DE2928632C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor mit Kugelschüttung, wie er beispielsweise in der deutschen Zeitschrift "Atomwirtschaft" vom Mai 1971 auf S. 235-237 mit Angabe weiterer Literatur­ stellen beschrieben ist.

Die die Spaltzone eines solchen Kernreaktors bildende Schüttung von mehreren Millionen kugelförmiger Brennelemente ist in einem Behälter enthalten, der einen polygonartigen oder kreisförmigen Grundriß aufweist und aus einer Seitenwand und einem trichter­ förmigen Boden besteht, durch den die oben zugegebenen, beim Durchlaufen der Spaltzone verbrauchten Brennelemente abgezogen werden können.

Das Kühlgas durchströmt die Kugelschüttung von oben nach unten, so daß sich die Betriebstemperatur von z. B. 950°C in der Nähe des Bodens und des unteren Teils der Seitenwand einstellt. Hieraus folgt, daß die einzelnen Graphitsteine, aus denen Boden und Seitenwand aufgebaut sind, bei jedem An- bzw. Abfahren des Reaktors erheblichen Wärmedehnungen bzw. -schrumpfungen ausgesetzt sind. Im Falle der Seitenwand werden die Spalte zwischen den einzelnen Steinen so ausgelegt, daß sie sich bei Erreichen der Betriebstemperatur schließen und so ein dichter Behälter entsteht, in dem nur tangentiale Druckspannungen herrschen; am radialen Ausweichen werden die Seitenwandsteine durch eine äußere, den Behälter umgebende Stützkonstruktion gehindert. Ein derartiger Behälter ist aus der DE-AS 12 61 606 bekannt. Im Bereich der Kugelschüttung ergeben sich aus der Ausdehnung der Seitenwandsteine keine Probleme, da sich erstere unter der Einwirkung äußerer Kräfte ähnlich wie eine Flüssig­ keit verhält, d. h. in vorliegendem Falle nach oben ausweicht. Ein ähnlicher Spannungsverlauf wie in der Seitenwand läßt sich im Bereich des Bodens nur herstellen, wenn auch dieser "weich" gestaltet wird, d. h. nur ein Teil der Wärmedehnung der Bodensteine behindert wird. Man hat dies bisher dadurch zu erreichen versucht, daß entweder ständig auf den Boden radial von außen wirkende Kräfte zum Einsatz gebracht werden, die bei nachgiebigem Verhalten in der Aufheizphase beim Erkalten in Richtung auf eine Rückstellung wirken (vgl. die DE 26 36 251 A1); oder aber daß zwischen den einzelnen Bodensteinen im kalten Zustand ausreichend große Spalte vorgesehen wurden. Werden die Bodensteine unverbunden nebeneinander gestellt, führt dies jedoch nach mehrmaligem Ausdehnen und Zusammenziehen des Verbandes dazu, daß die einzelnen Steine nicht mehr genau auf ihren vorgesehenen Stellen im Bodenraster stehen, d. h. die Größe der Spalte zwischen den Steinen variiert in unvorherseh­ barer Weise von Stein zu Stein. In einzelnen Fällen können sich die Spalte auch in kaltem Zustand geschlossen haben, was zu einer Verklemmung des Verbandes oder wenigstens zum Auftreten erheblicher Reibungskräfte bei der späteren Wiederausdehnung führen kann. Andere Spalte wiederum können durch das Summieren mehrerer Einzelabweichungen vom Sollmaß eine erhebliche Größe angenommen haben; in solche übergroßen Spalte können z. B. Bruchstücke von zerstörten Brennelementen oder auch die nach einem bekannten Vorschlag zur Zweitabschaltung des Reaktors verwendeten "kleinen Absorberkugeln" hineinfallen und die spätere Wiederausdehnung der Steine behindern.

Die vorliegende Erfindung hat daher einen Behälter zur Aufgabe, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden. Am Übergang zwischen der Seitenwand und dem Boden sollen keine unterschied­ lichen Spannungszustände auftreten. Die Bodensteine sollen sich frei gegeneinander ausdehnen können, ohne dabei die Seitenwand durch zusätzliche Kräfte zu belasten. Zwischen den einzelnen Bodensteinen sollen nur Spalte von begrenzter, berechenbarer Größe auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Behälter mit den im kenn­ zeichnenden Teil des ersten Anspruches aufgeführten Merkmalen vorgeschlagen. Durch die Verkeilung der Bodensteine miteinander über die Paßfedern bzw. durch die an die Steine angeformten Vorsprünge wird erreicht, daß die bei ansteigender Temperatur stattfindende Ausdehnung der Steine gleichmäßig in alle Richtungen erfolgt und daß der einzelne Stein seine Stellung im Raster auch nach dem Abkühlen beibehält. Durch die Anordnung der Verzahnung in senkrechten Ebenen wird erreicht, daß sich die Bodensteine in senkrechter Richtung ungehindert ausdehnen können. Wenn sich die Spalte zwischen den Bodensteinen auch bei Betriebstemperatur nicht völlig schließen, erfolgt die Berührung zwischen ihnen nur definiert über die Paßfedern bzw. Vorsprünge.

