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Graphitmoderierter, strömungsgekühlter Kernreaktor
Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und betrifft die Temperaturregelung graphitmoderierter, strömungsgekühlter Kernreaktoren.
Ein gasgekühlter, mit natürlichem oder nur wenig angereichertem Uran beschickter 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 Reaktivitätsänderung je Grad Celsius der Temperaturänderung) und wenn sie mit der Temperatur abnimmt, besitzt er einen negativen Reaktivitätskoeffizienten. Der positive Koeffizient involviert eine Tendenz zur Unstabilität, welche an sich nicht notwendigerweise gefährlich ist, so lange als ihre Ansprechzeit zu einer Regelung ausreichend lang ist.
Der Brennstoff im Reaktor besitzt, für sich allein betrachtet, einen negativen Reaktivitätskoeffizienten. Wird er jedoch in Kombination mit Graphit betrachtet, können Verhältnisse eintreten, 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 mit zunehmender Neutronenenergie ansteigenden Spaltquerschnittes (d. i. bei zunehmenden Moderatortemperaturen) besitzt. Lässt man die ansteigende Spaltungsrate ungeregelt, so tritt nach einer kurzen thermischen Verzögerung im Graphit ein weiterer Temperaturanstieg auf, und die Spaltungsrate wird weiter zunehmen.
Dieses temperaturempfindliche Anwachsen der Spaltungsrate kann natürlich durch den Bedienenden gehemmt werden, doch mag es nicht ratsam oder selbst durchführbar sein, den die Vorrichtung Bedienenden mit der Überwachung und Steuerung von ständig wechselnden Faktoren zu belasten, von denen der vorgenannte nur einer ist.
Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, in einem graphitmoderierten Kernreaktor eine Anordnung zu schaffen, welche einen positiven Reaktivitätskoeffizienten ausschaltet oder zumindest abschwächt.
Zur Erreichung dieses Zieles ist gemäss der Erfindung ein graphitmoderierter, strömungsgekühlter Kernreaktor, dessen Moderator von zur Aufnahme von Brennstoffelementen bestimmten Kanälen durchzogen ist, gekennzeichnet durch zusätzliche Kanäle des Moderators für das zutretende Kühlmittel vor seinem Abfliessen im Gegenstrom längs der Brennstoffelementkanäle im Kontakt mit den Brennstoffelementen.
Vorzugsweise ist der Reaktor, dessen Moderator von einem Hitzeschirm umgeben und in einem Behälter untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hitzeschirm und dem Behälter ein ringförmiger Durchtrittsweg vorgesehen ist, und von einem Teil des zuströmenden Kühlmittels am Moderator vorbei längs des ringförmigen Durchtrittsweges zwecks Kühlens des Behälters und des Hitzeschirmes durchströmt zu werden und hierauf dieser Teil mit dem durch den Moderator geströmten Kühlmittel zum Gegenstrom längs der Brennstoffkanäle wiedervereinigt wird.
Der Reaktor nach der Erfindung kann im besonderen eine Einrichtung zum Aufteilen des zuströmen - den Kühlmittels in Teilströme aufweisen, von denen einer längs der zusätzlichen Kanäle und der bzw. die andern in Kontakt mit dem Moderator entlang einem ringförmigen Durchtrittsweg in jedem Brennstoffelementkanal strömt, wobei jeder ringförmige Durchtrittsweg von der Wand des zugeordneten Brenn-
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stoffelementkanals und einer von der Wand abstehenden Büchse begrenzt ist, die einen Durchgang für den aus den wiedervereinigten Teilströmen gebildeten Gegenstrom umschliesst.
