DE2931299A1

DE2931299A1 - Ueberwachungsanordnung in einem kernaufbau fuer einen gasgekuehlten schnellen kernreaktor

Info

Publication number: DE2931299A1
Application number: DE19792931299
Authority: DE
Inventors: Robert Joseph Campana
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1978-08-03
Filing date: 1979-08-01
Publication date: 1980-02-28
Also published as: JPS5522193A; GB2027256A; US4299661A; FR2432750A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsanordnung in einem Kernaufbau für einen gasgekühlten schnellen Kernreaktor.

In Kernreaktoren der Art, mit denen sich die Erfindung befaßt, wird fester Kernbrennstoff allgemein durch eine Plattierung bzw. Verkleidung, die von einem geeigneten Material gebildet wird, wie beispielsweise Metall, geschützt und/oder aufgenommen, welche den festen Kernbrennstoff wirksam von dem Kühlmittel trennt, das zum Abführen von Wärme aus den Brennstoffelementen durch den Reaktorkern umgewälzt wird. Die Plattierung bzw. Verkleidung hat infolgedessen die Tendenz, eine Verunreinigung des Kühlmittels durch das Kernbrennstoffmaterial wie auch durch Spaltprodukte, die während des Betriebs des Reaktors innerhalb der Brennstoffelemente· gebildet werden, zu verhindern.

In schnellen Reaktoren der Art,mit denen sich die vorliegende Erfindung befaßt, ist ein Hochdruckkühlmittel erforderlich, um Wärme leistungsfähig abzuführen. Es wird ein Druckausgleich angewandt, um die Brennstoffplattierung bzw. -Verkleidung von unerwünschten Druckkräften zu entlasten. Der Druckausgleich wird dadurch erzielt,:daß man interne Gasräume der Brennstoffstäbe innerhalb eines Brennstoffelements untereinander mit einem externen Kühlströ« mungsmittel verbindet, das außerdem zum Zwecke des Entgasens wesentlicher Mengen von Spaltgasen, die in den Brennstoffelementen erzeugt worden sind, zugeführt wird. Es ist weiterhin wünschenswert oder notwendig, zu verhinden, daß diese Spaltprodukte in die Hauptkühlmittelströmung des Reaktors eintreten. Aus diesem Grunde können in Brenn- _ stoffelementen in gasgekühlten schnellen Reaktoren Entgasungssysteme angewandt werden, in denen ein kleiner Bruch-

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teil der Kühlgasströmung von der Hauptkühlmittelströmung, die auf der Außenseite der Brennstoffelemente strömt, abgeteilt wird. Die abgeteilte Kühlmittelströmung wirkt als Spülgas und wird durch die Brennstoffelement-Entgasungskanäle geleitet, um die Spaltprodukte zu geeigneten Fallen bzw. Abscheidern zu transportieren, die außerhalb des Reaktorkerns angeordnet sind. Die Spaltprodukte werden in den Fallen bzw. Abscheidern zurückgehalten, und das als Spülgas wirkende abgeteilte Kühlmittel wird in die Hauptkühlmittelströmung zurückgeführt.

Die Leistungsfähigkeit oder der Betriebszustand der einzelnen Brennstoffelemente kann dadurch genau beurteilt werden, daß man Strahlung von den Spaltproduktgasen, die von diesen Brennstoffelementen abziehen gelassen werden, analysiert oder überwacht. Spaltgase, die von dem festen Brennstoff freigegeben werden, müssen von Brennstoffstäben und -elementen, die keine Lecks haben (in denen die Plattierung bzw. Verkleidung integral bzw. unzerstört ist)'_, durch Gasdiffusion, die ein sehr langsamer Vorgang bei hohen Gasdrücken ist, zu den Brennstoffelement-Entgasungskanälen transportiert werden. Infolgedessen kommt es während des Transports zu den Entgasungskanälen dazu, daß die Radioaktivität der Spaltgase, die abgegeben werden, auf relativ niedriges Niveau abnimmt oder abklingt. Andererseits werden die Spaltgase in Brennstoffstäben, die leck sind, durch zwangsweise Konvektionsreinigung, die durch Kühlmittel verursacht wird, das infolge Leckströmung in die angegriffenen Brennstoff stäbe gelangt, zu den Brennstoffelement-Entgasungskanälen transportiert. Der Konvektionstransport findet im Verhältnis zum Diffusionstransport sehr schnell statt, so daß zwischen den eine Leckage aufweisenden Brennstoffstäben und den Brennstoffelement-Entgasungskanälen nur ein realtiv beschränktes Abfallen der Radioaktivität auftritt. Die Radioaktivität in Gasen, die von Brennstoffelementen abziehen, welche eine Leckage aufweisende

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Brennstoffstäbe enthalten, ist infolgedessen viel größer als in integralen Brennstoffelementen, die keine mit Leckage behafteten Brennstoffstäbe enthalten. Das Vorhandensein und die Rate einer Leckage bei Brennstoffstäben in den jeweiligen Brennstoffelementen kann infolgedessen durch Spaltprodukte bestimmt werden, die von den Brennstoffelementen abziehen.

