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Kernreaktoranordnung
Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsmoderierten Kernreaktor, in welchem die Kernenergie bei we- sentlich erhöhten Leistungsdichten freigesetzt wird.
Die Erreichung hoher Wirkungsgrade wird bei Kernreaktoranlagen dadurch begünstigt, dass man die
Kernreaktoranlage bei der höchstmöglichen Leistungsdichte arbeiten lässt. Es bestehen jedoch Grenzen für die Leistungsdichte, die in einer gegebenen Kernreaktoranlage aufrechterhalten werden kann. Diese Gren- zen sind u. a. 1) durch den Schmelzpunkt des Brennstoffes, 2) durch die maximale Durchflussgeschwindig- keit des Kühlmittels durch den Reaktorkern, 3) durch die maximale Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zwischen Brennstoff und Kühlmittel und 4) durch den Anteil des Reaktorkernvolumens gegeben, das nach
Abzug des Volumens der für die Regelung erforderlichen Neutronenfängerelemente und des Konstruktion- materials vom gesamten Kernvolumen zur Aufnahme der Brennstoffanordnungen dient.
So kann die Leistung eines Reaktorkerns auf einen relativ niedrigen Wert beschränkt sein, wenn beispielsweise ein
Schmelzen im Zentrum eines bestimmten Brennstoffelementes auftritt, während alle übrigen oder die meisten der übrigen Brennstoffelemente bei Zentraltemperaturen arbeiten, die weit unterhalb des Schmelzpunktes liegen. In Richtung des Querschnittes durch eine gegebene Brennstoffanordnung, insbesondere bei Reaktorkernen, die durch eine neutronenmoderierende Flüssigkeit gekühlt werden, werden die peripheren Brennstoffelemente wesentlich heisser als jene im Zentrum der Anordnung.
Dies ist auf die grössere Ver- mehrung der thermischen Neutronen zurückzuführen, die in den Schichten des neutronenmoderierenden, den Zwischenraum zwischen unmittelbar benachbarten Brennstoffeinheiten ausserhalb des röhrenförmigen Strömungskanals ausfüllenden Kühlmittels entstehen. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Brennstoffes und des Moderators können die Zentraltemperaturen in einem solchen peripheren Brennstoffelement etwa 300-400% höher sein als die Durchschnittstemperatur.
Die Probleme, die mit dem Fluss und der Leistungsspitze in Zusammenhang stehen, sind bisher in den bekannten flüssigkeitsmoderierten und-gekühlten heterogenen Brennstoffleistungsreaktoren noch nicht erfolgreich gelöst worden. Es erweist sich als notwendig, die Brennstoffeinrichtungen im Reaktor ersetzbar anzuordnen, wobei Spielräume zwischen den einzelnen Einrichtungen erforderlich sind, um ein Entfernen und Einsetzen der Einheiten zu ermöglichen. Regelelemente aus Neutronenfangerm aterial müssen im Kern in noch höherem Masse frei beweglich sein und auch hier ist ein Spielraum erforderlich, um eine solche Bewegung zu ermöglichen. Die Schichten des flüssigen, neutronenmoderierenden Kühlmittels, die in diesen Spielräumen vorliegen, geben zu den oben angegebenen Problemen Anlass.
Es sind bereits umfassende Versuche unternommen worden, um diese Probleme zu lösen, doch ist bisher noch keine vorteilhafte mechanische Konstruktion eines Reaktorkernes gelungen, in der die heterogenen Brennstoffelemente und Neutronenfänger-Regelelemente in einem Reaktor ohne flüssige Moderatorschichten angeordnet werden können.
Ziel der Erfindung ist es daher, einen Kernreaktor zu schaffen, der eine sehr wesentlich erhöhte Ausgangsleistung und Leistungsdichten ermöglicht, indem lokale Neutronenfluss- und Leistungsspitzen im wesentlichen ausgeschaltet werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Kernspaltungsanordnung geschaffen, die einen zellenartigen Reaktorkernaufbau mit langgestreckten, parallelen Fliesswegen für das neutronenmoderierende Kühlmittel aufweist, wobei jeder Fliessweg sich von einer Einlassöffnung am einen Ende des
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Aufbaues zu einer Austrittsöffnung am andern Ende des Aufbaues erstreckt und einen im wesentlichen iden- tischen geometrischen Querschnitt hat, und eine Kernbrennstoffelementanordnung aufweist, die in einer genügenden Anzahl dieser Wege angeordnet ist, um eine selbständige Kernspaltungsreaktion in Gegen- wart einer neutronenmoderierenden Kühlflüssigkeit aufrecht zu erhalten, wobei jede dieser Brennstoffan- ordnungen mit einer Mehrzahl von Kernbrennstoffelementen ausgestattet ist,
die getrennt voneinander mit einem Mittenabstand angeordnet sind, der mit dem moderierenden Kühlmittel in dem dabei vorlie- genden Zwischenraum ein gegebenes Moderator-zu-Brennstoff-Atomverhältnis R ergibt ; diese Kernreaktoranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Fliessweg von den unmittelbar benachbarten Wegen durch eine einzige Wand aus Baumaterial mit niedrigem Neutroneneinfangquerschnitt getrennt ist und dass die peripheren Brennstoffelemente in jeder Anordnung von den nächsten peripheren Brennstoffelementen in der benachbarten Brennstoffanordnung durch diese einzige Wand hindurch einen solchen Mittenabstand haben, dass sich mit dem moderierenden Kühlmittel in den dazwischenliegenden Abständen an jeder Seite der Wand ein volumetrisches Moderator-zu-Brennstoff-Atomverhältnis R. ergibt,
das im wesentlichen dasselbe ist wie R,.
Es kann auch wenigstens ein bewegbarer Regelstab aus Neutronenfängermaterial vorgesehen sein, dessen Querschnitt im wesentlichen der gleiche ist wie jener von wenigstens einem Brennstoffelement in dieser Anordnung, und vorzugsweise können Regelelemente vorgesehen sein, deren Querschnitt im wesentlichen mit einer Umfangslinie zusammenfällt, die rund um eine Mehrzahl benachbarter Brennstoffelemente tangential zu deren äusseren Flächen gelegt ist. Solche Regelelemente sind mit Loch- oder Brennstoff-Folgestufen (void or fuel followers) ausgestattet, die an dem Regelelement aus neutroneneinfangendem Material festgemacht sind una mit diesem axial fluchten, und haben im wesentlichen denselben Querschnitt wie diese Folgestufe.
Die Regelfolgestufeneinheiten sind hin-und hergehend in der Kettenreaktoreinheit angeordnet, um den Neutronenfluss und die Leistungswerte zu regeln.
