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Dokumentenidentifikation DE19547652C1 06.03.1997
Titel Kugelhaufenreaktor
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Gerwin, Helmut, Dr., 52428 Jülich, DE;
Scherer, Winfried, Dr., 52428 Jülich, DE
DE-Anmeldedatum 20.12.1995
DE-Aktenzeichen 19547652
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.03.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.03.1997
IPC-Hauptklasse G21C 1/07
IPC-Nebenklasse G21C 3/22   G21C 7/22   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf einen Kugelhaufenreaktor mit einer von Brennelementkugeln gefüllten und von Reflektormaterial begrenzten Corekaverne. Die Corekaverne wird von Brennelementkugeln aufgrund von Scherkraftwirkung durchsetzt. Kühlgas durchströmt die Corekaverne im Abwärts- oder Aufwärtsstrom. Die dafür vorgesehenen Kühlgasleitungen münden seitlich oberhalb der Sohle des Kavernenbodens.
Beim erfindungsgemäßen Reaktor ist über lange Betriebszeiten hinweg eine störungsfreie Kühlgasführung durch die Brennelementschüttung hindurch möglich.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kugelhaufenreaktor mit einer von Brennelementkugeln gefüllten und von Reflektormaterial begrenzten Corekaverne, die von den Brennelementkugeln unter Schwerkraftwirkung durchsetzt und vom Kühlgas im Abwärts- oder Aufwärtsstrom durchströmt wird.

Kugelhaufenreaktoren sind bekannt. So ist beispielsweise in DE 31 49 794 C1 ein Kugelhaufenreaktor mit Graphitkern beschrieben. Bei Kugelhaufenreaktoren durchwandert eine Schüttung von Brennelementkugeln, der Kugelhaufen, unter Schwerkraftwirkung eine von Reflektormaterial begrenzte Corekaverne. Die Regelung des Kernreaktors erfolgt durch Neutronenabsorber, beispielsweise Regelstäbe, die entweder in Bohrungen im Reflektormaterial geführt werden oder auch direkt zur Reaktorregelung in die Schüttung der Brennelementkugeln eindringen.

Zum Austausch abgebrannter Brennelementkugeln, die aus der Corekaverne abgezogen werden, wird die Schüttung aufgefüllt. Für das Abziehen der Brennelementkugeln sind üblicherweise Kugelabzugsrohre im Boden der Corekaverne vorgesehen. Den Kugelabzugsrohren werden die Brennelemente in trichterartigen Vertiefungen im Bodenreflektor zugeführt. Größere Corekavernen oder Corekavernen mit einer Mittelsäule aus Graphit im Kugelhaufen sind mit mehreren Kugelabzugsrohren ausgerüstet.

Die Schüttung der Brennelemente wird üblicherweise in vertikaler Richtung von einem Kühlgas, insbesondere Helium, durchströmt. Die Strömungsrichtung des Kühlgases kann mit der Durchsatzrichtung der Brennelementkugeln in Schwerkraftrichtung gleichgerichtet sein (Abwärtsstrom), das Kühlgas kann jedoch die Corekaverne auch entgegengesetzt zur Durchsatzrichtung der Brennelementkugeln, also aufwärts (Aufwärtsstrom) durchströmen. Zum Zu- bzw. Abführen des Kühlgases weist die Corekaverne im Decken- und Bodenreflektor Zufuhr- bzw. Abströmöffnungen für das Kühlgas auf, die üblicherweise jeweils in Gassammelkammern münden, die zur Vergleichmäßigung des Gasstroms, insbesondere zum Temperaturausgleich im Kühlgas dienen.

