DE2814978C3 - Wassergekühlter Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Kernreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In mit Druckwasser gekühlten Kernreaktoren haben der Kühlmitteldurchsatz und der Strömungswiderstand der Brennstoffbaugruppen Werte, bei denen die hydraulische Hebekraft eine solche Höhe erreicht, daß die Brennstoffbaugruppen zu Schwingungen neigen und sich sogar von der Coreabstützung abheben können.

Verschiedene Maßnahmen sind bekannt, um diese nachteilige Bewegung zu eliminieren.

Gemäß einer Lösung werden Verriegelungseinrichtungen vorgesehen, mittels denen die unteren Enden der Brennstoffbaugruppen an der Coreabstützung festgelegt werden. Zwar arbeiten diese Einrichtungen verläßlich, doch weisen sie einen komplizierten Aufbau auf, da sie nicht nur ferngesteuert verriegelt und entriegelt werden, sondern auch noch nach etwa einem Betriebsjahr unter den im Reaktor herrschenden Bedingungen zuverläßlich lösbar sein müssen.

Eine andere Lösung geht dahin, eine Federbelastung oberhalb jeder Brennstoffbaugruppe vorzusehen, mit der auf eine obere Ausfluchtungsplatte gedrückt wird und damit die Brennstoffbaugruppen einer abwärts wirkenden Kraft unterworfen werden (US-PS 37 70 573). Nachdem Reaktoren mit immer größeren hydraulischen Hebekräften konstruiert werden, werden

■to auch die entsprechenden erforderlichen Federkräfte und damit die Federn selbst sehr voluminös. Jede Komponente an gerade dieser Stelle beschränkt jedoch die Möglichkeiten, ein gewünschtes Strömungssystem zu etablieren und hat die Tendenz, den Druckabfall des Kühlmittels zu erhöhen.

Aus der DE-AS 12 49 412 ist ein wassergekühlter Kernreaktor bekannt, in dessen Druckbehälter das Core durch Kühlmittel vertikal aufwärts durchströmt wird und mit einer Querabdichtwand versehen ist, die durch

so den Einlaßdruck des Kühlmittels in einer ersten Plenumkammer über dieser Wand in Eingriff mit dem Coremantel gehalten wird, während unter der Querabdichtwand und über dem Core in einer zweiten Plenumkammer der niedrige Auslaßdruck herrscht.

Hierbei sind jedoch die Rohre für die Brennelemente auf einer Tragplatte angeordnet und praktisch nicht gegen hydraulische Hebekräfte geschützt.

Bei der Auslegung von Kernreaktoren muß ein Verlust an Kühlmittel durch einen Unfall, entweder durch Bruch der Einlaß- oder der Auslaßleitung, die zum Druckbehälter führt, einkalkuliert werden. Im Falle eines Bruchs der Auslaßleitung führt der erhöhte Durchsatz zu einem erheblichen Anstieg der Aufwärtskräfte auf die Brennstoffbaugruppen. Ein Bruch der

⁶* Einlaßleitung andererseits kehrt die Strömungsrichtung um. Der im Core erzeugte Dampf sitzt als Dampfpolster dahinter und treibt das Wasser zurück durch das Core zu dem Bruch in der Einlaßleitung. Es wäre wünschens-

wert, das Wasser innerhalb des Cores zu halten, während der Druck durch den Bruch austreten könnte.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kernreaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der eine einfach gebaute Niederhalteeinrichtung für die Brennstoffbaugruppen aufweist, wobei Strömungsbehinderungen infolge der Einrichtung selbst minimal gehalten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1, während die Unteransprüche bevorzugte Weiterbildungen beinhalten.

Dabei werden die Niederhaltekräfte derart aufgebracht, daß sich eine Kompensation bezüglich Änderungen der Primärströmung durch den Reaktor mit daraus resultierenden Änderungen der Aufwärtskräfte auf die Brennstoffbaugruppen ergibt

Die Hochdruckplenumkammer kann in direkter Verbindung mit dem Druckbehältereinlaß stehen, und demgemäß ist der Druck über dem Kolben nahe dem Einlaßdruck. Die Unterseite des Kolbens steht in direkter Fluidkommunikation mit dem Druckbehälterauslaß, und demgemäß ist der Druck unter dem Kolben nahe dem Reaktorauslaßdruck. Die auf den Kolben wirkende Druckdifferenz ist eine Funktion der Druckdifferenz über dem Reaktor, und demgemäß kompensiert die Niederhaltekraft ohne weitere Differenzen in dem Durchsatz des Kühlmittels durch den Rpaktor.

