CH472764A - Für einen Kernreaktor bestimmte Baueinheit mit in Gruppen zusammengefassten Brennelementen - Google Patents

Description

  Für einen Kernreaktor bestimmte Baueinheit mit in Gruppen zusammengefassten     Brennelementen       Ein Kernreaktor soll mit einer Sicherungsvorrich  tung versehen sein, die im Notfall den Reaktor ausser  Betrieb setzt. Die Sicherungsvorrichtung muss gefahren  sicher sein und derart wirken, dass sie mit jedem mög  lichen Notfall, einschliesslich     katastrophengefährlichen,     bei welchen die Kontrollstäbe nicht mehr in den Kern  eingefahren werden können, fertig wird.  



  Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung  einer Sicherungsvorrichtung, welche auf lokalisierte Feh  ler im Reaktor anspricht, ohne in diesem Falle den gan  zen Reaktor     stillzusetzen.     



  Gegenstand der Erfindung ist eine für einen Kern  reaktor bestimmte Baueinheit mit in Gruppen     zusam-          mengefassten    Brennelementen, die dadurch gekennzeich  net ist, dass die Gruppen mit ihren Enden aneinander  liegend durch eine sich in Längsrichtung durch die Grup  pen erstreckende Verbindungsstange zusammengehalten  werden, und dass die Verbindungsstange mit einer nu  klearen Sicherheitsvorrichtung versehen ist.  



  Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Er  findung ist die Baueinheit so ausgebildet, dass die Ver  bindungsstange hohl ist und in ihrem Innern ein erstes  und ein zweites Abteil enthält, welche Abteile durch eine  Sprengmembran voneinander getrennt sind, dass das erste  Abteil ein Neutronengift in solcher Anordnung enthält,  dass ein Ansteigen der Multiplikationskonstante im Be  reich der Sicherheitsvorrichtung über den Wert Eins hin  aus solange nicht verhindert wird, wie das Neutronen  gift im ersten Abteil verbleibt, dass aber beim Eindrin  gen des Neutronengiftes in das zweite Abteil die Multi  plikationskonstante im Bereich der Sicherungsvorrich  tung unter Eins herabgesetzt wird, wobei die     Spreng-          membran    so ausgelegt ist,

   dass sie bei Ansteigen der  Temperatur im ersten Abteil und den dadurch bedingten  Druckanstieg in diesem Abteil bricht, wenn die Druck  differenz an der Sprengmembran einen festgelegten  Maximalwert übersteigt.  



  Unter Multiplikationskonstante wird dabei das Ver  hältnis der Anzahl der in einem bestimmten Zeitpunkt  in einem Reaktor vorhandenen Neutronen zu der An  zahl von Neutronen, die eine Lebensdauer der Neutronen  vorher vorhanden war, verstanden.    Unter Bereich soll das die Sicherungsvorrichtung um  gebende räumliche Gebiet verstanden werden, in wel  chem die Sicherungsvorrichtung eine Herabsetzung der  Multiplikationskonstanten unter Eins zu bewirken ver  mag.  



  Der im folgenden verwendete Ausdruck      < cStringer      bezieht sich auf eine säulenförmige Baueinheit, die in  Gruppen zusammengefasste Brennstoffstäbe umfasst, die  durch eine in Längsrichtung der Brennstoffstäbe und  durch die Gruppen hindurch sich erstreckende Verbin  dungsstange zusammengehalten werden.  



  Im folgenden werden Ausführungsformen der     erfin-          dungsgemässen    Baueinheit und deren Verwendung in  einem Kernreaktor anhand der Zeichnungen     erläutert:          Fig.    1 zeigt im Schnitt einen gasgekühlten Kernreak  tor;       Fig.    2 in     grösserem    Massstab in seitlicher Ansicht  einen Teil des in     Fig.    1 dargestellten Reaktors;       Fig.    3 einen     Stringer;          Fig.4    im Schnitt das obere Ende des     Stringers    der       Fig.    3;

         Fig.    5 im Schnitt das untere Ende des     Stringers    der       Fig.    3 ;       Fig.    6, 7 und 8 zeigen drei Ausführungsformen von  Verbindungsstangen.  



       Fig.    1 zeigt den gasgekühlten Kernreaktor nur in  schematischer Darstellung, wobei die     Kontrollstäbe    weg  gelassen sind. In einem mit Metall ausgekleideten     Druck-          gefäss    1 aus Beton sind ein Kern 2, ein Dom 3 in Form  eines umgekehrten Bechers und ein     Rohr-Wärmeaus-          tauschbar    4 vorgesehen.  