In der Zeichnung ist in Fig. l eine Ansicht von der Seite eines teilweise aufgeschnittenen Kernreaktorkessels und eines Reaktorkerns dargestellt, der durch siedendes Wasser gekühlt und moderiert wird. Die Fig. 2 und 3 stellen Querschnitte durch den Reaktorkessel und den Reaktorkern der Fig. l in Richtung der Linien 2-2 bzw. 3-3 dar. Fig. 4 zeigt Einzelheiten einer Ausführungsform gemäss der Erfindung mit einer schachbrettartigen Anordnung der Strömungskanäle und Brennstoffeinheiten innerhalb und zwischen solchen Kanälen, wobei ein Regelelement vorgesehen ist, dessen Querschnitt im wesentlichen derselbe ist wie jener einer Umfangslinie, die durch eine geschlossene, um eine Mehrzahl von Brennstoffelementen tangential zu ihren äusseren Flächen gezogene Linie gebildet wird.
Die Fig. 5a und 5b veranschaulichen zwei Mittel zur Schaffung seitlicher Abstützung für die Strömungskanäle ; in den Fig. 6 und 7 sind andere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Fig. 8 ist eine isometrische Darstellung eines Teils des Reaktorkernträgers oder-gitters in grösserem Massstabe ; Fig. 9 ist eine Stirnansicht eines teilweise aufgeschnittenen Strömungskanals, der dazu dient, in einen Träger gemäss Fig. 8 eingesetzt und dort festgemacht zu werden. Die Fig. 10 und 11 sind Querschnitte durch die Strömungskanäle gemäss Fig. 9 längs der Linien 10-10 und 11-11 ; Fig. 12 ist eine andere Stirnansicht des in Fig. 9 dargestellten Kanals im rechten Winkel zu der dort dargestellten Ansicht.
Fig. 13 ist eine Ansicht eines Brennstoffelementes in Längsrichtung zum Einsetzen in den Strömungskanal, wie er in Fig. 12 gezeigt ist ; Fig. 14 ist eine Ansicht von der Seite, die einige Brennstoffariordnungen zeigt, wie sie in die voneinander getrennten Fliesskanäle im Reaktorkern gemäss der Erfindung eingesetzt sind ; Fig. 15 ist ein Grundriss eines Teils eines Reaktorkerns in grösserem Massstab mit schachbrettartig angeordneten Fliesskanälen und zeigt Brennstoffelementanordnungen, die in und zwischen diesen Strömungskanälen angeordnet sind sowie eine modifizierte Form des Regelelementes.
Fig. 16 ist eine Ansicht von der Seite in teilweisem Schnitt des Regelelementes und der Brennstoffanord- nung-Folgestufe, in der in Fig. 15 durch die Linie 16-16 angegebenen Richtung und erläutert die Verbindung desselben mit einem oben angeordneten Antriebssystem für die Regelelemente. Fig. 17 ist eine teilweise Stirnansicht eines Regelelementes, wie es in Fig. 16 dargestellt ist, das modifiziert ist, um eine Lochfolgestufe zu ersetzen, deren geometrischer Querschnitt derselbe ist wie jener der Regelelemente und der Brennstoffanordnungen im Kern. Die Fig. 18 und 19 sind Querschnitte von zwei Modifikationen der Lochfolgestufe gemäss Fig. 17, längs der Linie 18,19-18, 19, in welcher ein Gasraum bzw. ein fester Stab aus Material mit niedrigem Neutroneneinfangquerschnitt das Loch bilden.
Fig. 20 ist eine Stirnanlicht eines Teils einer Brennstoffelementanordnung, wie sie in Fig. 13 gezeigt ist, die mit Brennstoffelementabstandshaltern ausgestattet ist und Fig. 21 ist ein Querschnitt durch eine Brennstoffelementanord- tung gemäss Fig. 20, in der die Anordnung von Abstandshaltern aus Draht und Brennstoffelementen gezeigt ist.
Die in Fig. l dargestellte besondere Ausführungsform eines Reaktorsystems gemäss der Erfindung um-
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fasst den Reaktordruckkessel 10 mit einem abnehmbaren Deckel 12, die über Flanschen 14 und 16 zusam- mengehalten werden. Dieser Kessel hat eine innere Höhe von etwa 12 m, einen Innendurchmesser von
3,72 m und eine Wandstärke von etwa 14 cm. Im Kessel 10 ist eine Kernreaktoreinheit oder ein Reaktor- kern 18 angeordnet, der eine Mehrzahl von Brennstoffelementen mit Fliesskanälen 20 aufweist, die Brenn- stoffelementanordnungen enthalten ; durci diese fliesst ein flüssiges neutronenmoderierendes Kühlmittel nach aufwärts. Der Reaktorkern 18 ist von einer Umhüllung 22 und einem Wärmeschild 24 umgeben.
Die
Umhüllung 22, der Wärmeschild 24 und der Reaktorkern 18 werden gemeinsam von einem unteren Kern- träger oder Gitter 26 getragen, das wieder über die Tragelemente 28 an den inneren Flächen des Kessels abgestützt ist. Die oberen Träger 30 sind vorgesehen, um den oberen Teil des Wärmeschildes im Kessel zu befestigen und einstellbare Winkel oder Klammern 31 sind vorgesehen, um dem oberen Randteil der
Umhüllung 22 und des Kerns 18 eine seitliche Abstützung zu geben.
Der Kernreaktoraufbau besteht aus etwa 365 Strömungskanälen 20, die vom Traggitter 26 getragen werden und auf diesem festgemacht sind.
Diese Strömungskanäle sind rohrförmige, offenendige Zirkonrohre mit quadratischem Querschnitt von etwa
8, 9 cm zwischen den äusseren Flächen gegenüberliegender Wände und haben eine Wandstärke von etwa l, 52 mm sowie abgerundete Ecken mit einem Krümmungsradius von etwa 9,5 mm ; sie sind etwa 3,05 m lang. Die Strömungskanäle sind im Reaktorkern 18 mit Abstand voneinander schachbrettartig, d. h.
Ecke an Ecke, angeordnet und bilden innerhalb der Umhüllung 22 einen zellenartigen Kernaufbau, der insge- samt etwa 730 Kühlwege mit quadratischem Querschnitt aufweist, wobei die Hälfte derselben innerhalb der 365 Fliesskanäle, die restlichen 365 aber zwischen den benachbarten Fliesskanälen in Schachbrettan- ordnung vorgesehen sind. In jedem der 636 Fliesskanäle ist eine Kernbrennstoffelementanordnung befestigt.
Jede Brennstoffanordnung besteht aus 25 zylindrischen Brennstoffelementen oder -stäben, die in Reihen von
5 : 5 angeordnet sind.
Die Brennstoffelemente sind unsegmentiert, etwa 3 m lang und voneinander in Abständen entlang ihrer Längsabmessung durch Gitterabstandshalter der beschriebenen Art aus Draht getrennt, und enthalten einen im wesentlichen kontinuierlichen und ununterbrochenen Körper aus gesintertem Urandioxyd von nahezu 1000, theoretischer Dichte als Kernbrennstoffmaterial. Das Urandioxyd enthält 1, 5%Uu2350 . Der für das Fliessen des moderierenden Kühlmittels offene Bereich zwischen den Abstandshaltergittern ist im wesentlichen gleich dem Querschnittsbereich, der für das Fliessen zwischen den Brennstoffelementen zur Verfügung steht.
