CH629326A5 - Wassergekuehlter kernreaktor. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen wassergekühlten wand.

Kernreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Hochdruckplenumkammer steht in direkter Verbin-

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dung mit dem Druckbehältereinlass, 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 wirkenden Druckdifferenz ist eine Funktion der Druckdifferenz über dem Reaktor, und demgemäss kompensiert die Niederhaltekraft ohne weiteres Differenzen in dem Durchsatz des Kühlmittels durch den Reaktor.

Der grössere Teil der herkömmlichen Niederhalteeinrichtung befindet sich ausserhalb der Primär-Kühlmittelströmung, da sie 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 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 kann oberhalb der Abdichtplatte erfolgen, wobei Justierungen vorgenommen werden können 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 Bruchs der Auslassleitung austritt, vergrössert die Autokompensation, 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 Querabdichtwand 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 Kühlwasser auszutreiben.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die allgemeine Anordnung des Kernreaktors,

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

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Niederhalteeinrichtung.

Ein Kernreaktor-Druckbehälter 2 mit einem Druckbehälterkopf 4 sind an einem Flansch 6 miteinander verschraubt. Der Druckbehälter weist eine Einlassöffnung 8 und eine Auslassöffnung 10 für die Kühlwasserströmung auf.

Ein Core 12 besteht aus einer Mehrzahl von Brennstoffbau-gruppen 14, von denen jede aus einer Mehrzahl langgestreckter Brennstoffstäbe besteht. Das Core ruht auf der Coreabstüt-zung 16, die ihrerseits an dem Corehaltemantel 18 hängt. Dieser Corehaltemantel seinerseits wird getragen von einem Flansch 20 und ist am Druckbehälter 2 nahe dem Flansch 6 aufgehangen.

Unmittelbar über dem Core 12 befindet sich eine Brennstoffbaugruppen-Ausfluchtplatte 22, die dazu dient, die obern Enden der Brennstoffbaugruppen zu positionieren und in Ausfluchtung zu halten. Eine Querabdichtwand 24 ist über der Ausfluchtungsanordnung vorgesehen und begrenzt damit das Auslassplenum 26.

Nach Eintritt des Kühlmittels durch die Einlassöffnung 8 strömt ein erster, die Masse des Kühlwassers umfassender Anteil nach unten durch den Ringraum 28 zwischen dem Druckbehälter und dem Corehaltemantel. Diese Strömung gelangt nach unten durch die Leitwand 30 in eine Einlassplenumkammer 32 unter dem Core 12. Die Strömung gelangt dann aufwärts durch das Core und durch die Öffnungen in der Ausfluchtungsplatte 22 in die Auslassplenumkammer 26. Von hier erfolgt die Strömung nach aussen durch die Auslassöffnung 10 zu einem (nicht dargestellten) Dampferzeuger.

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

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

Zusätzlich zu den Strömungslöchern 52 weist die Ausfluchtungsplatte 22 noch Öffnungen 54 auf, durch die sich die Steuerstäbe erstrecken. Die Fortsätze der Führungsrohre 40 ragen in diese Öffnungen. Diese Stossstelle sollte so ausgebildet werden, dass Horizontalkräften gefolgt werden kann, so dass die Brennstoffbaugruppen ausgefluchtet werden können, und müssen Vertikalbewegungen gestatten, um der Expansion unterschiedlicher Brennstoffbaugruppen nachzugeben.

Steuerstabhüllrohre 56 erstrecken sich durch die Auslassplenumkammer 26 und können mit der Ausfluchtungsplatte 22 und der Querabdichtwand 24 verschweisst sein. Diese Hüllrohre umschliessen zum Schutz die Steuerstäbe gegen die Wirkungen der Querströmung durch die Plenumkammer 26.

Da die Querabdichtwand 24 nicht nur als Abdichtplatte benutzt wird, sondern auch als ein Teil der strukturellen Anordnung für die obere Führungsbaugruppe, ist sie an einem Innenmantel 60 aufgehangen, damit sich eine stabilere Struktur ergibt. Dies erlaubt darüber hinaus, dass der gesamte Einbau einschliesslich der Brennstoffbaugruppen-Ausfluchtplatte 22 entfernt werden kann, wenn zwecks Brennstoffaustausch die Brennstoffbaugruppen freigelegt werden. Dieser Innenmantel 60 hängt an Flanschen 62, die auf den Flanschen 20 des Core-haltemantels ruhen. Der obere Führungsstrukturmantel 64 ist offen, um den Durchlass zu ermöglichen.