Die Anordnung kann aber auch eine Einrichtung aufweisen zum Aufteilen des Kühlmittelstroms, der die zusätzlichen Kanäle durchströmt hat und gegebenenfalls mit dem am Moderator vorbeigeströmten Kühlmittelstrom wiedervereinigt ist, in einen Haupt- und in einen Nebenast, derart, dass der Hauptast längs eines Durchgangsweges in jedem Brennstoffelementkand fliesst, der von einer im Abstand von der jeweiligen Kanalwand angeordneten Büchse umschlossen ist und zur Aufnahme der Brennstoffelemente dient, die mit dem Hauptast in Kontakt stehen, und dass der Nebenast längs eines ringförmigen Durchlasses in-jedem Brennstoffelementkanal geführt ist, welcher Durchlass von der zugeordneten Brennstoffkanalwand und der Büchse begrenzt ist.
Bei diesen Anordnungen ist gemäss der Erfindung vorzugsweise ein Wärmedamm zwischen den Büchsen und den Brennstoffelementen zur Wärmeisolierung des ringförmigen Durchtrittsweges von den Brennstoffelementen und von dem darüberströmenden Kühlmittel vorgesehen. Dabei ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die relative Grösse der genannten Stromäste entsprechend der Temperatur des austretenden Kühlmittels eingestellt.
Der Moderator besteht vorzugsweise aus einem Block aus Graphitziegeln mit darin angeordneten Brennstoffelementen-Längskanälen, wobei die brennstoffreien Kanäle im Moderator für das Kühlmittel durch Zwischenräume zwischen den Längsflächen der Graphitziegel des Moderators gebildet sind. Die Spalte oder Zwischenräume sind vorzugsweise durch Kannellierung ihrer benachbarten Flächen oder fallweise durch Auskehlung der Längskanten benachbarter Flächen geschaffen.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, in welchen Fig. 1 ein schematischer Teilschnitt, Fig. 2 eine schematische schaubildliche Ansicht, Fig. 3 eine schematische Teilansicht im Schnitt und Fig. 4 eine Teildraufsicht ist. Die Fig. 2" 3 und 4 sind in einem grösseren Massstabe als Fig. 1 gezeichnet.
In Fig. 1 ist schematisch ein Kernreaktor mit Druckgefäss 100 veranschaulicht, das aus einem oberen Dom 101, einem im allgemeinen zylindrischen Teil 102 und einem unteren Dom 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, Durchflussprüfvorrichiungen, Graphitprobenausrüstung usw. Oberhalb des Kernes ist unter Belassung eines Zwischenraumes 145 ein Neutronenschirm 111 angeordnet, der von Rohren 115 durchzogen ist, die mit den Kanälen 109 gleichlaufen und in Verbindung stehen.
Die Rohre 115 stehen mittels Öffnungen 144 mit einer Heisskammer 106 und mit Standrohren 116 in Verbindung, welche den oberen Dom durchsetzen und so Zutritt zu den Kanälen 109 - zum Zwecke der Widerbeschickung mit Brennstoff und für andere Zwecke - schaffen und die normal durch (nicht dargestellte) Pfropfen abgeschlossen sind. Der Reflektor 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. Die Bestandteile 108, 110 und der Neutronenschirm 111 sind von einem Doppelgitter 114 getragen, das seinerseits auf Armen im Inneren des Domes 103 des Druckkessels aufruht. Die auf den Armen liegende Last wird durch die Wand des Druckkessels auf Fundamente 146 übertragen (Fig. 1).
Der Neutronenschirm ist in Fig. 2 ausführlicher dargestellt und besteht aus Säulen aus Graphitziegeln 147 mit zwischengelegten Platten 148 aus Bor, die sowie die Ziegel 147 von den Rohren 115 durchsetzt werden. Die Ziegel 147 und die Platten 148 sind mit übereinstimmenden Ausnehmungen 149 versehen, welche nach Zusammenfügung der Ziegel und Platten zum fertigen Neutronenschirm 111 Durchgangswege 150 bilden, welche von der Oberseite des Neutronenschirms 111 zu dem Zwischenraum 145 zwischen diesem Schirm und dem Reflektor 110 des Kernes reichen. Die den Neutronenschirm 111 bildenden Säulen sind je auf einem Schemel 151 gelagert, der auf einem Stutzen 152 aufruht, der seinerseits auf dem Scheitel der zugehörigen Säule aus Graphitziegeln 153 aufliegt, die bei Zusammenfügung den Kern, d. i. den Reflektor 110 und den Moderator 108 bilden.