Diese Brennstoffelemente haben 8, 8 mm äusseren Durchmesser ein- schliesslich eines Mantels aus 0,63 mm dickem Edelstahl und sind in einem Abstand von 14,7 mm angeordnet, wodurch ein volumsmässiges Moderator : Brennstoffverhältnis von etwa 2 in Abwesenheit von verdampftem Moderatorkühlmittel geschaffen wird. Die restlichen 94 Fliesswege erhalten je ein hohles, wassergefülltes Neutronenfänger-Regelelement mit quadratischem Querschnitt und einer Weite von etwa 8,5 cm mit Krümmungsradien in den Ecken von etwa 6,35 mm. Es weist eine Wandstärke von 8,8 mm auf und ist aus 2%. natürliches Bor enthaltendem Edelstahl hergestellt. Der gesamte Reaktivitätswert dieser Regelelemente beträgt mehr als 200/0. Ak und sie nehmen weniger als 130/0 des Kernvolumens ein.
Diese Regelelemente sind innerhalb des Reaktorkerns verteilt und mittels 94 Regelelement-Antriebsvorrichtungen hin-und herbewegt. Auf Grund der Schachbrettanordnung der 365 Fliesskanäle liegt aber nur ein einziger Kanal zwischen benachbarten Brennstoffanordnungen vor und das örtlich wirksame Moderator : Brennstoffverhältnis ist innerhalb des Querschnittes des Kerns einheitlich, wodurch keine stagnierenden Schichten von neutronenmoderierendem Kühlmittel auftreten, in welchen örtliche Flussspitzen vorkommen können. Die örtlichen Fluss- und Leistungsspitzen in diesem Kern sind wesentlich verringert, so dass alle Brennstoffelemente in einer gegebenen Brennstoffanordnung bei Leistungswerten betrieben werden können, die im wesentlichen identisch sind.
Nul etwa 13% des Kernvolumens werden vom Zwischenraum aufgenommen, der für regelnd wirkende Neutronenfänger notwendig ist, verglichen mit 30-3510, die bei kreuzförmigen, zwischen Fliesskanälen arbeitenden Regelelementen notwendig sind. Die entstehende Leistungsdichte in kg/l Kernvolumen beträgt um etwa 100% mehr als in einem üblichen Reaktorkern mit segmentierten Brennstoffelementen, Brennstoffanordnungen, von denen jede einen Gesamtfliesskanal enthält und dazwischengeschalteten Regelelementen.
Entsalztes, leichtes Wasser stellt das Kühlmittel des Reaktors und den in diesem Kernreaktor verwendeten NeutrO ! 1enmoderator dar. Es wird am Dcden des Kessels 10 durch die Einlässe 32 und 34 bei oder unterhalb der Sättigungstemperatur eingeführt, die etwa 2850 C bei einem Arbeitsdruck von 70,3 kg/cm beträgt. Das Wasser fliesst durch das untere Kerntragorgan 26 nach oben. und durch alle 730 Fliesswege im Kern hindurch, wobei es in direkter Wärmeaustauschbeziehung zu der im Reaktorkern enthaltenen Brennstoffelementanordnung steht. Das Wasser wird bis zum Siedepunkt erhitzt und verdampft teilweise. Eine Mischung aus siedendem Wasser und Dampf wird in dem Bereich oberhalb des Kerns 18 entbunden und tritt über die Umlenkflügel 36 gegen die Reaktorauslässe 38 und 40.
Diese Mischung tritt dann in einer
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Menge von etwa 21,9 Millionen kg pro Stunde über die Leitungen 42 und 44 in die Separatortrommel 46.
Hier wirdsiedendes Wasser vom Wasserdampf abgetrennt und der Dampf wird über Leitung 48 in einer Menge von etwa 1, 36 Millionen kg pro Stunde über Ventil 50 in den Hochdruckeinlass einer zweistufigen Dampfturbine 52 eingeführt. Das unverdampfte Wasser scheidet sich in der Dampftrommel 46 ab und wird mittels Pumpe 54 durch die Leitungen 56 und 58 in einer durch Ventil 60 geregelten Menge in einen Sekundärdampfgenerator 62 eingeführt. Dieses Wasser wird bei einer Siedetemperatur von etwa 2850 C durch die Wärmeaustauscherschlange 64 geführt, wo es abgekühlt wird. Zusätzlicher Dampf wird ausserhalb der Schlange 64 bei einem Druck von 35,2 bis 70,3 kg pro cm2 in Abhängigkeit von der Belastung des Systems erzeugt. Dieser zusätzliche oder Sekundärdampf wird mittels Leitung 66 in einem durch Ventil 68 geregelten Ausmass dem Sekundärdampfeinlass der Turbine 52 zugeführt.
Die Turbine treibt einen elektrischen Generator 70, der über den üblichen Transformator mit einer Ubertragungsleitung oder einer andern Belastung über die Ausgänge 72 verbunden ist. Der Abdampf aus der Turbine 52 wird in einem Kondensator 74 kondensiert, aus dem er über die Leitung 76 mittels einer Kondensatpumpe 78 entfernt wird.
Das Kondensat wird über Leitung 80 in einem durch Ventil 82 geregelten Ausmass abgeführt und dient als Speisewasser für die Anlage.
Ein Teil des Kondensats wird durch Leitung 84 in einem durch Ventil 86 geregelten Masse in den Sekundärdampfgenerator 62 zur Wiederverdampfung gebracht. Das verbleibende Kondensat wird mit Wasser, das aus der Sekundärdampfgeneratorschlange 64 über Leitung 88 austritt, vereinigt und die Mischung wird direkt aber Leitung 90 den Primärkühlwassereinlässen 32 und 34 zugeführt.
Die Regelung der Freisetzung thermischer Energie aus Kern 18 wird durch 94 Regelelemente 92 gere-
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94 hin- undLeistungswert ansteigen zu lassen, während sie in den Kern eingeführtwerden, um die Reaktivität zu vermindern und den Leistungswert des Kerns zu erniedrigen. Zur Vereinfachung ist in Fig. l nur ein Regelstab 92 und ein Regelstabantriebsmechanismus 94 dargestellt. Obwohl die Regelstabantriebe unterhalb des Druckkessels 10 angeordnet gezeigt sind und sich nach aufwärts in den Kern erstrecken, können auch oben montierte Antriebe am Deckel des Kessels 12 vorgesehen werden, die sich nach abwärts in den Kern erstrecken.
Durch den Einschluss der Anordnung gemäss der Erfindung in einen Kernreaktor der oben beschriebenen Art mit in seiner vollen Kernlänge ungeteilten Brennstoffelementen kleineren Durchmessers, durch die Abwesenheit von Schichten eines neutronenmoderierenden Füllmittels, einen Flüssigkeitsquerschnitts- bereich, der für den Fluss völlig offen ist und das minimale, von den Regelelementen beanspruchte Vo- lumen, wurde die maximale Leistungsdichte, bei welcher der Kern ohne inneres Schmelzen irgendeines
Brennstoffelementes arbeiten kann, von etwa 28 kW/1 auf etwa 57 kW/1 erhöht, wobei diese Erhöhung auf das Fehlen örtlicher Leistungsspitzen zurückzuführen ist. Die Grössenanordnung der thermischen Leistung des Reaktorkerns beträgt etwa 1300 Megawatt und die elektrische Leistung der Anlage etwa 350 Me- gawatt.