Eine Strömungsöffnung 70 ist vorgesehen durch den Corehaltemantel und auch durch den oberen Innenmantel, so dass ein zweiter kleinerer Anteil des Kühlmittels, das in den Reaktordruckbehälter eingeführt wird, in eine unter hohem Druck stehende Plenumkammer 72 strömt. Die Strömung erfolgt dann nach unten durch die Schubstäbe 74 in die Steuerstabführungsrohre 40 für die einzelnen Brennstoffbaugruppen. Dieser zweite kleinere Strömungsanteil gelangt dann durch die Länge der Brennstoffbaugruppen innerhalb der Führungsrohre zu einer Stelle nahe dem Boden des Cores 12, wo die Strömung austritt 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 bewirkt durch den grössern ersten Anteil der Strömung, 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 bestimmt wird durch die Geometrie des Strömungspfades. Die Hochdruckplenumkammer 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 hat die Tendenz, den Druck

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in der Hochdruckplenumkammer 72 auf einem relativ hohen Pegel nahe dem Druck am Einlass 8 zu halten.

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

Der Kolben 78 ist verbunden mit den Schubstäben 74 derart, dass der Kolben eine abwärts gerichtete Kraft auf die Schubstäbe übertragen kann. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kolben mit der Schubstange verschweisst. Jede Baugruppe umfasst dabei vier Steuerstäbe und vier Steuerstabführungsrohre. Demgemäss sind vier Schubstäbe 74 für jede Brennstoffbaugruppe vorgesehen, die alle an einem gemeinsamen Kolben 78 montiert sind.

In der Abdichtplatte sind Öffnungen 80 vorgesehen innerhalb der Begrenzungen durch die Vertikalfortsätze 76. Durch diese Öffnungen wird die Unterseite des Kolbens direkt in Fluidkommunikation gebracht mit dem Auslass des Reaktors, und damit ist die Unterseite des Kolbens niedrigem Druck ausgesetzt.

Die Vertikalfortsätze der Querabdichtwand können wie angedeutet mittels Bolzen 84 verschraubt sein. Die Verbindung zwischen den Fortsätzen und der Dichtplatte sollte weitestgehend dicht sein, um einem Lecken an der Verbindungsstelle vorzubeugen.

Man kann erkennen, dass Kühlmittel von der Hochdruckkammer 72 nach unten längs der Steuerstäbe gelangen kann, zwischen den Steuerstäben und den Schubstangen 74. Dieses Kühlmittels strömt dann durch die Steuerstabführungsrohre. Leckagen zwischen Kolben und Dichtungsplattenfortsätzen gelangen durch die Öffnung 80 in den Auslassbereich. Demgemäss wirkt ein hoher Druck aus der Plenumkammer 72, der nahe dem Reaktoreinlassdruck liegt, auf die Oberseite des Kolbens, während ein niedriger Druck nahe dem Druck an dem Reaktorbehälterauslass auf die Unterseite des Kolbens wirkt.

Diese Druckdifferenz führt zu einer abwärts gerichteten Kraft auf die Schubstangen 74, die auf die Oberseite der Steuerstabführungsrohre 40 drücken, um auf diese Weise die Brennstoffbaugruppen niederzuhalten. Veränderungen des Durchsatzes, 5 die die Tendenz hätten, die Aufwärtskraft auf die Brennstoffbaugruppen zu erhöhen, führt zu einem erhöhten Druckabfall über dem Core. Dies erhöht automatisch die Druckdifferenzen über dem Kolben und damit die Niederhaltekraft.

Bei der Montage des Reaktors sind die Brennstoffbaugrup-lo pen an Ort und Stelle, während die Ausfluchtungsplatte und die Querabdichtwand als eine Einheit eingebaut werden. Die kleinen Abfassungen, die an der Oberseite des Steuerstabführungsrohres angedeutet sind, sind jene, die üblicherweise verwendet werden und ausreichen, um die Brennbaustoffgruppen inner-15 halb der Ausfluchtungsplatte zu führen. Keine kritischen Abstände sind an dieser Stelle erforderlich, da die kritischen Abstände oberhalb der Abdichtplatte aufrecht erhalten werden, zwischen dem Kolben und den Dichtungsplattenfortsätzen, wo die Einrichtung ohne weiteres zugänglich ist. 20 Im Falle eines Kühlmittelverlustes infolge Bruchs der Auslassleitung wird die durch den Kolben aufgebrachte Niederhaltekraft automatisch vergrössert. Wenn der Kühlmittelverlust auf Bruch der Einlassleitung zurückzuführen ist, bricht der Druck am Reaktor-Druckbehältereinlass und damit der Druck 25 in der Hochdruckplenumkammer 72 zusammen. Die Rückströ-mung, die auf den Kolben wirkt, hebt diesen, bis aus dem Kontaktbereich mit dem Dichtplattenfortsatz 76 und ermöglicht damit eine Strömung aus dem Coreauslass nach oben durch die Plenumkammer 72 zum Einlass 8. Dies hält den Verlust an Was-30 ser aus dem Core minimal, der sonst einträte, wenn der Dampf das Wasser rückwärts durch das Core austreiben würde.

