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Graphitmoderierter Kernreaktor
Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und betrifft im besonderen temperaturgesteuerte, gra- phitmoderierte Kernreaktoren.
Ein gasgekühlter, mit natürlichem oder nur wenig angereichertem Uran geheizter, graphitmoderierter
Reaktor, besitzt eine Reaktivität, die von der Temperatur der Komponenten im Reaktor abhängt. Wenn die Reaktivität mit der Temperatur ansteigt, sagt man, der Reaktor habe einen positiven Reaktivitätskoeffizienten (ausgedrückt in Einheiten der Reaktionsänderung per OC Temperaturänderung) und wenn sie mit der Temperatur abnimmt, besitzt er einen negativen Reaktivitätskoeffizienten. Der positive Koeffi- zient involviert eine Tendenz zur Unstabilität, welche an sich nicht notwendigerweise gefährlich ist, da sie geregelt werden kann oder letzten Endes durch Stillsetzen des Reaktors überwunden werden kann.
Der Brennstoff im Reaktor besitzt, für sich allein betrachtet, einen negativen Reaktivitätskoeffi- zienten. Wird er jedoch in Kombination mit Graphit betrachtet, können Bedingungen auftreten, welche die Bildung eines positiven Koeffizienten hervorrufen. Diese Bedingungen treten auf, wenn der Plutoniumgehalt des Brennstoffes wächst, da Plutonium bei den in Betracht kommenden Temperaturbereichen die Eigenschaft eines ansteigenden Spaltquerschnittes mit anwachsender Neutronenenergie besitzt. Lässt man die ansteigende Spaltungsrate ungeregelt, tritt nach einer kurzen thermischen Verzögerung ein weiterer Temperaturanstieg im Graphit auf und die Spaltungsrate wird weiter anwachsen.
Dieses temperaturempfindliche Anwachsen der Spaltungsrate kann natürlich durch eine Regeleinrichtung gehemmt werden, doch mag es nicht ratsam oder selbst undurchführbar sein, eine Regeleinrichtung mit der Steuerung von ständig hin-und herschwankenden Faktoren zu belasten, von denen der vorgenannte nur einer ist.
Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung in einem graphitmoderierten Kernreaktor zu schaffen, welche einen positiven Reaktivitätskoeffizienten ausschaltet oder zumindest abschwächt.
Gemäss der Erfindung besitzt ein graphitmoderierter Kernreaktor eine Einrichtung, welche das durch den Reaktor strömende Kühlmittel in einen das Brennstoffelement beeinflussenden Kühlmittelteìl und in einen Moderatorkühlmittelteil unterteilt, und es ist eine einstellbare Einrichtung zur Änderung der rela- 'tiven Grössen dieser Teile vorgesehen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das einstellbare. Organ so betätigt, dass der Moderatorteil anwächst, sobald der Teil, welcher das Brennstoffelement beeinflusst, eine höhere Temperatur bekommt.
Der Moderatorkühlmittelteil kann durch den ganzen Graphit des Moderators oder nur durch einen Teil desselben hindurchfliessen. Dort, wo es beispielsweise notwendig ist, die Aufspeicherung Wigner"scher Energie im Graphit im Bereich des Kühlgaseintrittes zu vermeiden oder herabzusetzen, kann das Moderatorkühlmittel so geleitet werden, dass es nur einen Teil des Graphitaufbaues durchstreicht, so dass der Graphit in den Kühlzonen nicht unterkühlt wird.
Die Anordnung kann aber auch so getroffen werden, dass der Moderatorkühlmittelteil mit sinkendem Druckabfall durch den Reaktor grösser wird, ein Fall, der auftreten wird, wenn ein Mangel in der Umlaufpumpe eines Kühlmittels eine Herabsetzung des Kühlmittelstroms zur Folge hat und wobei der zunehmende Teil den auf einen solchen Vorfall folgenden Durchgang modifiziert.
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Eine Änderung der relativen Grösse der genannten Teile kann hervorgerufen werden als Teil einer normalen Arbeitscharakteristik oder um die Sicherheit bei Unfällen zu erhöhen. Änderungen der fragglichen Teile könnten die Anlaufeigenschaften beeinflussen, indem die volle Moderatortemperatur bei niedrigerer Leistung zugelassen wird.
Wenn der Reaktor Wärme an einen Boiler zur Herstellung eines Arbeitsmedium für den Antrieb einer Turbine liefert, ist es unerwünscht, allein aus thermodvnamischen Überlegungen den Moderatorkühl- mittelteil so gross sein zu lassen, dass er die Austrittstemperatur des Kühlmittelanteiles des Heizelemen-
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mittel keine Temperaturerniedrigung, wobei eine Austrittstemperatur aus dem Reaktor von 5000 C mögglich ist. In diesem Falle würde der Moderator im Austrittsbereich auch leicht über 5000 C aufweisen.