  Gemäss     Fig.    2 ist der Kern 2 in dem Dom 3 ange  ordnet; er enthält Montagegruppen 5 von Brennstoff  stäben, die durch Halteroste 6 mit einem hohlen Verbin  dungsstab 8 verbunden sind. Der Kern enthält eine An  zahl von     Stringern,    deren jeder aus mehreren Montage  gruppen 5 von Brennstoffstäben, die sich in Längsrich  tung eines Verbindungsstabes 8     aneinanderreihen,    be  steht; die     Stringer    sind über den ganzen Kern verteilt.  Jeder     Stringer    erstreckt sich von einen oberen Rost 10  zu einem unteren Rost 12.

   Bei der Konstruktion der       Fig.    2 ist das obere Ende des Innenraumes 14 des Stabes      8 durch eine als Sprengmembran 28 dienende Wand einer  Kapsel 29 abgedeckt, welche unter Abdichtung auf das  obere Ende des Stabes 8 aufgesetzt ist. Ein pulverförmi  ger Neutronenabsorber 30, wie Bor- oder     Cadmiumpul-          ver,    befindet sich in der Kapsel 29; der in dieser ver  bleibende freie Raum ist mit einem Gas, wie Helium un  ter Druck gefüllt.  



  Ein Temperaturanstieg des Kerns über die Sicher  heitsgrenze hinaus erhöht den Druck des Heliums und  veranlasst ein Zerspringen der Membran 28. Das Pulver  30 wird dabei durch das Rohr 14 abwärts geblasen und  sammelt sich an dessen Boden, wodurch die umgebenden  Brennstoffelemente unwirksam werden.  



  Der Dom 3 ist gegen den Boden der Auskleidung des  Druckgefässes 1 abgedichtet und mit auf den Umfang  verteilten Öffnungen 20 versehen. In jeder der Öffnun  gen ist das Schaufelrad 20a einer Anzahl von Pumpen 21  angeordnet. Die Schaufelräder 20a sind an Wellen 22 von  Motoren 23 montiert. Die Wellen 22 gehen durch mit  Metall ausgekleidete Öffnungen 24 des Druckgefässes,  an welche die Motoren 23 unter Abdichtung angesetzt  sind.  



  Das Druckgefäss ist mit einem unter Druck stehen  den Kühlgas, zum Beispiel Kohlendioxyd, gefüllt, wel  ches durch die Pumpen 21 im Druckgefäss durch die  Brennstoffkanäle 25 (nur einer gezeichnet), den Raum  über dem Dom 3 und die     Wärmeaustauscher    4 umge  wälzt wird. Die Hauptmenge des Kühlgases strömt auf  wärts durch das Innere der Batterien der Brennstoff  stäbe.  



       Fig.3    zeigt schematisch einen     Brennstoffstringer    in  Seitenansicht. Der     Stringer    31 besteht aus einer Anzahl,  beispielsweise 5, Batterien 31a, 31b usw. von Brennstoff  stäben, die mit ihren Enden     aneinandergesetzt    an einer  gemeinsamen Verbindungsstange montiert sind, die sich  in Längsrichtung zwischen einer oberen Endeinheit 32  und einer unteren Endeinheit 33     erstreckt.    Die obere  Endeinheit besteht aus einem Abstandsring und einer  Kupplungseinheit, die dazu dient,

   den     Stringer    an eine  Hebevorrichtung zum Zwecke des     Beschickens    und     Ent-          ladens    ankuppeln zu können; die untere     Endeinheit    be  steht aus einem Bodenstück, welches dazu dient, zusam  men mit der oberen Endeinheit die Zugkraft des Ver  bindungsstabes aufzunehmen und auf den     Stringer    zu  übertragen.  



  Gemäss     Fig.    4 und 5 besteht jede Batterie aus einer  äusseren     Graphithülse    34 und einer inneren     Graphithülse     34a mit Endrosten 35 und 36, die eine Anzahl gerippter  Brennstoffstäbe 37 halten, die alle mit Schiebesitz in Boh  rungen des oberen Endrostes 35 eingepasst     sind    und von  denen ein Teil mit Schiebesitz in Bohrungen des unteren  Endrostes 36 eingepasst sind, während die übrigen am  Rost 36 so befestigt sind, dass ihre Enden nach unten  herausragen und die Endrippe auf dem Rost aufliegt.  



  Die Rippen der Brennstoffstäbe dienen einem .dop  pelten Zweck, nämlich erstens der Erleichterung der  Wärmeabgabe aus dem Stab und zweitens zur Begren  zung der Bewegung desselben.  



  Die Brennstoffbatterien werden durch eine Verbin  dungsstange 39 zusammengehalten, die in der Mittelachse  durch die Batterien läuft, mit einem Verbindungsstück  40 in der oberen     Endeinheit    verschraubt und mit einem  Zwischenring der unteren Endeinheit durch ein     Pass-          stück    41 verbunden ist. Das Passstück 41 ist auf das un  tere Ende der Verbindungsstange 39 geschraubt.  