Demgemäß können die Gase, welche die einzelnen Brennstoffelemente abziehen lassen, überwacht werden, damit man auf diese Weise eine Anzeige des Betriebszustands der einzelnen Brennstoffelemente erhält. Jedoch weist der Kern eines gasgekühlten schnellen Reaktors eine sehr große Anzahl von Brennstoffelementen auf, die zum Erzielen eines leistungsfähigen Reaktorbetriebs eng angeordnet sind.Daher ist es besonders schwierig, eine Überwachungsanordnung zu erzielen, mit der eine leistungsfähige Überwachung von ausströmenden Gasen von jedem einzelnen Brennstoffelement durchgeführt werden kann.

Gleichzeitig haben die wesentlichen Strahlungsniveaus innerhalb solcher Reaktoren die Tendenz,, Belastungen innerhalb der einzelnen langgestreckten Brennstoffelemente zu erzeugen, die allgemein dazu führen, daß die Brennstoffelemente verbogen werden. Diese Tendenz der Brennstoffelemente, verbogen zu werden, kann weiter durch thermische Bedingungen innerhalb des Reaktors erhöht werden.

Demgemäß wurde gefunden, daß bei gasgekühlten schnellen Reaktoren und dergl. die Notwendigkeit verbleibt bzw. besteht, einerseits eine kompakte Anordnung einer großen Anzahl von Brennstoffelementen zu ermöglichen, während andererseits eine wirksame Verbindung der Entgasungskanä-Ie der einzelnen Brennstoffelemente untereinander mit 'efner geeigneten Gasüberwachungseinrichtung erleichtert werden sollte.

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Infolgedessen soll mit der Erfindung eine wirksame Überwachungsanordnung für eine enggepackte hexagonale Anordnung von Kernbrennstoffelementen im Kern eines gasgekühlten schnellen Kernreaktors oder dergl. zur Verfügung gestellt werden.

Gemäß der Erfindung wird eine Überwachungsanordnung in einem Kernaufbau für einen gasgekühlten schnellen Kernreaktor zur Verfügung gestellt, der eine Mehrzahl von Brennstoffelementen hat, die Brennstoffstäbe enthalten und kompakt in einer hexagonalen Anordnung angeordnet sowie während des Betriebs des Kerns einander eng benachbart gehaltert sind, wobei jedes der Brennstoffelemente eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlgas zu einem inneren Teil seiner Brennstoffstäbe aufweist, so daß Spaltgase durch diametral gegenüberliegende Entgasungskanäle in den Brennstoffelementen abziehen können; wobei die Überwachungsanordnung folgendes umfaßt: eine Gitterplatte, die jedes der Brennstoffelemente benachbart zu den darin diametral entgegengesetzt befindlichen Entgasungskanälen umgibt und dort mit jedem dieser Brennstoffelemente in Eingriff steht; Überachungskanäle, die in der Gitterplatte zur jeweiligen Verbindung mit den Entgasungskanälen in den einzelnen Brennstoffelementen ausgebildet sind; wobei Kombinationen der Überwachungskanäle zusammen mit einem gemeinsamen Überwachungskanal verbunden sind; eine Einrichtung zum Verbinden jedes gemeinsamen Überwachungskanals mit einer einzigen Überwachungsleitung; wobei die Kombination der Überwachungskanäle, die zusammen mit jedem gemeinsamen Überwachungskanal verbunden ist, so ausgewählt ist, daß man eine sich gleichförmig wiederholende geometrische Anordnung von Überwachungskanälen und gemeinsamen Überwachungskanälen durch die gesamte hexagonale Anordnung der Brennstoffelemente hindurch er-hält, : *"

In einer bevorzugten Ausführungaform der Erfindung sind

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die einzelnen Entgasungskanäle für die verschiedenen Brennstoffelemente mittels einer Gitterplatte ausgebildet, welche einen Teil der verschiedenen Brennstoffelemente umgibt und damit in Eingriff steht. Auf diese Weise können Kanäle, die innerhalb der Gitterplatte ausgebildet sind, in direkter Verbindung mit Entgasungskanälen auf bzw. an den einzelnen Brennstoffelementen stehen, wobei zusätzliche Kanäle zum Verbinden mit geeigneten Überwachungsleitungen in den Gitterplatten ausgebildet sind. Die diametral angeordneten Entgasungskanäle ermöglichen es, die Brennstoffelemente periodisch um 18o° zu drehen, so daß auf diese Weise Biegewirkungen, wie sie oben erörtert wurden, entgegengewirkt wird.

Mit zwei Entgasungskanälen in jedem der Brennstoffelemente und einer Anordnung der Brennstoffelemente in einer hexagonalen Konfiguration ist, soweit wie irgend möglich, jede ÜBerwachungsleitung mit einer sich wiederholenden geometrischen Anordnung einer ausgewählten Mehrzahl von drei, vier oder sechs Entgasungskanälen auf bzw. an den einzelnen Brennstoffelementen verbunden. Diese Kombinationen von gegenseitigen Verbindungen wiederholen sich geometrisch durch den gesamten Kern der hexagonalen Anordnung von Brennstoffelementen und ermöglichen es, daß jede Überwachungsleitung eine Anzahl von Entgasungskanälen bedient, wobei die Anzahl von Überwachungsleitungen geringer als die Anzahl von Brennstoffelementen innerhalb des Reaktorkerns ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Fig. 1 bis 9 der Zeichnung in Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele in näheren Einzelheiten erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise Ansicht einer Mehrzahl von Kern-

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brennstoffelementen, die von einer Trägergitterplatte innerhalb des Kerns eines gasgekühlten schnellen Kernreaktors herabhängend angeordnet sind;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht im Bereich des Bodens eines Dreispitzteils der Gitterplatte; -

