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Kernreaktor, dessen Core eine Schüttung von aus Formkörpern wie Kugeln od. dgl. bestehenden Brennstoffelementen enthält
Es sind Reaktortypen bekannt, deren Brennstoffelemente irgendwelche Formkörper, insbesondere Kugeln, sind, welche als Schüttung die Reaktionszone bilden und sowohl einen Moderator wie einen Spaltstoff homogen oder heterogen verteilt enthalten. Das Schüttgut kann in dreierlei Richtung vom Kühlmittel, vorzugsweise einem Gas, durchströmt werden, nämlich entweder von oben nach unten oder horizontal oder von unten nach oben.
Die Durchströmung von oben nach unten hat die entscheidenden Nachteile, dass man entgegen dem Auftrieb arbeiten muss und damit Energie vergeudet, und dass man-bei Hochtemperaturreaktoren-kaum einen Tragrost bauen kann, de : die hohen Gasaustrittstemperaturen aushält.
Bei einer Durchströmung in horizontaler Richtung lässt sich eine ungleichmässige Kühlung wegen des Kühlmittelauftriebes nicht vermeiden. Insbesondere dann, wenn wegen der Beschickungsart über dem Schüttgut noch Leerräume vorhanden sind, wird sich das heisse Gas vorzugsweise dorthin bewegen. Bei variabler Füllhöhe müsste die Perforation der nicht vom Schüttgut bedeckten Seitenwände durch Schieber geschlossen werden, was auf der heissen Seite grösste Schwierigkeiten bereitet.
Die zweckmässigste Strömungsrichtung des Kühlmittels ist von unten nach oben, wobei auch der Tragrost gut gekühlt wird. Die hiebei auftretende Schwierigkeit besteht darin, dass die obersten Brennstoffelemente abgehoben werden, sobald die durch den Strömungswiderstand hervorgerufene Kraft das Eigengewicht des Elementes übersteigt. Das Abheben ist unerwünscht, weil es unkontrollierbare Reaktivitätsschwankungen hervorruft und erhöhten Abrieb verursacht. Solange-bei zylindrischen gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren-der statische Gasdruck viel grösser ist als der Druckabfall durch die Schüttung und eine radiale Strömung vernachlässigbar ist, steigt die Gasgeschwindigkeit proportional der absoluten Temperatur T des Gases von unten nach oben. Aus diesem Grunde steigt auch die Kraft auf die Kugelschichten wie die Temperatur T an.
Deshalb ist die oberste Schicht ganz besonders gefährdet, sich abzuheben. Der Vergrösserung der Brennstoffelemente sind durch die mit den Abmessungen wachsenden Wärmespannungen Grenzen gesetzt.
Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, dessen Core eine Schüttung von aus Formkörpern wie Kugeln od. dgl. bestehenden Brennstoffelementen enthält, die durch ein von unten nach oben hindurchströmendes Kühlmittel gekühlt wird, bei dem der genannte Nachteil vermieden werden soll. Erfindungsgemäss erweitert sich der horizontale Querschnitt des mit der Schüttung gefüllten Cores von unten nach oben, d. h. man gibt dem Core eine konische od. ähnl. Form.
Um bei einem homogenen Siedereaktor mit im Reaktorgefäss liegenden Kühlrohren durch verbesserten Wärmeübergang eine höhere Leistung und einen hohen Neutronenfluss zu erzielen, ist es bei dieser andern Type von Reaktoren schon vorgeschlagen worden, die Wärmeaustauschflächen in den über der siedenden Flüssigkeit vorgesehenen Dampfraum einzubauen und das Reaktorgefäss deshalb birnenförmig (also von unten nach oben erweitert) auszubilden. Diese Gefässform hat jedoch nichts mit den für die vorliegende Er-
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findung massgeblichen strömungstechnischen Gesichtspunkten zu tun, so dass sich auch für die Konizität in der Regel ein anderes Mass ergibt.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
DasCore eines gasgekühlten Kernreaktors weist einen Reflektor 1 auf, in das eine Schüttung 2 von aus Kugeln bestehenden Brennstoffelementen eingebracht ist, die unten auf einem Rost 3 liegt. Das Kühlgas tritt von unten durch Kanäle 4 ein, durchströmt den Rost 3, die Schüttung 2 und tritt erhitzt an der Oberseite 5 der Schüttung aus, um dann zur Fortleitung der Nutzwärme abgeführt zu werden. Beim Durchströmen der Schüttung erhitzt es sich zunehmend und dehnt sich entsprechend aus. Dementsprechend erweitert sich erfindungsgemäss der horizontale Querschnitt des mit der Schüttung gefüllten Cores von unten nach oben.
Da der Massenfluss M des Kühlmittels konstant ist und
M Fvp (F = Strömungsquerschnitt, p = Dichte des Kühlmittels) gilt, muss bei konstant geforderter Geschwindigkeit v der Querschnitt F reziprok zu p verändert werden. Die Dichte pist eine wohlbekannte Funktion von T und damit bei bekannter Wärmequellenverteilung auch von der Axialkoordinate z.
Bei gasgekühltenReaktoren nimmt im allgemeinen die Gasdichte nach oben cosinusförmig ab. Wichtig ist nur der QuotientzwischenabsoluterGasaustritts-und -eintrittstemperatUr. Seien diese z. B. 12000 K und 5000 K, so muss der Corequerschnitt von unten nach oben im Verhältnis 500 : 1200 = 1 : 2, 4 grösser werden. Der Core-Radius R wächst dann wie 1 : 2, = 1 : 1, 55, was bei einer üblichen Corehöhe H = 2 R einen Öffnungswinkel des Kegels von etwa 150 bedeutet.
Es ist anzunehmen, dass für solche als Beispiel angegebene Öffnungswinkel, insbesondere dann, wenn der Kegel mit den Brennstoffelementen gefüllt ist, die Gasströmung ohne weiteres den sich verbreiternden Querschnitt ausfüllt. Die Coremantellinien brauchen keine Geraden zu sein, sondern können sich der bekannten Funktion p (z) der über den Corequerschnitt gemittelten Gasdichte noch besser anpassen, um eine über das Core konstante Gasgeschwindigkeit zu erzielen. Vor allem kann auch die Gasgeschwindigkeit in der obersten Zone der Schüttung im Core durch noch grössere Öffnungwinkel sogar gesenkt werden, um so die Brennstoffelemente dort aneinander zu pressen.
Bei konstanter Geschwindigkeit des durchströmenden Gases würde sich nunmehr nicht die oberste Schicht bevorzugt abheben, sondern alle Schichten zugleich. Die kritische Geschwindigkeit kann dann im angeführten Beispiel 1, 55 mal so hoch sein wie bei einem Core mit zylindrischen Wänden, was eine mögliche Leistungssteigerung um diesen Faktor bedeutet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kernreaktor, dessen Core eine Schüttung von aus Formkörpern wie Kugeln od. dg1. bestehenden Brennstoffelementen enthält, die durch ein von unten nach oben hindurchströmendes Kühlmittel gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich der horizontale Querschnitt des mit der Schüttung gefüllten Cores von unten nach oben in an sich bekannter Weise erweitert.