Beim Durchsatz der Brennelementkugeln in Schwerkraftrichtung verschleißen die Kugeloberflächen. Es können auch Kugelbruchstücke entstehen, die sich am Boden der Corekaverne sammeln. Kugelbruchstücke treten insbesondere dann auf, wenn in die Schüttung Regelstäbe eingeführt und in der Schüttung bewegt werden. Solche Kugelbruchstücke werden im wesentlichen über die Kugelabzugsrohre aus der Corekaverne entfernt, sie können sich aber auch in den Gasdurchführungen im Bodenreflektor festsetzen und Verstopfungen verursachen. Die Kühlgasströmung kann in solchen Fällen erheblich beeinträchtigt sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Kugelhaufenreaktoren eine auch über lange Betriebszeiten hinweg störungsfreie Kühlgasführung durch die Brennelementschüttung in der Corekaverne hindurch zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Kugelhaufenreaktor der eingangs genannten Art durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Danach sind die Anschlüsse für die Kühlgasleitungen zum Zu- bzw. Abführen von Kühlgas in der Corekaverne seitlich oberhalb vom Kavernenboden angebracht. Das Kühlgas strömt somit in die Corekaverne seitlich oberhalb des Kavernenbodens bei Aufwärtsstrom zu bzw. bei Abwärtsstrom ab. In derartige seitliche Öffnungen können Abrieb-Bruchstücke der Brennelementkugeln nicht eindringen.

Ist zum Abzug der Brennelementkugeln eine mulden- oder trichterförmige Ausbildung des Kavernenbodens vorgesehen, oder weist der Kavernenboden mehrere benachbart angeordnete mulden- oder trichterförmige Ausbildungen auf, ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Kühlgasleitungen in zumindest zwei übereinanderliegenden Ebenen in den Mulden- oder Trichterwänden münden (Patentanspruch 2). Bevorzugt verlaufen die Kühlgasleitungen horizontal in der Reflektorwand (Patentanspruch 3).

Im Falle einer Mittelsäule in der Corekaverne werden die Kühlgasleitungen unter Ausnutzung des in der Mittelsäule vorhandenen, umbauten Raums mit Vorteil innerhalb der Mittelsäule verlegt und münden im Wandbereich der Mittelsäule (Patentanspruch 4). Um bei einer solchen Führung des Kühlgases alle Brennelemente bis zu ihrem Eintritt in die Kugelabzugsrohre vom Kühlgas umströmen zu lassen, sind die Kugelabzüge nach Patentanspruch 5 zweckmäßig in einem der Mittelsäule nahen Bodenbereich im Kavernenboden angeordnet.

Die Erfindung mit ihren Ausbildungen wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Kugelhaufenreaktor mit trichterförmig ausgebildetem Kavernenboden und in mehreren Ebenen mündenden Kühlgasleitungen im Halbschnitt;

Fig. 2 eine Variante eines Kugelhaufenreaktors nach Fig. 1 im Halbschnitt; und

Fig. 3 einen Kugelhaufenreaktor mit Mittelsäule im Halbschnitt.

In Fig. 1 ist schematisch der untere Bereich einer zylindrischen Corekaverne im Halbschnitt mit der Zylinderachse 1, mit einer Brennelementkugelschüttung 2, mit dem Kugelhaufen, der in Fig. 1 und den nachfolgenden Figuren der Zeichnung nur angedeutet ist, mit die Schüttung 2 umgebendem Reflektor 3 und mit einem Kugelabzug 4 im Kavernenboden 5 dargestellt. Der Kavernenboden 5 weist im Ausführungsbeispiel einen trichterförmigen Innenraum auf, wobei die Trichterspitze bis zur Sohle 6 des Kavernenbodens 5 führt und am Kugelabzug 4 mündet. Innerhalb der Wände des Kavernenbodens 5 verlaufen Kühlgasführungen 7, die in mehreren Ebenen - im Ausführungsbeispiel in zwei in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Ebenen - im trichterförmigen Innenraum des Kavernenbodens 5 auf dessen Innenwand 8 münden. In Fig. 1 sind zwei Zweigleitungen 9, 10 der Kühlgasführung 7 schematisch dargestellt, durch die das Kühlgas in die Brennelementkugelschüttung 2 im Trichter des Kavernenbodens durch Öffnungen 11 hindurchgeführt wird. Das Kühlgas durchströmt im Ausführungsbeispiel die Corekaverne in Aufwärtsrichtung, also in entgegengesetzter Richtung zum Schwerkraftdurchsatz der Brennelementkugeln.

