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Kernreaktor mit Graphitmoderator
Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren.
In einem graphitmoderiertenReaktor wird im Graphit als Folge des Neutronenbombardements Energie gespeichert. Erhitzt sich der Graphit über die Betriebstemperatur, so kann unter gewissen Umständen eine sich von selbst aufrechterhaltende Freigabe dieser Energie unter weiterer Temperatursteigerung erfolgen.
Dies ist die sogenannte"Wigner"-Freigabe (Wigner release). Das Ausmass dieser Energiespeicherung und damit die Gefahr einer zufälligen Freigabe der Energie können durch Erhöhung der Temperatur verringert werden, bei welcher der Graphit bestrahlt wird.
Die übliche Auslegung eines graphitmoderierten Kernreaktors mit im Graphitmoderator hergestellten
Kanälen für Brennstoffelementenaufnahme ergibt eine Verteilung der Graphittemperatur, die der Verteilung der Kühlmitteltemperatur in den Brennstoffkanälen ziemlich angeglichen ist, nämlich verhältnis- mässig niedrige Temperaturen, dort, wo das Kühlmittel in den Moderator eintritt und hohe Temperaturen dort, wo das Kühlmittel aus dem Moderator austritt.
Je nach der Ausbildung des Moderators bestehen je- doch gewöhnlich eine Anzahl von Durchtrittswegen zwischen den Kanälen für die Brennstoffelemente und den Fugen zwischen den Graphitziegeln, aus denen der Moderator aufgebaut ist, so dass das Kühlmittel Teile des Moderators erreicht und diese auf niedrigerer Temperatur hält, als die entsprechenden Teile der Brennstoffkanäle, trotzdem im Moderator wegen der Strahlung des Graphits eine nur mässige Wärmemenge (z. B. 6 % der gesamten erzeugten Wärme) erzeugt wird.
Bisher wurde dies nicht als nachteilig angesehen und tatsächlich bestehen Vorschläge, die Kanäle zum Zwecke der Erhöhung der Wärmeübertragung vom Moderator auf das Kühlmittel auszukleiden.
Gegenstand der Erfindtng ist eine Einrichtung, um die mittlere Temperatur des Moderatorkörpers zu er- höhen und eine geeignete Temperaturverteilung im Aufbau des Moderators eines graphitmoderierten
Kernreaktors zu erzielen im Bestreben, das sich selbst aufrechterhaltende Freiwerden der gespeicher- ten Energie hintanzuhalten.
Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Moderator aus Graphit, der von einer Anzahl ausgekleideter Kanäle für die Aufnahme von Brennstoffelementen durchsetzt ist, durch welche Kanäle ein Kühlmittel hindurchgeschickt werden kann, und der dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Kanalaus- kleidung praktisch dicht ist und von den Kanalwänden absteht, um einen thermisch isolierenden Zwi- schenraum zwischen dem Moderator und dem Kühlmittel zu bilden. Dadurch wird das Kühlmittel ge- zungen, innerhalb der Auskleidungen zu fliessen, so dass der Moderator oberhalb der Kühlmitteltemperatur arbeiten muss.
Zur Erzielung der besten Resultate gelten für den Abstand der Auskleidung vom
Moderator zwei wesentliche Erwägungen : In erster Linie soll der Abstand nicht so unbedeutend sein, dass die Wärmeleitung über den Zwischenraum so gross wird, dass die Moderatortemperatur an jene der Aus- kleidung zu nahe heranreicht und in zweiter Linie soll der Abstand derselben von den Kanalwänden nicht so gross sein, dass im Zwischenraum eine Übertragung von Wärme vom heisseren Moderator zu der kühle- i ren. Auskleidung durch Konvektion vor sich gehen kann. Ein Abstand oder Zwischenraum, der eine Wärme- übertragung zulässt, die sich in grossen Zügen gleichmässig in Leitung, Konvektion und Strahlung teilt, hat sich als zweckmässig erwiesen.
Unter der Bezeichnung "praktisch dicht" für die Kanalauskleidung ist gemäss der Erfindung die Mög-
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lichkeit derart geringer Spalte zwischen den Teilen der Auskleidung und ihren Verbindungsstellen mit der eigentlichen Kanalwand zu verstehen, dass durch dieselben Kühlmittel mit auch nur einigermassen wesentlicher Kühlwirkung auf den Graphit des Moderators nicht mehr hindurchtreten kann.