Der Stutzen 152 greift in den Kanal. 109 der zugehörigen Säule aus Ziegeln 153 ein. Der Schemel 151 besitzt Öffnungen 154, die zwischen dem Raum 145 und dem Kanal 109 Verbindungen herstellen.
Die Heisskammer 106 (Fig. l) 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, befindet sich innerhalb der Wandung des Wärmeaustauschers 117 an dessen Unterseite. Eine Rückflussleitung 104, die
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koaxial zur Leitung 105 angeordnet ist und einen ringförmigen Durchlass 119 zwischen den Leitungen 104 und 105 herstellt, verbindet den Zirkulator mit dem Inneren des Druckgefässes. Das Kühlmittel, z. B.
Kohlensäure, wird unter Druck durch den Zirkulator 118 zum Umlaufen gebracht und strömt entlang des ringförmigen Durchlasses 119 zwischen den Leitungen 104 und. 105 in das Druckgefäss, um dort den Dom
101 zu kühlen. Hierauf teilt sich der Strom in zwei Teile, von denen einer nach abwärts durch den Durch- gang 113 zur Kühlung des Hitzeschirmes 112 sowie der Wand des Druckkesselteiles 102 fliesst. Der andere
Teil des Stromes fliesst nach abwärts durch die Durchgangswege 150 im Neutronenschirm 111, um diesen zu kühlen, sodann zum Zwischenraum 145. In Fig. 3 sind schematisch ein Kernkanal 109 und ein Ag- gregat von darin angeordneten Brennstoffelementen 121 dargestellt. Jedes Brennstoffelement besitzt ein
Graphitrohr 136, das von der Wand des Kanals 109 absteht und dadurch einen ringförmigen Kanal 133 bildet.
Weiters ist zwischen den Brennstoffgliedern des Brennstoffelementes und dem Graphitrohr 136 eine wärmeisolierende Büchse 134 angeordnet, so dass ein Luftspalt 135 mit stehender Luft entsteht, der dazu dient, die Wärmeübertragung von den Brennstoffgliedern und vom darüberfliessenden Kühlmittel zum ringförmigen Kanal 133 zu vermindern. Weiters besitzt der Kern ihn durchsetzende Kanäle, von denen einer schematisch in Fig. 3 dargestellt und mit 120 bezeichnet ist. Die Kanäle sind zweckmässig in benachbarten lotrechten Flächen in jenen Graphitziegeln 153, die von den Kanälen 109 durchsetzt sind, durch Kannellierungen 122 gebildet (Fig. 2 und 4).
Die zwischen den Ziegeln 153 befindlichen Kanäle
120 bieten dem durchströmenden Kühlmittel eine grosse Graphitfläche dar, halten aber gleichzeitig die Querschnittsfläche dieser Kanäle relativ klein, wodurch an Neutronen gespart und eine erhöhte Anreicherung des nuklearen in den Brennstoffelementen 121 befindlichen Brennstoffes unnötig wird.
. Man erkennt nun, dass der über den Durchgangsweg 150 in den Zwischenraum 145 eintretende Teil des Kühlmittels sich weiter unterteilt in einen Ast, der nach abwärts durch die Kanäle 120 fliesst und dabei den Moderator 108 und den Reflektor 110 kühlt und einen andern Kühlmittelast, welcher nach abwärts durch den ringförmigen Kanal 133 fliesst und den Moderator 108 und den Reflektor 110, sowie teilweise die Graphitrohre 136 kühlt, die ihrerseits eine moderierende Wirkung haben und Hauptbauteile der Brennstoffelemente 121 sind. Diese beiden Äste vereinigen sich unterhalb der Unterseite des Reflektors 110 und vereinigen sich auch mit dem Kühlmittelteil, der den ringförmigen Durchgang 113 zwischen dem Druckkesselteil 102 und dem Hitzeschirm 112 durchströmt.