Fig. 3 eine Überwachungsverbindung für den Gaskanal in einem Dreispitzteil der Gitterplatte;

Fig. 4 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Gitterplatte, die interne Kanäle zum Miteinanderverbinden von Auslaß-Entgasungskanälen von vier unterschiedlichen Brennstoffelementen mit jeder jeweiligen Überwachungsleitung in einem sich geometrisch wiederholenden Muster bildet;"

Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht eines Teils der Gitterplatte der Fig.4 zur besseren Veranschaulichung der Art und Weise, in der interne Kanäle innerhalb der Gitterplatte ausgebildet sind;

Fig. 6 eine ähnliche Aufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel einer Gitterplatte, die auch intern Kanäle zum Miteinanderverbinden von Auslaß-Entgasungskanälen in sechs unterschiedlichen Brennstoffelementen mit jeder Überwachungsleitung bildet; ■""-._..-

Fig. 7 eine vergrößerte Teilansicht eines Teils der Gitterplatte der Fig. 6 zur besseren Veranschaulichung der Art und Weise, in der die interen Kanäle ausgebildet sind;

Fig. 8 eine Ansicht längs der Schnittlinie VIII-VIII der Fig. 7; und '. ~

Fig. 9 eine Ansicht längs der Schnittlinie IX-IX der Fig. 7,

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Der gasgekühlte schnelle Reaktor kann von konventionellen Aufbau sein und in konventioneller Weise betrieben werden, jedoch mit Ausnahme der Anordnung der Brennstoffelemente innerhalb des Reaktorkerns und ihrer Verbindung miteinander mit einem Uberwachungssystem, wie weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben.

Die Erfindung ist insbesondere dazu bestimmt, in Kombination mit einem solchen Reaktor vorgesehen zu werden, der eine Mehrzahl von Brennstoffstäben hat, die innerhalb einzelner Brennstoffelemente angeordnet sind, welche ihrerseits in freitragender Weise von einer Gitterplatte herabhängend aufgehängt sind. Eine solche Anordnung ist teilweise in Fig. 1 veranschaulicht, in der Brennstoffelemente 11 von einer Gitterplatte 12 herabhängen. Jedes Brennstoffelement 11 weist eine Mehrzahl von Brennstoffstäben auf, die bei 13 angedeutet sind.

Innerhalb des Reaktors wird ein Kühlgas, wie beispielsweise Helium, um die Brennstoffstäbe in jedem der Brennstoffelemente umgewälzt, so daß die innerhalb der Elemente durch die Kernspaltung erzeugte Wärme abgeführt wird; das Kühlmittel wird aus dem Reaktor abgezogen und zum Zwecke des Entnehmens von Wärme aus dem Reaktor und damit zum Ausführen einer brauchbaren Arbeit, wie beispielsweise zur Leistungs- bzw, Stromerzeugung, durch bzw. zu einer Wärmeaustauschereinrichtung (nicht dargestellt) umgewälzt. Das Kühlmittel wird allgemein in einer einzigen Richtung durch die Brennstoffelemente umgewälzt. Innerhalb der teilweise dargestellten Anordnung der Fig. 1 ist beispielsweise ein Kühlmittel von relativ hohem Druck innerhalb des Reaktors über der Gitterplatte 12 vorhanden, während sich das Kühlmittel unterhalb der Gitterplatte auf einem relativ niedrigeren Druck befindet.

Es ist infolgedessen ersichtlich, daß die Erfindung im Rah-

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men des in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels anhand einer Anordnung erläutert wird, die eine große Anzahl von Brennstoffelementen aufweist, welche von einer Gitterplatte herabhängen, wie beispielsweise der bei 12 angedeuteten Gitterplatte, die nach dem oberen Ende der Brennstoffelemente zu angeordnet ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung natürlich auch auf Reaktoranordnungen bzw. -bauweisen anwendbar ist, die Bodengitterplatten aufweisen und für eine Aufwärtsströmung des Kühlmittels durch den Kern geeignet bzw. ausgelegt sind.

Jedes der Brennstoffelemente 11 ist intern so aufgebaut, daß ein kleiner Teil des Kühlgases intern über die Entlüftungs- bzw. Entgasungslöcher des Brennstoffelements zirkulieren oder hinwegstreichen kann, Spaltprodukte, die innerhalb der Brennstoffelemente erzeugt und von letzteren abgegeben worden sind, wie beispielsweise Gase, können auf diese Weise zu geeigneten Fallen bzw. Abscheidern hin getragen bzw. gespült werden, so daß sie daran gehindert werden, sich innerhalb des gesamten Reaktors mit Kühlgas zu vermischen. Beim Auftreten eines Lecks in einem Brennstoffstab gelangt eine Leckströmung von Kühlströmungsmittel in. den Brennstöffstab und reinigt letzteren kontinuierlich, so daß sie das Eintreten von Spaltgasen in den Kühlmittelstrom verhindert. Dieser Spüleffekt des Kühlströmungsmittels vermindert die Transportzeit, wie oben erörtert, und erhöht infolgedessen das Niveau der Radioaktivität in den Gasen, die von dem Brennstoffelement abziehen.