Gemäss Fig. 2 ist der Reaktorkessel 10 vom unteren Kernträger 26 und vom Wärmeschild 24 umgeben.
Der zellenartige Aufbau des Kernträgers 26 ist ersichtlich. Es handelt sich um eine Konstruktion der "Eierkistentype", die aus den sich im rechten Winkel schneidenden Tragstäben 100 und 102 besteht, wodurch sich eine Vielzahl von annähernd quadratischen Öffnungen 104 ergibt. Weitere Einzelheiten einer solchen Kerntraganordnung sind in weiteren nachstehend beschriebenen Figuren dargestellt.
In Fig. 3 ist ein anderer Querschnitt durch den Reaktorkessel 10 längs der Linie 2-2 in Fig. l gezeigt.
Es sind wieder der Reaktorkessel 10 und der Wärmeschild 24 dargestellt. Der etwa kreisförmige Querschnitt des Kerns 18 wird durch eine Vielzahl von quadratischen Fliesskanälen 20 gebildet, die Ecke an Ecke in quadratischer Teilung schachbrettartig angeordnet sind und zwischen diesen Kanälen Durchgangswege 106 für das Kühlmittel, durch welche ebenfalls neutronenmoderierendes Kühlmittel fliessen kann, freilassen.
Um die vierte Seite 108 und die dritte und vierte Seite 110 und 112 der peripheren Fliesswege 114 bzw. 116, die sonst offen sein würden, zu schliessen, und um eine seitliche Abstützung des Kernaufbaues zu schaffen, ist eine den KernaufbÅau umgebende Umhüllung 22 vorgesehen, die sich vom oberen bis zum unteren Ende des Kernaufbaues erstreckt. Die Umhüllung 22 ist an ihrer Innenfläche mit Füllstreifen 23 und 25 ausgestattet, die den offenen Kuhlmittelfliesswegen 114 und 116 benachbart sind.
Diese Streifen weisen eine Dicke auf, die etwa jener der Kanalwände entspricht und dienen dazu, um in diesen peripheren Wegen den gleichen geometrischen Querschnittsbereich einzustellen, wie er in den Fliesskanälen vorliegt, und ermöglichen die Einstellung desselben Moderator : Brennstoffverhältnisses, wie es in den benachbarten Brennstoffanordnungen im Kern besteht. Die Umhüllung 22 wird seitlich und an ihrem oberen Ende durch Einrichtungen 31 getragen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind.
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In Fig. 4 einer Ausführungsform des Kernreaktoraufbaues gemäss der Erfindung, umgibt die Umhüllung 22 die Gruppe von quadratischen Fliesskanälen 20, die schachbrettartig angeordnete offene Kühlmittelfliesswege 106 freilassen. In jedem dieser durch die Kanäle 20 eingeschlossenen Fliesswege und in den Fliesswegen 106 zwischen den Kanälen ist eine Anordnung von Kernbrennstoffelementen 120 vorgesehen, die hier als Zylinder dargestellt und in einer quadratischen Anordnung 5 : 5 sich in allen Fliesswegen befinden, abgesehen von jenen, die mit Regelelementen 122 aus neutronenfangendem Material versehen sind.
Der kreuzförmige geometrische Querschnitt der Regelelemente 122 aus neutronenfangendem Material ist im wesentlichen derselbe wie jener der Umfangslinie, die durch eine geschlossene Linie um das sich schneidende Paar der zentralen Reihen der Brennstoffelemente 124 tangential zu ihren äusseren Flächen gebildet wird, d. h. die benachbarte Mehrheit der Elemente, die sonst den Zwischenraum in der Kernstruktur bilden würden, in dem die Regelelemente 122 hin-und herbewegbar sind. Gewünschtenfalls können die Brennstoffelemente 124 an den Regelelementen befestigt und mit den Regelelementen 122 als Brennstoff-Folgestufen hin-und herbewegbar angeordnet werden.
Die Brennstoffelemente in einer solchen Folgestufe entsprechen in ihrer Zahl der Mehrzahl der benachbarten Brennstoffelemente und fluchten mit diesen in axialer Richtung, ansonsten beanspruchen sie den Zwischenraum, in dem das Regelelement hinund herbewegbar ist.
Die Kernreaktoranordnung, die in jedem der Kühlmittelfliesswege vorgesehen ist, enthält Brennstoffelemente 120 mit einem Radius r. Die Elemente sind voneinander in einem Mittenabstand d angeordnet.
Ein solches gegebenes Brennstoffelement ist von einem Körper aus fliessendem Kühlmittelmoderator innerhalb des Bereiches 126 umgeben, dessen Querschnitt dem Ausdruck d --torr2 entspricht. Die relativen Werte von d und r sind bestimmend für das gewünschte Moderator : Brennstoffverhältnis, das in diesem Reaktorkern vorliegen soll, und werden in dieser Hinsicht gewählt, wobei das Volumsverhältnis R im wesentlichen dem Ausdruck
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entspricht. Gewünschtenfalls kann das Volumen des Mantels der Brennstoffelemente vernachlässigt werden. Dieses Verhältnis hat einen starken Einfluss auf die Reaktivität des Reaktorkerns sowie seine Temperatur-und Blasenkoeffizienten. Das Verhältnis wird daher so gewählt, dass sich die gewünschten Werte dieser Kennmerkmale einstellen.
Die Seitenabmessungen d der Fliesskanäle entsprechen etwa dem Ausdruck Udl + t, wobei u die Anzahl der Brennstoffelemente entlang der Breite der Anordnung und t die Dik- < e der Kanalwände angibt. Die relative Anordnung der Strömungskanäle 20 im Kern ist derart, dass die 5eitenabmessungen d3 der offenen Fliesswege 106, die zwischen den Kanälen gebildet sind, im wesentli- : hen d% entsprechen. Die Ecken der Kanäle sind abgerundet, um eine gegenseitige Überschneidung zu vermeiden.
Auf diese Weise entspricht der Mittenabstand d zwischen einem peripheren Brennstoffelement 120a innerhalb eines Fliesskanals 20 und eines benachbarten Brennstoffelementes 120b in einem of-
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tors, der jedes dieser peripheren Brennstoffelemente in den Bereichen 128 bzw. 130 umgibt, weist einen Querschnitt entsprechend (d -7r/) auf und ergibt ein Moderator : Brennstoff-Volumsverhältnis R, das im wesentlichen dem Ausdruck
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entspricht, wodurch das gleiche oder im wesentlichen das gleiche Moderator : Brennstoffverhältnis geschaffen wird, wie durch den Moderator im Abschnitt 126 vorgesehen ist, der ein Brennstoffelement 120 umgibt, das von einem im Randbereich der Brennstoffanordnung gelegenen verschieden ist.
