AT209453B

AT209453B - Kernreaktor

Info

Publication number: AT209453B
Application number: AT739358A
Authority: AT
Original assignee: Simmering Graz Pauker Ag
Priority date: 1958-10-24
Filing date: 1958-10-24
Publication date: 1960-06-10

Description

Kernreaktor
Die bisher bekannten energieerzeugenden Kernreaktoren sind unter anderem durch quasi-stationären
Betrieb gekennzeichnet, dass heisst dadurch dass die sekundliche Spaltungszahl in der aktiven Zone des
Reaktors möglichst konstant gehalten wird. Kleine Abweichungen vom kritischen Reaktorzustand, die durch unvermeidliche Schwankungen der Betriebsparameter und durch den Abbrand bedingt werden, gleicht die Regeleinrichtung des Reaktors aus. Die kontinuierliche Wärmeabfuhr erfolgt dabei entwe- der durch ein den Reaktor durchsetzendes Kühlmedium oder durch die umgewälzte Spaltstoff-Flüssigkeit selbst.

Schon frühzeitig in der Entwicklung der Reaktortechnik wurde vorgeschlagen, Kernreaktoren intermittierend-periodisch arbeiten zu lassen, wobei auf Perioden mit anschwellender Kettenreaktion stets
Perioden folgen sollen, in denen die Kettenreaktion zum Erliegen kommt. Die geschilderte Arbeitsweise ist ursprünglich vor allem aus Stabilitätserwägungen in Betracht gezogen worden, da es leichter schien, einen Reaktor intermittierend arbeiten zu lassen. Neuerdings ist der intermittierend-periodisch arbeitende Reaktor auch vom Standpunkt der Energieerzeugung aus interessant geworden, nachdem Versuche gezeigt hatten, dass sich unter bestimmten Bedingungen beim Reaktor gefahrlos beträchtliche Leistungsüberschlage und damit eine hohe integrale Energieabgabe erzielen lassen.

Insbesondere wurden intermittierende Reaktoren mit festem Brennstoff und solche mit wechselnder Füllung und Entleerung des Reaktionsraumes bekannt und patentiert.

Gegenstand dieser Erfindung ist ein Reaktor vom Siedewassertypus, der periodisch-intermittierend betrieben wird. Die Erscheinungen, welche in Siedewasserreaktoren bei Leistungsüberschlägen auftreten, sind im Hinblick auf die Reaktorsicherheit theoretisch und experimentell ausführlich untersucht worden.

("Borax" Experimente. USA 1954.)
Die dabei absichtlich hervorgerufenen Leistungsüberschläge führten zu plötzlichem Aufwallen des moderierendenWassers (Geysir-Effekt). Die Experimente haben den Mechanismus des Leistungsüberschlages und der Dynamik der Siedewasserreaktoren soweit geklärt, dass derartige absichtlich erzeugte Überschläge beherrscht werden können und es möglich ist, sie bei periodischer Wiederholung als Leistungspulsation zur Energieentnahme heranzuziehen. Gegenüber den Reaktoren mit kontinuierlichem Betrieb kann dem periodisch-intermittierend arbeitenden Reaktor eine höhere integrale Leistung entzogen werden.

Im Vergleich zu den bekannten periodisch-intermittierend arbeitenden Reaktortypen hat der Siedewassertyp den Vorzug besonders einfacher Konstruktion und thermodynamisch günstiger Arbeitsverhältnisse. Dies gilt insbesondere für den homogenen Siedewasserreaktor, bei dem die Reaktorflüssigkeit, bzw. der daraus gebildete Dampf das einzige Arbeitsmedium darstellt, das sich noch dazu in einem leicht zu isolierenden Arbeitsraum von einfacher Konfiguration befindet.

Bei einem Kernreaktor nach vorliegender Erfindung wird durch eine programmgesteuerte Regeleinrichtung einer an sich bekannten Bauart eine bezüglich des zeitlichen Ablaufes und der Amplitude der Leistungsschwankungen entsprechend den Reaktordaten dosierte periodische Folge von unterkritischen und überkritischenZuständen des Reaktors herbeigeführt. Diesen beiden Zuständen sind bei einem erfindungsgemäss gebauten Siedewasserreaktor in mechanischer Hinsicht 2 Arbeitsperioden zugeordnet. Zu Beginn der ersten Periode (Arbeitshub) ist der Reaktor unterkritisch und die Arbeitsflüssigkeit befindet sich in ihrer Ruhelage in der aktiven Zone des Reaktors.

In diesem Zustand gleicht der Reaktor in mechanischer Hin-

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lung entsprechend Fig. la, gleichfalls schematisch wiedergegeben ist, befindet sich Im Reaktor 1 über der Arbeitsflüssigkeit 2 kein Gasraum, sondern die Arbeitsflussigkeit erfüllt das ganze Reaktionsgefäss 1
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tung zurückgezogen und das Volumen der Arbeitsflüssigkeit 2 vergrössert sich stark durch Dampfblasenbildung. Dadurch wird die Sperrflüssigkelt 7 verdrängt und übt einen Druckstoss auf das Arbeitsmedium 9 aus. Im darauffolgenden Rücklaufhub mit abgeschalteter Reaktivität kondensieren die Gasblasen und das Volumen der Flüssigkeit 2. vermindert sich wieder.