Aus diesen Gründen wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Innere jedes der Brennstoffelemente in Verbindung mit geeigneten Fallen bzw. Abscheidern angeordnet, und zwar durch eine Überwachungseinrichtung zum Bestimmen des Be-" triebszustands der jeweiligen Brennstoffelemente. Die Durchgänge, die das Innere der Brennstoffelemente mitein-

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ander mit der Überwachungseinrichtung und den Fallen bzw. Abscheidern verbinden, werden auf einem relativ niedrigeren dynamischen Druck als das Kühlmittel gehalten, das um die Brennstoffelemente herum zirkuliert, damit sichergestellt wird, daß die Spaltprodukte nicht in den Hauptkühlmittelstrom entkommen. Gleichzeitig wird verhindert, daß sich übermäßige Drücke über der Plattierung bzw. Verkleidung der Brennstoffstäbe innerhalb der Brennstoffelemente entwickeln, und jede unerwünschte Leckage von Radioaktivität innerhalb irgendeiner Brennstoffanordnung kann leicht ermittelt und lokalisiert werden.

Die Art und Weise, in der Kühlgas mit dem Inneren der Brennstoffelemente 11 verbunden wird, wird unmittelbar nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert. Anfänglich ist jedes Brennstoffelement 11 mit einem Paar von diametral gegenüberliegenden Auslaß-Entgasungslöchern 14 ausgebildet. Die Entgasungslöcher sind in Verbindung mit jeweiligen Durchgängen 15 angeordnet, die innerhalb der Dreispitzteile 16 der Gitterplatte 12 ausgebildet sind. Das untere Ende jedes Dreispitzteils 16 der Gitterplatte ist mit abgeschrägten Oberflächen 17 ausgebildet, die sich innig mit den abgeschrägten Oberflächen 18 der jeweiligen Brennstoffelemente verbinden. Aneinander anliegende Teile der abgeschrägten Oberflächen 17 und 18 oberhalb der Verbindungskanäle 14 und 15 bilden eine. Metall-zu-Metall-Kontaktdichtung. Ein Führungsring oder eine Nut 19 ist außerdem auf der abgeschrägten Oberfläche 18 jedes Brennstoffelements ausgebildet, so daß er bzw. sie weiter dazu beiträgt, die Kanäle 14 und 15 von dem unter relativ hohem Druck stehenden Kühlmittel über der Gitterplatte zu isolieren.

Gleichzeitig führen Sauglöcher 21 Spülgas vom Niedrigdruckbereich unterhalb der Gitterplatte in jedes Entgasungsloch

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14 für das Brennstoffelement. Die Sauglöcher 21 sind so angeordnet bzw. ausgelegt, daß der Druck innerhalb der Kanäle 14 und 15 niemals auf das Niveau des Drucks unterhalb der Gitterplatte ansteigt. Infolgedessen kann Niedrigdruck-Kühlmittel in das Innere jedes Brennstoffelements strömen, soweit es erforderlich ist, den ausgeglichenen statischen Druck darin aufrechtzuerhalten. Jedoch haben die sich ergebenden Spaltproduktgase, insbesondere wenn der Reaktor mit relativ hoher Ausgangsleistung betrieben wird, auch das Bestreben, durch den Niedrigdruck-Kühlmitte Istrom innerhalb der Brennstoffelemente aus den Entgasungslöchern dieser Brennstoffelemente gespült und durch die Kanäle 14 und 15 in die Gitterplatte getragen bzw. mitgenommen zu werden, so daß sie mit dem Überwachungssystem und der Fallen- bzw. Abscheidereinrichtung verbunden werden, wie nachstehend in näheren Einzelheiten erläutert ist.

Mit der Erfindung wird insbesondere die Verwendung von Brennstoffelementen vorgeschlagen, die diametral entgegengesetzte Entgasungslöcher bzw, -kanäle 14 haben, so daß die Brennstoffelemente um 18o gedreht werden können, um den Wirkungen eines Verbiegens aufgrund der Strahlung entgegenzuwirken bzw, diese Wirkungen auszugleichen. Die hexagonale Anordnung der Brennstoffelemente ist am besten in den Fig. 4 und 6 aus der Anordnung der Löcher in den Gitterplatten zur Aufnahme der jeweiligen Brennstoffelemente ersichtlich. Mit einer solchen Anordnung werden die Brennstoffelemente dicht zueinander benachbart vorgesehen, und sie ist besonders wichtig zum Verhindern eines übermäßigen Verbiegens, so daß dadurch ein ordnungsgemäßer Reaktorbetrieb sichergestellt wird. Gleichzeitig lassen die eng gepackten Brennstoffelemente nur einen minimalen Zwischenraum für die Anordnung von Überwachungsleitungen, mit denen von den Entgasungslöchern 14 abgelassene Gase zu

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einer geeigneten Überwachungseinrichtung (nicht dargestellt) transportiert werden können.

Demgemäß wird mit der vorliegenden Erfindung außerdem eine besonders leistungsfähige und kompakte Anordnung zum Verbinden der diametral entgegengesetzten Entgasungslöcher bzw. -kanäle jedes Brennstoffelements 11 mit einer geeigneten Überwachungseinrichtung zur Verfügung gestellt, um die Überwachung des Zustands in jedem Brennstoffelement zu ermöglichen. Die Art und Weise, mit der diese Funktion durch die Erfindung erzielt wird, ist unter beschrieben.