Es wurde gefunden, dass die Beobachtung dieser vorstehend erläuterten Bedingungen in einem Kern mit quadratischen Fliesswegen die Konstruktion eines Reaktorkerns gestattet, bei dem im wesentlichen keine örtlichen Inhomogenitäten im Moderator : Brennstoffverhältnis vorliegen. Zum Unterschied von liblichen Reaktorkernen, in welchen ein Teil des wirksamen Moderators zwischen benachbarten Fliesskanälen als stehende (relativ nicht fliessende) Schichten vorliegt, ist in den Reaktorkernaufbauten gemäss der vorliegenden Erfindung der gesamte innerhalb der Fliesskanäle vorliegende Moderator in einem Bereich aktiven Fliessens vorhanden. Der Querschnitt des flüssigen Anteils des Kerns entspricht dem für den Fluss des flüssigen Moderatorkühlmittels freien Querschnitt.
Die relativen Werte von d und d" einerseits und von r anderseits bestimmen das Moderator : Brennstoffverhältnis im Kern, ein Verhältnis, welches gemäss der vorliegenden Erfindung innerhalb des Aufbaues bei einem gegebenen Wert von Moderatorkühlmittel-
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temperatur und einem Grad der Verdampfung, falls ein solcher vorliegt, vollständig gleichmässig sein kann.
In den Fig. 5a und 5b sind schematisch Einrichtungen zur Abstützung der Kanäle 20 Ecke an Ecke in Schachbrettanordnung dargestellt. Bei der Anordnung in Fig. 5a ist eine Hälfte der Fliesskanäle 20a entlang jeder ihrer Ecken mit einem Paar winkelförmiger Ansätze 132 ausgestattet, die einen an den Ekken 134 der unmittelbar benachbarten Kanäle 120b anliegenden, nach aussen offenen Winkel oder eine solche Klammer bilden. Diese Winkel verhindern auch ein Fliessen der Flüssigkeit zwischen benachbarten Fliesswegen 106. Eine andere relativ einfache mechanische Abstützanordnung ist in Fig. 5b gezeigt ; sie umfasst die Ausbildung einer flachen Stützfläche 131 entlang der Ecken jedes Fliesskanals 20c mit einer Neigung von 450 zu den einzelnen Kanalseiten.
Diese Flächen eines gegebenen Kanals stehen mit den eckenbildenden Flächen der benachbarten vier Kanäle in Berührung, so dass sie einander innerhalb der Umhüllung abstützen.
Gemäss Fig. 6 ist der Wärmeschild 24 wieder von einer äusseren Umhüllung 30 umgeben und eine Mehrzahl offener Fliesswege 106 mit quadratischem Querschnitt ist zwischen einer Mehrzahl von struk-
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144, 146kal nebeneinander innerhalb des durch die Umhüllung 30 gegebenen Bereiches angeordnet, wobei sich die unteren Kanten der Folien auf dem Kernträger aufstützen, die Kanten benachbarter Plattenelemente aneinanderliegen und dazwischen eine Mehrzahl offener Fliesswege 106 mit quadratischem Querschnitt bilden. Die Plattenelemente 140 können miteinander an den in Berührung stehenden Kanten, z. B. durch Schweissen, verbunden werden.
Die Plattenelemente können an ihren seitlichen Kanten mit der inneren Fläche der Umhüllung 30 mittels nicht dargestellter seitlicher Tragorgane verbunden werden, wobei sonst offene äussere Fliesswege in der Kernstruktur geschlossen werden. Winkel der in Fig. 5 gezeigten Art können verwendet werden, um diese Kanten mit der Innenfläche der Umhüllung 30 zu verbinden.
In Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine dritte Modifikation des zellenartigen Reaktorkernaufbaues gemäss der Erfindung dargestellt, in welcher offene Fliesskanäle 150 mit hexagonalem Querschnitt vorgesehen sind. Ein Wärmeschild 24 umschliesst die Umhüllung 152, die sich von oben bis zum Boden erstreckt und die Kernstruktur vollständig umgibt. Innerhalb der Umhüllung 152 ist nebeneinander eine Mehrzahl von durchbrochenen, plattenförmigen Folienelementen 154 vorgesehen, deren untere Kanten auf dem Kernträger aufliegen und die an ihren seitlichen Kanten 1vô und las mit den inneren Flächen der Umhüllung 152 in Verbindung stehen.
Diese plattenförmigen Elemente sind in einem Winkel von 300 in entgegengesetzter Richtung entlang aufeinanderfolgender, längs ihrer Oberflächen liegender Linien 160,162, 164, 166 usw. abgebogen, wodurch die Platten einen Zick-Zack-Querschnitt erhalten. Bei abwechselnden Biegestellen 162,166 usw. sind beispielsweise Streifen 170 vorgesehen und durch übliche Mittel senkrecht mit und zwischen den aufeinanderfolgenden nächstliegenden Biegekanten zwischen jedem Paar unmittel- bar benachbarter Plattenelemente befestigt. Diese abgewinkelten Plattenelemente sind vertikal, par- allel und im Abstand voneinander im zellenartigen Kernaufbau angeordnet und ergeben zusammen mit der umgebenden Umhüllung und den Streifen 170 eine Mehrzahl offener Fliesswege 150 von hexagonalem Querschnitt.
Die in Fig. 8 dargestellte detaillierte isometrische Teilansicht einer Ausführungsform eines Kernträgers oder Gitters zeigt eine Mehrzahl von parallelen Balken 180 mit Öffnungen 182. Diese Balken sind voneinander mit Abstand angeordnet und an ihren Enden durch übliche Massnahmen, z. B. durch Schwei- ssen oder anderes Verbinden, mit einem peripheren Ring vereinigt. Die Balken 180 werden in rechtem Winkel von einer andern Mehrzahl von parallelen Balken 184 durchsetzt, mit welchen sie starr verbunden ein zusammenhängendes Gittertragorgan bilden, das eine Mehrzahl von rechtwinkeligen Zellen 186 aufaufweist. Gewünschtenfalls'kann zur Erreichung höherer Starrheit die Zahl der Balken 184 erhöht werden, um den Gitterträger in kleinere, z. B. quadratische, Zellen aufzuteilen.
Die Durchsetzung der Gitterbalken 180 und 184 ist meist leicht dadurch zu erreichen, dass eines oder beide der Elemente geschlitzt werden, so dass sie in Form einer Eierkiste in der gezeigten Art zusammenpassen. Die zusammengehörigen Abschnitte können dann miteinander bei jeder Überschneidungsstelle in geeigneter Weise verbunden werden. Die Öffnungen 182 sind vorgesehen, um ein in den Fliesskanälen enthaltenes Fliesskanalklinkenglied, wie es später beschrieben ist, aufzunehmen. Die Öffnungen weisen eine nach unten gerichtete Fläche 188 auf, die mit dem Klinkenglied in Berührung steht und dazu dient, die durch das aufwärtsfliessende Kühlmittel entstehenden Kräfte sowie andere Kräfte aufzunehmen.
