DE1299774B - Kernaufbau fuer einen Atomkernreaktor mit festem Moderator - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernaufbau aufbaus ergeben. Dies ist auch bei einem Kernaufbau für einen Atomkernreaktor mit festem Moderator, der Fall (britische Patentschrift 965 209), der aus der aus einer Vielzahl von nahe benachbarten verti- größeren achteckig-prismatischen und aus kleineren kalen Säulen aus übereinandergestellten prismatischen rechteckig-prismatischen Moderatorblöcken derart Graphitblöcken besteht, die so ausgerichtet sind, daß 5 aufgebaut ist, daß die kleineren Moderatorblöcke mit benachbarte Seiten nebeneinanderliegender Blöcke quadratischem Querschnitt in die Zwischenräume zueinander parallel und mit Keilnuten versehen sind, zwischen den aneinanderstoßenden größeren achtdie sich gegenüberliegen, wobei in diese Keilnuten eckigen Moderatorblöcken eingefügt sind. Auch bei Keilanordnungen eingeschoben sind, die jeweils min- diesem Kernaufbau sind die Moderatorblöcke über destens einen von einer Nut zur gegenüberliegenden io ihre ganze Länge mittels durchgehender massiver Nut durchgehenden Keil aufweisen, der die benach- Keile, die in entsprechende Längsnuten an den barten Blöcke gleichzeitig verbindet und in Abstand Blöcken eingreifen, miteinander verbunden. Bei einer hält. etwas abgewandelten Ausführungsform dieses Kern-

Im Kernreaktorbau muß sichergestellt werden, daß aufbaus sind an Stelle der Längsnuten und der in der Moderatorkern bestimmten Anforderungen ge- 15 diese eingeschobenen Keile an einer der beiden Monügt. Zwei dieser Erfordernisse, die für einen wir- deratorblockausführungen Keilvorsprünge vorgesekungsvollen Reaktorbetrieb wichtig sind, sind das hen, die dann in entsprechende Längsnuten an den Vorhandensein von möglichst wenig Leerräumen oder benachbarten Moderatorblöcken eingreifen, doch Lücken in dem Kernaufbau und das dimensions- ändert dies praktisch nichts daran, daß auch hier die mäßige Verhalten des Kernaufbaus während des ao Keilverbindung durch ihr Vorhandensein auf der Reaktorbetriebs. Wenn in dem Kernaufbau eine über- ganzen Länge der Moderatorblöcke entsprechend mäßige Lücken- oder Leerraumbildung erfolgt, wird starr ist.

die Leistungsfähigkeit des Reaktors durch die Ver- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

ringerung des Moderatoreffekts beeinträchtigt. Wenn Kernaufbau der eingangs erwähnten Art dahingehend weiterhin die Brennstoffelemente eine relative Ver- 25 zu verbessern, daß die Moderatorblöcke in dem Kernlagerung infolge einer Wigner-Verformung in dem aufbau, obwohl miteinander verkeilt, über einen Teil Moderatormaterial erfahren, werden außerdem nicht ihrer Länge eine relative Querbewegung ausführen immer die optimalen Betriebsbedingungen erreicht. können, um so insbesondere die durch den Wigner-

Bei gering- oder mittelbeanspruchten Reaktoren ist Effekt hervorgerufenen Verformungen unschädlich die räumliche Auslegung der Kernelemente zum Er- 30 zu machen, ohne daß damit eine Zunahme des Leerzielen guter dimensionsmäßiger Eigenschaften ziem- raums bzw. der Lücken in dem Kernaufbau verbunlich einfach, und die Lücken- oder Leerraumbildung den ist.
kann niedrig gehalten werden. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten

