter mit Kühlflüssigkeit speist, gibt es selbstverständlich eine Druckverringerung in dem Behälter; diese Druckverringerung ist noch schneller in dem Fall der Druckwasserreaktoren der Art PWR. Dieser Druckabfall zieht eine beträchtliche Verringerung der Kühlung der Brennstoffelemente nach sich, welche das Core des Reaktors bilden. Es ist infolgedessen erwünscht, die Kühlflüssigkeit möglichst nahe des vor allem zu kühlenden Teils des Reaktors einzuspritzen, d.h. des Core, da die eingespritzte Flüssigkeit durch die gebrochene primäre Zuleitung entweichen könnte. Das Problem ist überhaupt schwierig zu lösen für den Fall der Reaktoren, die keine Leistungs- oder Druckrohre um jedes Brennstoffelement oder Brennstoffbündel herum enthalten. Bei derartigen Reaktoren besteht die im allgemeinen angenommene Lösung darin, daß man die Hilfseinspritzung unmittelbar in die primären Leitungen macht. Diese Lösung ist wenig befriedigend, im Fall eines vollständigen Austrocknens des Reaktors kann die Flüssigkeit wegen der Überhitzung der Brennstoffelemente nur schwer in das Core des Reaktors eintreten.

Eine besonders gut durchgearbeitete Lösung besteht darin, das Reaktorgefäß mit am Umfang angeordneten Wasserkasten auszustatten und diese Wasserkasten mit im Core des Reaktors angeordneten Rohren mit gelochten Wänden über Rohre zu verbinden, die in dem oberen Teil des Reaktorbehälters angeordnet sind und durch die oberen, inneren Stütz-

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konstruktionen hindurchführen. Dennoch erlaubt diese Lösung wegen der Abmessungen der Anschlußleitungen nur jedes zweite Brennstoffbündel zu speisen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Hilfseinspritzsystem bzw. eine entsprechende Vorrichtung, die die oben erwähnten Nachteile in dem Maße beseitigt, daß sie das unmittelbare Einspritzen der Flüssigkeit in das Core des Reaktors erlaubt, dazu eine Rohrleitungsanordnung wesentlich einfacherer Art benötigt und dennoch das Hilfseinspritzen der Flüssigkeit in sämtliche Brennstoffbündel des Reaktorcores gestattet.

Die Vorrichtung zum Einspritzen von Flüssigkeit im Notfall in das Core eines Kernreaktors der Bauart mit zylindrischem Druckbehälter, der das Core des Reaktors enthält, in dem mehrere ihrerseits aus mehreren langgestreckten Brennstoffelementen zusammengesetzte Brennstoffelemente angeordnet sind, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest einen über dem Core des Reaktors gelegenen, fest mit dem Druckbehälter verbundenen Wasserkasten enthält, der mittels durch die seitliche Wand des Druckbehälters führender Leitungen gespeist ist, und mehrere, im Inneren der Brennstoffbündel parallel zu den Brennstoffelementen angeordnete Rohre mit gelochten Wänden umfaßt, die an ihrem oberen Ende offen und am unteren Ende geschlossen sind, wobei jedes Brennstoffbündel zumindest eines dieser Rohre enthält; und daß jedes Rohr mit gelochten Wänden mit dem oder einem Wasserkasten durch ein geradliniges Rohr verbunden ist.

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Nach einem weiteren Merkmal sind geradlinige Rohre an ihrem oberen Ende in den Boden des oder eines der Wasserkasten eingeschweißt und haben an ihrem unteren Ende einen Abschnitt mit geringerem Durchmesser, der in das obere Ende der gelochten Rohre eindringt.

Nach einem weiteren Merkmal ist jede Speiseleitung des oder der Wasserkasten mit einem Rückschlagventil versehen.

Nach einer Ausführungsvariante umfaßt die Vorrichtung einen ersten und'einen zweiten Wasserkasten, die übereinandergesetzt sind, so daß der Boden des einen die obere Wand des anderen bildet 5 jedes Brennstoffbündel hat zumindest zwei gelochte Rohre, wobei zumindest ein gelochtes Rohr mit dem zweiten Wasserkasten verbunden ist, und die geradlinigen Rohre, welche die gelochten Rohre mit dem oberen Wasserkasten verbinden, dichtend durch den unteren Wasserkasten hindurchgeführt sind.