Die extreme Einfachheit der Einrichtung kann abgeschätzt werden im Bereich der Primär-Kühlmittelströmung. Mari erhält nämlich keinerlei Vergrösserung der Einbauten über die-35 jenige Struktur hinaus, die bereits erforderlich ist, um die Brennstoffbaugruppen auszufluchten. Ausserdem ist ein minimaler Einfluss auf die Konstruktion der Ausfluchtungsplatte anzumerken, so dass die Öffnungen 52 grosszügig bemessen werden können, was zu einem niedrigen Druckabfall und gerin-40 gen Turbulenzen der Primär-Kühlmittelströmung führt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

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   PATENTANSPRÜCHE In druckwassergekühlten Kernreaktoren haben der Kühl-

   1. Wassergekühlter Kernreaktor mit einem Druckbehälter mittelströmungsdurchsatz und der Strömungswiderstand der der einen Kühlwassereinlass und einen Kühlwasserauslass auf- Brennstoffbaugruppe Werte, bei denen die hydraulische Hebelweist, mit einem im Druckbehâltér untergebrachten Core, das kraft eine hinreichende Höhe erreicht, dass die Brennstoffbau-von dem Kühlwasser vertikal aufwärts durchströmt ist, und mit s gruppen zu Schwingungen neigen und sich sogar von der Core-einer Coreniederhalte-Einrichtung zur Kompensation der abstützung abheben können. Verschiedene Vorschläge sind Corehebekräfte, hervorgerufen durch einen Druckabfall der bekannt, um diese nachteilige Bewegung zu eliminieren. Kühlmittelströmung durch das Core, dadurch gekennzeichnet, Bei einer vorgeschlagenen Lösung ist eine Verriegelungs-dass eine im Druckbehälter (21 ) angeordnete Querdichtwand Vorrichtung vorgesehen, mittels der die unteren Enden der (24) vorgesehen ist, über der eine im wesentlichen unter dem 10 Brennstoffbaugruppen an der Coreabstützung festgelegt wer-Einlassdruck des Kühlwassers stehende erste Plenumkammer den. Zwar arbeitet diese Einrichtung verlässlich, doch ist diese (72) liegt, während in einer zweiten Plenumkammer (26) unter mechanisch kompliziert, da die Einrichtungen nicht nur fernge-der Querabdichtwand (24) und über dem Core ( 12) der niedre steuert verriegelt und entriegelt werden müssen, sondern auch gere Auslassdruck herrscht, und dass die Querabdichtwand (24) noch nach etwa einem Betriebsjahr unter den im Reaktor herr-Vertikalführungen (76) für relativ zu ihr bewegliche Kolben 15 sehenden Bedingungen zuverlässlich lösbar sein muss.

   (78) aufweist, deren obere Kolbenfläche unter dem Druck in Ein anderer Versuch geht dahin, eine Federbelastung ober-

   der ersten und deren untere Kolbenfläche unter dem Druck in halb jeder Brennstoffbaugrpppe vorzusehen, mit der auf eine der zweiten Plenumkammer steht und die als Niederhalter auf obere Ausfluchtungsplatte gedrückt wird und damit die Brenn-

   das Core (12) wirkend mit diesem gekoppelt sind. Stoffbaugruppen einer abwärts wirkenden Kraft unterworfen
2. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 20 werden (US-PS 3 770 573). Nachdem Reaktoren konstruiert dass die erste Plenumkammer (72) in direkter Fluid-Kommuni- werden mit immer grösseren hydraulischen Hebekräften, wer-kation mit dem Kühlwassereinlass (8) und die zweite Plenum- den auch die entsprechenden erforderlichen Federkräfte und kampier (26) in direkter Fluid-Kommunikation mit dem Kühl- damit die Federn selbst sehr voluminös. Jede Komponente an wasserauslass (10) steht. gerade dieser Stelle beschränkt jedoch die Möglichkeiten, ein
3. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- 25 gewünschtes Strömungssystem zu etablieren und hat die Ten-zeichnet, dass an der Kolbenunterseite mindestens eine Schub- denz, den Druckabfall des Kühlmittels zu erhöhen.