Die strichlierten Linien 190 zeigen die Lage der Fliesskanäle an, die Ecke an Ecke oder in Schachbrettart in der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Weise angeordnet sind.
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Es können auch andere mechanische Anordnungen des Kernträgers gemäss Fig. 8 getroffen werden.
Beispielsweise können die Öffnungen 182 durch zusätzliche nicht dargestellte Öffnungen ergänzt werden, die in ähnlicher Weise im Satz der kreuzenden Balken 184 angeordnet werden können. Die Balken 184 können so tief wie die Balken 180 ausgeführt werden. Ferner kann durch Verwendung einer Fliesskanal- klinkenanordnung, die sich weiter abwärts durch den Reaktorkernträger erstreckt, untenliegende Flächen- elemente 192 am Boden eines oder beider Balken 182 oder 184 verwendet werden, die an Stelle der spe- ziellen Öffnungen 182 die Klinken aufnehmen.
In Fig. 9 ist eine Längsansicht, teilweise im Schnitt eines Fliesskanals mit dessen Nase oder Trag- stück gezeigt Dieser Aufbau besteht in dieser Ausführungsform aus einem rohrförmigen Fliesskanal- element 200 mit quadratischem Querschnitt, das an seinem oberen Ende Öffnungen 202 zur Aufnahme des Brennstoffanordnungs-Klinkengliedes zur Verriegelung der Brennstoffanordnung an der Innenseite des
Kanals oder in einem Kühlmittelfliessweg unmittelbar ausserhalb des Kanals aufweist. Abstandsstrei- fen 204 sind ausserhalb der Ecken des Fliesskanals vorgesehen, um einen geeigneten Abstand des Fliesska- nals 200 von einem andern in der beschriebenen Schachbrettanordnung zu gewährleisten. Am unteren
Ende des Fliesskanals 200 ist eine Nase oder ein Tragelement 206 vorgesehen, das am unteren Ende des Kanals 200 durch Verbindungsglieder 208 befestigt ist.
Das Nasenstück 206 besteht aus einem oberen rohrförmigen Abschnitt 210, der im wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweist wie der Fliesskanal
200, aus den beiden gegenüberliegenden Seiten, aus welchen Stücke so abgeschnitten worden sind, dass die stehengebliebenen Fortsätze 212 nach innen gebogen sind und an ihren unteren Enden spitz zulaufen, sowie den beiden andern gegenüberliegenden Seiten des Tragstückes. Dadurch entsteht eine Sitzflä- che 214, die direkt auf der oberen Fläche des Kerntraggitters aufliegt, wobei sich die Fortsätze 212 nach unten in die Traggitterzellen erstrecken. Durch das Tragstück erstrecken sich zwischen den Fortsätzen 212
Versteifungsglieder 216, die den nasenförmigen Ansätzen Steifigkeit verleihen.
Ein Kanalklinkenelement oder eine Zunge 218, das bzw. die mit einem Klinkenhaupt 220 am unteren Ende versehen sind, werden durch Ausschneiden einer U-förmigen Öffnung 222 gegenüber den Verbindungsstücken 208 sowie den Fort- sätzen 212 vorgesehen.
In Fig. 10 sind der Querschnitt des Fliesskanals 200 mit seinen seitlichen Brennstoffklinkenöffnungen
202 und die Eckenabstandsstücke 204 dargestellt.
In dem in Fig. 11 dargestellten Querschnitt durch den Fliesskanal sind der untere Abschnitt 210, die
Versteifungsglieder 216, die Öffnungen 222 und die Kanalklinkenelemente 218 sowie die Häupter 220 zu erkennen.
Fig. 12 zeigt den Fliesskanal 200 mit den Fortsätzen 212 und einem sich dazwischen erstreckenden Versteifungsglied 216. Die Kanalklinkenelemente 218 sind als flexible bzw. biegsame Zungen ausgebildet und sind jeweils aus den Wänden des oberen Abschnittes 210 und des Fortsatzes 212 durch Ausbildung der U-förmigen Öffnung 222 gebildet worden. Die Kanalklinkenelemente 218 sind an ihrem unteren Ende mit einem Klinkenhaupt 220 versehen, das bei dieserAusführungsform aus einem kleinen Stück geschlitzten Rundstab gebildet und mit dem Ende der flexiblen Zunge 218 verschweisst ist. Sie dienen zur lösbaren Befestigung der Fliesskanäle im Kernträger.
In der in Fig. 13 dargestellten gekürzten Längsansicht einer Brennstoffanordnung ist eine Mehrzahl von langgestreckten Brennstoffelementen 226 parallel zueinander angeordnet und diese bilden eine Brennstoffanordnung 228. Die hier gezeigten Elemente sind Stäbe ; es konten aber auch andere Formen, wie Rohre, Platten oder andere geometrische Querschnitte, angewendet werden. Die Brennstoffelemente 226 werden zwischen oberen und unteren Tragvorrichtungen 230 und 232 befestigt, welche einen offenen Kühlmittelströmungsweg gewährleisten, der nicht wesentlich geringer ist als die offenen Bereiche zwischen den Brennstoffelementen 226. Von den unteren Tragvorrichtungen 232 erstreckt sich ein Kanalklinken- schloss element 234 nach unten.
Vom oberen Tragorgan 230 nach oben ist ein Fortsatz 236 vorgesehen, der mit einem drehbaren Handstück 238, mit einem Paar Ansätzen bzw. Riegel 240 (die in Fig. 14 deutlicher dargestellt sind) und einer Feder 242 ausgestattet ist. Die Feder 242 hat die Tendenz, den Handgriff 238 in jene Richtung zu bringen, dass die Achse der Riegel 240 parallel zu einer der Querabmessungen der Brennstoffanordnung liegt, wobei aber eine Drehung des Handstückes 238 um maximal etwa 90 zwischen den Endstellungen gegen die Richkraft der Feder 242 möglich ist.
Die Brennstoffanordnung gemäss Fig. 13 ist für einen direkten Einsatz in den Fliesskanal gemäss Fig. 12 vorgesehen. Die Tragorgane 230 und 232 gleiten an den inneren Flächen des Kanals 200. Der Abstand zwischen den äusseren Flächen der Riegel 240 ist grösser als die Öffnung des Kanals 200. Die Brennstoffanordnung kann jedoch vollständig in den Kanal eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass das Handstück 238 um etwa 450 aus seiner normalen Lage im Hinblick auf die Brennstoffanordnung gegen die Torsionskraft der Feder 242 verdreht wird, so dass es etwa diagonal zum quadratischen Kanal zu liegen kommt. Wenn
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das Brennstoffelement vollständig in den Kanal eingesetzt ist, erstreckt sich das Kanalklinkenschlosselement 234 abwärts zwischen die Klinkenelemente 218 und diese kommen mit der Sperrfläche im Kernträgergitter in Eingriff.