Die Erfindung wird besser anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung verstanden, das als ein nicht begrenzendes Beispiel gegeben wird. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen PWR-Reaktor, der den Einbau der erfindungsgemäßen Notfall-Einspritzvorrichtung erkennen läßt,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Einbaues der gelochten Rohre in einem Brennstoffbündel,

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Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Verbindung zwischen den Leitungen für die Zufuhr der Hilfs-Kühlflüssigkeit und den gelochten Rohren, die im Inneren eines Brennstoffbündels angeordnet sind, und

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsvariante der Hilfsemspritzvorrichtung gemäß der Erfindung.

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen PWR-Reaktor, denn im Fall eines derartigen Reaktors ist die Hilfseinspritzung für Kühlflüssigkeit besonders notwendig. Indessen dürfte es klar sein, daß die Hilfsflüssigkeits-Einspritzvorrichtung auch bei anderen Kernreaktortypen anwendbar ist.

In Fig. 1 ist der Druckbehälter 2 des Reaktors dargestellt, der an seinem oberen Teil durch den Deckel 4 verschlossen und mit Stutzen 6 zum Anschluß der primären Kühlleitungen versehen ist. Im Inneren des Behälters 2 findet sich die Core-Umkleidung 8, die sich in ihrem oberen Teil über einen Flansch 12 auf eine Schulter 10 des Behälters 2 abstützt. In ihrem Unterteil ist die Umkleidung 8 fest mit der unteren Stützplatte 13 des Core 14 verbunden. Der Reaktor hat ebenfalls einen oberen inneren Aufbau, der aus der oberen Stützplatte 16 besteht, die sich an ihrem Umfang auf den Flansch 12 der Umkleidung 8 über elastische Dichtungen 18 auflegt. Die obere Platte 16 ist fest mit hohlen Säulen 19 verbunden, deren untere Enden auf einem Wasserkasten 20 befestigt sind, der die allgemeine Form eines zylindrischen Kuchens hat. Der Wasserkasten 20 besteht aus einer

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oberen Deckplatte 22 und einer unteren Bodenplatte 24 3 diese beiden Platten sind dichtend mit einem sie umfassenden Rohrschuß 26 verbunden. Außerdem ist der Wasserkasten mit Einlassen 28 für die Einspritzflüssigkeit versehen, die abgedichtet über die Stutzen 30 in der Wand des Behälters 2 an Zuführ leitung en anschließbar sind. Die obere Konstruktion umfaßt schließlich die obere Coreplatte 32, die mit dem Wasserkasten 20 über geradlinige vertikale Rohre fest verbunden ist. Einige dieser Rohre, wie die Rohre 34, münden einerseits in der oberseitigen Platte des Core 32 und in dem Wasserkasten 20, während andere Rohre, wie 36, den Wasserkasten 20 von der einen bis zur anderen Wand durchqueren und eine hohle Säule 19 mit dem Führungsrohr verbinden, das in jedem Brennstoff bündel, wie 40, angeordnet ist.

In Fig. 1 ist auch ein Steuerstab des Reaktors dargestellt, der aus einer durch Mechanismen bewegten Betätigungsstange 42 und dem Absorberstab 44 besteht. Die Betätigungsstange 42 kann im Inneren der hohlen Säulen 18 und der Absorberstab in Rohren 36 und in den Rohren 38 geführt sein, die in den Brennstoffbündeln angeordnet sind. Die Rohre 34 sind mit Rohren 46 verbunden, die fest in dem Brennstoffbündel 40 sitzen, die gleiche Form wie die Führungsrohre 38 haben, deren Wände aber gelocht sind. Man erkennt also bereits aus dieser allgemeinen Figur, daß die Einspritzflüssigkeit für den Notfall in den Wasserkasten 20 über die Durchführungen 20, 3, 30 eintritt, dann unter Druck in den Rohren 34 strömt und schließlich in den im Inneren der Brennstoffbündel angeordneten Rohren 36, und daß diese Flüssigkeit in das Core durch die Öffnungen ausströmt, die in den Wänden der Rohre 36 vorgesehen sind.

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Die Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung die Anordnung der Hilfsflüssigkeits-Einspritzrohre und ihre Verbindungen mit dem Wasserkasten 20. Ein Brennstoffbündel 40, das in der Fig. 2 angedeutet ist, enthält eine obere Endplatte 48, eine untere Endplatte 50 und Abstandsgitter 52. Die Steifigkeit dieses Bündels ist einerseits durch die Führungsrohre 38 der Absorberstäbe und andererseits durch die gelochten Rohre 46 gewährleistet. Die beiden Gruppen von Rohren sind, wie bereits angegeben wurde, einerseits mit den Rohren 36 und 34 verbunden, die Rohre 34 münden in den Wasserkasten 20 und die Rohre 36 in den hohlen Säulen 19.

