DE3428340A1

DE3428340A1 - Mit kugelfoermigen brennelementen beschickter gasgekuehlter hochtemperaturreaktor

Info

Publication number: DE3428340A1
Application number: DE19843428340
Authority: DE
Inventors: Claus Dr.-Ing. 6702 Bad Dürkheim Elter; Jürgen Dr.-Ing. 7521 Stettfeld Rautenberg; Josef Dr.-Ing. 7521 Hambrücken Schöning; Wilfried 6836 Oftersheim Stracke
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1984-08-01
Filing date: 1984-08-01
Publication date: 1986-02-13
Also published as: US4778646A; JPS6145990A

Description

HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbH

4600 Dortmund 1

Int. Nr. 8 0 2 4 Mannheim, 30.05.84

Mit kugelförmigen Brennelementen beschickter gasgekühlter Hochtemperaturreaktor

Die Erfindung betrifft einen mit kugelförmigen Brennelementen beschickten gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, der in einer mit einem Liner ausgekleideten Kaverne eines Spannbetondrückbehälters untergebracht ist, mit einem die Brennelementschüttung allseitig umgebenden Reflektor, an dessen Bodenteil (Bodenreflektor) sich ein Heißgassammelraum anschließt, der nach unten hin von den aus Graphitblöcken bestehenden Bodenlagen des Hochtemperaturreaktors begrenzt wird, mit einem thermischen Bodenschild und einem zwischen dem thermischen Bodenschild und dem Bodenliner der Kaverne befindlichen Kernabstützraum sowie mit einer Zugabeeinrichtung und einer Abzugseinrichtung für die kugelförmigen Brennelemente, wobei die Abzugseinrichtung aus mindestens einem den Bodenreflektor and die Bodenlagen durchdringenden keramischen Kugelabzugsrohr und jeweils einem unterhalb der Bodenlagen befindlichen metallischen Kugelabzugsrohr besteht .

Ein Hochtemperaturreaktor dieses Bautyps ist aus der DE-OS 30 30 510 bekannt. Die kugelförmigen Brennelemente können kontinuierlich zagegeben und nach dem Abbrand aus dem Kern abgezogen werden. Der Kernreaktor weist in seinem unteren Teil sehr hohe Gastemperaturen auf, die nur hochwarmfestes Material für

den Bodenreflektor, die Bodenlag^n und den innerhalb des Kernaufbaus befindlichen Teil der Kugelabzugseinrichtung zulassen. Diese Bauteile sind daher aus keramischem Material wie Graphit gefertigt, das jedoch keinen großen Z\ig- und Biegebeanspruchungen standhält. Der außerhalb des thermischen Bodenschildes befindliche Teil der Kugelabzugseinrichtung, der die keramischen Abzugsrohre je mit einem Vereinzelner und daran angeschlossenen Schrottabscheider verbindet, besteht aus Gründen einer höheren Festigkeit aus Metall. Vorzugsweise wird austenitischer Werkstoff verwendet, da in dem betreffenden Bereich ein hoher Neutronenfluß vorliegt.

Stand der Technik ist ein in der DE-OS 31 21 379 beschriebenes Abzugsrohr für kugelförmige Brennelemente, das in einer Durchdringung, die mit einem Panzerrohr ausgekleidet ist, durch den Boden des Spannbetondruckbehälters geführt ist. Um eine genaue Montage des Abzugsrohres in dem Panzerrohr sowie eine spätere Nivellierung zu ermöglichen, ist das Abzugsrohr mit seinem oberen Ende durch eine besondere Aufhängung an. dem Panzerrohr befestigt, das über den Boden des Druckbehälters hinaus verlängert ist. Die Aufhängung erlaubt auch die Kompensation unterschiedlicher Wärmedehnungen des Abzugsrohres und des Panzerrohres.