Das gesamte vereinigte Kühlmittel streicht dann nach aufwärts durch die Brennstoffelemente 121, in Bahnen, die im Inneren der wärmeisolierenden Büchsen 134 bestehen und entzieht infolge Wärmeübertragung den Brennstoffelementen nukleare Wärme. Das vereinigte Kühlmittel steigt dann durch die Rohre 115 in die Heisskammer 106, und strömt entlang der Leitung 105 zum Wärmeaustauscher 117, in dem es aufeinanderfolgend nach aufwärts durch einen Überhitzer 138, einen Verdampfer 139 und einen Vorwärmer 140 fliesst, wodurch die Wärme des Kühlmittels ausgetauscht und Dampf erzeugt und überhitzt wird, der in bekannter Weise zum Antrieb eines (nicht dargestellten) Turbogenerators zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden kann.
Nachdem das Kühlmittel seine Wärme abgegeben hat, strömt es nach abwärts in Kontakt mit den Wandungen des Wärmeaustauschers 117. kühlt dieselben, sodann zum Zirkulator 118 und wird durch diesen in den Reaktordruckkessel zurückgeführt. Man erkennt, dass der Kühlmittelfluss, wie beschrieben, in einem geschlossenen System stattfindet.
Ein in Fig. 3 schematisch dargestellter Stopfen 123 für den Neutronenschirm dient zum Zerstreuen von Neutronen, welche aus dem Rohr 115 entweichen und bewirkt, dass sie im Neutronenschirm 111 absorbiert werden. Der Schirmstopfen 123 kann etwa gemäss österr. Patentschrift Nr. 211926 ausgebildet sein.
Eine Gasdichtung 124 (Fig. 3) verhindert, dass das aus den oberen Bereichen des Druckkessels abströmende Kühlmittel zwischen die Rohre 115 und die hiefür vorgesehenen Kanäle im Neutronenschirm 111 gelangen kann.
Die Brennstoffelemente jedes Kanals 109 sind vorzugsweise zu einem Strang verbunden. Jeder Strang ist an einen Neutronenschirmstopfen 123 angeschlossen, so dass beim Entleeren ein vollständiges Aggregat abgezogen wird. Jeder Neutronenschirmstopfen 123 ist vorzugsweise auch mittels eines Distanzstückes mit einem Abdichtstopfen für das zugehörige Standrohr 116 verbunden, so dass Beschickung und Entleerung von Brennstoffelementen von der Beschickungsseite (die nicht dargestellt ist, aber oben bei den Standrohren 116 liegt) ohne Notwendigkeit der Verwendung von Greifern durchgeführt werden kann, die im Inneren der Standrohre 116 arbeiten müssten. Die Brennstoffelemente können beispielsweise jene sein, die in der belg. Patentschrift Nr. 575. 083 beschrieben sind.
Es hat sich erwiesen, dass durch Verwendung des Kühlmittelteiles, der im ringförmigen Durchgangsweg 113 fliesst und die Kanäle 120 und 133 im Moderator 108 und Reflektor 110 umgeht, die Kanäle 133
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und 120 kleiner hergestellt werden können, als sie sein müssten, wenn sie das gesamte Kühlmittel ohne untunlichen Druckabfall im Moderator und Reflektor aufnehmen müssten. Dies ergibt eine Einsparung von Neutronen und vermeidet Verluste an Pumpenleistung. Anderseits entsteht, trotzdem die Kanäle 133 und 120 durch Verwendung der Kannelierungen 122 zur Herstellung der Kanäle 120 kleiner gemacht werden können, doch eine verhältnismässig grosse Graphitoberfläche, die dem Kühlmittel zur Kühlung des Moderators 108 und Reflektors 110 zur Verfügung steht.