  Wie in     Fig.    6, 7 und 8 dargestellt, ist die Verbin  dungsstange 39 hohl und durch eine Membran 44 in zwei    Abteile 42 und 43 unterteilt. Das Volumen des Abteils  43 ist erheblich grösser als das des Abteils 42. Das Ab  teil 43 der Verbindungsstange liegt in dem von den  Brennstoffelementen 33 umgebenen Teil. Das Abteil 42  liegt ausserhalb des Teils des     Stringers,    der Brennstoff  elemente enthält, zum Beispiel in dessen oberem Teil.  



  Das Abteil 42 enthält ein Neutronengift, zum Bei  spiel im vorliegenden Falle Cadmium; es kann aber da  für auch Bor oder ein anderes Material benutzt werden,  das eine genügende Absorption für Neutronen aufweist.  



  Das Abteil 42 liegt ausserhalb des Bereiches der       Brennstoffelemente,    so dass die Neutronenanreicherung  kaum behindert wird; das Neutronengift kann dort nicht  verhindern, dass die Multiplikationskonstante des     Strin-          gers    über Eins ansteigt. Unter Multiplikationskonstante  soll dabei das Verhältnis der Anzahl der im     Stringer    zu  einer beliebigen Zeit vorhandenen Neutronen zur An  zahl der Neutronen, die eine Lebensdauer der Neutro  nen vorher vorhanden waren, verstanden werden. Es ist  offensichtlich, dass die Multiplikationskonstante grösser  als Eins werden muss, damit der Reaktor kritisch wird.  



  Im Falle des Versagens des     Kühlmittelkreislaufes     tritt eine Temperaturerhöhung der Brennstoffelemente  ein. Diese enthalten Brennstoff in einer Büchse; ein An  stieg der Temperatur über den     Schmelzpunkt    des Mate  rials der Büchse     bringt    diese zum     Schmelzen,    so dass  radioaktives Material in das Kühlmittel übertreten kann.  



  Vom Standpunkt des Wirkungsgrades aus ist es vor  teilhaft, den Reaktor bei     möglichst    hoher Temperatur zu  betreiben; dies ist jedoch problematisch     hinsichtlich    der  Brennstoffbüchsen. Die normale Betriebstemperatur muss  mindestens 70 C unter dem Schmelzpunkt des Büchsen  materials liegen, da man diesen Spielraum benötigt, um  kleinere Schwankungen der Reaktortemperatur zuzulas  sen.  



  Ein schwieriges Problem besteht darin, dass das  Sicherungssystem schnell genug reagiert; so können zum  Beispiel die Büchsen im Ernstfall innerhalb     zwanzig    Se  kunden nach Ausfall des     Kühlmittelkreislaufes    zu  schmelzen beginnen. Deshalb muss das Sicherungssystem  in diesem Falle in weniger als zwanzig Sekunden ausge  löst werden.  



  Schnelles Sperren ist jedoch nicht erwünscht, da der  Reaktor dadurch Schaden nehmen kann. Es ist auch nicht  zweckmässig, den ganzen Reaktor zur Behebung eines  Fehlers zu sperren, der nur einen einzigen     Stringer    be  trifft.  



  Das Abteil 43 ist von den Brennstoffelementen 33  umgeben; im Falle eines Temperaturanstieges steigt der  Druck des Neutronengiftes im Abteil 42, so dass die  Membran 44 bricht und Neutronengift in das Abteil 43  fliesst. Dadurch wird die Multiplikationskonstante unter  Eins verringert und die in diesem     Stringer    erzeugte Ener  gie herabgesetzt.  



  Die Volumina der Abteile 42 und 43 werden so auf  einander abgestimmt, dass beim Brechen der Membran  Cadmium oberhalb seiner Sättigungstemperatur freige  setzt wird und der Dampf schnell und gleichmässig nach  unten über das Abteil 43 der Verbindungsstange     verteilt     wird. Wenn die Betriebstemperatur des Reaktors     eine     Kondensation des Neutronengiftes in verschiedenen Teilen  des Abteils 43 bewirkt, kann dieses mit einem Material  gefüllt werden, welches eine grosse Oberfläche aufweist.  



  Die Temperatur, bei welcher die Sicherungsvorrich  tung bei Verwendung von Cadmium in Funktion tritt,  kann dadurch     beeinflusst    werden, dass das Verhältnis      Dampf : Flüssigkeit bei der normalen Betriebstemperatur  geändert wird.  



  Die Membran besteht aus einem Material, welches  bei der normalen Betriebstemperatur von Cadmium nicht  angegriffen wird, da ein Angriff der Membran im Hin  blick auf deren geringe Dicke nicht tragbar ist. Das Cad  mium muss auch mit dem für das Abteil 42     verwendeten     Material der Verbindungsstange verträglich sein.