Das Handstück 238 wird dann durch die Feder 242 um etwa 450 in seine normale Stellung parallel zur Querabmessung der Brennstoffanordnung zurückgedreht, in welcher Stellung die Breiinstoffsperriegel 240 in die Öffnungen 202 am oberen Ende des Kanals 200 gleiten. Dadurch wird die Brennstoffanordnung sicher im Kanal und der Kanal im Kerntraggitter verankert. Die Brennstoffanordnungen können in ähnlicher Weise in den zwischen benachbarten Fliesskanälen in Schachbrettanordnung gemäss der Erfindung angeordneten. Fliesswegen festgemacht werden ; sie werden aber im Hinblick auf die Brennstoffanordnungen im Kanal 200 um 900 versetzt angeordnet, damit die Riegel 240 in die nicht benutzten Öffnungen 202 der benachbarten Kanäle eingreifen können, wie dies in Fig. 14 deutlicher gezeigt ist.
In Fig. 14 ist ein verkürzter Längsschnitt durch einen Teil einer Mehrzahl von Kanälen 200 und Brennstoffanordnungen 228 gezeigt, die in verschiedenen Stellungen in dem zellenartigen Reaktorkernaufbau gemäss der Erfindung eingeklinkt sind. Die äusseren beiden Kanäle sind einzeln im Kerntraggitter 26 durch Kanalklinken 220 und die an jeder Brennstoffanordnung 228 angeordneten Klinkensperrelemente 234 auswechselbar befestigt. Die Brennstoffanordnungen wieder sind in den Kanälen durch den Eingriff der Riegel 240 in zwei der vier Öffnungen 202 festgemacht, die am oberen Ende der Kanäle 200 vorgesehen sind.
Die Brennstoffanordnung 228a liegt im Fliessweg, der zwischen den in Abstand angeordneten Kanälen 200 vorliegt, und ist um 900 gegenüber den Anordnungen 228 versetzt sowie mittels der Riegel 240a des Handstückes 238a in zwei der verbleibenden Öffnungen 202 befestigt. Gewünschtenfalls können die Brennstoffanordnungen 228a und 228 so bemessen werden, dass deren untere Tragorgane auf einem Kerntraggitter 26 aufliegen, obwohl das üblicherweise nicht notwendig ist. Von den vier Verriegelungsöffnungen 202, die in den vier Flächen am oberen Ende jedes Strömungskanals vorgesehen sind, werden im Kanal zwei durch die mit der Brennstoffanordnung verbundene.
Sperriegel 240 beansprucht, während die andern beiden durch die Sperriegel 240a jeder Brennstoffanordnung in den benachbarten Kühlmittelfliesswegen beansprucht sind, in welchen kein Fliesskanal eingesetzt ist, und alle Brennstoffancrdnungen sind herausnehmbar und einzeln in den innerhalb und zwischen den Fliesskanälen vorgesehenen Fliesswegen verriegelt.
Diese relative Orientierung der Brennstoffanordnungen in den Fliesswegen ist deutlicher in Fig. 15, einer Draufsicht auf einen Teil des Reaktorkerns in Richtung der Pfeile 15-15 in Fig. 14, dargestellt.
Quadratische Fliesskanäle 200 sind schachbrettartig in der vorstehend beschriebenen Weise angeordnet. Eckanästze oder Abstandshalter 204 ergeben Trag-und Stützflächen. Die Brennstoffanordnungen werden in jeden Fliesskanal 200 in der Weise eingesetzt, dass deren Handstück 238a parallel zueinander orientiert sind. Die Sperriegel 240a greifen in zwei der Öffnungen 202a ein. Brennstoffanordnungen sind auch in die Kahlmittelwege 240 mit quadratischem Querschnitt eingesetzt, die zwischen den in Abstand voneinander angeordneten Fliesskanälen 220 vorliegen. Die Brennstoffanordnungen sind in der Weise orientiert, dass deren Handstück 238 normalerweise im rechten Winkel zu jenen der innerhalb der Kanäle befindlichen stehen, so dass deren Sperriegel 240 in die andern Kanalöffnungen 202 von aussen eingreifen.
In Fig. 15 ist auch ein Paar von Regelelementen 252 gezeigt, die relativ dicke Wände aufweisen und mit einer zentralen Öffnung 254 ausgestattet sind. Die Zentralöffnung ist für das Durchströmen von flüssigem, moderierendem Kühlmittel'offen und die Wände können einen Neutronenfänger, wie Bor, Quecksilber, Silber, Kadmium, Gadolinium, Dysprosium, Hafnium, Europium oder andere bekannte Neutronenfänger für Regelzwecke, enthalten. Die Regelelemente 252 sind in sonst offenen Wegen, die in dem Kernaufbau zwischen Fliesskanälen 200 gebildet und in welchen die Brennstoffanordnungen eingesetzt sind, hin- und herbewegbar.
Die Querabmessung d der Zentralöffnung 254 wird vorzugsweise etwa entsprechend der Bremslänge, d. i. der Nettovektor oder gerade Flugweg eines Neutrons von seiner Bildung als Spaltungsneutron durch einen gegebenen Moderator bis zur Erreichung thermischer Energie, gewählt und beträgt insbesondere zwischen dem etwa 0, 25- und etwa 5-fachen der Bremsweglänge. Auf diese Weise wird eine maximale Regelwirksamkeit je Einheit des von einem Regelelement eingenommenen Kernquerschnittes erreicht.
Schnelle oder epithermische Neutronen, die auf der einen Seite des Regelelementes eintreten, werden im Moderatorkörper innerhalb des Regelelementes auf thermische Energie gebracht und dann nach Durchtritt durch den Moderatorkörper vom Neutronenfängerregelelement absorbiert. Auf diese Weise wird eine wesentliche Verringerung des von den Regelelementen eingenommenen Volumens des Kerns bei einem gegebenen Regelgrad erreicht.
In Fig. 16 ist eine verkürzt dargestellte Stirnansicht, teilweise im Schnitt, eines Regelelementes 252 und dessen Brennstoff-Folgestufe 228a in Richtung der Pfeile 16-16 in Fig. 15 gezeigt. Uas Regelelement ist an seinem oberen Ende mittels einer Stange 258 an einem Regelantriebsmechanismus befestigt. Dieser
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ist in einem Joch 260 gelagert und an jedem Ende ist ein Klinkenmechanismus 262 zur Verbindung mit dem oberen Ende des Regelelementes 252 vorgesehen. Bei dieser Abänderung besteh : das Verriegelungselement aus einem Handgriff 264, der mit einer sich durch das Gehäuse 268 erstreckenden Antriebsstange 266 verbunden ist.
Die Nocke 270 ist über Welle 266 drehbar gelagert u :. d verschiebt bei jeder Umdrehung die Sperrkugel 272 durch eine Öffnung 274 im Gehäuse 26E nach auswärts und bringt sie in Eingriff mit einer Ausnehmung 276 an der Innenfläche des oberen Endes des Regelelementes 252. Auf diese Weise können verschiedene Regelelemente gleichzeitig mittels eines einzigen oberhalb des Reaktorkessels montierten Antriebsmechanismus hin-und herbewegt werden. Andere geeignete Mittel zur Verbindung desRegelstabantriebselementes mit dem Stabantrieb und zum einzelnen Antrieb der Neutronenfänger-Re- gelelemente können gewünschtenfalls angewendet werden.