Ferner wird zum Stand der Technik noch die DE-OS 24 49 430 genannt, die ebenfalls die Kompensation von Wärmebewegungen zweier miteinander verbundener Bauteile betrifft. Bei diesen beiden Bauteilen handelt es sich um die Teilstücke einer mit hohem Druck und hoher Temperatur beaufschlagten Rohrleitung, die mittels einer nach dem Kolbenringprinzip arbeitenden Schiebeverbindung zusammengefügt sind.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Abzugseinrichtung für die Brennelemente des

eingangs beschriebenen Hochtemperaturreaktors so auszugestalten, daß die Dichtheit der metallischen Kugelabzugsrohre, vor allem ihrer Anschlußstellen an die jeweiligen keramischen Kugelabzugsrohre, gegenüber dem Innen- und Außendruck gewährleistet ist, und zwar auch beim Auftreten von Wärmebewegungen der zu verbindenden Bauteile. Ferner soll die Möglichkeit bestehen, die metallischen Kugelabzugsrohre während einer Reaktorinspektion auszubauen und durch andere zu ersetzen sowie Besichtigungen an den metallischen Kugelabzugsrohren vorzunehmen.

Gemäß der Erfinduncf wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jedes metallische Kugelabzugsrohr in an sich bekannter Weise koaxial in einer mit einem Liner ausgekleidete Durchdringung im Druckbehälterboden angeordnet und daß es aus mehreren, lösbar miteinander verbundenen RohrSchüssen zusammengesetzt ist, daß für jedes metallische Kugelabzugsrohr ein den Kernabstützraum durchdringendes und an dem thermischen Bodenschild befestigtes Ausgleichsrohr vorgesehen ist, das mit seinem oberen Ende an das keramische Kugelabzugsrohr und mit seinem unteren Ende an das metallische Kugelabzugsrohr angeschlossen ist, und daß zwischen dem Ausgleichsrohr und dem angeschlossenen metallischen Kugelabzugsrohr eine an sich bekannte Schiebeverbindung vorgesehen ist.

Durch die Anordnung von Ausgleichsrohren mit einer Schiebeverbindung zwischen den keramischen und den metallischen Kugelabzugsrohren wird erreicht, daß sich zum einen horizontale Verschiebungen der Kugelabzugsrohröffnungen in dem thermischen Bodenschild gegenüber den Kugelabzugsrohröffnungen im Boden des Druckbehälters (die durch die Erwärmung des thermischen Bodenschilds im Betriebszustand verursacht werden) ausgleichen können und daß zum anderen die thermische vertikale Ausdehnung der metallischen Kugelabzugsrohre nicht behindert wird. Die

Verwendung von Schiebeverbindungen gewährleistet gleichzeitig die erforderliche Dichtigkeit.

Die Unterteilung der metallischen Kugelabzugsröhre in mehrere Rohrschüsse sowie die Verlegung dieser Abzugsrohre innerhalb des Druckbehälterbodens jeweils in einem äußeren Rohr, dem Liner der Durchdringung, schaffen die Möglichkeit, ein schadhaftes metallisches Kugelabzugsrohr im Bedarfsfall nach einer Kernentleerung nach unten auszubauen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den scheraatischen Zeichnungen zu entnehmen. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch einen Hochtemperaturreaktor gemäß der Erfindung in stark vereinfachter Darstellung,

Figur 2 einen Ausschnitt des in der Figur 1 gezeigten Hochtemperaturreaktors in größerem Maßstab mit einem Teil der Kugelabzugseinrichtung,

Figur 3 den oberen Teil der in der Figur 2 gezeigten Kugelabzugseinrichtung, abermals vergrößert,

Figur 4 den unteren Teil der in der Figur 2 gezeigten Kugelabzugseinrichtung im gleichen Maßstab wie die Figur 3.

Die Figur 1 läßt einen Spannbetondruckbehälter 1 erkennen, der eine Kaverne 2 aufweist, in welcher ein Hochtemperaturreaktor 3 installiert ist. In weiteren Kavernen sind Wärmetauscher und Ge-

blase untergebracht (nicht dargestellt). Der Kern 4 des Hochtemperaturreaktors 3 besteht aus einer Schüttung von Brennelementkugeln 5 und liefert eine Leistung von 600 bis 1200 MWe. Die Schüttung wird von oben nach unten von Helium, als Kühlgas durchströmt. Die Kaverne 2 ist mit einem metallischen Liner 6 ausgekleidet.

