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Verfahren zum Betrieb eines Neutronen-Siedereaktors und
Reaktor zu dessen Ausübung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Neutronen-Siedereaktors mit einem Reaktorkörper, in dem ein flüssiges Kühlmittel und ein flüssiger Moderator untergebracht ist und in dem sich das Spaltmaterial befindet, sowie auf zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtete Reaktoren.
Es ist bekannt, dass spaltbare Uranisotope, wie U-233, U-235 oder Plutonium Pu-239, oder auch Verbindungen und Mischungen derselben, innerhalb bestimmter Medien so angeordnet und räumlich verteilt werden können, dass bei der Spaltung zusätzliche Neutronen hervorgerufen und für die Spaltung weiter ausgenutzt werden, so dass sich eine sich selbst unterhaltende Kettenreaktion ergibt. Die erwähnten Medien, die dem Zweck dienen, die bei der Spaltung freigemachten Neutronen zu verzögern, werden als "Moderatoren" bezeichnet. Die für den Betrieb eines Neutronenreaktors massgeblichen Bedingungen fin- den sich inder USA -Patentschrift Nr. 2, 708, 656 von Enrico Fermi und Leo Szilard, wo auch die Verfahren er- örtert sind, die eine Steuerung der Kettenreaktion in einem solchen Reaktor ermöglichen.
In jedem Neutronenreaktor ist die ordnungsgemässe Arbeitsweise der Moderatoren von äusserster Wichtigkeit.
Die bei einer Kernspaltung freigemachten Neutronen besitzen im allgemeinen hohe kinetische Ener- gie ; man bezeichnet sie als schnelle Neutronen. Damit die Neutronen in die Kerne anderer Atome eindringen und in spaltbaren Atomen eine Spaltung bewirken können, müssen sie langsamer gemacht werden, was man als"Moderieren"bezeichnet. Dieses Verfahren ist in der Patentschrift Nr. 2, 206, 634 von Fermi näher beschrieben. Es besteht im wesentlichen darin, elastische Zusammenstösse, vergleichbar mit denen von Billard-Kugeln, mit den Kernen des Moderator-Materiales herbeizuführen. Als Moderatoren zu diesem Zweck eignen sich am besten Materialien mit niedrigem Atomgewicht.
Abgesehen davon, dass Moderatoren die Eigenschaft der Streuung besitzen sollen, dürfen sie In ihren eigenen Kernen nicht Neutronen In beträchtlichem Anteil absorbieren, oder, mit andern Worten, die Moderatoren müssen einen geringen Absorptions-Querschnitt besitzen. Typische Materialien, die sich als gute Moderatoren erwiesen haben, sind Kohlenstoff, Beryllium, Beryllium-Oxyd, leichtes Wasser und schweres Wasser, wobei der letztgenannte Stoff der vorteilhafteste ist.
Die Wirksamkeit eines Moderators hängt von seiner Dichtigkeit und daher von seiner Temperatur ab.
Aus diesem Grunde ist ein Gas kein guter Moderator. Eine Mischung eines flüssigen Stoffes und eines Gases oder Dampfes besitzt im allgemeinen einen kleineren Streueffekt als die Flüssigkeit, wobei die Verminderung dem vorhandenen Dampfvolumen proportional ist. Da anderseits der Moderator die Eigenschaft hat, Neutronen zu absorbieren, wird dieser Effekt ebenfalls proportional dem Gehalt an Dampf verkleinert sein. Die Erfindung befasst sich insbesondere mit der kombinierten Wirkung dieser beiden Faktoren.
Es ist bekannt, dass man einen Neutronenreaktor betreiben kann, in welchem eine Flüssigkeit sowohl als wärmeabsorbierendes Mittel als auch als Moderator dient, wobei die genannte Flüssigkeit im Zustand des Siedens gehalten wird.
Die bisher gebauten sogenannten Siedereaktoren haben alle einen Fehler. Die Zustandsänderung vom flüssigen zum dampfförmigenzustand bewirkt eine Änderung der Moderationsf higkeit der Flüssigkeit und dementsprechend eine Änderung der Reaktorempfindlichkeit. Im allgemeinen ergibt sich stets gerade eine der für eine stabile Arbeitsweise anzustrebende entgegengesetzte Wirkung. Beispielsweise wird eine
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Zunahme des Bedarfes an Dampf aus dem Reaktor eine Zunahme des relativen Dampfvolumens bewirken.