Der größere Teil der Niederhalteeinrichtung befindet sich außerhalb der Primär-Kühlmittelströmung, da -ie sich in bzw. über der Querabdichtwand befindet. Nur die rohrförmige Schubstange, die den Steuerstab umschließen kann, erstreckt sich nach unten in den Primär-Strömungspfad. Diese Schubstange bildet zugleich einen Strömungspfad für eine abwärts erfolgende Strömung von Kühlmittel, das aus der oberen Plenumkammer nach unten gelangt und dabei die Steuerstäbe kühlt.

Die gute Abdichtung zwischen dem Kolben und der Querabdichtwand erfolgt oberhalb der Abdichtplatte, wobei Justierungen vorgenommen werden und Einbauten erfolgen können, bevor ein Coreausfluchtungsmantel auf die Brennstoffbaugruppen aufgebracht wird. Die Montage des Reaktors wird damit vereinfacht, da die engen Toleranzen während dieses Arbeitsganges nicht eingehalten zu werden brauchen.

Falls Kühlmittel infolge eines Bruchs der Ausiaßleitung austritt, vergrößert die Selbstkompensation, die gemäß der Erfindung erfolgt, die Niederhaltekraft in dem Augenblick, in dem der hohe Durchsatz die Tendenz hat, die Brennstoffbaugruppen abzuheben. In dem Falle eines einlaßseitigen Austritts von Kühlmittel führt die Strömungsrichtungsumkehr, die auf die Kolben zurückwirkt, dazu, daß diese von der Querabairhtwand abheben, womit sich ein Strömungspfad für den Dampf ergibt, der dann in die Einlaßleitung eintreten kann, ohne nach unten durch das Core strömen zu müssen und dabei das Kühlmittel auszutreiben.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nähere·'5 <■· ■·..

F i g. 1 zeigt die allgemeine Anordnung des Kernreaktors,

Fig.2 ist ein Längsschnitt zur Darstellung der Niederhalteeinrichtung, und

F i g. 3 ist eine Draufsicht auf die Niederhalteeinrichtung.

Ein Druckbehälter 2 eines Kernreaktors ist mit einem Druckbehältftrkopf 4 an einem Flansch 6 verschraubt.

Der Druckbehältei 2 weist einen Einlaß 8 und einen Auslaß 10 für die Kühlwasserströmung auf.

Ein Core 12 besteht aus einer Mehrzahl von Brennstoffbaugruppen 14, von dftnen jede aus einer Mehrzahl langgestreckter Brennstoffstäbe besteht Das Core 12 ruht auf einer Coreabstützung 16, die ihrerseits an einem Corehaltemantel 18 hängt Der Corehaltemantel 18 seinerseits wird von einem Flansch 20 getragen und ist am Druckbehälter 2 nahe dem Flansch 6 aufgehängt

Unmittelbar über dem Core 12 befindet sich eine Ausfluchtungsplatte 22 für die Brennstoffbaugruppen 14, die dazu dient, die oberen Enden der Brennstoffbaugruppen 14 zu positionieren und in Ausfluchtung zu halten. Eine Querabdichtwand 24 ist über der Ausfluchtungsplatte 22 vorgesehen und begrenzt damit eine Auslaßplenumkammer 26.

Nach Eintritt des Kühlmittels durch den Einlaß 8 strömt ein erster, den größten Teil des Kühlwassers umfassender Anteil nach unten durch ei^en Ringraum 28 zwischen dem Druckbehälter 2 und dem Corehaltemantel 18. Diese Strömung gelangt nach unten durch eine Leitwand 30 in eine Einlaßplenumkammer 32 unter dem Core 12. Die Strömung gelangt dann aufwärts durch das Core 12 und durch öffnungen in der Ausfluchtungsplatte 22 in die Auslaßplenumkammer 26. Von hier erfolgt die Strömung nach außen durch den Auslaß 10 zu einem (nicht dargestellten) Dampferzeuger.

Jede Brennstoffbaugruppe 14 umfaßt innerhalb ihres Aufbaus vier Führungsrohre 40, die sich durch die gesamte Länge der Brennstoffbaugruppe 14 erstrecken. Die Führungsrohre 40 erstrecken sich nach oben über die Ausfluchtungsplatte 22 der Brennstoffbaugruppen 14 hinaus (nicht dargestellt).