Der Kern 4 ist allseitig von einem aus Deckenreflektor 7, zylindrischem Seitenreflektor 8 und Bodenreflektor 9 bestehenden Reflektor aus Graphitsteinen umgeben. Der Bodenreflektor 9, der gleichzeitig den Kerntragboden bildet, weist eine Kugelabzugseinrichtung 10 aus vier keramischen und vier metallischen Kugelabzugsrohren auf. Er stützt sich über Säulen 11 auf Bodenlagen 12 ab, die mit dem Bodenreflektor 9 zusammen einen Heißgassammelraum 13 begrenzen. An diesen schließen sich horizontale Heißgasleitungen 14 an, die zu den Wärmetauschern führen. In den oberen Bereich der Kaverne 2 münden Kaltgasleitungen 15, in denen das abgekühlte und verdichtete Helium zum Hochtemperaturreaktor 3 zurückgeleitet wird.

Die Decke des Spannbetondruckbehälters 1 wie auch der Deckenreflektor 7 weisen eine Anzahl von Durchdringungen 16 auf, in denen Absorberstäbe zur Regelung und Abschaltung des Kerns 4 geführt sind. Eine weitere Durchdringung bildet das Kugelzugaberohr 17.

Der Reflektor ist allseitig von einem thermischen Schild aus Metall umgeben, der aus Deckenschild 18, Seitenschild 19 und Bodenschild 20 besteht. Der Bodenschild 20 stützt sich über Pfeiler 21 auf dem Druckbehälterboden ab; er begrenzt zusammen mit dem Bodenliner 6a der Kaverne 2 einen Kernabstützraum. 24, in dem die Pfeiler 21 avifgestellt sind. Der thermische Seitenschild

ist in eiaera Ringraum 22 angeordnet, der von dem Seitenreflektor 8 und dem Liner 6 begrenzt wird und in dem kaltes Kreislaufgas aus den Kaltgasleitimgen 15 zu dem Kern 4 zurückgeführt wird. In dem Ringraum 22 ist ferner eine Abstützkonstruktion 23 für den Seitenreflektor 8 vorgesehen, die eine Vielzahl von Einzelelementen umfaßt und die Kräfte aus dem Kern 4 in den Liner 6 und damit in den Spannbetondruckbehälter 1 einleitet.

Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen einen Teil der aus vier Teilen bestehenden Kugelabzugseinrichtung 10, wobei dieser Teil wie auch die anderen drei Teile ein keramisches Abzugsrohr 2 5 und ein metallisches Abzugsrohr 26 umfaßt.

Das keramische Abzugsrohr 25 schließt oben an einen im Bodenreflektor 9 gebildeten Trichter an und durchdringt den Bodenreflektor 9, den Heißgassammelraum 13 und die Bodenlagen 12, wie aus der Figur 1 zu erkennen ist.

Das metallische Abzugsrohr 26 ist innerhalb einer Durchdringung 27 durch den Boden des Spannbetondruckbehälters 1 geführt. Die Durchdringung 27 ist mit einem metallischen Liner 28 ausgekleidet, in dem das Abzugsrohr 26 koaxial frei verlegt ist. Der Liner 28 ist mit einer thermischen Isolierung 29 versehen. Zur Behälteraußenseite hin erweitert er sich zu einem Flansch 30, an dem mittels Halteschrauben 32 ein Abschlußdeckel 31 befestigt ist. An seinem oberen Ende ist der Liner 28 an den Bodenliner 6a der Kaverne 2 angeschweißt.

Das metallische Kugelabzugsrohr 26 ist aus drei Rohrschüssen 26a, 26b und 26c zusammengesetzt, die jeweils durch Flanschverbindungen 33 miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht den Ausbau bzw. das Auswechseln des metallischen Abzugsrohres 26.

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Der unterste Rohrschuß 26c erweitert sich nach unten stufenartig und ist mit einem Behälterabschluß 34 versehen, der mittels Halteschrauben 35 an dem entsprechend ausgebildeten Flansch 30 des Liners angeschraubt ist. Ein Teil des Behälterabschlusses 34 wird von einer Platte 36 gebildet, die als Auflagerungsfläche für einen in den untersten Rohrschuß 26c einzubauenden Vereinzelner für die kugelförmigen Brennelemente vorgesehen ist. Der Vereinzelner ist nicht dargestellt; die Antriebsvorrichtung 37 für den Vereinzelner ist in den Figuren 2 und 4 angedeutet. In der Patentanmeldung P 30 04 905.3 ist ein solcher Vereinzelner mit angeschlossenem Bruchabscheider beschrieben.