Mit dem Übergang zu hochbeanspruchten Reak- Kernaufbau dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der toren sind jedoch die durch die Wigner-Verformung 35 durchgehende Keil in vertikaler Richtung lediglich hervorgerufenen Probleme schwieriger geworden. einen Teil der Nuten einnimmt und daß in dem ver-Das beruht zum Teil darauf, daß das absolute Maß bleibenden Keilnutenabschnitt ein Füllkeil oder Füllder Verformung im Bereich der praktisch erprobten keile angeordnet ist bzw. sind, der bzw. die in vertihöheren Neutronenflüsse größer wird, jedoch auch kaier Richtung in zwei Teile geteilt ist bzw. sind, von darauf, daß die sich daraus ergebenden höheren Fluß- 40 denen jeder nur in einer der einander gegenübergradienten, z. B. in der Nähe von Absorbermassen, liegenden Nuten angeordnet ist.
eine unterschiedliche Verformung oder Dehnung zwi- Es ergibt sich dadurch der Vorteil, daß die seitlich

sehen nebeneinanderliegenden Kernelementen und aneinandergrenzenden Blöcke lediglich über einen sogar innerhalb einzelner Kernelemente hervorrufen Teil der Länge der Keilnuten durch durchgehende können. Die davon herrührende Erschwerung der 45 Keile miteinander verkeilt sind, während in dem verräumlichen Anordnung der Kernelemente führt zu bleibenden Teil der Keilnuten entlang ihrer Längsgrößeren Schwierigkeiten hinsichtlich der Verringe- mittelachse geteilte Füllkeile angeordnet sind, von rung der Lücken- oder Leerraumbildung. denen jeweils ein Teil nur in einer Keilnut liegt. Da-

Bei einem bekannten Kernaufbau der eingangs er- her können die seitlich aneinandergrenzenden Blöcke, wähnten Art für einen Atomkernreäktor mit festem 50 obwohl einwandfrei miteinander verkeilt, an dem Moderator (deutsche Patentschriften 1162004 und Teil ihrer Länge eine relative Querbewegung ausfüh-1177 751) sind die Moderatorblöcke über die ganze ren, wo sich die geteilten Füllkeile befinden. Die Länge der an ihren einander gegenüberliegenden Sei- Moderatorblöcke werden daher während des Betriebs tenflächen vorgesehenen Keilnuten durch durch- weniger Spannungen ausgesetzt als bei den bekannten gehende, massive Keile miteinander verbunden, wobei 55 Anordnungen, und dieses erwünschte Resultat wird Sorge dafür getragen ist, daß die Stoßstellen anein- dabei ohne jegliche Zunahme des Leerraums bzw. anderstoßender Keile nicht mit den horizontalen der Lücken in dem Kernaufbau erreicht.
Trennflächen zwischen den aufeinandergesetzten Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der

Moderatorblöcken der betreffenden Blocksäulen zu- von einer Nut zur anderen durchgehende Keil in an sammenfallen. 60 sich bekannter Weise am oberen oder unteren Ende

Eine solche Verbindung der Moderatorblöcke über der Nuten zweier benachbarter Blöcke angeordnet ihre ganze Länge mittels durchgehender massiver und erstreckt sich bis in entsprechende Keilnuten an Keile ist jedoch nachteilig, da sich dann die einander in vertikaler Richtung anschließenden Blöcken der gegenüberliegenden und miteinander verkeilten beiden gleichen Säulen. Es ist aber auch eine AusSeitenflächen benachbarter Blöcke nicht quer zuein- 65 führungsform möglich, bei der die Moderatorblöcke ander verlagern können. Durch Bestrahlung der lediglich im mittleren Bereich ihrer Längsnuten durch Blöcke können sich daher unerwünschte Verspan- einen durchgehenden massiven Keil miteinander vernungen und Verformungen der Blöcke und des Kern- bunden sind, während am oberen oder unteren Ende

der Nuten je ein Füllkeil angeordnet ist, der sich bis in entsprechende Keilnuten an in vertikaler Richtung anschließenden Blöcken der beiden gleichen Säulen erstreckt. Zweckmäßigerweise weist jeder Block in dem Kernaufbau mindestens vier einander paarweise gegenüberliegend angeordnete Seitenflächen auf.