Wie oben angedeutet worden ist, sind die Überwachungskanäle zur Verbindung mit den jeweiligen Entgasungslöchern bzw. -kanälen 14 intern innerhalb der Dreispitzteile 16 der Gitterplatte 12 ausgebildet. Innerhalb des in Fig. 1 gezeigten Reaktors bildet die Gitterplatte 12, wie man sieht, auch eine strukturelle Halterung bzw. einen baulichen Träger für die Brennstoffelemente. Jedoch ist das kein kritisches Merkmal der Erfindung, Mit anderen Worten bedeutet das, daß eine geeignete Gitterplatte, die Überwachungskanäle zur Verbindung mit den Entgasungslöchern bzw. -kanälen in den Brennstoffelementen bildet, ein gesonderter Teil des Reaktorkerns zusätzlich zu einer Einrichtung (nicht dargestellt) zum Tragen bzw. Halten der Brennstoffelemente innerhalb des Kerns sein kann.

In jedem Falle verbinden die Kanäle 15, die in den Dreispitzteilen der Gitterplatte ausgebildet sind, jedes Entgasungsloch 14 mit einem vertikalen Überwachungskanal 22. Eine Anschluß- bzw. Verbindungsanordnung 23 (siehe Fig. 3) ist über jedem Dreispitzteil, der einen vertikalen Kanal 22 aufweist, an der Gitterplatte befestigt, um jeden vertikalen Kanal mit einer Überwachungsleitung 24 zu verbinden, die dazu dient, Gase, welche von den Überwachungska-

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nälen 15 aufgenommen worden sind, zu einer jeweiligen Überwachungseinrichtung zu transportieren. Wie man am besten aus Fig. 3 ersieht, umfaßt jede Verbindungsanordnung 23 einen hohlen Einsteckstopfen 26, der in dichten bzw. abgedichteten Eingriff mit dem jeweiligen vertikalen Überwachungskanal 22 tritt. Die Verbindungsanordnung 23 ist mittels Schrauben 27 auf der Gitterplatte 12 an Ort und Stelle befestigt. Ein interner Kreuz- bzw. Querbohrungskanal 28 erstreckt sich von dem Einsteckstopfen 26 nach aufwärts und verbindet jeden vertikalen Überwachungskanal 22 mit der jeweiligen Überwachungsleitung 24.

Eine Mehrzahl von Auslaß-Entgasungslöchern bzw. ,-kanälen steht mit jeder Überwachungsleitung in Verbindung, und die Mehrzahl von Auslaß-Entgasungslöchern bzw. -kanälen umfaßt nur ein Entgasungsloch für jedes einzelne Brennstoffelement. Gleichzeitig ist es wichtig, daß wenigstens so viele unterschiedliche Kombinationen von Überwachungsleitungen 24 vorhanden sind, wie es Brennstoffelemente gibt, damit man die Elemente, welche Lecks haben, durch Überwachung der Radioäktivitätsniveaus in allen Überwachungsleitungen identifizieren kann. Es sei beispielsweise angenommen, daß ein typischer Reaktorkern 217 Brennstoffelemente aufweist, von denen jedes ein gesondertes Aufnahmeloch 29 in der Gitterplatte 12 hat. Da jedes Brennstoffelement zwei Auslaß-Entgasungslöcher bzw. -kanäle 14 hat, ergeben sich insgesamt 434 Entgasungslöcher bzw. -kanäle (für den Begriff "Entgasungsloch bzw. -.kanal" wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch abkürzend die Bezeichnung "Entgasungskanal" verwendet). Anfänglich müssen die beiden Entgasungskanäle für jedes Brennstoffelement mit unterschiedlichen Überwachungsleitungen verbunden sein, so daß eine Matrix ausgebildet wird, die ein individuelles Überwachen der gesonderten Brennstoffelemente gestattet. Wenn die beiden Entgasungskanäle.14 jedes

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gegebenen Brennstoffelements mit zwei unterschiedlichen Überwachungsleitungen verbunden sind, wird ein hohes Aktivitätsniveau in diesen beiden Leitungen angezeigt, wenn sich in dem zugeordneten Brennstoffelement ein Leck entwickelt. Infolgedessen ist es notwendig, 217 unterschiedliche Paare von Leitungen vorzusehen, um jedes Brennstoffelement gesondert zu überwachen. Das wird durch das folgende Kombinationstheorem demonstriert:

C = nl
^{n r} Fi (n - r) !

worin C = Anzahl von Kombinationen, Paaren oder Brennstoffelementen ;

η = Anzahl von Überwachungsleitungen; r = 2 für zwei Entgasungskanäle pro Brennstoffelement.

In dem Fall, in dem 217 Brennstoffelemente vorhanden sind, von denen jedes zwei Entgasungskanäle hat, gilt C = 217 und r =2. Aus der obigen Gleichung läßt sich dann ersehen, daß η größer als 21 sein muß, und da es eine ganze Zahl sein muß, ist ein Minimum von 22 Überwachungsleitungen erforderlich, um den Betriebszustand jedes Brennstoffelements zu überwachen. --'.-

Gleichzeitig muß jedoch bedacht werden, daß die sehr kompakte Anordnung der Brennstoffelemente nur beschränkten Raum zur Aufnahme von Überwachungsleitungen für die Verbindung mit den verschiedenen Entaasungskanälen 14 zur Verfügung stellt. Um die Anordnung der Überwachungsleitungen zu vereinfachen, wird eine ausgewählte Mehrzahl von Entgasungskanälen mit jeder Überwachungsleitung untereinander verbunden und die Mehrzahl von Entgasungskanälen wiederholt sich geometrisch durch die gesamte hexagonale Anordnung von Brennstoffelementen.