Würde in dem gleichen Fall der Moderator auf eine Maximaltemperatur von 3750C durch einen 12 zuigen Moderator-Kühlmittelstrom begrenzt, würde die Austrittstemperatur des Reaktors auf 4850C erniedrigt werden.
Eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen stellt Fig. 1 eine Ansicht im Schnitt in schematischer Darstellung und Fig. 2 in vergrössertem Massstab eine Ansicht einer Einzelheit im Schnitt dar.
Fig. 1 zeigt einen Kernreaktor, welcher ein Druckgefäss 100 aufweist, das aus einer oberen Wölbung 101, einem im allgemeinen zylindrischen Teil 102 und einer unteren Wölbung 103 besteht und einen Kern aufweist, der aus einem Graphitmoderator 108 und einem Graphitreflektor 110 besteht, welche von lotrechten Kanälen 109"von denen aus Gründen der Deutlichkeit nur zwei dargestellt sinddurchzogen sind. Die Mehrzahl dieser Kanäle dient zur Aufnahme von Brennstoffelementen und der Rest für Kontrollstäbe, Ausschalteinrichtungen, Durchflussprüfvorrichtungen, Graphitprobenausrilstung usw. Oberhalb des Kernes ist ein Neutronenschirm 111 angeordnet, der von Rohren 115 durchzogen ist, die mit den Kanälen 109 gleichlaufend sind und in Verbindung stehen.
Die Rohre 115 stehen an ihren oberen Enden mit einer Heisskammer 106 und mit Standrohren 116 in Verbindung, welche die obere Wölbung des Druckgefässes durchsetzen und so den Zugang zu den Kanälen 109 zum Zweck der Erneuerung der Heizelemente schaffen. Der Kern 108 und 110 und der Neutronenschirm 111 sind von einem Hitzeschirm 112 umgeben, der von der Zylinderwand des Teiles 102 des Druckgefässes absteht und so zwischen diesen Teilen einen Durchgang 113 schafft. Der Kern 108, 110 und der Neutronenschirm 111 werden von einem Doppelgitter 114 unterstützt, welches seinerseits auf Gestellen in der Wölbung 103 des Druckgefässes aufruht. Die auf den Gestellen liegende Last wird durch die Wand des Druckgefässes auf Fundamente übertragen.
Die Heisskammer 106 ist über eine Leitung 105 mit einem oder mehreren Wärmeaustauschern verbunden, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 117 dargestellt ist. Ein Zirkulator 118, dessen Antrieb in einem Gehäuse 137 untergebracht ist, sitzt innerhalb der Wandung an der Unterseite des Wärmeaustauschers 117, und eine Rücklaufleitung 104, die koaxial zur Leitung 105 angeordnet ist und einen ringförmigen Durchlass 119 zwischen den Leitungen 104 und 195 herstellt, verbindet den Zirkulator mit dem Inneren des Druckgefässes.
Das Kühlmittel, beispielsweise Kohlendioxyd, wird unter Druck durch den Zirkulator 118 zum Umlaufen gebracht und strömt den Durchlass 119 zwischen den Leitungen 104 und 105 entlang in das Druckgefäss, um dort die Wölbung 101 zu kühlen ; hierauf strömt es durch den Durchlass 113 hindurch und kühlt dabei den Wärmeschirm und die Wand 102 des Druckgefässes, fliesst hierauf nach oben durch jene der Kanäle 109, welche Heizelemente enthalten und Kernhitze auf das Kühlmittel übertragen, dann aufwärts durch die Rohre 115 in die Heisskammer 106, weiter entlang der Leitung 105 zum Wärmeaustauscher 117, wo es nacheinander von unten nach oben einen Überhitzer 138, einen Verdampfer 139 und einen Vorwärmer 140 durchströmt, in welchen die Wärme des Kühlmittels ausgetauscht wird, indem es Dampf erhitzt bzw.
überhitzt, der in an sich bekannter Weise zum Antrieb eines nicht dargestellten Turbogenerators zur Herstellung elektrischer Energie verwendet werden kann. Nach Abgabe seiner Wärme fliesst das Kühlmittel nach abwärts in Berührung mit der dadurch gekühlten Wand des Wärmeaustauschers 117 und weiters zum Zirkulator 118, um von dort in das Reaktordruckgefäss zurückgeleitet zu werden. Wie ersichtlich, wickelt sich der Kühlmittelumlauf in einem geschlossenen System ab.