Die Erfindung kann auch Anwendung finden an einem Kernaufbau mit Säulen aus mit ihren Seitenflächen benachbarten achteckig-prismatischen Blökken, wie er aus der britischen Patentschrift 965 209 bekannt ist, wobei die rechteckigen Lücken zwischen jeweils vier seitlich aneinandergrenzenden Blöcken mit Füllblockanordnungen ausgefüllt sind. In diesem Falle umfaßt eine Füllblockanordnung mindestens einen Feststoffblock, der einen Teil der Länge der Lücke einnimmt und mit vier Keilvorsprüngen in vier an jeder der benachbarten Seitenflächen der vier achteckigen Blöcke ausgebildete Keilnuten eingreift und die vier Blöcke in einem seitlichen Abstand hält, und der Rest der Lücke ist durch mindestens einen Füllblock ausgefüllt, der in Längsrichtung in einen in der Lücke oder dem Leerraum angeordneten Mittelteil und vier getrennte, in jeweils einer der vier Keilnuten angeordnete Keilstücke aufgeteilt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine auseinandergezogen dargestellte perspektivische Teilansicht zweier durch Keile miteinander zu verbindender Feststoffblöcke eines feststoffmoderierten Kernreaktors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung mehrerer entsprechend F i g. 1 miteinander verbundener Feststoffblöcke,

Fig. 3A einen Schnitt gemäß Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 3B einen Schnitt auf der Linie III-III in F i g. 2 nach Verformung der Blöcke,

F i g. 4 einen Schnitt auf der Linie IV-IV in F i g. 2,

Fig. 5 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 6 eine Aufsicht auf eine praktische Reaktorkernkonstruktion nach der Erfindung.

F i g. 1 der Zeichnung zeigt ein Paar prismatischer Reaktorkernblöcke 1 α und 1 b, die mit längsgerichteten Keilnuten 2 α bzw. 2 b versehen sind. In Wirklichkeit sind an jedem Block mehr als eine Keilnut vorgesehen, doch ist der Einfachheit halber nur eine Keilnut dargestellt.

Den einander gegenüberliegenden Keilnuten 2 α so und 2 b ist ein Keilsystem zugeordnet, das aus zwei sogenannten festen oder durchgehenden Keilen 3 und einem aus zwei Füllkeilen 4 gebildeten, in vertikaler Richtung geteilten Keil besteht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Keilnuten 2 α und 2 δ einen rechteckigen Querschnitt, und die Keilteile 3 und 4 sind in ihrem Querschnitt ebenfalls rechteckig ausgebildet, damit sie möglichst dicht mit geringstem Spiel oder Leerraum in die Keilnut passen.

Die durchgehenden Keile 3 passen in beide Keilnuten 2 α und 2 b und halten somit die Blöcke 1 α und Ib nach Art von Abstandshaltern oder Abstandspunkten in ihrer Lage, wobei der Abstand zwischen den Keilen 3 durch die Länge der zwischen ihnen in den Nuten 2 a, 2 b angeordneten Füllkeile bestimmt wird.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Anordnung von Blökken und Keilen sei vorausgesetzt, daß der untere durchgehende Keil 3 sich von der Oberfläche einer bereits vorhandenen, jedoch nicht dargestellten Blocklage nach oben erstreckt. Die dargestellten Blöcke werden dann mit ihren eingekerbten Prismenflächen dicht an dicht parallel zueinander so angeordnet, daß der untere durchgehende Keil 3 in beide Keilnuten 2 α und 2 b eingreift. Die Füllkeile 4 werden dann in die Keilnuten abgesenkt, bis sie auf dem unteren durchgehenden Keil 3 aufruhen. Jeder Füllkeil 4 nimmt lediglich eine Keilnut ein, wobei die Länge jedes Füllkeils 4 um soviel geringer als die Länge der Blöcke ist, daß der obere durchgehende Keil 3 unter Auflage mit seinem unteren Ende auf den Füllkeilen 4 entsprechend in die Keilnuten eingreift und mit seinem oberen Ende über die Oberflächen der Blöcke hervorragt. Der Keil 3 kann dann eine weitere Blocklage in ähnlicher Weise, wie bereits für den unteren durchgehenden Keil 3 beschrieben, in ihrer Lage halten.