Dieses bedingt eine Abnahme der Dichtigkeit des Moderators, was im allgemeinen dessen Moderationsfähigkeit verringert. Hieraus entspringt eine Abnahme der Reaktionsfähigkeit und damit der Anzahl der Spaltungen und der Wärmeabgabe, obwohl ein grösserer Bedarf nach entwickelter Wärme besteht, um die i grössere gewünschte Wärmemenge zu liefern. Aus diesem Umstand folgt, dass viele Vorteile der Siedereaktoren zunichte gemacht werden.
Die meisten verwendeten Methoden zur Steuerung der bekanntgewordenen Siedereaktoren bestehen im Einbringen von Materialien, welche Neutronen absorbieren, beispielsweise. yon Cadmium oder Bor in geeigneter Form, z. B. als Stangen, in grösserer oder kleinerer Menge in den Reaktor, um die Anzahl der Neutronen zu regulieren, welche für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion in bestimmtem Ausmasse erforderlich sind. Dieses bei bestehenden Siedereaktoren geübte Verfahren ist mit nicht unbeträchtlichen Nachteilen verbunden.
Es ist bekannt, dass Steuermechanismen mit solchen Kontroll- oder Regulierstäben schwerfällig, kompliziert und teuer sind. Es sind verschiedene Vorkehrungen zu treffen, um solche Anordnungen zuveri lässig zu machen. Sie sind ihrer Natur nach unsicher, so dass spezielle Vorsichtsmassregeln getroffen werden müssen, wenn man sie anwendet. Ihr Charakter als Neutronen-Absorbenten bringt es mit sich, dass sie denNeutronenfluss in dem Reaktor verzerren, wodurch sich heisse Stellen und andere unerwünschte Erscheinungen ergeben, die bei Siedereaktoren viel schlimmer sind als bei andern Reaktortypen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Weg zu weisen, der diese unerwünschte Instabilität und die hieraus entspringenden Schwierigkeiten zu vermeiden gestattet. Dieses Ziel lässt sich erreichen, wenn erfindungsgemäss bei kleinen Belastungsänderungen eine Vermehrung bzw. Vergrösserung der dampferfüllten Räume herbeigeführt, bei mittleren Belastungsänderungen das Niveau der Moderatorflüssigkeit verändert und bei grossen Belastungsänderungen das Ausmass der Strömung der Moderatorflüssigkeit geändert wird. Insbesondere kann die Änderung des dampferfüllten Gesamtraumes durchEinstellen desAusmasses gesteuert werden, in dem die Moderatorflüssigkeit und das in diese eingetauchte Spaltmaterial einander berühren. Diese Art der Steuerung empfiehlt sich bei Laständerungen von mindestens 50%.
Die auf diese Weise bewirkte Steuerung eines Siedereaktors ist einfacher, billiger und ihrer Natur nach sicher.
Neutronensiedereaktoren, die zur Anwendung dieses Verfahrens geeignet sind, bestehen aus einem geschlossenen, in ein oberes und ein unteres Abteil unterteilten Reaktorgehäuse, in dem eine Anzahl von zwischen diesen Abteilen eine Strömungsverbindung herstellenden und Brennstoffelemente enthaltenden Rohren angeordnet ist. Das obere und das untere Abteil sind mit einem ausserhalb des Gehäuses verlegten Strömungsweg verbunden.
Erfindungsgemäss sind entweder die beiden Abteile durch eine Trennwand getrennt, in welche die oberen Enden von Rohren dicht eingesetzt sind, die in das untere Abteil ragen, in dem eine gleichzeitig als Kühlmittel und als Moderator dienende Flüssigkeitsmenge untergebracht ist, welche die Innen- und die Aussenseite der Rohre bespült, oder es sind zwei in einem Abstand voneinander angeordnete Röhrenböden vorgesehen, die das untere bzw. das obere Abteil abschliessen, ein mittleres Abteil des Gehäuses begrenzen und mit den Rohren dicht verbunden sind. wobei im mittleren Abteil eine Menge Moderatorflüssigkeit, welche die Aussenflächen der Rohre bespült und im unteren Abteil eine Menge Kühlflüssigkeit untergebracht ist. In beiden Fällen können die in den Rohren angeordneten Brennstoffelemente stabförmig ausgebildet sein.