Eine bevorzugte Ausführungsform des obigen Erfindungsgedankens wird im zweiten Anspruch vorgeschlagen. Die Sechseckform der Bodensteine und die Anordnung der Verzahnung im Dreieckraster bietet die beste Gewähr für die beabsichtigte gleichmäßige Ausdehnung der Steine in die gewünschten Richtungen. Das Dreiecksraster setzt sich bis in die Seitenwand fort, wo die in der Seitenwand vorgesehenen Nuten ebenfalls darauf ausgerichtet sind.

Beim Übergang von einem aus einzelnen Sechsecken zusammenge­ setzten Boden zu einer im Prinzip kreisringförmigen Seitenwand treten aus geometrischen Gründen Unregelmäßigkeiten auf. Im dritten Anspruch wird nun vorgeschlagen, auf die Anordnung speziell geformter Füllsteine zu verzichten und vielmehr die Seitenwandsteine so auszubilden, daß sie sich mit ihrer Innen­ kontur der unregelmäßigen Außenkontur des Bodens anpassen, so daß das gewählte Raster nicht gestört zu werden braucht.

Die Ansprüche 4 bis 7 beschreiben vier mögliche Ausgestaltungen der Seitenwand. Welche der Ausführungsformen in einem bestimmten Fall die günstigste ist, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, die hier nur angedeutet werden können. Die Aus­ führungsform nach Anspruch 5 erscheint bei allerdings erhöhtem Fertigungsaufwand am besten geeignet, den Übergang von der unregelmäßigen Innenkontur zu den in regelmäßigem Abstand voneinander angeordneten Stützgliedern zu gestalten, mit denen sich der Behälter auf die äußere Spannkonstruktion abstützt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen Kugelhaufen- Kernreaktor,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 1 (wobei die Brennelemente entfernt sind) und

Fig. 3 in abermals vergrößertem Maßstab eine Einzelheit der Fig. 2.

Eine aus mehreren Millionen kugelförmiger Brennelemente bestehende, die Spaltzone des Reaktors bildende Kugelschüttung 1 ist in einem Behälter enthalten, der aus einer im wesentlichen hohlzylindrischen Seitenwand 2 und aus einem trichterförmigen Boden 3 besteht. Die Seitenwand 2 kann, wie in der Fig. 1 und im Sektor b der Fig. 2 dargestellt, aus zwei konzentrischen Ringen 21, 22 bestehen, die aus einzelnen Graphitsteinen 212 bzw. 222 aufgebaut sind. In gleicher Weise ist der Boden 3 aus einzelnen Graphitsteinen 31, im dargestellten Beispiel in Form eines sechseckigen Prismas aufgebaut. Die Seitenwandsteine 212 sind an ihrer Innenseite so geformt, daß sie in die unregel­ mäßige Außenkontur des Bodens 3 hineinpassen. Während des Normalbetriebes wird der Reaktor mittels Absorberstäben 6 geregelt, die auf und nieder bewegt werden und zum Abschalten des Reaktors in die Kugelschüttung eingefahren werden können. Für den Fall eines Versagens bei dieser Abschaltvorrichtung können aus hier nicht dargestellten Behältern, über Rohre 11 Kugeln aus einem neutronenabsorbierenden, z. B. borhaltigen Material in den Behälter gegeben werden. Da die Absorberkugeln wesentlich kleiner als die Brennelemente sind, verteilen sie sich in der Kugelschüttung 1 und schalten den Reaktor so ab. Zum späteren Wiederanfahren des Reaktors werden die Absorber­ kugeln am unteren Ende des Behälters über ein weiteres Rohr 12 abgezogen. Hierzu ist es erforderlich, daß die insbesondere im kalten Zustand auftretenden Spalte zwischen den einzelnen Bodensteinen 31 so klein bleiben, daß die Absorberkugeln nicht in sie gelangen können. Dazu sind die Bodensteine 31 und die Seitenwandsteine 21 an ihrer dem Boden zugewandten Seite mit Nuten versehen, die in einem regelmäßigen Dreieckraster angeordnet sind (in Fig. 2 strichpunktiert dargestellt). In die Nuten eingeführte Paßfedern 311 oder an die Bodensteine 31 angeformte Vorsprünge 312 sorgen dafür, daß jeder der Bodensteine 31 auch bei wiederholter Ausdehnung und anschließendem Zusamenziehen seinen genauen Platz im Bodenverband beibehält. Die geometrische Form ähnelt derjenigen, wie sie bereits in der FR 12 14 246 für Moderatorblöcke vorgeschlagen wurde, denen dadurch sowohl eine Wärmedehnung als auch ein ungehindertes Wigner-Wachstum ermöglicht werden sollte. Zur Vermeidung von Strömungsverlusten durch die Spalte wird dort allerdings Wert darauf gelegt, daß sich diese Spalte im Betrieb völlig schließen. Dies ist hier nicht der Fall, vielmehr sollen die Spalte zwischen den einzelnen Bodensteinen 31 auch im Betrieb erhalten bleiben, um die Berührung zwischen ihnen auf die definierten Anlageflächen der Paßfedern 311 bzw. Vorsprünge 312 zu begrenzen. Die im oberen Teil der Fig. 3 dargestellte Form der Bodensteine 31 erlaubt es, diese mit einem Mindestmaß an Materialverlust aus einem zylindrischen Rohling herzustellen. In den mit a, b, c bzw. d bezeichneten Sektoren der Fig. 2 sind verschiedene Möglichkeiten des Übergangs von der unregelmäßigen Innenkontur der Seitenwand auf die möglichst gleichmäßige Außenkontur dargestellt. Letzteres ist deshalb notwendig, damit sich der Behälter über Stempel 41 (die auch federnd sein können) auf einer metallischen Stützkontruktion 4 abstützen kann. In dem Sektor a verlaufen die Trennfugen zwischen den einzelnen Seitenwandsteinen 21 jeweils von einer einspringenden Ecke der Innenkontur aus radial nach außen. Dies hat den Nachteil, daß die Teilung der Außenkontur unregelmäßig wird. Im Sektor b ist deshalb um einen Innenring 21 aus Steinen 212 ein Außenring 22 aus Steinen 222 gelegt, wobei letzterer eine regelmäßige Teilung aufweist. Die Steine der beiden Ringe 21, 22 sind über radial angeordnete, in entsprechende Nuten passende Paßfedern oder Vorsprünge 221 miteinander verzahnt. Bei allerdings erhöhtem baulichen Aufwand ist hier der Übergang am günstigsten gelöst. Im Sektor c sind die Trennfugen von einer regelmäßigen Teilung der Außenkontur aus ausgehend radial nach innen gezogen, was zwar die einfachste Formgebung für die Seiten­ wandsteine 21 ergibt, aber auch dazu führen kann, daß die Trennfugen an ungünstigen Stellen, z. B. im Bereich einer Nut auf die Innenkontur treffen. Im Sektor d schließlich verlaufen die Trennfugen von einer regelmäßig unterteilten Außenkontur zu den einspringenden Ecken der Innenkontur. Dies kann wiederum dazu führen, daß die einzelnen Seitenwandsteine 212 nicht die erwünschte Keilform erhalten. Bei der Montage, d. h. im kalten Zustand sind Spalte zwischen den einzelnen Seitenwandsteinen 212, 222 vorhanden, die sich beim Erreichen der Betriebstempe­ ratur geschlossen haben, so daß ein dichter Behälter mit nur tangentialen Druckspannungen gebildet wird. Der gesamte Reaktor ist in einer Kaverne innerhalb einer abschirmenden Beton­ struktur 5 angeordnet.