   stange (74) befestigt ist, die mit dem oberen Ende einer zum Bei der Auslegung von Kernreaktoren muss ein Verlust an

   Core gehörenden Brennstoffbaugruppe in Kontakt steht. Kühlmittel durch einen Unfall einkalkuliert werden, entweder
4. 4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, durch Bruch der Einlass- oder der Auslassleitung, die zu dem dadurch gekennzeichnet, dass die Querabdichtwand (24) eine 30 Druckbehälter führt. Im Falle eines Bruchs der Auslassleitung Dichtungsplatte (75) und auf ihrer Oberseite vertikale hohlzy- führt der erhöhte Durchsatz zu einem erheblichen Anstieg der lindrische Fortsätze (76) umfasst, in denen die Kolben gleitend Aufwärtskräfte auf die Brennstoffbaugruppen. Ein Bruch der und abgedichtet geführt sind. Einlassleitung andererseits kehrt die Strömungsrichtung um.
5. 5. Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn- Der im Core erzeugte Dampf sitzt als Dampfpolster dahinter zeichnet, dass der Kolben (78) mit den Schubstangen (74), die 35 und treibt das Wasser zurück durch das Core zu dem Bruch in ihm zugeordnet sind, unlösbar verbunden sind. der Einlassleitung. Es wäre wünschenswert, das Wasser inner-
6. 6. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 3,4 oder 5, bei halb des Cores zu halten, während der Druck durch den Bruch dem die Brennstoffbaugruppen mindestens ein Steuerabfüh- austreten könnte.

   rungsrohr umfassen, durch die bis in die erste Plenumkammer Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktor mit einer ragende Steuerstäbe vertikal beweglich sind, dadurch gekenn- 40 Brennstoffbaugruppen-Niederhalteanordnung zu schaffen, die zeichnet, dass die Schubstangen (74) rohrförmig ausgebildet einen einfachen Aufbau aufweist, die Notwendigkeit für durch sind, jeweils einen Steuerstab (48) umschliessen und in Kontakt Federn gespeicherte Niederhaltekräfte eliminiert oder verrin-mit dem oberen Ende des zugeordneten Steuerstabführungs- gert und darüber hinaus so ausgebildet ist, dass die Strömungsrohres (40) stehen. behinderungen infolge der Einrichtung selbst minimal gehalten
7. 7. Kernreaktor nach Anspruch 6, bei dem eine Brennstoff- « werden. Dabei sollten die Niederhaltekräfte derart aufgebracht baugruppen-Ausfluchtungsplatte am oberen Coreende vorge- werden, dass sich eine Kompensation bezüglich Änderungen sehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausfluchtungs- der Primärströmung durch den Reaktor ergibt mit daraus resul-platte (22) unter der Querabdichtwand (24) angeordnet ist, die tierenden Änderungen der Aufwärtskräfte auf die Brennstoff-zweite Plenumkammer nach unten begrenzt und Öffnungen baugruppe. Wie nachstehend noch gezeigt wird, ergibt sich (54) in Eingriff mit den Führungsrohren (40) aufweist zum Aus- so dabei in der bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsge-fluchten der Brennstoffbaugruppen, und dass ein Hüllrohr (56) genstandes ein Dampfauslasspfad durch den Reaktor im Falle die Schubstange (74) umschliesst, das mit der Querabdichtwand eines Bruches der Einlassleitung.

   (24) und der Ausfluchtplatte (22) verbunden ist. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen
8. 8. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1, während die dass die Querabdichtwand (24) Öffnungen (80) zwischen ihren 55 abhängigen Ansprüche bevorzugte Weiterbildungen definie-Fortsätzen (76) aufweist, über die die Kolbenunterseite dem ren.

   Druck in der zweiten Plenumkammer (26) ausgesetzt ist. Gemäss der Lehre der Erfindung wird demgemäss der
9. 9. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch Kernreaktordruckbehälter durch eine Querabdichtwand in gekennzeichnet, dass jeder Brennstoffbaugruppe eine Mehr- eine unter hohem Druck stehende obere Plenumkammer und zahl von Steuerstabführungsrohren (40) und Schubstäben (74) eo eine unter niedrigem Druck untere Plenumkammer unterteilt, zugeordnet ist. Ein Kolben sitzt abgedichtet, jedoch gleitbeweglich in der

   Querabdichtwand. Mit ihm können Schubstangen verbunden sein, die sich nach unten erstrecken und die Brennstoffbaugrup-

   pen des Cores niederhalten. Der Kolben liegt in der bevorzug-

   65 ten Ausführungsform über der Abdichtplatte und bildet eine Abdichtung gegen vertikale Fortsätze auf der Querabdicht-