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Aus einer Betrachtung der hexagonalen Anordnung, die allgemein in den Fig. 4 und 6 gezeigt ist, läßt sich ersehen, daß Kombinationen, welche sich geometrisch durch die gesamte Anordnung wiederholen, zwei, drei, vier und sechs umfassen. Kombinationen von zwei Entgasungskanälen, die mit jeder Überwachungsleitung untereinander verbunden sind, würden keine Vorteile erbringen, da das einer Miteinanderverbindung jedes einzelnen Brennstoffelements mit einer gesonderten Überwachungsleitung äquivalent wäre. Demgemäß wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, eine ausgewählte Mehrzahl von drei, vier oder sechs Entgasungskanälen auf bzw. an unterschiedlichen Brennstoffelementen untereinander mit jeder Überwachungsleitung zu verbinden bzw. zu verketten. Die minimale Anzahl von Überwachungsleitungen, die drei, vier oder sechs Entgasungskanälen entspricht, welche mit jeder Überwachungsleitung verbunden sind, beträgt 145 bzw.lo9 bzw. 75, diese Anzahl von Überwachungsleitungen ist in den jeweiligen Fällen erforderlich, um einen Kern von 217 Brennstoffelementen zu bedienen bzw. zu überwachen.

Eine Anordnung von Überwachungsleitungen zum Untereinanderverbinden bzw. Verketten von vier unterschiedlichen Entgasungskanälen mit jeder Überwachungsleitung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Fig. 6 veranschaulicht eine andere Anordnung von Überwachungsleitungen zum Untereinanderverbinden von sechs unterschiedlichen Entgasungskanälen mit jeder Überwachungsleitung. Die andere Kombination für eine Mehrzahl von drei Entgasungskanälen, die jeweils un-tereinander mit jeder Überwachungsleitung verbunden bzw. verkettet sind, würde erhalten werden, wenn man die An,-ordnung nach Fig. 6 so abwandelt, daß man innerhalb jeder Kombination von sechs Entgasungskanälen zwei unterschiedliche Überwachungsleitungen vorsieht.

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Es sei nun auf Fig. 4 Bezug genommen, nach der sich geometrisch wiederholende Kombinationen von vier Entgasungskanalverbindungen mit jeder bzw. je einer Überwachungsleitung verbunden sind, die in einem Dreispitzteil der Gitterplatte angebracht ist. Die sich wiederholende Art einer solchen geometrischen Anordnung ist besser aus Fig. 5 ersichtlich. Beispielsweise ist ein vertikaler Überwachungskanal bei 22a angedeutet, der mit vier Entgasungskanälen in vier unterschiedlichen Brennstoffelementen verbunden ist, während ein zweiter vertikaler Überwachungskanal 22b zur Verbindung mit vier Entgasungskanälen in einem unterschiedlichen Satz von vier Brennstoffelementen angeordnet ist. Zusätzliche vertikale Überwachungskanäle' 22 sind in der Gitterplatte ausgebildet, so daß ein sich wiederholendes Muster einer Verbindung bzw. von Verbin,-dungen für Sätze von vier Entgasungskanälen erzielt wird.

Das geoemtrische Muster von Entgasungskanalverbindungen kann um den Umfang der Gitterplatte nicht fortgesetzt werden. Demgemäß ist es erforderlich, benachbarte Kanäle in der Gitterplatte miteinander zu verbinden, so daß eine minimale Anzahl von Überwachungsleitungen erforderlich ist. Es sei wiederum auf Fig. 4 Bezug genommen, woraus ersichtlich ist, daß in der Gitterplatte am Umfang Kreuz- bzw. Querkanäle ausgebildet sind, mit denen eine Anzahl von unterschiedlichen Entgasungskanälen untereinander mit einer einzigen Überwachungsleitung 24 verbunden bzw. verkettet ist. Weitere Kreuz- bzw. Querverbindungen sind um den Umfang der Gitterplatte vorgesehen, durch die in ähnlicher Weise die Leistungsfähigkeit der gegenseitigen Verbindungsanordnung der Fig. 4 erhöht wird. Es muß beachtet werden, daß jede dieser weiteren Kreuz- bzw. Querverbindungen um den Umfang der Gitterplatte mit den gesonderten Entgasungskanälen jedes Brennstoffelements hergestellt werden muß, das seinerseits mit einer unterschied-

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lichen Überwachungsleitung verbunden ist. Diese Bedingung ist natürlich auch für Kreuz- bzw. Querverbindungen notwendig, auf die unten unter Bezugnahme auf Fig. 6 eingegangen wird.

Es sei auf Fig. 6 Bezug genommen, in der eine geometrische Anordnung zum Untereinanderverbinden von sechs Entgasungskanälen 14 in unterschiedlichen Brennstoffelementen mit individuellen vertikalen Überwachungskanälen und mit den gesonderten Überwachungsleitungen 24 (siehe Fig. 3) veranschaulicht ist. In Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer hexagonalen Anordnung von Löchern 129 zum Aufnehmen von individuellen Brennstoffelementen dargestellt, wobei deutlich das Wiederholungsmuster gezeigt ist, das für zwei Entgasungskanäle in jedem Brennstoffelement der Anordnung möglich ist. Hier werden wiederum Kreuz- bzw. Querverbindungen um den Umfang der Anordnung herum angewandt, um einen wirkungsvolleren bzw. leistungsfähigeren Gebrauch von den Überwachungsleitungen zu machen.