Nach diesen Grundsätzen gebaute Siedereaktoren können ohne Erneuerung des Spaltmaterials länger in Betrieb gehalten werden, als dies bei den bekannten Konstruktionen der Fall ist.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigt Fig. 1 in schematisierter Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Reaktors, wobei stellenweise der Strömungsverlauf angedeutet ist, Fig. 2 eine
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Moderators in einer bevorzugten Ausführungsform, Fig ; 4 ein Schema des Ausgangskreises des Druckmediums, Fig. 5 ein Schema des Ausgangskreises für die Temperaturströmung und Fig. 6a - 6d die Grundla - gen der erfindungsgemässen Reaktorsteuerung.
Der in Fig. 1 veranschaulichte Siedereaktor besteht aus einem Kessel 11 samt einem Kesselboden 11' und einem Deckel II", aus einem korrosionsfesten Material, vorzugsweise nichtrostendem Stahl, der mit einem Innenkessel 12 aus Zirkonium, Aluminium oder einem andern Material ausgefüttert ist, das korrosionsbeständig ist und Neutronen nur in geringem Masse einfängt. Innerhalb des inneren Kessels sind ein oberer und ein unterer Rohrboden 13"bzw. 13'angeordnet, welche denKesselinnenraum in ein oberes Abteil 25, ein mittleres, zwischen den Böden befindliches, und in ein unteres Abteil 24 unterteilen. Das mittlere Abteil ist von einer Anzahl von Rohren 14 durchsetzt, welche in die beiden Rohrböden dicht eingesetzt und von welchen nur vier dargestellt sind.
Im Inneren der Rohre befindet sich das spaltbare Material oder der Brennstoff in Form von Stäben 15, die mit einer den Brennstoff umschliessenden Hülle aus Alumi-
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nium, Zirkonium, nichtrostendem Stahl oder einem andem korrosionsbeständigen und Neutronen nur in geringem Ausmasse einfangenden Material bestehen. Die stabförmig ausgebildeten Brennstoffelemente 15 sind an ihren unteren Enden an einer gitterförmigen Platte 16 gehaltert.
Das Innere des mittleren Abteiles ist zum Teil mit Moderatorflüssigkeit 17 gefüllt. In Nähe des unteren Siebbodens 13'ist in die Wandung des zum Teil mit Moderatorflüssigkeit gefüllten mittleren Abteiles eine mittels eines Ventiles 23 absperrbare Leitung 35. knapp unterhalb des Flüssigkeitsspiegels eine Leitung 36 dicht eingesetzt, von denen die erstere an der Oberseite, die andere in Bodennähe in einen Behälter 19 einmündet, in dem sich eine Kühlschlange 20 befindet. Mit Hilfe einer in die Leitung 36 eingeschalteten Umwälzpumpe 18 kann die Moderatorflüssigkeit umgewälzt und die Strömung und das Flüssigkeitsvolumen Innerhalb des Kessels mittels des Ventiles 23 gesteuert werden. In diesen Behälter führt auch eine mittels eines Ventiles 31 verschliessbare Ablassleitung.
Der Raum 21 oberhalb des FlUssigkeitsspiegels im mittleren Abteil ist mit Helium gefüllt, das unter Druck steht und von einem Drucktank 22 zugeführt wird.
Die Kühlflüssigkeit erfüllt das untere Abteil 24, die Rohre 14 und einen Teil des oberen Abteiles 25.
In den Kesselboden 11'ist ein Rohr 28 eingesetzt, das zu einer Umlaufpumpe 29 und von dort zu dem oberen Abteil verläuft, in welches es unterhalb des Spiegels der Druckflüssigkeit ausmundet. Mittels dieser Pumpe wird die Kühlflüssigkeit in Zirkulation versetzt, durchströmt die Rohre 14, nimmt Wärme von denBrennstoffelementenl5 auf und wird zum Teil verdampft. Der in das obere Abteil gelangte Dampf durchsetzt einen Separator 26, der mitgerissene Flüssigkeit abscheidet und verlässt den Reaktorkessel durch
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keit strömt dann durch die Leitung 28 und die Pumpe 29 in den Reaktorkessel zurück. Die Flüssigkeitmenge, die in Dampfform durch die Leitung 27 abgeführt wurde, wird durch Einspeisen von Flüssigkeit über eine Speiseleitung 30 ersetzt.