Fingerförmige Steuerstäbe 48 sind innerhalb der Führungsrohre 40 der Brennstoffbaugruppen 14 vertikalbewegbar. Jeder dieser Steuerstäbe 48 erstreckt sich individuell bis zu einer Höhe oberhalb der Querabdichtwand 24, an welcher Stelle sie miteinander in Untergruppen vereinigt mit einem Steuerstabfortsatz 50 verbunden sein können.

Zusätzlich zu Strömungsöffnungen 52 weist die Ausfluchtungsplatte 22 noch öffnungen 54 auf, durch die sich die Steuerstäbe 48 erstrecken. Die Fortsätze der Führungsrohre 40 ragen in die öffnungen 54. Diese Stoßstelle sollte so ausgebildet werden, daß Horizontalkräften gefolgt werden kann, so daß die Brennstoffbaugruppen 14 ausgefluchtet werden können, und müssen

so Vertikalbewegungen gestatten, um der Expansion unterschiedlicher Brennstoffbaugruppen 14 nachzugeben.

Hüllrohre 56 für die Steuerstäbe 48 erstrecken sich durch die Auslaßplenumkammer 26 und können mit der Ausfluchtungsplatte 22 und der Querabdichtwand 24 verschweißt sein. Die Hüllrohre 58 umschließen die Steuerstäbe 48, um diese gegen die Wirkungen der Querströmung durch die Auslaßplenumkammer 26 zu schützen.

Da die Querabdichtwand 24 nicht nur zum Abdichten benutzt wird, sondern auch als ein Teil der strukturellen Anordnung für die obere Führungsbaugruppe, ist sie an einein Innenmantel 60 aufgehängt, damit sich eine stabilere Struktur ergibt Dies erlaubt darüber hinaus, daß der gesamte Einbau einschließlich der Ausfluchtplatte 22 entfernt werden kann, wenn zwecks Brennstoffaustausch die Brennstoffbaugruppen 14 freigelegt werden. Der Innenmantel 60 hängt an Flanschen

62, die auf den Flanschen 20 des Corehaltemantels 18 ruhen. Eine den Innenmantel 60 oben abdeckende Platte 64 ist offen, um den Durchlaß zu ermöglichen.

Eine öffnung 70 ist durch den Corehaltemantel i8 und auch durch den oberen Innenmaiitel 60 vorgesehen, so daß ein zweiter kleinerer Anteil des Kühlmittels, das in den Druckbehälter 2 eingeführt wird, in eine unter hohem Druck stehende Plenumkammer 72 strömt. Die Strömung erfolgt dann nach unten durch Schubstangen 74 in die Führungsrohre 4Ö für die einzelnen Brennstoffbaugruppen 14. Dieser zweite kleinere Strömungsanteil gelangt dann durch die Länge der Brennstoffbaugruppen 14 innerhalb der Führungsrohre 40 zu einer Stelle nahe dem Boden des Cores 12, wo die Strömung auftritt und auf den ersten Hauptanteil der Strömung trifft. Die beiden Anteile mischen sich dann, und die Gesamtmasse strömt aufwärts durch das Core 12 zur Auslaßplenumkammer 26.

Man erkennt, daß zwei parallele Strömungspfade zwischen dem Einlaß 8 und dem Boden des Cores 12 vorliegen. Der Druckabfall wird im wesentlichen durch den größeren ersten Anteil der Strömung bewirkt, bei deren Durchlaß durch den Ringraum 28. Wegen der Fluidströmung ergibt sich ein hoher Druck am Einlaß 8, ein mittlerer Druck am Einlaß des Cores 12 und ein niedriger Druck am Auslaß 10. Der verbleibende Anteil der Strömung längs des anderen Pfades unterliegt demselben Druckabfall, wobei die Strömung durch die Geometrie des Strömungspfades bestimmt wird. Die Plenumkammer 72 steht in direkter Fluidkommunikation mit dem Einlaß 8, so daß dieser Teil des Strömungspfades einen geringen Strömungswiderstand aufweist und deshalb einen relativ niedrigen Druckabfall bewirkt Der Anteil des Strömungspfades durch die Hüllrohranordnung und schließlich durch die Führungsrohre 40 unterliegt dem größeren Anteil des zur Verfügung stehenden Druckabfalls. Dies bewirkt, daß der Druck in der Plenumkammer 72 relativ hoch nahe dem Druck am Einlaß 8 gehalten wird.