Claims (7)

1. Behälter für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor mit Kugelschüttung, bestehend aus einer aus einzelnen segmentförmigen Seitenwandsteinen zusammengesetzten Seitenwand und einem aus einzelnen prismatischen Bodensteinen zusammengesetzten Boden, wobei im kalten Zustand des Hochtemperaturreaktors zwischen den Seitenwandsteinen Spalten vorhanden sind, die sich bei Erreichen der Reaktorbetriebs­ temperatur schließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodensteine (31) untereinander und mit den Seitenwandsteinen (212) durch in entsprechenden Nuten der Steine angeordnete Paßfedern (311) oder Vorsprünge (312) verbunden sind, wobei die Nuten und Paßfedern (311) bzw. die Vorsprünge (312) in senkrechten Ebenen angeordnet sind, ein regelmäßiges Vieleckraster bilden und die Spalten zwischen den Bodensteinen (31) und die Spalten zwischen diesen und den Seitenwandsteinen (212) sich auch bei Betriebs­ temperatur nicht ganz schließen.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodensteine (31) sechseckig und das Raster der Nuten und Paßfedern (311) bzw. Vorsprünge (312) dreieckig sind.

3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (3) nur aus ganzen Bodensteinen (31) gebildet und die Seitenwand (2) an ihrer Innenseite der Kontur des Bodens (3) angepaßt wird, so daß ihre Innenkontur ebenfalls einen abwechselnd ein- und ausspringende Ecken aufweisenden Verlauf erhält.

4. Behälter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfugen zwischen den einzelnen Seitenwandsteinen (212) von jeweils einer einspringenden Ecke der Innenkontur aus radial nach außen verlaufen.

5. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand (2) in einen Innenring (21) und einen dazu konzentrischen Außenring (22) geteilt ist, wobei der Außenring (22) in regelmäßigen Sektoren geteilt und die Seitenwandsteine (212) des Innenringes mit den Steinen (222) des Außenringes mit in entsprechenden radialen Nuten angeordneten Paßfedern (221) verbunden sind.

6. Behälter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfugen zwischen den einzelnen Seitenwandsteinen (212) in regelmäßigen Abständen radial verlaufen.

7. Behälter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfugen zwischen den einzelnen Seitenwandsteinen (212) von jeweils einer einspringenden Ecke der Innenkontur zu jeweils einem Punkt einer regelmäßigen Teilung der Außenkontur verlaufen.