Der Behälterabschluß 34, und zwar sein flanschartiger Teil, kann mehrere Besichtigungsöffnungen aufweisen, die den Zutritt zu dem Ringraum 38 zwischen dem Liner 28 und dem Kugelabzugsrohr 26 gestatten (nicht dargestellt). Durch die genannten öffnungen kann eine Kamera in den Ringraum 38 eingeführt werden, so daß mit geringem Aufwand die Außenwand des metallischen Abzugsrohres 26 sowie auch die Abdeckung der thermischen Isolierung 29 inspiziert werden kann.

Um die Kompensation von relativen Wärmebewegungen des keramischen Abzugsrohres 25 (das im thermischen Bodenschild 20 festgelegt ist) und des metallischen Abzugsrohres 26 (das im Boden des Spannbetondruckbehälters 1 festgelegt ist) in horizontaler Richtung zu ermöglichen und auch vertikale thermische Verschiebungen des metallischen Abzugsrohres 26 gegenüber dem Liner 28 auszugleichen, ist zwischen die beiden Abzugsrohre 25 und 26 ein Ausgleichsrohr 39 aus Metall geschaltet, das mittels einer Flanschverbindung 40 an dem thermischen Bodenschild 20 befestigt und mit seinem oberen Ende in das keramische Abzugsrohr 25 eingeschoben ist. Mit seinem unteren Ende ist es über eine Schiebeverbindung 41 an das metallische Abzugsrohr 26 angeschlossen.

Die Schiebeverbindung 41 arbeite⁴-- nach dem Kolbenrxngprinzip, wie die Figur 3 erkennen läßt. An den obersten Rohrschuß 26a des metallischen Abzugsrohres 26 ist ein sich konisch erweiterndes Rohrstück 42 angeordnet, das als Kolbenringhalter ausgebildet ist und mehrere Kolbenringe 43 aufweist, von denen jeweils zwei nebeneinander in einer Nut liegen. Die Kolbenringe 43 sind in Segmente unterteilt, von denen jedes unter Einwirkung einer Schraubenfeder 44 radial auf das untere Ende des Ausgleichsrohres 39 gedrückt wird, das als Gleitrohr 45 dient. Die Halteelemente 46 für die Kolbenringe 43 sind aus mehreren, durch Bolzen 46 zusammengefügten Teilen zusammengesetzt.

Um im hypothetischen Fall eines Bruches des Ausgleichsrohres 39 das Ausfließen von Brennelementkugeln in den Kernstützraum 24 sowie in den Ringraum 38 zu verhindern, kann um das Ausgleichsrohr 39 ein zweites, koaxial angeordnetes Rohr angeordnet sein, das als Auffangrohr dient (nicht dargestellt).

An den beiden RohrSchüssen 26a und 26b des metallischen Abzugsrohres 26 sind gleichmäßig über den Umfang verteilt elastische Abstützelemente 48 angebracht, mit denen sich das Abzugsrohr 26 an dem Liner 28 abstützt. Für jeden der beiden Rohrschüsse 26a und 26b sind sechs solcher Abstützelemente vorgesehen, wobei jeweils drei in einer horizontalen Ebene liegen und die Abstützelemente beider Ebenen die gleiche Umfangsposition haben. An diesen Umfangspositionen sind an dem Liner 28 vertikale Führungsschienen 49 angebracht, wobei an diesen Stellen die thermische Isolierung 29 weggelassen ist.

Auf den Führungsschienen 49 kann das Abzugsrohr 26 mittels der elastischen Abstützelemente 48 zentriert und geführt werden. Die Abstützelemente selbst haben die Aufgabe zu gewährleisten, daß

auch nach eventuellen Betonverschxebungen und Versatz des Liners 28 das metallische Abzugsrohr 26 ein- und ausgebaut werden kann. Außerdem dienen sie der Kompensation von Beschleunigungskräften, die bei Erdbeben wirksam werden können.

Die elastischen Abstützelemente 48 bestehen im wesentlichen je aus einem Gehäuse 50, in dem mehrere parallel geschaltete Schraubenfedern angeordnet sind, aus einer Laufrolle 51 und deren Lagerung. In der DE-OS 24 49 429 ist ein derartiges Abstützelement beschrieben.