Die.Blöcke sind nur zu ihren seitlich und vertikal angrenzenden Nachbarblöcken hin an ihren Enden mit Keilnuten versehen, und die Füllkeile 4 dienen lediglich als Abstandsstücke zwischen den durchgehenden Keilen und zur Vermeidung von Leerräumen in dem Moderatoraufbau.

Eine aus dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel entwickelte zweireihige Anordnung ist in F i g. 2 bis 4 beschrieben.

Fig. 2, 3A und 4 zeigen einen Kernaufbau aus vier Blöcken la, Ib, Ic und 1 d zusammen mit den erforderlichen Keilstücken. Da die Konstruktion völlig analog der in F i g. 1 dargestellten ist, soll sie nicht besonders beschrieben werden, außer dem Hinweis, daß die Einzelteile des Kernaufbaus der Deutlichkeit halber etwas voneinander getrennt dargestellt sind. Außerdem sei noch auf den Längsspalt zwischen den seitlich nebeneinanderliegenden Füllkeilen 4 hingewiesen, der in F i g. 2 deutlich dargestellt ist.

In Fig. 3B sind die Folgen einer unterschiedlichen Verformung der Blöcke dargestellt. Es sei angenommen, daß die BlöckeIb und ic unverformt bleiben und daß die Blöcke 1 α und 1 d durch Strahlungseinwirkung eine gebogene Form erhalten haben. Eine weitere, im folgenden näher abgehandelte Voraussetzung ist, daß die durchgehenden Keile ihre im wesentlichen senkrecht ausgerichtete Lage beibehalten haben.

Aus Fig. 3B ist zu erkennen, daß, obgleich die Blöcke 1 α und 1 d verformt worden sind, die durchgehenden bzw. festen Keile 3 keiner Scherwirkung unterworfen sind. Obgleich die Blöcke 1 α und 1 d in Fig. 3B so dargestellt worden sind, als hätten sie eine sehr große Verformung erfahren, ist dies lediglich der Deutlichkeit halber geschehen, und in Praxis sind die Verformungen viel geringer. Infolgedessen werden die Keile in Praxis viel dichter in die Keilnuten eingepaßt sein, als das in Fig. 2 bis 4 dargestellt ist, und werden trotzdem keiner Scherbeanspruchung ausgesetzt.

In den Mittelabschnitten der Blöcke reichen jedoch in Praxis festgestellte, verhältnismäßig geringe Deformationen dazu aus, einen gut eingepaßten durchgehenden Keil abzuscheren. Dadurch, daß Füllkeile vorgesehen sind, wird diese Schwierigkeit vermieden, da die beiden voneinander getrennten Füllkeile 4 zwischen jedem Blockpaar den Mittelteilen dieser Blöcke eine verhältnismäßig große Bewegung erlauben, wie das in F i g. 3 dargestellt ist. Dieses Fehlen

einer starren Verbindung zwischen den Mittelabschnitten der aneinanderstoßenden Blöcke führt jedoch nicht zu einer Leerraumbildung, da, wie in F i g. 2 und 4 dargestellt, die Füllkeile 4 zusammen im wesentlichen die Keilnuten ausfüllen. Das gilt auch dann, wenn die Blöcke verformt worden sind, da jeder der beiden Füllkeile 4 in der Nut in dem entsprechenden Block verbleibt und mit diesem verformt wird.

Die durchgehenden Keile 3 brauchen nicht so zwisehen den senkrecht nebeneinanderliegenden Blöcken angeordnet zu sein, wie das oben beschrieben worden ist. Die durchgehenden Keile 3 können im Längenbereich eines Blocks angeordnet sein, wobei dann die senkrechte Ausrichtung durch die geteilten Keile erfolgt. Eine solche Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Senkrecht ausgerichtete Paare von Blöcken 1 a, 1 d und Ib, Ic sind so, wie oben im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben, zusammengefügt und durch durchgehende Keile 3 und Füllkeile 4 ebenso wie oben miteinander verbunden. Die festen bzw. durchgehenden Keile 3 befinden sich im Bereich der Längsseiten der Blöcke und sind durch die Füllkeile 4, die außerdem die senkrecht aneinander anschließenden Blöcke überbrücken, in gegenseitigem Abstand gehalten.