An sich wurden in die Kühlkanäle eines Reaktorkernes eingesetzte Auskleidungsorgane auch bereits vorgeschlagen, um dadurch ein Abscheuern der Kanalwände beim Herausziehen und Wiedereinsetzen eines Brennstoffelementes zu verhindern. Die Anordnung ist so getroffen, dass dabei Kühlmittel durch die Auskleidung oder zwischen der Auskleidung und den Kanalwänden hindurchfliessen kann. Darüber hinaus wirkt das, gegebenenfalls aus Metall bestehende Auskleldungsorgan keineswegs isolierend, verhindert also nicht, dass durch das Kühlmittel eine Abfuhr von Wärme vom Moderator über die Kanalwände erfolgt.
Demgegenüber verhindert gemäss der Erfindung die Auskleidung einen Kontakt zwischen Kühlmittel und Kanalwänden und der geschlossene Ringraum zwischen jedem Auskleidungsteil und der Kanalwand wirkt als thermisch isolierende Sperre für den Übergang von Wärme aus dem Moderator auf die Auskleidung.
Bei Verwendung von Graphitbürsten oder -muffen von 7, 5 mm Dicke als Auskleidung ist ein Zwischenraum von 3, 8 mm typisch, entsprechend und geeignet.
Jeder Kanal kann mit einem einzigen kontinuierlichen Rohr oder mit einer Reihe von mit ihren Stirnenden aufeinander gestellten Büchsen ausgekleidet werden. Im letzteren Falle, wobei unvermeidlich geringe Durchtritte stattfinden und der Moderator ziemliche Durchtrittswege in Verbindung mit den Brennstoffelementkanälen aufweist (wie beim Moderator nach der brit. Patentschrift Nr. 784, 292, woselbst Durchtritte in die Zwischenräume zwischen den Ziegeln erfolgen können), ist es notwendig, diese Wege abzuschliessen. Dies kann durch entsprechende Abdichtmuffen oder Bunde, welche die Mündungen dieser Wege abschliessen, erfolgen.
Das Rohr bzw. die Büchse können, wie erwähnt, aus Graphit bestehen oder auch ausirgendwelchem andern, geeigneten Material mit niedrigem Neutronenabsorptionsquerschnitt, wie z. B. Magnesium, Beryllium, Beryllerde, Zirkon oder Siliciumkarbid. Sie sollen entfernbar sein (insbesondere, wenn sie aus Gra- phitbestehen, da dieser Wigner-Energie speichert und sie können entweder einen Ersatz oder ein Auskühlen ausserhalb des Reaktors erforderlich machen).
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnung erläutert, in welcher Fig. l einen lotrechten Schnitt eines Kanals für Brennstoffelemente in einem Kernreaktor nach der Erfindung und Fig. 2 einen gleichen Schnitt eines modifizierten Kernreaktors nach der Erfindung zeigt.
In Fig. 1 ist eine Säule 1 aus im Querschnitt viereckigen Graphitblöcken 2 dargestellt, die mit ihren Stirnseiten aufeinanderstehen und durch Graphitziegel 3, wie in der brit. Patentschrift Nr. 784,292, getrennt sind. Das untere Ende der Säule ist mit einer Abstützung 4 für ein Brennstoffelement (nach der brit. Patentschrift Nr. 783,049) ausgestattet, die eine Säule aus Brennstoffelementen 5 sowie einen Graphitring 6 mit konischer oberer Fläche 7 und schrägem unteren Ende 8 trägt, der einen glatten Durchgang zwischen der Stütze 4 und einer im unteren Bereich des Kanals angeordneten Graphitbiichse 9 ergibt. Die Büchse 9 besitzt eine konische Stirnfläche 10, die auf das konische Ende 7 des Ringes 6 aufpasst.
Im Bereich der Ziegel 3 wird eine Abdichtmuffe 11 beim Zusammenbau der Blöcke eingesetzt. Die Büchse 9 endigt in einem Verbindungsstück 12, das knapp in die Muffe 11 einpasst. Eine weitere Büchse 13 passt in das Verbindungsstück 12 ein, so dass die Büchsen 9, 13 übereinander gereiht werden können und dabei einen ununterbrochenen Durchgangsweg 14 bilden, der in einer Büchse 15 im Kanal 16 der Säule 1 endigt. Die letzte Büchse 15 passt in ein zulaufendes Endstück 17 ein. Typische Abmessungen sind folgende : Die Graphitblöcke 2 haben eine Seitenabmessung von 200 mm ; der Kanal 16 in der Säule 1 hat einen Durchmesser von 126,5 mm. Der Aussendurchmesser der Büchsen 9, 13 und 15 beläuft sich auf 119 mm, so dass Zwischenräume 18 zwischen Büchsen und Blöcken in der Grösse von 3, 75 mm entstehen. Der Innendurchmesser der Büchsen 9,13 und 15 beträgt 104 mm.