Zum schnellen Abstellen des Reaktors kann die Moderatorflüssigkeit 17 in den Behälter 19 zurückgedrückt werden. Hiezu braucht nur gleichzeitig das Auslassventil 31 geöffnet, das Heliumventil 32 geschlossen und ein Auslassventil 33 an dem Behälter geöffnet zu werden. Die Ventile 31, 32 und 33 werden zweckmässigerweise durch Solenoide betätigt, es können aber auch beliebige andere Arten schnell wirkender automatischer Ventile verwendet werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform dient ein und dieselbe Flüssigkeit als Moderator und als Kühlmittel. Die Rohre 14 sind in diesem Fall in eine Trennwand 13 dicht eingesetzt, die das obere Abteil 25 des Reaktorkessels von dessen unterem Abteil 24 scheidet. Die unteren Enden der Rohre können, wie gezeigt, zur Halterung in einem mit Öffnungen 34 versehenen Rohrboden 13'eingesetzt sein. Innenund Aussenseiten der Rohre sind von der Flüssigkeit bespült. Die beiden Abteile sind wieder über eine ausserhalb des Kessels verlaufende Leitung 28 verbunden, In die eine Umwälzpumpe 29 eingeschaltet ist.
In Nähe ihres Austrittsendes aus dem Kessel ist an dieser Leitung ein Kühler 32 vorgesehen.
Die Strömung der Moderator- und Kühlflüssigkeit wird durch das Ventil 23 geregelt, welches in diesem Fall in der Speiseleitung 30 angeordnet ist : diese Arbeitsweise wird noch näher zur Erläuterung gelangen.
Falls durch unvorhergesehene Verhältnisse eine Überhitzung und daher ein Sieden der Flüssigkeit ausserhalb der Rohre 14 eintreten sollte und hiedurch die Reaktorempfindlichkeit beeinträchtigt wurde, wird der Reaktor abgeschaltet, so dass eine gefährliche Leistungssteigerung vermieden wird, die sich bei Reaktoren mit Kontrollstäben ergeben kann, wenn ihre rechtzeitige Betätigung versäumt wurde.
Die Wirkungsweise der Anlage ist bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 1 und Fig. 2 Im wesentlichen dieselbe. Ein Sieden findet normalerweise nur In den Röhren 14 statt, nicht aber in dem Raum, welcher von der als Moderator wirkenden Flüssigkeit eingenommen wird. Der relative Anteil von Kühlmittel in den Röhren und von Moderatorflüssigkeit ausserhalb derselben kann in Abhängigkeit von der Menge des spaltbaren Materiales in den Röhren so eingestellt werden, dass der Gesamteffekt, der sich durch stärkeres Sieden in den Röhren ergibt, sich dahingehend auswirkt, dass die Reaktortätigkeit erhöht wird, wie dies noch nachstehend erläutert werden wird.
Wenn bei zunehmendem Ausmass des Siedens innerhalb der Rohre die Reaktortätigkeit erhöht wird, so spricht man von einer positiven Arbeitscharakteristik des Reaktors oder einem positiven Dampf-oder Dampfflächenkoeffizienten. Entspricht einem lebhafteren Sieden eine Abnahme der Reaktortätigkeit, so wird dies als Arbeiten bei negativer Arbeitscharakteristik oder bei negativem Dampf-oder Dampfflächenkoeffizienten bezeichnet.
Eine Steuerung der Reaktortätigkeit kann ferner dadurch bewirkt werden, dass mittels des Ventiles 23 das Volumen der Moderatorflüssigkeit verändert wird. Dies ist erforderlich, um beträchtliche Änderungen
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aus, welches den Unterschied zwischen dem tatsächlichen Neutronenfluss N und dem verlangten Elektronenfluss No anzeigt.
Die übrigen Teile des Schaltbildes zeigen einen Servomechanismus, der einen Amplidyn-Verstärker (gesteuerten Generator) und einen Gleichstrommotor aufweist, welcher das Steuerventil 23 betätigt ; es können aber auch statt dessen pneumatische oder hydraulische Systeme verwendet werden.