Fig. 2 zeigt einen Kanal 109 mit einem Aggragat 120 aus Brennstoffelementen in schematischer Darstellung. Letzteres besteht aus vier Brennstoffelementen 121, welche miteinander verbunden sein können und einem Neutronenschirmstopfen 122, der an das oberste Brennstoffelement über ein Distanzstück 126 angeschlossen ist. Der Stopfen 122 besteht aus einem zentralen, axialen Teil 123, der mit schraubenförmigen Rippen 124 ausgestattet ist, deren Aussenkanten mit einer Hülse 127 in Berührung
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stehen und die einen direkten Austritt für Neutronenströme vom Kern verhindern, so dass die Neutronen zerstreut und im Neutronenschirm 111 absorbiert werden. Die Rippen 124 sind, beispielsweise durch Ver- schweissen, an ihren oberen Enden mit der Hülse 127 verbunden, welche aus einem Stück mit dem
Distanzstück 126 besteht.
Die Hülse 127 steht von dem den Neutronenschirm 111 durchsetzenden Rohr 115 ab und bildet so einen schmalen Ringdurchlass 128 zwischen diesen Teilen. Das untere Ende der Rippen
124 ist mit einem Fortsatz 125 versehen, dessen ringförmige Rippe 129 in eine entsprechende ringförmige
Ausnehmung 130 im oberen Ende des Distanzstückes eingreifen kann. Neben der ringförmigen Rippe 129 und der Ausnehmung 130 ist beim Kragen 132, welcher die Hülse 127 und das Distanzstück 126 verbindet, eine Anzahl von Öffnungen 131 vorgesehen. Der Kragen 132 bildet eine Stufe, die das Hinaufströmen von von den Brennstoffelementen kommenden Neutronen durch den Durchlass 128 verhindert.
Die Hülse 127, das Distanzstück 126 und der Kragen 132 bestehen aus einem andern Material als die Rippen 124, so dass eine verschiedene Ausdehnung beim Erwärmen eintritt, mit dem Ergebnis, dass die von der mit der Ausnehmung 130 zusammenwirkenden Rippe 129 bewirkte Einschnürung des Kühlmittelstromes durch die Öffnungen 131 bei Temperaturanstieg kleiner und bei Temperaturrückgang grösser wird. Als Material kommt hier ein ferritischer Stahl, beispielsweise eine rostfreie Stahllegierung mit 12-14 % Cr und l Ni für die Rippen 124 in Betracht und ein austenitischer Stahl, beispielsweise eine stabilisierte rostfreie Stahllegierung aus 18 % Cr und 8 % Ni für die Hülse 127, das Distanzstück 126 und den Kragen 132.
Die Brennstoffelemente 121, welche ausführlicher in der belgischen Patentschrift Nr. 575. 083 be- schrieben sind, besitzen Mantelteile 136 (üblicherweise aus Graphit), die von der Wand des Kanales 109 abstehen und dadurch einen ringförmigen Zwischenraum 133 schaffen. Sie passen an ihren Enden genau aneinander, um jede Undichtheit zwischen dem Durchgang 133 und ihrem Innenraum zu verhindern. Das Aggregat 120 sitzt auf einem Sockel 134, der so angeordnet ist, dass der Kühlmittelstrom sowohl durch die Brennstoffelemente 121 (siehe Pfeile A) als auch aufwärts durch den ringförmigen Durchlass 133 (siehe Pfeile B) und weiterhinauf durch den Durchlass 128 bis zur Vereinigung mit dem Brennstoffelement-Kühlmittelteil am Kopf des ganzen Aggregates 120 erfolgt.
Da der Kühlmittelstrom im Durchgang 128 stark eingeschnürt ist, wird der Strom im Durchgang 133 von jener Menge an Kühlmittel geregelt, die sich über die Öffnungen 131 mit dem Brennstoffelement-Kühlmittelteil vereinigen, welche Regelung durch die von der Rippe 129 und der Ausnehmung 130. gelieferten Einschnürung bestimmt wird, die ihrerseits abhängig ist von der Temperatur des durch die Brennstoffelemente 121 hindurchgetretenen Kühlmittels.
Es leuchtet ein, dass der Kühlmittelstrom durch den ringförmigen Durchlass 133, der einigermassen gegen die Brennstoffelemente 121, durch die Mäntel 136, in denen sie sich befinden, thermisch isoliert ist, dazu dient, den Moderator 108 zu kühlen, wobei das Ausmass der Moderatorkühlung vom Strom im Durchlass 133 gesteuert wird und wobei fernerhin diese Änderung der Moderatorkühlung mit ihrer begleitenden Wirkung auf die Reaktivität durch Änderung der Austrittstemperatur des Brennstoff-Kühlmittels hervorgerufen wird, vorausgesetzt, dass dessen Temperaturerniedrigung durch den Moderatorkühlmittelanteil nicht erheblich ist.