Brennstoffelemente werden in den auf der Stütze 4 ruhenden Durchgangsweg 14 eingebracht und ein Kühlmittel für die Brennstoffelemente wird durch die Stütze 4 hindurchgeschickt (siehe Pfeile 19) und durch das Endstück 17 (Pfeile 20) abgeführt. Di den Zwischenräumen 18 besteht ein Ringmantel aus Gas, um die Wärmeübertragung zwischen Säule 1 und den Büchsen 9, 13 und 15 zu verringern. Dieser Gasmantel befindet sich nahezu in Ruhe, wenn auch eine geringfügige Bewegung besteht, die sowohl bei der Konvektion im Zwischenraum als auch bei den geringen Ableitungen durch die Fugen zwischen den Büchsen und bei den konischen Flächen 7,10 vor sich gehen kann. Die Abdichtmuffe 11 schliesst den hauptsächlichsten Durchtrittsweg dicht ab, nämlich den Weg, der entlang der Fugen der Ziegel 3 besteht.
In Fig. 2 bezeichnen dieselben Ziffern mit Fig. 1. identische Teile.
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In Fig. 2 ist eine Säule 1 aus im Querschnitt quadratischen Blöcken 2 veranschaulicht, die mit ihren Stirnseiten aufeinander ruhen und durch Graphitziegel 3 nach Art der brit. Patentschrift Nr. 784,292 getrennt sind. Die Basis der Säule it mit einer Stütze 4 ausgestattet, welche Brennstoffelemente (brit. Patentschrift Nr. 783, 049) und einen konischen Stern 21 mit Ortungsstift 22 trägt, der in die Stütze eintritt. Der Stern 21 ist aus einem Stück mit einem Rohr 23 hergestellt, welch letzteres labyrinthartige Enden 24 aufweist. Ein glatter Abschnitt des Rohres 25 ist an das Rohr 23 und ein Labyrinthabschnitt 26 an das Rohr 25 angeschweisst. Der Abschnitt 26 weist bei 27 eine Schulter auf, die zur Aufnahme des unteren Endes eines wegnehmbaren glatten Rohres 28 dient.
Letzteres besitzt an seinem oberen Ende ein Labyrinth und ist ebenfalls mit einer Schulter zur Aufnahme eines andern Rohres 28 usw. ausgestattet, bis das oberste Rohr 28 mit dem Labyrinthteil 29 erreicht ist. Auf dem konischen Stern ruht eine Säule aus Brennstoffelementen 5 und wird durch Arme 30. des Sternes, welchem Abschlusskappen 31 der Brennstoffelemente zugeordnet sind, in ihrer Lage gehalten. Durch die Rohre hindurch besteht also eine ununterbrochene Bahn 14 und sie bilden mit dem im Inneren der Säule 1 befindlichen Kanal 16 einen ringförmigen Zwischenraum 18 von ungefähr 3,8 mm Breite, um dadurch die Wärmeübertragung zwischen Säule 1 und den Rohren herabzusetzen.
Die Labyrinthabschnitte in den Rohren vermindern erheblich ein Strömen des Gases entlang des ringförmigen Zwischenraumes 8, das sonst die Wärmeübertragung über den Zwischenraum 18 hinweg fördern würde.
Bei einer Ausführungsform sind die Schultern 27 weggelassen und die Rohre einfach aneinandergestossen, wobei zu beiden Seiten der Fuge eine Labyrinthdichtung vorgesehen ist. Es kann auch wünschenswert sein, eine Schulter oder ein weiteres Labyrinth zwischen den Enden der Rohre vorzusehen, um möglichste Festigkeit gegen Biegung der Brennstoffelemente zu erzielen.
Die nach Fig. 2 gebauten Rohre können in einen Kanal für Brennstoffelemente jedes bestehenden gasgekühlten, graphitmoderierten Reaktors eingesetzt werden, der entsprechend glatte Brennstoffkanäle 16 enthält.