In der Ausführungsform der Fig. 7 sind vertikale Überwachungskanäle bei 122a, 122b und 122c ausgebildet. Es sei auch auf Fig. 8 Bezug genommen, wonach jedes gesonderte Aufnahmeloch 129 innerhalb der Gitterplatte 112 ein Brennstoffelement aufnehmen kann, wobei jedes Brennstoffelement zwei diametral entgegengesetzte Entgasungskanäle aufweist. Die Entgasungskanal in den Brennstoffelementen sind untereinander mittels einer Mehrzahl von Kanälen 115, die am besten aus Fig. 9 ersichtlich sind, mit dem vertikalen Überwachungskanal 122a verbunden. Die Fig. 9 veranschaulicht zwei Kanäle 115, die Entgasungskanäle von zwei unterschiedlichen Brennstoffelementen untereinander mit dem vertikalen Überwachungskanal 122a verbinden. Zusätzliche Kanäle, die in gleichartiger bzw, ähnlicher Weise in der Gitterplatte ausgebildet sind, ergeben eine einfache Ver-

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bindung von sechs Entgasungskanälen untereinander mit dem vertikalen Überwachungskanal,

Die Fig. 9 veranschaulicht außerdem zwei unterschiedliche Konfigurationen für die Kanäle 115 zum Verbinden von einzelnen Entgasungskanälen mit dem vertikalen Überwachungskanal 122a. Beispielsweise können Kanäle 115a direkt von der vertikalen Seitenwand des Dreispitzteils 116 gebohrt sein. Das Ende der Kanäle 115a ist mittels eines Stopfens 132 blockiert, und jeder Kanal 115a ist in Verbindung mit einem jeweiligen Entgasungskanal angeordnet, und zwar mittels eines kleinen vertikalen Kanals 133.

In gleichartiger bzw. ähnlicher Weise können Kanäle, wie diejenigen, die bei 115b angedeutet sind, verwendet werden. Jeder der Kanäle 115b weist eine kurze vertikale Bohrung 134 von relativ großem Durchmesser auf, die in jedem Dreispitzteil der Platte ausgebildet ist, und jeder Kanal 115b ist direkt durch einen Wandteil der vertikalen Bohrung gebohrt. In jedem Falle können entweder bzw. sowohl die Kanäle 115a und/oder die Kanäle 115b zur gegenseitigen Verbindung von jeweiligen Entgasungskanälen mit dem vertikalen Kanal 122a benutzt werden.

Der vertikale Überwachungskanal 122b ist allgemein identisch mit dem vertikalen Überwachungskanal 122a zum Erzielen einer gegenseitigen Verbindung mit einem unterschiedlichen Satz von sechs Entgasungskanälen. Diese beiden vertikalen Überwachungskanäle deuten die sich wiederholende geoemtrische Anordnung für dieses Muster durch die gesamte Anordnung der Brennstoffelemente an.

Der vertikale Überwachungskanal 122c veranschaulicht weiterhin, wie gewisse Entgasungskanäle benachbart dem Um-~ fang der Brennstoffelement-Anordnung mit einer geeigneten

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Anzahl von anderen Entgasungskanälen untereinander verbunden werden können, um einen wirksamen bzw. leistungsfähigen Gebrauch von den verschiedenen Überwachungsleitungen inachen zu können. Es sei auch auf Fig. 8 Bezug genommen, wonach ein Blindkanal 115c gebohrt ist (und mit einem Stopfen versehen ist, wie bei 136 angedeutet ist), so daß eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen den Entgasungskanälen 114 und den vertikalen Überwachungskanälen, wie beispielsweise mit dem bei 122c gezeigten vertikalen Überwachungskanal, sichergestellt wird.

Infolgedessen ist eine besonders leistungsfähige und betriebssichere sowie zuverlässige Anordnung von Überwachungsleitungen zum Verbinden bzw. Untereinanderverbinden von diametral entgegengesetzten Entgasungskanälen in einer kompakten Anordnung von Kernbrennstoffelementen offenbart worden. Es sind viele Variationen und Abwandlungen zusätzlich zu denjenigen, die vorstehend angedeutet worden sind, innerhalb des Gegenstandes und des allgemeinen Erfindungsgedankens der vorliegenden Erfindung möglich. Beispielsweise sei noch einmal darauf hingewiesen, daß die untereinander verbindenden Kanäle von jeder PiattenW öder Gitterstruktur gebildet sein können, die sich in Kontakt mit den verschiedenen Brennstoffelementen befindet. Wie bereits oben dargelegt, kann die Gitter- oder Plattenstruktur ein Träger bzw. Halter für die Brennstoffelemente sein, der entweder in einem unteren oder oberen Teil des Reaktorkerns angeordnet ist. Es ist nicht wesentlich, daß das Gitter oder die Platte auch eine Trag- bzw» Haltefunktion für die Brennstoffelemente hat. Jedoch ist es für jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele wichtig, daß die Entgasungskanäle für jedes individuelle Brennstoffelement mit getrennten bzw. gesonderten Überwachungsleitungen verbunden sind. In dieser Hinsicht sei erneut darauf hingewiesen, daß die Anordnung von untereinander verbindenden