In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausftihrungsform eines Sicherheits-Ausgangsleitungssystemes gezeigt. An einer bestimmten Stelle des Reaktors ist eine Vorrichtung 401 angeordnet, die den dort herrschenden Druck registriert und in elektrische Signale umwandelt, die in einem Magnetverstärker 402 verstärkt werden.
Diese Signale werden in einem Anzeigeempfänger 403 angezeigt und zur Betätigung von Steuerkontakten 404 ausgenutzt, mit deren Hilfe die Ventile 31, 32 und 33 gesteuert sind.
In Fig. 5 Ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Sicherheit-un Abstellvorrichtung veranschaulicht, die von der Temperatur des Reaktors betätigt wird. An einer Stelle des Reaktors, deren Temperatur kontrolliert werden soll, ist ein Temperaturanzeiger 501, z. B. ein Widerstand, ein Potentiometer od. dgl. angeordnet. Von der herrschenden Temperatur abgeleitete elektrische Signale dieses Gerätes werden zunächst einem Magnetverstärker zugeführt. Die verstärkten Signale werden an einem Anzeigeempfänger 503 angezeigt und mittels eines Schreibgerätes 505 aufgezeichnet, welches gleichzeitig Steuerkontakte 504 betätigt, die bei hoher Temperatur ein Alarmsignal auslösen und die Ventile 31, 32 und 33, wie zuvor erörtert, in Tätigkeit setzen.
Es ist bekannt, dass in einem Reaktor, in welchem die Moderatorflüssigkeit und das Kühlmittel nicht voneinander getrennt sind, das Sieden einen unerwünschten Einfluss bei höherem Bedarf ausübt, weil es zu einer geringeren Moderatorwirkung und dementsprechend zu einer geringeren Neutronendichtigkeit führt, u. zw. unter Verhältnissen, bei denen gerade das Entgegengesetzte angebracht wäre. Wenn aber, wie bei den erfindungsgemässenSiedereaktoren, der Siedevorgang auf die Röhren beschränkt ist, kann man einen Reaktor hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Moderatortatigkeit und Kühltätigkeit so auslegen, dass er das entgegengesetzte, d. h. das erwünschte Verhalten zeigt.
Dies ist möglich, weil, wie Fig. 1 und 2 zeigen, das Volumen von Kühlmedium in den Röhren 14, verglichen mit dem Volumen an Moderatormedium, nur gering ist. Die Verringerung an Moderatorwirkung des Kühlmediums wird durch die Ab- nahme der Neutronenabsorption in dem Kühlmedium mehr als ausgeglichen, die sich durch die grosse Änderung der Dichtigkeit ergibt, wenn das Kühlmedium vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht. Es würde sich dementsprechend eine bessere Wirkungsweise ergeben, wenn es nicht schwierig wäre, den Reaktor in üblicher Weise durch-Anwendung von Kontr9llstäben zu steuern.
Die Erscheinung der Verzerrung des Neutronenflusses und darauf beruhender heisser Stellen, die zuvor erörtert wurde, ist bei Siedereaktoren weitaus bedenklicher als bei andern Reaktortypen, da die Wärmeübertragungsbediu- gungen nicht so günstig liegen und Überhitzungen und Ausbrennen von Brennstoffelementen leicht auftreten können. Wenn das Sieden sich in getrennten Röhren ergibt, sind die Verhältnisse noch schlimmer, da das sofort verfügbare Volumen an Kühlmedium beträchtlich geringer ist. Aus diesem Grunde waren sämtliche früheren Reaktoren, die getrennte Kühlrohre verwendeten, so gebaut, dass das Sieden in den Röhren vermieden wurde.
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Bei der erfindungsgemässen Anordnung wird wegen des Fortfallens der Kontrollstäbe und wegen der Steuerung der Reaktortätigkeit durch Änderung des Volumens an Moderatormedium jede unerwünschte Verzerrung desNeutronenflusses vermiedenund einegleichmässigere Arbeitsweise erreicht, so dass eszueinsm Sieden in den Röhren kommen kann, ohne dass ein Kochen des Moderatormediums stattfindet.
Im nachfolgenden soll quantitativ die Wirkungsweise eines erfindungsgemässen Reaktors erläutert werden, der mit leichtem Wasser als Kühlmedium und Moderatormedium arbeitet und eine normale Wärmeabgabe von 60 Megawatt besitzt. Es ist jedoch offensichtlich, dass andere Anordnungen, Materialien, Grössenverhältnisse, Mengenverhältnisse und geometrische Verhältnisse Anwendung finden können.