In die Kühlgasführung 7 strömt das Kühlgas aus einer vorgeschalteten Gassammelkammer 12 ein. An der Gassammelkammer 12, die ringförmig um die Zylinderachse 1 verläuft, sind mehrere Kühlgasführungen 7 mit im trichterförmigen Innenraum des Kavernenbodens 5 mündenden Zweigleitungen 9, 10 angeschlossen; im Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von Kühlgasführungen vorgesehen. In Fig. 1 und in den nachfolgenden Fig. 2 und 3 ist jeweils nur eine dieser Kühlgasführungen wiedergegeben. Die Gaszufuhr in die Gassammelkammer 12 ist in den Figuren der Zeichnung nicht dargestellt.

Eine Variante der Corekaverne nach Fig. 1 ist in Fig. 2 wiedergegeben. Diejenigen Ausbildungsmerkmale der Corekaverne nach Fig. 2, die Merkmalen der Fig. 1 entsprechen, sind in Fig. 2 mit gleichem Bezugszeichen wie in Fig. 1, jedoch zusätzlich mit einem Apostroph markiert, beispielsweise ist die Zylinderachse in Fig. 1 mit "1", in Fig. 2 mit "1&min;" angegeben.

Der trichterförmige Innenraum des Kavernenbodens 5, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in zwei übereinander angeordnete Kegelstumpfteile 13, 14 aufgeteilt, von denen der obere Kegelstumpfteil 13 den gleichen Kegelwinkel 15 wie der untere Kegelstumpfteil 14 und einen Kegelbasisdurchmesser 16 an seinem oberen Kegelende aufweist, der - zum Anschluß an den Innenraum der Corekaverne - mit dem äußeren Durchmesser des die Brennelementkugelschüttung 21 aufnehmenden Innenraums der Corekaverne übereinstimmt. Der untere Kegelstumpfteil 14 weist an seinem oberen Kegelende einen Kegelbasisdurchmesser 17 auf, der dem Kegelstumpfdurchmesser des Kegelstumpfteils 13 an dessen unterer Kegelstumpfseite entspricht; die Kegelstumpfteile 13, 14sind somit fluchtend übereinander angeordnet. Der untere Kegelstumpfteil 14 führt zum Kugelabzug 4&min;, sein Kegelstumpfdurchmesser am unteren Kegelstumpfende entspricht somit dem Durchmesser 18&min; des Kugelabzugs 4&min;

Zwischen den Kegelstumpfteilen 13, 14 ist eine obere Zweigleitung 19, die an die Kühlgasführung 7&min; angeschlossen ist, mit senkrechten Öffnungen 20 zum Ausströmen des Kühlgases in den trichterförmigen Innenraum des Kavernenbodens 5, angeordnet. Eine untere Zweigleitung 21 zur Kühlgasführung verläuft unterhalb des unteren Kegelstumpfteils 14 und mündet mit senkrechten Öffnungen 22 an der Trichterspitze des Kavernenbodens 5, unmittelbar in den Kugelabzug 4&min;. Das Kühlgas strömt - wie schon im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - aus einer Gassammelkammer 12&min; in die Kühlgasführung 7&min; und die untere Zweigleitung 21 ein. An der Gassammelkammer 12&min; sind mehrere Kühlgasführungen 7&min; angeschlossen; in Fig. 2 ist wie in Fig. 1 nur eine dieser Kühlgasführungen dargestellt.

Der trichterförmige Innenraum des Kavernenbodens 5&min; nach Fig. 2 besteht somit aus einem horizontal in zwei Kegelstumpfteile 13, 14 getrennten Trichter, wobei die Kegelstumpfteile übereinander liegen und zwischen ihnen ein zylindrischer Teil mit den Öffnungen 20 für die obere Zweigleitung 19 angeordnet ist, sowie einer zylindrisch auslaufenden Trichterspitze, die in den Kegelabzug 4&min; mündet und im Mündungsbereich die Öffnungen 22 der unteren Zweigleitungen 21 aufweist. Eine solche Ausbildung eignet sich insbesondere für eine Corekaverne mit hinreichend kleinem Druckabfall beim Durchströmen des Kühlgases durch den Kugelhaufen. Durch die horizontal verlaufenden Kühlgasführungen mit in den zylindrischen Teilen senkrecht stehenden, also parallel zur Durchlaufrichtung der Brennelementkugeln ausgerichteten Öffnungen 20, 22 wird ein Verstopfen der Kühlgaszuführungen bzw. ihrer Zweigleitungen vermieden.