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Claims

Patentansprüche:

Mit kugelförmigen Brennelementen beschickter gasgekühlter Hochtemperaturreaktor, der in einer mit einem Liner ausgekleideten Kaverne eines Spannbetondruckbehälters untergebracht ist, mit einem die Brennelementschüttung allseitig umgebenden Reflektor, an dessen Bodenteil (Bodenreflektor) sich ein Heißgassammelraum anschließt, der nach unten hin von den aus Graphitblöcken bestehenden Bodenlagen des Hochtemperaturreaktors begrenzt wird, mit einem thermischen Bodenschild und einem zwischen dem thermischen Bodenschild und dem Bodenliner der Kaverne befindlichen Kernabstützraum sowie mit einer Zugabeeinrichtung und einer Abzugseinrichtung für die kugelförmigen Brennelemente, wobei die Abzugseinrichtung aus mindestens einem den Bodenreflektor und die Bodenlagen durchdringenden keramischen Kugelabzugsrohr und jeweils einem unterhalb der Bodenlagen befindlichen metallischen Kugelabzugsrohr besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jedes metallische Kugelabzugsrohr (26) in an sich bekannter Weise koaxial in einer mit einem Liner (28) ausgekleideten Durchdringung (27) im Druckbehälterboden (1) angeordnet und daß es aus mehreren, lösbar miteinander verbundenen RohrSchüssen (26 a, b, c) zusammengesetzt ist, daß für jedes metallische Kugelabzugsrohr (26) ein den Kernabstützraum (24) durchdringendes und an dem thermischen Bodenschild (20) befestigtes Ausgleichsrohr (39) vorgesehen ist, das mit seinem oberen Ende an das keramische Kugelabzugsrohr (25) und mit seinem unteren Ende an das metallische Kugelabzugsrohr (26) angeschlossen ist, und daß zwi-

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sehen jedem Ausgleichsrohr (39) und dem angeschlossenen metallischen Kugelabzugsrohr (26) eine an sich bekannte Schiebeverbindung (41) vorgesehen ist.
2. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schiebeverbindung (41) eine Kolbenringdichtung vorgesehen ist, wobei an den obersten Rohrschuß (26a) jedes metallischen Kugelabzugsrohrs (26) ein als Kolbenringhalter ausgebildetes Rohrstück (42) angesetzt ist, das das als Gleitrohr (45) dienende Ende des zugehörigen Ausgleichsrohrs (39) dichtend umfaßt.
3. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes metallische Kugelabzugsrohr (26) über gleichmäßig auf seinen Umfang verteilte und in verschiedener Höhe übereinander vorgesehene elastische Abstützelemente (48) an dem Liner (28) der Behälterdurchdringung (27) abgestützt ist.
4. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Höhe drei Abstützelemete (48) vorgesehen sind, die am Mantel des jeweiligen RohrSchusses (26a bzw. 26b bzw. 26c) befestigt sind.
5. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Liner (28) der Behälterdurchdringung (27) vertikale Führungsschienen (49) angebracht sind, die die gleichen Umfangspositionen wie die Abstützelemente (48) aufweisen und auf denen sich die Abstützelemente (48) zentrieren.

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6. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Liner (28) der Behälterdurchdringung (27) eine thermische Isolierung (29) aufweist, die an den Stellen, an denen sich die vertikalen Führungsschienen (49) befinden, unterbrochen ist.
7. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um jedes Ausgleichsrohr (39) ein koaxial angeordnetes Auffangrohr vorgesehen ist.
8. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Rohrschuß (26c) jedes metallischen Kugelabzugsrohrs (26) sich stufenartig erweitert und als Aufnahmeraam für einen Brennelement-Vereinzelner dient.
9. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des untersten Rohrschusses (26c) jedes metallischen Kugelabzugsrohres (26) ein Behälterabschluß (34) vorgesehen ist, der an dem Liner (28) der Behälterdurchdringung (27) mittels Halteschrauben (35) befestigt ist.
10. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Behälterabschlüssen (34) mehrere in die Ringräume (38) zwischen den metallischen Kugelabzugsrohren (26) und den Durchdringungslinern (28) führende Befestigungsöffnungen vorgesehen sind.
11. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Liner (28) der Behältsr-

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durchdringungen (27) je rait einem Abcchlußdeckel (31) verschlossen sind, wobei die Äbschlußdeckel (31) an dem jeweiligen Liner (28) mittels Halteschrauben (32) befestigt sind.

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