Die Querabdichtwand 24 besteht aus einer Dichtungsplatte 75 und vertikalen Fortsätzen 76. Die Fortsätze 76 befinden sich über den Brennstoffbaugruppen 14, die niederzuhalten sind, und haben im Ausführungsbeispiel eine runde Form. Ein Kolben 78 bewirkt gleitbewegbar die Abdichtung gegen die innere Vertikalfläche der Fortsätze 76. Ein flexibler Dichtring 79 kann rings um den Umfang des Kolbens 78 vorgesehen sein, um die Abdichtung zwischen dem Kolben 78 und den Fortsätzen 76 zu verbessern.

Der Kolben 78 ist mit den Schubstangen 74 deräfi verbunden, daß der Kolben 78 eine abwärts gerichtete Kraft auf die Schubstangen 74 übertragen kann. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kolben 78 mit den Schubstangen 74 verschweißt. Jede Brennstoffbaugruppe 14 umfaßt dabei vier Steuerstäbe 48 und vier Führungsrohre 40 hierfür. Demgemäß sind vier Schubstangen 74 für jede Brennstoffbaugruppe 14 vorgesehen, die alle an einem gemeinsamen Kolben 78 montiert sind.

In der Dichtungsplatte 75 sind innerhalb der Begrenzungen durch die Fortsätze 76 öffnungen 80 vorgesehen. Durch die Öffnungen 80 wird die Unterseite des Kolbens 78 direkt mit dem Auslaß 10 des Reaktors in Fluidkommunikation gebracht und damit die Unterseite des Kolbens 78 niedrigem Druck ausgesetzt.

Die Fortsätze 76 der Querabdichtwand 24 können,

wie angedeutet, mittels Bolzen 84 verschraubt sein. Die Verbindung zwischen den Fortsätzen 76 und der Dichtungsplatte 75 sollte weitestgehend dicht sein, um einem Lecken an der Verbindungsstelle vorzubeugen.

Kühlmittel kann von der Plenumkammer 72 längs der Steuerstäbe 48 zwischen den Steuerstäben 48 und den Schubstangen 74 nach unten gelangen. Dieses Kühlmittel strömt dann durch die Führungsrohre 40. Leckagen zwischen den Kolben 78 und den Fortsätzen 76 gelangen durch die öffnungen 80 zum Auslaß 10. Demgemäß wirkt ein hoher Druck aus der Plenumkammer 72, der nahe dem Reaktoreinlaßdruck liegt, auf die Oberseite des Kolbens 78, während ein niedriger Druck nahe dem Druck am Auslaß 10 auf die Unterseite des Kolbens 78 wirkt Diese Druckdifferenz führt zu einer abwärts gerichteten Kraft auf die Schubstangen 74, die auf die Oberseite der Führungsrohre 40 drücken, um auf diese Weise die Brennstoffbaugruppen 14 niederzuhalten. Veränderungen des Durchsatzes, die die Tendenz hätten, die Aufwärtskraft auf die Brennstoffbaugruppen 14 zu erhöhen, führt zu einem erhöhten Druckabfall über dem Core. Dies erhöht automatisch die Druckdifferenzen über dem Kolben 78 und damit die Niederhaltekraft

Bei der Montage des Reaktors sind die Brennstoffbaugruppen 14 an Ort und Stelle, während die Ausfluchtungsplatte 22 und die Querabdichtwand 24 als eine Einheit eingebaut werden. Die kleinen Abfasungen, die an der Oberseite der Führungsrohre 40 angedeutet sind, sind jene, die üblicherweise verwendet werden und ausreichen, um die Brennstoffbaugruppen 14 innerhalb der Ausfluchtungsplatte 22 zu führen. Keine kritischen

^J5 Abstände sind an dieser Stelle erforderlich, da die kritischen Abstände oberhalb der Dichtungsplatte 75 zwischen dem Kolben 78 und den Fortsätzen 76 aufrecht erhalten werden, wo die Einrichtung ohne weiteres zugänglich ist

Im Falle eines Kühlmittelverlustes infolge Bruchs der Auslaßleitung wird die durch den Kolben 78 aufgebrachte Niederhaltekraft automatisch vergrößert Wenn der Kühlmittelverlust auf einen Bruch der Einlaßleitung zurückzuführen ist, bricht der Druck am

Einlaß 8 des Druckbehälters 2 und damit der Druck in der Plenumkammer 72 zusammen. Die Rückströmung, die auf den Kolben wirkt, hebt diesen bis aus dem Kontaktbereich mit dem Fortsatz 76 und ermöglicht damit eine Strömung aus dem Auslaß 10 nach oben durch die Plenurnkamir.cr 72 zum Auslaß * Dies hält den Verlust an Wasser aus dem Core 12 minimal, der sonst einträte, wenn der Dampf das Wasser rückwärts durch das Core 12 austreiben würde.