Für Kugelhaufenreaktoren höherer Leistung in der Kugelschüttung ist vorgesehen, eine Mittelsäule in der Corekaverne anzuordnen und die Brennelementkugeln ringförmig um die Mittelsäule herum aufzuschütten. Für einen solchen Kugelhaufenreaktor zeigt Fig. 3 eine der Erfindung entsprechende Kühlgaszufuhr seitlich oberhalb der Sohle des Kavernenbodens.

In Fig. 3 ist schematisch, wie in den in Fig. 1 und 2, wieder der untere Bereich einer zylindrischen Corekaverne mit Zylinderachse 23 im Halbschnitt, mit einer Mittelsäule 24, mit im Querschnitt ringförmig um die Mittelsäule 24 aufgeschütteter Brennelementkugelschüttung 25, mit die Schüttung 25 umgebendem Reflektor 26 und Kugelabzügen 27 wiedergegeben, von denen in Fig. 3 nur einer dargestellt ist. Die Kugelabzüge gehen im Kavernenboden 28 von dessen Sohle 29 aus, sie sind ringförmig um die Zylinderachse 23 unterhalb der Brennelementkugelschüttung 25 angeordnet und befinden sich in einem der äußeren Wand 30 der Mittelsäule 24 nahegelegenen Bodenbereich an der Sohle 29 des Kavernenbodens 28.

Im Ausführungsbeispiel weist der Kavernenboden 28 eine trichterförmige Innenwand 31 auf, über die die Brennelementkugeln zu den Kugelabzügen 27 im Kavernenboden 28 geführt werden.

Die Kühlgaszufuhr 32 befindet sich zentral in der Mittelsäule 24 und weist Zweigleitungen 33 auf, die horizontal durch die Wand der Mittelsäule 24 geführt sind und mit senkrecht verlaufenden Mündungsöffnungen 34, die als Löcher oder Schlitze ausgeführt und in Fig. 3 nicht dargestellt sind, in die Brennelementkugelschüttung 25 münden. Das Kühlgas strömt in die Kugelschüttung in einem Bereich ein, in dem sich die Brennelementkugeln kurz vor ihrem Austritt aus der Corekaverne in die Kugelabzüge 27 befinden.

Eine solche Kühlgasführung mit Auf- oder Abwärtsströmung des Kühlgases im Kugelhaufen weist folgende Vorteile auf:

  • - Dem Kühlgas, das im Kugelhaufen entlang der Außenwand der Mittelsäule strömt, in einer Zone also, in der die größte beistungsdichte gegeben ist, wird ein besonders kurzer Weg durch die Brennelementkugelschüttung geboten.
  • - Dem Kühlgas, das an der Innenwand des Außenreflektors strömt, wird der längste Weg durch die Brennelementkugelschüttung aufgezwungen, so daß es sich auch beim Durchströmen von Zonen im Kugelhaufen mit niedriger Leistungsdichte hinreichend aufheizen kann.
  • - Der innere Bereich der Mittelsäule kann vorteilhaft für die Unterbringung der Gassammelkammern, der Heißgas- bzw. Kaltgas-Kammer, genutzt werden, wobei bei Aufwärtsstrom des Kühlgases im unteren Bereich der Mittelsäule die Kaltgaskammer, im oberen Bereich die Heißgaskammer angeordnet ist. Bei Abwärtsstrom liegen die Kammern in der Mittelsäule umgekehrt.
  • - Der Kavernenboden als Bodenreflektor enthält außer den Kugelabzügen keinerlei Öffnungen und kann mit glatter Oberfläche und als massives Bauelement mit besserer Reflektor- und Abschirmwirkung bei niedriger Bauweise (auch wegen der hier nicht mehr notwendigen Gassammelkammer) gestaltet werden.
  • - Bei Abwärtsstrom kann das Heißgas aus der unteren Gassammelkammer in der Mittelsäule in einfacher Weise zu den Dampferzeugern bzw. Wärmetauschern geführt werden. Darüber hinaus ist eine gute Durchmischung des aufgeheizten Kühlgases erreichbar.