Die Maßnahme, die Moderatorblöcke gleichmäßig über ihre Länge mit Nuten zu versehen, bringt verschiedene Vorteile mit sich. Zunächst einmal wird die Herstellung der Blöcke einfacher, da sie durch einen einfachen Räumvorgang oder einen kontinuierlichen Fräsprozeß mit den Nuten versehen werden können. Zweitens kann sich die ganze Konstruktion durch die über die ganze Höhe des Reaktorkerns kontinuierlich senkrecht durchlaufenden Keilnuten an die großen vertikalen Verformungen und Dehnungen, wie sie in einem hochbeanspruchten Reaktor auftreten, anpassen. Die Anpassung an diese großen senkrechten Beanspruchungen wird weiterhin dadurch vereinfacht, daß die nach der Erfindung vorgesehenen Säulen oder Reihen von Moderatorblökken in ihrem Querschnitt einheitlich sind und sich somit in senkrechter Richtung ohne irgendeine Störung mit den Nachbarsäulen oder -reihen ausdehnen oder zusammenziehen können. Da außerdem jede der senkrecht durchlaufenden Keimuten in dem Kern über ihre ganze Länge entweder durch durchgehende Keile 3 oder Füllkeile 4 ausgefüllt ist, werden durch das Keilsystem auch keine nennenswerten Leerräume gebildet.

Die Füllkeile können jeder mehrteilig ausgebildet sein, je nachdem ob das für die Herstellung oder den Zusammenbau besser ist.

Wie oben festgestellt, ist das dargestellte System lediglich als ein Ausführungsbeispiel gedacht, und in Praxis kann jeder der Kernblöcke mit mehr als einer Keilnut versehen sein. Ein Schnitt durch eine praktische Anordnung ist in F i g. 6 dargestellt. Bei dieser Anordnung sind die Moderatorkernblöcke 1 als achteckige Prismen ausgebildet und bei S für die Aufnähme der Brennstoffelemente des Reaktors durchbohrt. Jede Prismenfläche eines jeden Blocks ist längs ihrer Längsmittellinie mit einer Nut versehen, und die einander gegenüberliegend angeordneten Nuten an jedem Paar nebeneinanderliegender Prismenflächen nehmen eine Keilanordnung auf. Die die Blöcke in ihrer gegenseitigen Lage haltenden Keile befinden sich auf einem in der Aufsicht gesehen rechtwinkligen Liniennetz, und die Achsen der Blöcke behalten ihre gegenseitige Abstandslage trotz der Wigner-Verformung bei, wenn die Voraussetzung erfüllt ist, daß alle außenliegenden Blöcke in einer gegebenen Schicht des Kerns fest und sicher angeordnet sind, z. B. mittels eines Haltebandes, und daß die rechtwinkligen Linien sich auf den Achsen der Blöcke schneiden. Wenn diese Bedingung an jedem Niveau des Kerns aufrechterhalten wird, werden die Blöcke in ihrer im wesentlichen senkrechten Ausrichtung verbleiben, und auch die durchgehenden Keile werden, wie oben ausgeführt, im großen und ganzen ihre ursprünglich senkrechte Ausrichtung beibehalten. Aus F i g. 6 ist zu erkennen, daß eine zweite Art von Feststoffblöcken 6 verwendet wird mit einer Längsbohrung für die Aufnahme einer Kontrollstange, einer Überwachungssonde od. dgl. Derartige Feststoffblöcke tragen auch zu einer Verringerung des Leerraums, der andernfalls in einem nur aus achteckigen Prismen aufgebauten Kern vorhanden sein würde, bei. Es ist zweckmäßig, den Feststoffblock 6 in ähnlicher Weise wie die zusammengesetzten Keile 3, 4 zu konstruieren. Das wird im vorliegenden Fall dadurch erreicht, daß feste bzw. durchgehende Abschnitte des gleichen Querschnitts wie der in Fig. 5 dargestellte einschließlich der vier Keilvorsprünge 6 α verwendet werden; außerdem sind geteilte Feststoffblöcke vorgesehen, von denen jeder ein im Querschnitt quadratisches Mittelteil und vier getrennte keilähnliche, den Keilvorsprüngen 6 α äquivalente Füllkeilstücke umfaßt.