Die extreme Einfachheit der Einrichtung kann abgeschätzt werden im Bereich der Primär-Kühlmittelströmung. Man erhält nämlich keinerlei Vergrößerung der Einbauten über diejenige Struktur hinaus, die bereits erforderlich ist, um die Brennstoffbaugruppen 14 auszufluchten. Außerdem ist nur ein minimaler Einfluß auf die Konstruktion der Ausfluchtungsplatte 22 anzumerken, so daß die öffnungen 52 großzügig bemessen werden können, was zu einem niedrigen Druckabfall und geringen Turbulenzen der Primär-Kühlmittelströmung führt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Wassergekühlter Kernreaktor mit einem Druckbehälter, der einen Kühlwassereinlaß und einen Kühlwasserauslaß aufweist, mit einem im Druckbehälter untergebrachten Core, das von dem Kühlwasser vertikal aufwärts durchströmt ist, und mit einer Coreniederhalteeinrichtung zur Kompensation der Corehebekräfte, hervorgerufen durch den Druckabfall der Kühlmittelströmung durch das Core, dadurch gekennzeichnet, aaß in an sich bekannter Weise eine im Druckbehälter (21) angeordnete Querabdichtwand (24) vorgesehen ist, über der eine im wesentlichen unter dem Einlaßdruck des Kühlwassers stehende erste Plcnumkammer (72) liegt, während unter der QuerabdichUvand (24) und über dem Core (12) in einer zweiten Plenumkammer (26) der niedrigere Auslaßdruck herrscht, und daß die Querabdichtwand (24) Vertikalführungen (76) für relativ zu ihr bewegbare Kolben (78) aufweist, deren obere Kolbenfläche unter dem Druck in der ersten und deren untere Kolbenfläche unter dem Druck in der zweiten Plenumkammer steht und die als Niederhalter auf das Core (12) wirkend mit diesem gekoppelt sind.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Plenumkammer (72) in direkter Fluid-Kommunikation mit dem Kühlwassereinlaß (8) und die zweite Plenumkammer (26) in direkter Fluid-Kommunikation mit dem Kühlwasserauslaß (10) steht.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite der Kolben (78) mindestens eine Schubstange (74) befestigt ist, die mit dem oberen Ende einer zum Core (12) gehörenden Brennstoffbaugruppe (14) in Kontakt steht.

4. Kernreaktor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabdichtwaiäd (24) eine Dichtungsplatte (75) umfaßt, während die Vertikalführungen (76) an der Oberseite der Dichtungsplatte befindliche vertikale hohlzylindrische Fortsätze (76) sind, in denen die Kolben (78) gleitend und abgedichtet geführt sind.

5. Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (78) mit den ihm zugeordneten Schubstangen (74) unlösbar verbunden ist.

6. Kernreaktor nach Anspruch 3,4 oder 5, bei dem die Brennstoffbaugruppen mindestens ein Führungsrohr für einen Steuerstab umfassen, durch die bis in die erste Plenumkammer ragende Steuerstäbe vertikalbewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstangen (74) rohrförmig ausgebildet sind, jeweils einen Steuerstab (48) umschließen und in Kontakt mit dem oberen Ende des zugeordneten Führungsrohres (40) stehen.

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, bei dem eine Ausfluchtungsplatte für die Brennstoffbaugruppen am oberen Coreende vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfluchtungsplatte (22) unter der Querabdichtwand (24) angeordnet ist, die zweite Plenumkammer (26) nach unten begrenzt und Öffnungen (54) in Eingriff mit den Führungsrohren (40) zum Ausfluchten der Brennstoffbaugruppen (14) aufweist, und daß ein Hüllrohr (56) die Schubstange (74) umschließt, das mit der Querabdichtwand (24) und der Ausfluchtplatte (22) verbunden ist.

8. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabdichtung (24) öffnungen (80) zwischen ihren Fortsätzen (76) aufweist, über die die Unterseite der Kolben (78) dem Druck in der zweiten Plenumkammer (26) ausgesetzt ist

9. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstoffbaugruppe eine Mehrzahl von Führungsrohren (40) und Schubstangen (74) zugeordnet ist.