Ein Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktor mit Mittelsäule und einer Leistung von 400 MW (thermisch), bei dem das Kühlgas im Aufwärtsstrom entsprechend dem Stand der Technik durch Öffnungen auf der Sohle des Kavernenbodens in die Brennelementkugelschüttung eingeführt wird, zeigt Unterschiede für die Austrittstemperatur des Kühlgases aus der Corekaverne von mehr als 150°C. Diese Temperaturdifferenzen reduzieren sich auf weniger als 10°C, wenn die Kugelabzüge an der Wand der Mittelsäule angeordnet sind und das Kühlgas über die Mittelsäule über Schlitze, die am unteren Ende der Mittelsäule angeordnet sind und 30% der Länge der Mittelsäule ausfüllen, in den Kugelhaufen einströmt. Eine weitere Reduktion der Austrittstemperaturdifferenzen könnte mit einem über der Höhe der Mittelsäule variierten Lochanteil erreicht werden, wobei der größere Teil der Kühlgasmenge in den Kugelhaufen im Bereich oberhalb der Kugelabzüge eingeführt wird.

Bezugszeichenliste

1, 1&min; Zylinderachse

2, 2&min; Brennelementkugelschüttung

3, 3&min; Reflektor

4, 4&min; Kugelabzug

5, 5&min; Kavernenboden

6, 6&min; Sohle

7, 7&min; Kühlgasführung

8, 8&min; Innenwand

9, 10 Zweigleitung

11 Öffnungen

12, 12&min; Gassammelkammer

13, 14 Kegelstumpfteil

15 Kegelwinkel

16, 17 Kegelbasisdurchmesser

18 Durchmesser des Kugelabzugs

19 Zweigleitung

20 Öffnungen

21 Zweigleitung

22 Öffnungen

23 Zylinderachse

24 Mittelsäule

25 Brennelementkugelschüttung

26 Reflektor

27 Kugelabzug

28 Kavernenboden

29 Sohle

30 Wand der Mittelsäule

31 Innenwand

32 Kühlgaszufuhr

33 Zweigleitung

34 Mündungsöffnung.


Anspruch[de]
  1. 1. Kugelhaufenreaktor mit einer von Brennelementkugeln gefüllten und von Reflektormaterial begrenzten Corekaverne, die von den Brennelementkugeln unter Schwerkraftwirkung durchsetzt und von Kühlgas im Abwärts- oder Aufwärtsstrom durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ab- bzw. Zuführen von Kühlgas vorgesehene Kühlgasleitungen (7, 9, 10; 7&min;, 19; 32, 33) seitlich oberhalb der Sohle (6, 6&min;, 29) des Kavernenbodens (5, 5&min;, 28) in die Corekaverne münden.
  2. 2. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgasleitungen (7, 9, 10) bei zum Abzug der Brennelementkugeln mulden- oder trichterförmiger Ausbildung des Kavernenbodens (5) oder bei mehreren mulden- oder trichterförmigen Ausbildungen im Kavernenboden in zumindest zwei übereinanderliegenden Ebenen in Mulden- oder Trichterwände münden.
  3. 3. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgasleitungen (9, 10; 19; 33) horizontal verlaufen.
  4. 4. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgasleitungen (32, 33) bei einer Anordnung mit einer Mittelsäule (24) in der Corekaverne in der Mittelsäule (24) verlaufen und im Wandbereich (30) der Mittelsäule (24) in die Corekaverne münden.
  5. 5. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Brennelementkugeln vorgesehene Kugelabzüge (27) im Kavernenboden (28) in einem der Mittelsäule (24) nahen Bodenbereich angeordnet sind.






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