Da der Feststoffblock 6 über seine Keilvorsprünge 6 a in die Hauptkernkonstruktion entlang zweier Achteckseitenlinien, die sich in der Achse des Feststoffblocks 6 schneiden, eingefügt ist, wird der zuletzt erwähnte Block 6 seine eigene Lage in der Kernkonstruktion und die der anderen Teile beibehalten.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernaufbau für einen Atomkernreaktor mit festem Moderator, der aus einer Vielzahl von nahe benachbarten vertikalen Säulen aus übereinandergestellten prismatischen Graphitblöcken besteht, die so ausgerichtet sind, daß benachbarte Seiten nebeneinanderliegender Blöcke zueinander parallel und mit Keilnuten versehen sind, die sich gegenüberliegen, wobei in diese Keilnuten Keilanordnungen eingeschoben sind, die jeweils mindestens einen von einer Nut zur gegenüberliegenden Nut durchgehenden Keil aufweisen, der die benachbarten Blöcke gleichzeitig verbindet und in Abstand hält, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgehende Keil (3) in vertikaler Richtung lediglich einen Teil der Nuten (2 a, 2 b) einnimmt und daß in dem verbleibenden Keilnutenabschnitt ein Füllkeil oder Füllkeile (4) angeordnet ist bzw. sind, der bzw. die in vertikaler Richtung in zwei Teile geteilt ist bzw. sind, von denen jeder nur in einer der einander gegenüberliegenden Nuten (2 a, 2 b) angeordnet ist.

2. Kernaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Nut zur anderen durchgehende Keil (3) in an sich bekannter Weise am oberen oder unteren Ende der Nuten (2 a, 2 6) zweier benachbarter Blöcke (1 a, I b) angeordnet ist und sich bis in entsprechende Keil-

nuten (2 c, 2d) an in vertikaler Richtung anschließenden Blöcken der beiden gleichen Säulen
erstreckt.

3. Kernaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen oder unteren Ende
der Nuten (2 a, 2 b) je ein Füllkeil (4) angeordnet
ist, der sich bis in entsprechende Keilnuten (2 c, 2d) an in vertikaler Richtung anschließenden
Blöcken (1 c, 1 d) der beiden gleichen Säulen erstreckt.

4. Kernaufbau nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Block
(1 a, Ib, Ic, 1 d) mindestens vier einander paarweise gegenüberliegend angeordnete Seitenflächen
aufweist.

5. Kernaufbau nach einem der Ansprüche 1
bis 3 mit Säulen aus mit ihren Seitenflächen be-

nachbarten achteckig-prismatischen Blöcken, wobei die rechteckigen Lücken zwischen jeweils vier seitlich aneinandergrenzenden Blöcken mit Füllblockanordnungen ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Füllblockanordnung mindestens einen Feststoff block (6) umfaßt, der einen Teil der Länge der Lücke einnimmt und mit vier Keilvorsprüngen (6 α) in vier an jeder der benachbarten Seitenflächen der vier achteckigen Blöcke (1) ausgebildete Keilnuten eingreift und die vier Blöcke in einem seitlichen Abstand hält, und daß der Rest der Lücke durch mindestens einen Füllblock ausgefüllt ist, der in Längsrichtung in einen in der Lücke oder dem Leerraum angeordneten Mittelteil und vier getrennte, in jeweils einer der vier Keilnuten angeordnete Keilstücke aufgeteilt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

909530/124