Der Effekt einer solchen Änderung des Moderatorkühlmittelstromes auf die Reaktivität hängt ab von einer Anzahl von Faktoren, wie den thermischen Zeitkonstanten des Systems, der Natur des Kühlmittels, der Art der Wärmeaustauschflächen und der Plutoniumkonzentration im Brennstoff. Durch richtige Auswahl der Einschnürungscharakteristik (beispielsweise der von einer bestimmten Temperaturänderung bewirkten Regulierung, bestimmt von der Höhe der Differentialexpansion) kann dem Reaktor die Wirkung eines negativen Reaktivitätskoeffizienten eines annähernd gleichförmigen Koeffizienten oder eines herabgesetzten positiven Koeffizienten verliehen werden. Ein grosser negativer Koeffizient ist unerwünscht, da er auch Unstabilität verursachen kann.
Eine Verkleinerung der von der Rippe 129 und der Ausnehmung 130 gebildeten Einschnürung beim Anstieg der Temperatur des aus den Brennstoffelementen 121 ausströmenden Kühlmittels erhöht auch leicht die Gesamtmenge des den Kanal 109 aufwärts fliessenden Kühlmittels, weil beim Kleinerwerden der Einschnürung der Druckabfall zwischen den Enden des Aggregates abnimmt. Dies kompensiert die Herabsetzung der Brennstoffelement-Kühlmittelfraktionsmenge bei Anstieg der Moderatorkühlmittelfraktion, was sonst zu einem weiteren Anstieg der Temperatur der Brennstoffelement-Kühlmittelfraktion führen könnte.
Wenn Probleme der Energiespeicherung nach Wigner vorschreiben, dass ein Kühlen der unteren Zonen des Moderators nicht erwünscht ist, kann die Anordnung so getroffen werden, dass der Tragsockel 134 den Kühlmittelstrom nur durch das offene Ende des untersten Mantels 136 treten lässt und einen Kühlmittelstrom in den ringförmigen Durchlass 133 verhindert, wobei ein Spalt 141 zwischen den Enden benachbarter Mäntel 136 - wie dies beispielsweise durch strichpunktierte Linien in Fig. 2 gezeigt ist-ein Durchsickern von Kühlmittel - durch strichpunktierte Pfeile C angedeutet-in den Teil des Durchlasses 133 gestattet, in dem ein Kühlen des Moderators gewünscht wird.
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Ein anderer-nicht dargestellter-Weg, um die Erfindung in die Tat umzusetzen, besteht darin, dass ein den Moderatorkühlmittelstrom regelndes Ventil in der Kühlmittelaustrittszone jedes Kanales angeordnet ist, welches auf die Austrittstemperatur der Brennstoffelementfraktion anspricht. Das Ventil könnte z.
B. durch thermische Expansion des Ventilrohres betätigt werden, wobei ein Ventilrohr von 2,5 m. welches ein Ventil mit einer normalen Öffnung von 5 mm betätigt, hergestellt werden könnte, um den Moderatorkühlmittelstrom um 1 % bei einer Temperaturänderung von 0, 1 % (0,25 C) in der Temperatur des Brennstoffelement-Kühlmittels zu ändern.
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mente in Graphitrohren gehalten werden, die ihrerseits in einem Käfig angeordnet sind, der aus einem
Material mit höherem Ausdehnungskoeffizienten als jener des Graphits besteht, und wobei der Käfig locker an den Graphitrohren verankert ist. Die Anordnung kann dann so getroffen werden, dass innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches die Rohre sich gegenseitig an ihren Enden berühren und so einen durchlaufenden Kanal bilden.
Erreicht die Temperatur die obere Grenze des Bereiches, ist der Spielraum in der Verankerung aufgebraucht ; und es hebt der Käfig, welcher schneller wächst als die Graphitrohre, letztere voneinander ab, so dass Kühlmittel von den Rohren nach aussen tritt und dabei in den Graphit eintritt. Eine derartige Einrichtung kann hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Rohre so ausgestattet sein, dass verschieden grosse Bewegungen zwischen den Rohren entsprechend den Abständen der Verankerungen und deren Spielraum auftreten. Dabei würde auch der zusätzliche Effekt auftreten, dass der Brennstoff weiter weg bewegt wird,-als die Mäntel sich bewegt haben, wodurch die Reaktivität weiter ermässigt und die Stabilität vergrössert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Graphitmoderierter Kernreaktor, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Teilen des durch den Reaktor fliessenden Kühlmittelstromes in einen Brennstoffelement-Kühlmittelteil und einen Moderator-Kühlmittelteil sowie durch eine Einstellvorrichtung zur Änderung der relativen Grösse dieser Teile.