Das zur Erörterung gelangende Beispiel soll daher nicht im Sinne einer Begrenzung des Erfindungsgedankens angesehen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel besitzt der Reaktor einen Vorrat von 8 t Uran, in welchem das Isotop 235 auf 2% angereichert ist.
Fig. 6 veranschaulicht schematisch das Prinzip der Steuerung gemäss der Erfindung im Falle des vor- genannten Beispieles. Der Reaktorkessel ist mit 601 und mit 603, 604,605 und 606 sind vier typische Brenn- stoffelemente bezeichnet, die unter normalenBedingungen mit entsprechender Leistung betrieben werden.
Das Kühlmedium 612, bestehend aus leichtem Wasser, befindet sich unter einem Druck von 42 kg/cm2 und liefert Dampf 613 von 252 C.
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Augenblick gleich y sein, dergestalt, dass sich das erforderliche Moderatorvolumen ergibt, welches den
Reaktor unter den gegebenen Verhältnissen in seinem kritischen Zustand hält. Bevor dies näher erörtert wird, ist es erforderlich, festzulegen, in welcher Weise von dem Siedereaktor die Wärme abgeführt wird.
Das Medium, welches durch die Rohre 603,604, 605 und 606 fliesst und über den Rohrboden 602 aus- tritt, besteht aus einer Mischung von Dampf und Wasser. Die Wärmemenge, die von dem Reaktor in je- dem Augenblick abgeführt wird, ist proportional der Menge Dampf, die erzeugt wird. Diese wiederum ist proportional der gesamten Flüssigkeitsmenge, die durch die Röhren fliesst und dem Verhältnis zwischen
Wasser und Dampf, welches sich an der Röhrenplatte 602 einstellt ;
dieses Verhältnis wird als "Ausgangs- gUte" bezeichnet. -
Die abgeführte Wärmemenge wiederum kann in dem Reaktor nach einer von den folgenden drei Methoden gesteuert werden, deren Zweckmässigkeit von der Wärmemenge abhängt, welche in jedem Augenblick abgeführt werden soll. a) Wenn die entwickelte Wärme, die zusätzlich abgeführt werden soll, verhältnismässig klein ist, so gilt folgendes : Bei einer Belastungszunahme, d. h. einem Dampfbedarf in der Grössenordnung von 25", ergibt sich eine geringe Abnahme des Druckes, derzufolge die von Dampf erfüllten Hohlräume zunehmen und sich eine Abnahme der Dichtigkeit des Kühlmediums ergibt. Diese Erscheinung verringert die Moderatorwirkung und es ergibt sich auch eine geringere Neutronenabsorption, weil weniger Wasservolumen vorhanden ist.
Bei einer Anordnung der vorstehend erörterten Art findet die Moderatorwirkung im wesentlichen ausserhalb des siedenden Moderatormediums statt. Die Auswirkung des Siedens in den Rohren auf die Gesamt-Moderatorwirkung ist verhältnismässig klein im Vergleich mit der Abnahme an Neutronenabsorption. Der Gesamteffekt einer Steigerung der Belastung, d. h. des Dampfbedarfes, ist daher eine grössere Reaktorwirkung, welche wiederum eine grössere Wärmemenge liefert. Hiebei steigt der Dampfdruck, die Strömungsgeschwindigkeit und die Dichtigkeit des Mediums in den Rohren an, und auf diese Weise wird der Reaktor bei der höheren Leistung stabilisiert, was der angestrebte Effekt ist. Der Reaktor arbeitet mit positivem Dampfkoeffizienten.
Bei einer Abnahme der Belastung ergibt sich der umgekehrte Vorgang. b) Wenn die Zunahme an abzuführender Wärme von mittlerer Grösse ist, ergibt sich folgendes : Wenn eine Zunahme der Belastung, d. h. des Bedarfes an Dampf, in der Grössenordnung von 50'% stattfindet, ist es zweckmässig, äussere Mittel anzuwenden, um die Reaktortätigkeit zu vergrössern und den Reaktor bei einer höheren Ausgangsleistung zu stabilisieren. Es ist nämlich schwierig, einen Reaktor zu bauen, in welchem die selbst stabilisierende Wirkung gemäss a) stattfinden kann, wenn es sich um Belastungsänderungen der eben angegebenen Grösse handelt.