Bei dem beschriebenen Beispiel, das einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht, aber in keiner Weise begrenzend ist, hat jedes Brennstoffbündel acht Rohre, von denen jedes den Platz von vier Brennstoff stäben 54 einnimmt und deshalb einen Durchmesser in der Größenordnung von 20 mm hat. Vier dieser Rohre 38 dienen zur Führung der oder Absorberstäbe 44, die beispielsweise jeweils zu acht als Gruppe durch einen Mechanismus betätigt werden, der in dem oberen Teil der Betätigungsstangen 42. untergebracht ist.

Die vier anderen Rohre 46 werden, wie bereits gesagt wurde, für die Noteinspritzung benutzt. Sie sind gelocht, d. h. ihre Wände sind mit Löchern oder vertikalen Spalten versehen, die genau auf ihrer gesamten Länge angeordnet sind, um eine Zerstäubung des Hilfs-Einspritzwassers über die Oberfläche der Hüllen der Brennstoffstangen jeweils zu einem Viertel der entsprechenden Elemente zu gewährleisten. Selbstverständlich sind die gelochten Rohre an ihrem unteren Ende durch

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Stopfen verschlossen. Die Verbindung zwischen dem Wasserkasten 20 und den gelochten Rohren erfolgt durch die Rohre 34, die in den Boden 21 des Wasserkastens 20, in dem sie münden, eingeschweißt sind, während die Führungsrohre 36 für die Absorberstäbe den gleichen Wasserkasten durchqueren und in den hohlen Säulen 18 münden.

In der Fig. 3 ist als Einzelheit die Verbindung zwischen den geraden Rohren 34 und den gelochten Rohren 46 gezeigt. Die Verbindung zwischen diesen Rohren erfolgt in einer praktisch dichten Weise , so daß fast die Gesamtheit des Hilfseinspritzwassers auf die Brennstoffelemente verstäubt wird. Hierzu enden die Rohre 34 in einem Abschnitt 58, der einen verringerten Durchmesser hat und es gestattet, die Rohre 34 in die Rohre 46 dichtend einzustecken. Die Steckverbindung muß genügend lang sein, damit die Rohre 34 immer in die Rohre 46 hineinragen, selbst wenn sich im heißen Zustand eine relative Verschiebung zwischen den oberen Endplatten 48 der Brennstoffanordnung und der oberen Platte 32 des Cores ergibt. In gleicher Weise ist wegen dieser relativen Verschiebungen, die auf unterschiedliche thermische Dehnungen zurückzuführen sind, eine elastische Verbindung 60 zwischen den beiden Platten vorgesehen. Sie ist im allgemeinen durch an der oberen Endplatte 48 jedes Brennstoffbündels befestigte Federn gegeben. Eine solche Feder ist dazu bestimmt, ein "Wegfliegen" der Brennstoffelemente unter der Wirkung des mit hohem Durchsatz ansteigenden primären normalen Kühlwassers zu verhindern.

Jeder der Durchführungs-Anschlüsse 30 für die Einspritzflüssigkeit ist mit einem Rückschlagventil 62 derart versehen, daß im Fall des Bruches der Hilfseinspritzleitung ( eines Bruches, der sich zwangs-

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läufig in Strömungsrichtung hinter dem Rückschlagventil ergeben muß), der Druckbehälter sich also nicht über diese gebrochene Leitung entleeren kann. Das setzt aber ein einwandfreies Arbeiten der Rückschlagventile voraus, die bereits normalerweise im Betrieb geschlossen sind; sie dürfen sich nicht öffnen, wenn der Druck außerhalb des Behälters plötzlich fällt, d- h. auf der jenigen Seite, auf der dieser Druck bereits der kleinste Druck war.

In dem soeben beschriebenen Beispiel werden sämtliche Brennstoffbündel mit Hilfskühlwasser aus einem gleichen Wasserbehälter 20 gespeist. Wenn man die Sicherheit der Anordnung vergrößern will, kann man jeweils ein und dasselbe Brennstoffbündel mit Hilfswasser aus zwei oder mehr als zwei übereinander angeordneten Wasserkasten speisen. Man hat dann für jedes Brennstoffbündel zwei Hilfseinspritzkreise, die im Falle von zwei Wasserkasten unabhängig voneinander sind.

Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind zwei übereinander angeordnete Wasserkasten 20 und 20' vorgesehen (die obere Deckplatte des Wasserkastens 20' trägt das Referenzzeichen 22'), der Wasserkasten 20' wird über die Durchführungen 28' und 30' gespeist. Die Rohre, die zum Hindurchführen der Absorberstäbe dienen, durchqueren natürlich die beiden Wasserkästen von der einen bis zur anderen Außenwand. Für ein gleiches Brennstoffbündel sind von den gelochten Rohren 46 einige über die in dem Wasserkasten 20' mündenden Rohre mit diesem Wasserkasten verbunden und die anderen mit dem Wasserkasten 20, wie dies bereits vorher beschrieben wurde. So werden beispielsweise in einem gleichen Brennstoffbündel zwei- gelochte Rohre

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aus dem Wasserkasten 20 und die beiden anderen gelochten Rohre aus dem Wasserkasten 20' gespeist.

Neben den bereits beschriebenen Vorteilen, die die erfindungsgemäße Anordnung zur Hilfseinspritzung bringt (Speisung sämtlicher Brennstoffbündel mit Notkühlwasser, wesentlich größere Einfachheit der Flüssigkeitszuführleitungen) kann man noch angeben, daß die beschriebene Konstruktion eine wesentlich größere Verstärkung der oberen Konstruktion ergibt, was es möglich macht, die Vibrationen aufgrund des Flüssigkeitsumlaufs zu verringern, man weiß aber, daß diese Vibrationen die Ursache einer erheblichen Zahl von Schäden sind, die sich im Inneren des Reaktorbehälters ergeben können.

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Claims

Patentansprüche

y Vorrichtung zum Einspritzen einer Flüssigkeit im Notfall in das Core eines Kernreaktors der Bauart mit zylindrischem Druckbehälter, der das Core des Reaktors enthält, in dem mehrere ihrerseits aus mehreren langgestreckten Brennstoffelementen zusammengesetzte Brennstoffbündel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest einen über dem Core (14) des Reaktors gelegenen, fest mit dem Druckbehälter (2) verbundenen Wasser kasten (20, 20') enthält, der mittels durch die seitliche Wand des Druckbehälters führender Leitungen (28) gespeist ist, und mehrere, im Inneren der Brennstoffbündel (40) parallel zu den Brennstoffelementen (54) angeordnete Rohre (46) mit gelochten Wänden umfaßt, die an ihrem oberen Ende offen und am unteren Ende geschlossen sind, wobei jedes Brennstoffbürdel zumindest eines dieser Rohre enthält f und daß jedes Rohr mit gelochten Wänden mit dem oder einem Wasserkasten durch ein geradliniges Rohr (34) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Wasserkasten (20, 20') sich jeweils über den gesamten Querschnitt des Druckbehälters (2) erstrecken.
3. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Rohre (34) an ihrem oberen Ende in den Boden des oder der Wasserkasten (20, 20') einge-

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schweißt sind und an ihrem unteren Ende einen Abschnitt (58) mit verringertem Durchmesser aufweisen, der in das obere Ende der gelochten Rohre eindringt.
4. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Speiseleitung des oder der Wasserkastei mit einem Rückschlagventil (62) versehen ist.
5. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten und einen zweiten übereinander gesetzten Wasserkasten (20, 20') umfaßt, daß der Boden des einen die obere Wand des anderen bildet und daß jedes Brennstoffbündel (40) zumindest zwei gelochte Rohre (46) enthält, von denen zumindest ein gelochtes Rohr mit dem ersten Wasserkasten, zumindest ein gelochtes Rohr mit dem zweiten Wasserkasten verbunden ist, und daß die geradlinigen Rohre (34), welche die gelochten Rohre mit dem oberen Wasserkasten (20') verbinden, dichtend durch den unteren Wasserkasten (20) hindurchgeführt sind (Fig. 4).
6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Wasserkasten (20, 20') obeehalb des Niveaus der abgedichteten Anschlußdurchführungen (6) für die Leitungen zum Einspeisen oder Abführen der normalen Kühlflüssigkeit angeordnet sind.
7. Anwendung der Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 im Fall der Reaktoren, in denen jedes Brennstoff bündel aus

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einer Mehrzahl von langgestreckten Brennstoffelementen besteht, die miteinander durch eine Konstruktion verbunden sind, die aus einer oberen Endplatte, einer unteren Endplatte und gleichmäßig auf die Höhe des Brennstoffbündels verteilte Abstandsgitter fest verbunden sind, wobei die Endplatten und die Abstandsgitter miteinander über hohle Rohre verbunden sind, die zum Durchführen von Absorberstäben der Steuerstangen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die gelochten Rohre (46) im wesentlichen die gleiche Form wie die hohlen Rohre (38) haben und daß sie ebenfalls mit den Endplatten (48, 50) und den Abstandsgittern (52) verbunden sind.

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