Fig. 3 zeigt noch weiter schematisiert eine erfindungsgemässe Anordnung eines pulsierenden Siede-
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absorbierenden Schwimmer 15 auf derSperrflUssigkeit 7, der sich in einer Erweiterung 18 des Syphon- rohres 6 bewegen kann. Dieser Schwimmer nähert sich während des Arbeitshubes der aktiven Zone 2. im
Reaktor, wie durch die in Fig. 3 gestrichelt gezeichnete Lage des Schwimmers 15 angedeutet ist und unterstützt dadurch das Abschalten der Kettenreaktion im Verlauf des Arbeitshubes.

In Fig. 4 ist ein weiteres Anordnungsschema dargestellt, bei dem die Sperrflüssigkeit 7 selbst ein starker Neutronenabsorber ist. Beim Arbeitshub steigt sie in dem in Wirkungsnähe der Reaktionszone von 2 befindlichen erweiterten Teil 19 des Syphons 6 empor, nähert sich dabei der aktiven Zone und wirkt derart dämpfend auf die Reaktion.

Fig. 5 zeigt das Anordnungsschema eines Erfindungsbeispieles, bei dem ein Teil der Arbeitsflüssigkelt 2 während des Arbeitshubes durch den Kanal 21 in ein Ausweichgefäss 16., gedrückt wird, das so angeordnet ist, dass ein Geometrienachteil für die Spaltstoffmasse entsteht und infolgedessen eine Dämp- fung der Reaktion eintritt. Am Ende des Arbeitshubes drückt ein Gaspolster 17 die Spaltstoffflilssigke1t 2 wieder in das Reaktorgefäss 1 zurück.

Fig. 6 zeigt schliesslich das Anordnungschema eines Erfindungsbeispiels für zwei im Gegentakt arbeitende Reaktoren. Der rechte Reaktor ist während des Arbeitshubes dargestellt. Das von ihm verdrängte Gas drückt den Arbeitskolben 22 nach links. Gleichzeitig befindet sich der linke Reaktor in der Rücklaufphase. Hat der Kolben seine Endlage erreicht, kehrt sich das Spiel um : der linke Reaktor beginnt zu arbeiten, während das Arbeitsmedium des rechten kondensiert. Die Steuerung kann im einfachsten Fall durch einen Absorberstab bewirkt werden, der zwischen den Reaktoren hin-und herschwingt. Die Bewegung dieses Stabes kann beispielsweise mit Hilfe von bekannten mechanischen Mitteln von der Kolbenstange 23 abgeleitet werden.

Nicht besonders angedeutet sind in sämtlichen Figuren die notwendigen Einrichtungen zur Abfuhr jenes Teiles der Reaktorleistung, die in Form von Wärme auftritt. Dafür dienende. Kühleinrichtungen befinden sich vorzugsweise am Reaktorgefäss 1, dem Expansionsrohr 3, dem Flüssigkeitsabscheider 4 und an einem Teil der Syphonanlage 6.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Kernreaktor mit pulsierend-intermittierendem Betrieb, bei dem während jeder Kettenreaktlonsperiode ein Arbeitshub und während jeder Abschaltperiode ein Rückzughub erfolgt, dadurch gekennzeich- net, dass er nach einem an sich bekannten, auf Kernspaltung beruhenden Siedetypus ausgeführt ist und Perioden stossartige Dampfbildung (Arbeitshub) mit Kondensationsperioden (Rückzughub) abwechseln.

Claims

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Reaktor periodisch und stossartig erzeugte Dampf unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums (9) auf Kolbenanordnungen wirkt.

3. Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem im Reaktor erzeugten Dampf und dem Arbeitsmedium (9) eine Sperrflüssigkeit (7) angeordnet ist, welche den Übertritt von Spaltprodukten in das Arbeitsmedium verhindern soll.

4. Kernreaktor nach den Ansprüchen l und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktor kein besonderer Dampfraum vorhanden ist, sondern die durch intermittierende Dampfblasenbildung in der Reaktorflüssigkeit (2) periodisch aus dem Reaktorraum (1) verdrängte Reaktorflüssigkeit selbst über die Sperrflüssigkeit (7) während des Arbeitshubes mechanische Leistungen abgibt (Fig. 2).

5. Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die für den regelmässigen intermittierenden Verlauf der Abgabe mechanischer Leistung erforderliche periodische Abdämpfung der Reaktivität ganz oder zum Teil durch an sich bekannte periodische Annäherung von neutronenabsorbierenden Substanzen an den aktiven Teil des Reaktors erfolgt, die nicht durch die Regeleinrichtung bewirkt wird, sondern durch die periodischen Strömungsschwankungen des Arbeitsmediums.

6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die neutronenabsorbierende Substanz <Desc/Clms Page number 4> zur periodischen Abdämpfung der Reaktivität in Verbindung mit einem Schwimmer (15) steht, der sich in der Sperrflüssigkeit (7) befindet und aus einer neutronenabsorbierenden Substanz besteht.

7. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrflüssigkeit (7) selbst stark neutronenabsorbierend und hinsichtlich ihrer Strömungsverhältnisse relativ zum aktiven Reaktorinhalt so angeordnet ist, dass beim Arbeitshub eine Annäherung der Absorbermasse an den aktiven Teil des Reaktors stattfindet.

8. Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Arbeitshubes durch die Dampfblasenexpansion ein Teil des Reaktorinhaltes in an sich bekannter Weise in ein gasgefülltes Gefäss (16) verdrängt wird, das so gestaltet und angeordnet ist, dass sich für die Kettenreaktion am Ende des Arbeitshubes ein Geometrienachteil ergibt, der das Abklingen der Kettenreaktion unterstützt.