Bei alleiniger Heranziehung der Vergrösserung der dampferfullten Räume zur Steuerung des Reaktors wird bald ein Punkt erreicht, In welchem der umgekehrte Effekt wie unter a) beschrieben eintritt, nämlich eine Zunahme des Siedens und eine Verringerung der Dichtigkeit, die eine Abnahme der Reaktortätigkeit bewirken. Bei mittleren Laständerungen wird die erforderliche, grössere Leistungsabgabe des Reaktors erreicht, indem zusätzlich zu den nach a) selbsttätig eintretenden
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Massnahmen das Volumen der Moderatorflüssigkeit vergrössert und hiedurch ein Herunterregeln vermieden wird. Das Verhältnis vonDampf zu Wasser ist bei dem lebhaften Sieden grösser und der Reaktor stabilisiert sich dann bei der höheren Ausgangsleistung und einem grösseren Volumen an Moderatormedium.
Durch die Änderung des wirksamen Moderatorvolumens während mittlerer Lastschwankungen wird der Bereich der Steuerbarkeit über die Grenzen hinaus erweitert, die sich bei ausschliesslicher Ableitung der Steuerung von dem Prozentsatz des von Dampf erfüllen Raumanteiles ergeben.
Würde bei solchen Last- änderungen die Steuerung einzig auf dem letzterwähnten Umstand beruhen, so ergäbe sich bei plötzlichenlastschwankungen ein Übergang von einem Betrieb bei positivem Dampfkoeffizienten zu einem solchen bei negativen Dampfkoeffizienten und der Reaktor würde zwar sicher, aber unerwünscht heruntergeregelt. c) Wenn die Zunahme an zuführende Wärme sehr gross ist, so gilt folgendes : Der unter b) beschriebene Vorgang kann andauern, bis einPunkt erreicht wird, in welchem die Dichtigkeit des strömenden Mediums in den Röhren einen Wert erreicht, bei dem die erforderliche Zunahme des Volumens des Moderatormediums, welche die Reaktortätigkeit aufrechterhalten könnte, zu gross wird, um praktisch erreichbar zu sein. Solche Verhältnisse können auftreten, wenn die verlangte Leistungszunahme von der Grössenordnung von z.
B. 90% ist. In diesen Fällen kann man die erforderliche höhere Wärmeabgabe erreichen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Röhren vergrössert wird. Die prozentuale Aufteilung von Dampf und Wasser wird dann auf einem konstanten Wert gehalten, welcher dem praktisch erreichbaren Höchstwert entspricht. Die erforderliche Steuerung für die Änderung der Reaktortätigkeit infolge der erhöhten Strömung wird durch die Änderungen des Volumens des Moderatormediums vorgenommen, wie zuvor erörtert.
Durch die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit der siedenden Flüssigkeit bei verhältnismässig gro- ssem Lastbedarf wird die Wahrscheinlichkeit eines Überganges von positiven zu negativen Dampfkoeffizi- enten beim Betriebe des Reaktors herabgedrückt, u. zw. unter jenen Wert, der durch die Berücksichtigung i des anteilmässigenDampfvolumens und eine Änderung des Niveaus der Moderatorflüssigkeit erreichbar ist.
Die Veränderung der Durchflussgeschwindigkeit bietet eine wirksame Massnahme, die es gestattet, dem
Reaktor die erforderliche Mehrbelastung bei positivem Dampfkoeffizienten aufzubürden und einen Über- gang zu Betriebszuständen mit negativen Dampfkoeffizienten zu vermeiden, die ein Ausfallen des Reak- tors nach sich zögen.
Bei dem Betrieb eines Siedereaktors der hier beschriebenen Ausführungsform wird die Gesamtsteuerung erfindungsgemäss unter Anwendung sämtlicher dreier vorgenannter Methoden durchgeführt, je nachdem, wie gross der Leistungsbedarf in jedem Augenblick ist.
Bei dem erörterten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 hat sich gezeigt, dass bei der vorgegebenen Be- lastung von 60 Wärme-Megawatt die entsprechende Wärmeleistung abgeführt wird, wenn die Ausgangs-
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Berechnung der Wärmeübertragung in den Röhren ergibt sich, dass bei einer Ausgangsqualität von 20% das durchschnittliche spezifische Gewicht des Mediums in den Röhren gleich 0, 4 ist, ein Zahlen-Wert, der auch durch Experimente nachgeprüft wurde.