   Ein ge  eignetes Material ist eine      Nimonic -Legierung;    wenn die  Verbindungsstange nicht selbst aus diesem Material be  steht, kann im Innern der Stange eine Hülse 45 aus ge  eignetem Material vorgesehen werden, Der einzige Nach  teil einer solchen Ausführung besteht darin, dass die zu  sätzliche Zwischenschicht die Wärmeableitung verringert  und die Ansprechzeit der Sicherungsvorrichtung     vergrös-          sert.    Auch wird dadurch die Ausnutzung des ganzen In  nendurchmessers, falls diese erforderlich werden sollte,  verhindert.  



  Wenn keine gesonderte Hülse verwendet wird, kann  das Abteil 42 denselben Durchmesser wie die Membran  44     (Fig.    7) oder einen kleineren Durchmesser     (Fig.    6) ha  ben. Die Membran kann eine einfache Membran sein,  die wie in     Fig.    6 auf einem Ringabsatz 46 anliegt, oder  sie kann als Membran 47 mit kleinerem Durchmesser  ausgebildet sein, die über die Bohrung eines festen     Trä-          ,aers    48 angeordnet ist, siehe     Fig.    7.  



  Das Material für die Membran muss von niedriger       Duktilität    sein; man kann dies durch Zusatz einer gerin  gen Menge Bor zu dem Material erreichen. Die Membran  kann nach einem beliebigen Verfahren,     z.B.    durch     Elek-          tronenstrahlschweissung,    befestigt werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Für einen Kernreaktor bestimmte Baueinheit mit in Gruppen zusammengefassten Brennelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (31a, 31b ... ) mit ihren Enden aneinanderliegend durch eine sich in Längsrich tung durch die Gruppen erstreckende Verbindungsstange (8, 39) zusammengehalten werden, und dass die Verbin dungsstange mit einer nuklearen Sicherheitsvorrichtung (14, 28, 29, 30; 42 bis 48) versehen ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Baueinheit nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verbindungsstange hohl ist und in ihrem Innern die Sicherheitsvorrichtung enthält. z.

   Baueinheit nach Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die hohle Verbindungsstange (39) in ihrem Innern ein erstes (42) und ein zweites (43) Abteil ent- hält, welche Abteile durch eine Sprengmembran (44, 47) voneinander getrennt sind, dass das erste Abteil (42) ein Neutronengift in solcher Anordnung enthält, dass ein Ansteigen der Multiplikationskonstante im Bereich der Sicherheitsvorrichtung über den Wert Eins hinaus so lange nicht verhindert wird, wie das Neutronengift im ersten Abteil verbleibt, dass aber beim Eindringen des Neutronengiftes in das zweite Abteil (43) die Multipli kationskonstante im Bereich der Sicherungsvorrichtung unter Eins herabgesetzt wird, wobei die Sprengmembran so ausgelegt ist,

   dass sei bei Ansteigen der Temperatur im ersten Abteil und den dadurch bedingten Druckanstieg in diesem Abteil bricht, wenn die Druckdifferenz an der Sprengmembran einen festgelegten Maximalwert über steigt. 3. Baueinheit nach Unteranspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das erste (42) und das zweite (43) Abteil gleichen Innendurchmesser haben und die Sprengmem- bran (47) auf einem mit einer Bohrung versehenen, zwi schen dem ersten und dem zweiten Abteil fest angeord neten, Träger (48) befestigt ist. 4. Baueinheit nach Unteranspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass das erste Abteil (42) einen kleineren In nendurchmesser hat als das zweite Abteil (43) und dass die Sprengmembran (44) auf einem zwischen den Abtei len gebildeten Ringabsatz (46) aufliegt. 5.

   Baueinheit nach Unteranspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das erste Abteil mit einem Material ausge kleidet ist, welches mit dem Material der Verbindungs stange und mit dem Neutronengift nicht reagiert. 6. Baueinheit nach einem der Unteransprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprengmembran durch Elektronenstrahlschweissung in der hohl ausgebildeten Verbindungsstange befestigt ist. 7. Baueinheit nach Unteranspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass jede Brennelementgruppe (31a, 31b ... ) in einer zylindrischen Hülse (34) zwischen Endrosten (35, 36) gehalterte Brennstoffstäbe (37) aufweist, wobei die Hülsen (34) in Längsrichtung aneinanderliegend durch die hohle Verbindungsstange (39) zusammengehalten wer den. B.

   Baueinheit nach Unteranspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, dass das erste Abteil (42) in Längsrich tung der Verbindungsstange (39) ausserhalb des Teils der Baueinheit, welcher die Brennstoffstäbe enthält, an geordnet ist, während das zweite Abteil (43) in dem von den Brennstoffstäben umgebenen Teil der Baueinheit liegt.