In einem besonderen Falle bei annähernd gleicher Unterteilung. des Kühlmittels einerseits zwischen dem Durchgang 113 und anderseits den Kanälen 120 und 133, wird ein optimales Kühlen des Moderators und des Reflektors sowie Einsparung an Neutronen und Pumpkraft erreicht.
Die Öffnungen 154 in den Stutzen 152 bilden genau definierte Durchflussöffnungen für das durch die Kanäle 133 fliessende Kühlmittel und bestimmen daher den durchzulassenden Anteil. Es ist erwünscht, dass die in den Kanälen 133 fliessende Kühlmittelmenge so beschränkt ist, dass im Falle eines Bruches der Graphitrohre 136 oder der Büchsen 134 bzw. irgendeiner Trennung dieser Büchsen oder Rohre von den anschliessenden Rohren im Strang der Brennstoffelemente 121, die Kühlmittelmenge. welche in einem "Kurzschlussweg"sich mit dem nach aufwärts ziehenden Strom über die Brennstoffelemente vereinigen kann begrenzt ist, damit Brennstoffelemente, an denen das Kühlmittel im Nebenschluss vorbeigeht, nicht einer abträglichen Überhitzung unterworfen werden.
Bei einer abgeänderten Ausführung können die Öffnungen 154 im Stutzen 152 und die Gasdichtung 124 wegfallen und der gesamte Teil des Kühlmittels, der durch die Durchgangswege 150 im Neutronenschirm 111 fliesst, gezwungen werden, die Kanäle 120 im Moderator 108 und im Reflektor 110 zu durch- fliessen. Von dort weg wird nach der Vereinigung mit dem die Durchgangswege 113 durchziehenden Kühlmittelteil, der Strom neuerlich geteilt ; der Hauptanteil zieht nach aufwärts über die Brennstoffelemente hinweg und der kleinere Anteil nach aufwärts entlang der Kanäle 133. Die relativen Grössen dieser Anteile werden vorzugsweise selbsttätig, entsprechend der Austrittstemperatur des Kühlmittels eingestellt, welches über die Brennstoffelemente fliesst und dies kann, wie in der österr.
Patentschrift Nr. 211926 beschieben, ausgeführt werden.
Das in den Reflektor und Moderator nach abwärts einströmende Kühlmittel ist in allen Fällen auf einer Anfangstemperatur zu halten, die über jener liegt, welche zur Überwindung (oder zur Verminderung bis in die Sicherheitsgrenzen) der Wigner'schen Energieprobleme notwendig ist.
Statt benachbarte vertikale Flächen der Graphitziegel 153 auszukehlen, können die vertikalen Ecken der Ziegel auch abgeschrägt werden, wie dies strichpunktiert bei 155 in Fig. 4 dargestellt ist, um dem Kühlmittel Wege durch den Kern zu schaffen. Dies ist jedoch nicht so wirksam, wie eine grosse Oberfläche aus Graphit, die dem Kühlmittel in der vorhin beschriebenen Weise dargeboten wird. Jedoch kann eine derartige Ausbildung für Reaktoren ausreichen, bei welchen das Hitzemass nicht so hoch ist und eine einfache Bauweise gefordert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Graphitmoderierter, strömungsgekühlter Kernreaktor, dessen Moderator von zur Aufnahme von Brennstoffelementen bestimmten Kanälen durchzogen ist, gekennzeichnet durch zusätzliche Kanäle (120) des Moderators (108, 110) für das zutretende Kühlmittel von seinem Abfliessen im Gegenstrom längs der Brennstoffelementkanäle (109) im Kontakt mit den Brennstoffelementen (121).