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Leitungen so gewählt ist, daß ein getrenntes Paar von Leitungen stets für den Zustand innerhalb jedes individuellen Brennstoffelements repräsentativ ist. Wenn die Entgasungskanäle der Brennstoffelemente diametral entgegengesetzt sind, kann diese Überwachungsfunktion selbst dann erfüllt "werden, wenn die individuellen Brennstoffelemente umgewendet· werden, um Verbiegungswirkungen zu überwinden bzw. auszugleichen, wie z, B, oben erläutert worden ist.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Ψεκκμλνν, Dipl: Phys. Dr. K.Fihcke Dipl.-Ing. F. A.WEICKMAWN, Dipl-Chem. B- Huber Dr. Ing. H. Liska 2931299 8000 MÜNCHEN 86, DEN o1 . ÄUgUSt 1979 POSTFACH 860820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 SPBR G 1146 GEW GENERAL ATOMIC COMPANY 1oS55 John Jäy Hopkins Drive San Diego, California, USA Überwachungsanordnung in einem Kernaufbau für einen gasgekühlten schnellen Kernreaktor _ ". Patentansprüche

1.) Überwachungsanordnung in einem Kernaufbau für einen . gasgekühlten schnellen Kernreaktor, der eine Mehrzahl von Brennstoffelementen hat, die Brennstoffstäbe enthalten und kompakt in einer hexagonalen Anordnung angeordnet sowie während des Betriebs des Kerns einander eng benachbart gehaltert sind, wobei jedes der Brennstoffelemente eine Einrichtung zum Zuführen von Kühlgas zu einem inneren Teil seiner Brennstoffstäbe aufweist, so daß Spaltgase durch diametral gegenüberliegende Entgasungskanäle in den Brennstoffelementen abziehen können, dadurch g e kenn ζ ei chnet , daß.die Überwachungsanordnung folgendes umfaßt: '

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eine Gitterplatte (12; 112), die jedes der Brennstoffelemente (11) benachbart zu den darin diametral entgegengesetzt befindlichen Entgasungskanälen (14) umgibt und dort mit jedem dieser Brennstoffelemente in Eingriff steht; Überwachungskanäle (15,- 115, 115a-b), die in der Gitterplatte (12; 112) zur jeweiligen Verbindung mit den Entgasungskanälen (14) in den einzelnen Brennstoffelementen (11) ausgebildet sind; wobei Kombinationen der Überwachungskanäle (15; 115, 115a-b) zusammen mit einem gemeinsamen Überwachungskanal (22; 22a-b; 122a-c) verbunden sind; eine Einrichtung (23) zum Verbinden jedes gemeinsamen Überwachungskanals (22; 22a-b; 122a~c) mit einer einzigen Überwachungsleitung (24); wobei die Kombination der Überwachungskanäle (15; 115, 115a-b), die zusammen mit jedem gemeinsamen Überwachungskanal (22; 22a-b; 122a-c) verbunden ist, so ausgewählt ist, daß man eine sich gleichförmig wiederholende geometrische Anordnung von Überwachungskanälen (15,- 115, 115a-b) und gemeinsamen Überwachungskanälen (22; 22a-b; 122a-c) durch die gesamte hexagonale Anordnung der Brennstoffelemente (11) hindurch erhält.

2. Überwachungsanordnung nach_ Anspruch 1, dadurch g e k en η ζ ei c h η e t , daß Kombinationen von drei, vier oder sechs Überwachungskanälen (115, 115a-b) überwiegend untereinander mit jedem gemeinsamen Überwachungskanal:(22a-b; 122a-c) in der Gitterplatte (12; 112) verbunden sind.

3. Überwachungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie weiterhin eine Bemessungseinrichtung (133, 134) aufweist, die es einem Teil des Kühlgases, das um die Brennstoffelemente (11) herum zirkuliert, ermöglicht, zum bzw. in den inneren Teil der Brennstoffstäbe (13) zu strömen. -

4. Überwachungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e η η ze i c h η e t , daß die Gitterplatte

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(12) eine Träger- bzw. Halterungsplatte für die einzelnen Brennstoffelemente (11) ist, und daß die Gitterplatte (12) mit einer Mehrzahl von Löchern (29) zum Aufnehmen der jeweiligen Brennstoffelemente (11) versehen ist, wobei jedes Loch (29) mit einer konisch abgeschrägten bzw. sich verjüngenden Oberfläche (17) ausgebildet ist, die sich mit einem entsprechend geformten Oberflächenteil (18) der jeweiligen Brennstoffelemente (11) benachbart den Entgasungskanälen (14) verbindet, wobei ferner Überwachungskanäle (15) winklig durch Dreispitzteile (16) der Träger- bzw. Halterungsplatte (12) gebohrt sind und jeder gemeinsame Überwachungskanal (22) vertikal durch Dreispitzteile (16) der Trägerbzw. Halterungsplatte (12) gebohrt ist, so daß er die jeweilige Kombination von Überwachungskanälen (15) schneidet und damit verbunden ist.

5. Überwachungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Verbindungsanordnung (23), die an einem jeweiligen Dreispitzteil (16) der Träger— bzw. Hai— terungsplatte (12) , der einen der gemeinsamen Überwachungs^- kanäle (22) enthält, befestigt ist, wobei die Verbindungsanordnung (23) eine Kanaleinrichtung (28) aufweist, die eine abgedichtete Verbindung untereinander zwischen dem gemeinsamen Überwachungskanal (22) und einer der Überwachungsleitungen (24), die sich außerhalb der Träger- bzw. Halterungsplatte (12) befindet _r herstellt.

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