Nimmt man diesen Wert des spezifischen Gewichtes und berücksichtigt die übrigen zuvor erörterten Bedingungen, so kann man die Höhe y des Niveaus des Moderatormediums gemäss Fig. 6 wie folgt berechnen.
Man geht von der Reaktor-Grundgleichung aus, welche bei allen Kettenreaktionen erfüllt sein muss, nämlich
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worin L die Diffusionslänge für thermische Neutronen ; fr-die Bremslänge ;
B eine Reaktorkonstante bedeutet.
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Berücksichtigungi Reaktor in Fig. 6 aus der Formel
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ermitteln, in welcher
R den Reaktorradius unter Berücksichtigung der durch die Reflexion der Neutronen bedingten Korrektur bezeichnet.
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Für den vorstehend betrachtetenFallvon 127 cm.
Handelt es sich um verhältnismässig kleine Änderungen der Leistung gegenüber einer Wärmeabgabe von 60 Megawatt, so werden dieselben gemäss a) berücksichtigt und es ergibt sich keine sichtbare Ände- rung der Grösse y in Fig. 6.
Wenn indessen der Leistungsbedarf von 60 auf 90 Megawatt erhöht wird, so wird gemäss den vorste- hendenerörterungen die Vermehrung des Volumens der Moderatorflüssigkeit durch eine Vergrösserung der
Höhe y auf z cm bewirkt, wie dies in Fig. 6b dargestellt ist.
In gleicher Weise könnte eine Leistung von 30 Megawatt durch eine Verringerung der Höhe des Mo- deratormediums auf 122 cm erreicht werden, wie in Fig. 6c durch das Zeichen Yc angedeutet ist.
Wenn die erforderliche Leistung auf 110 Megawatt erhöht werden soll, tritt die unter c) erörterte Si- tuation ein Die Vergrösserung der Durchströmungsmenge kann dadurch bewirkt werden, dass die Pump- geschwindigkeit durch den Reaktor erhöht wird ; es kann in diesem Fall die Höhe des Moderatormediums auf den Wert Yd gemäss Fig. 6d fallen, der sehr ähnlich dem Wert Ya in Fig. 6a ist.
Es ist offensichtlich, dass die Arbeitsweise des beschriebenen Reaktors ausserordentlich stabil ist, in- soweit plötzliche Änderungen des Leistungsbedarfes in Frage kommen ; andere Änderungen der Ausgangs- leistung werden durch Änderung des Volumens des Moderatormediums und/oder der Pumpgeschwindigkeit berücksichtigt. Es ist ferner offensichtlich, dass die beschriebene Steuerung ohne Anwendung der üblichen
Kontrollstäbe durchgeführt wird.
Wenn nach längerer Arbeitsdauer des Reaktors die Reaktortätigkeit infolge Erschöpfung des spaltbaren
Materials und Infolge der Anwesenheit von Spaltprodukten abnimmt, kann die Reaktortätigkeit wieder auf den normalen Wert gebracht werden, u. zw. einfach durch Erhöhen des normalen Niveaus (Ya in Fig. 6a) des Moderatormediums 607. Dies hat zur Folge, dass im Reaktor mehr frisches spaltfähiges Material zur
Wirksamkeit gelangt, wobei vom Moderator die weiteren Steuerfunktionen ausgeübt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung und die Figuren nur ein Ausführung- beispiel der Erfindung wiedergeben und dass zahlreiche für den Fachmann naheliegende Abweichungen von diesen Ausfuhrungsformen möglich sind, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb eines Neutronen-Siedereaktors mit einem Reaktorkörper, indem ein flüs- siges Kühlmittel und ein flüssiger Moderator untergebracht Ist und in dem sich das Spaltmaterial befindet, dadurch gekennzeichnet, dass bei kleinen Belastungszunahmen eine Vermehrung bzw. Vergrösserung der dampferfüllten Räume herbeigeführt, bei mittleren Belastungsänderungen das Niveau der Moderatorflussig- keit verändert und bei grossen Belastungsänderungen das Ausmass der Strömung der Moderatorflüssigkeit ge- ändert wird.