Fig. 17 ist eine verkürzt dargestellte Stirnansicht des Endes der Folgestufe einer modifzierten Form des in Fig. 16 beschriebenen Neutronenfänger-Regelfolgestufenaufbaues. Das Lochfolgestufenelement 269 ist axial durch Verbindungsmittel 267 mit dem unteren Ende des Neutronenfänger-Regelelementes 252 verbunden. Die Folgestufenelemente haben denselben Querschnitt, d. h. quadratisch mit abgerundeten Ecken, wie das Neutronenfängerelement, dem es, wie in den Fig. 15 und 16 dargestellt zugeordnet ist.
Die Lochfolgestufe verhindert den Eintritt von Moderator in den Kernbereich, aus welchem das Neutronenfänger-Regelelement herausgezogen worden ist. Das wieder verhindert die Bildung von übermässigen Moderatorschichten an den Kanten benachbarter Brennstoffanordnungen, die Änderung im wirksamen Moderator/Brennstoffverhältnis an den peripheren Brennstoffelementen in solchen Anordnungen und die sich daraus ergebenden Fluss- und Leistungsspitzen, die sonst entstehen würden.
In den Fig. 18 und 19 sind Querschnitte von zwei Modifikationen von Lochfolgestufen dargestellt, die mit dem Neutronenfänger-Regelelement der Fig. 16 und 17 verbunden und gemäss der Erfindung verwendet werden können. In Fig. 18 ist eine hohle Folgestufe 269 mit im wesentlichen demselben Querschnitt wie das Element, mit dem es verbunden ist, dargestellt, sie wird gegen durch das Arbeiten unter Druck in dem umgebenden flüssigen Moderatorkühlmittel auftretende Kräfte durch ein Bündel von Röhren 271 geschützt, die eng in die Folgestufe eingepasst sind.
In Fig. 19 ist eine solche Folgestufe 269 mit einer festen Stange 273 gefüllt. In jedem Falle ist die Folgestufe aus einem korrosionsbeständigen Material, wie Edelstahl oder einer Zirkonlegierung, oder einem andern, für das jeweils verwendete Kühlmittel geeigneten Material gefertigt. Die Rohre 271 und die Stange 273 werden vorzugsweise aus einem festen, niedriggewichtigen Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt, das im wesentlichen keine epithermische neutronenmoderierende Eigenschaften aufweist, gefüllt. Als solche Materialien sind Aluminium od. dgl. geeignet. In analoger Weise können Lochfolgestufen befestigt und mit den Neutronenfänger-Regelelementen bewegt werden, die andere als quadratische Querschnitte aufweisen.
In den Fig. 20 und 21 ist ein Teil der Brennstoffanordnungen, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit den Fig. 13 und 14 erörtert worden sind, in grösserem Massstabe dargestellt. Die Brennstoffanordnung 228 ist mit einer Vielzahl von durchgehenden oder unsegmentierten Brennstoffstäben oder-elementen 226 ausgestattet, die einen kontinuierlichen und ununterbrochenen Körper von Kernbrennstoffmaterial enthalten. Ferner ist ein Brennstoffelementabstandshalter 280 veranschaulicht, der zur Fixierung von Brennstoffelementen 226 in vorbestimmten Abständen voneinander entlang ihrer Hauptabmessung ohne wesentliche Verminderung des Moderator-Kühlmittelfliessbereiches angeordnet werden kann. Diese Struktur 280 ist eine Drahtmaschenanordnung, die sich in gleitender Berührung mit den benachbarten Oberflächen der Fliesskanäle oder Kanäle 200, wie z.
B. an der Innenseite der Ecken derselben, befindet. Der Aufbau 280 ist aus einem ersten Paar von Querdrahtelementen 284 gebildet, die sich in einer Richtung längs der ge- 5enüberliegenden Seiten jeder Reihe von Brennstoffstäben 226 erstrecken. Ein zweites Paar von parallelen Drahtelementen 286 erstreckt sich in Querrichtung längs der gegenüberliegenden Seiten jeder Reihe von 3rennstoffstäben in einem Winkel von 90 zu den Elementen 284. Diese kreuz und quer laufenden Drahtelemente 284 und 286 sind miteinander an jedem Drahtkreuzungspunkt verschweisst, um eine Verfestigung und dimensionsmässige Stabilität zu erreichen. Der Abstand wird in Abhängigkeit vom Durchmesser der Brennstoffelemente so gewählt, dass ein schwacher Reibungssitz zwischen Brennstofistab und Draht vorliegt.
Auf diese Weise ist keine weitere Befestigung des Brennstoffes nach Anbringung der Abstandshalter ! 80 an den gewünschten Punkten längs der Brennstoffelementanordnung 228 erforderlich. Die Elemente 280 können aber auch gewünschtenfalls mit den äusseren Flächen einiger oder aller Brennstoffstäbe 226, z. B. durch Hartlöten oder Schweissen, verbunden werden.
Obwohl vorstehend leichtes Wasser als flüssiges Kühlmittel genannt worden ist, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch alle andern geeigneten Flüssigkeiten, einschliesslich schweres Wasser und
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Kohlenwasserstoffe, wie Diphenyl, die isomeren Terphenyle, Naphtalin, Anthrazen u. dgl., verwendet werden. Das Kühlmittel kann ein siedendes oder nichtsiedendes Kühlmittel sein.
Kernbrennstoffe, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, umfassen Brutisotope des Urans, Plutoniums oder Thoriums, und irgendwelcher anderer verfugbaren Elemente sowie die spaltbaren Isotope Us33, U , Plutonium und Plutonium. In den Neutronenfänger-Regelelementen können verschiedene Neutronenfänger für Kernreaktionen verwendet werden, wie Bor, Kadmium, Gadolinium, Silber, Dyspro- sium, Samarium, Europium, Hafnium, Quecksilber u. a. bekannte Elemente, die einen hohen Querschnitt für denspaltungslosen Neutroneneinfang aufweisen.
Als Baumaterialien für die Vorrichtung gemäss der Erfindung können Stoffe wie Edelstahl, Aluminium und seine Legierungen, Zirkon und seine Legierungen und Nickel und seine Legierungen, verwendet wer- den.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kernreaktoranordnung, enthaltend einen zellenartigen Reaktorkernaufbau mit langgestreckten, parallelen Fliesswegen für neutronenmoderierendes Kühlmittel von im wesentlichen identischem geometri- schem Querschnitt, wobei jeder derselben sich von einer Einlassöffnung an dem einen Ende des Aufbaues zu einer Auslassöffnung am andern Ende des Aufbaues erstreckt, und eine Kernbrennstoffelementanordnung, die in einer genügenden Zahl dieser Wege vorgesehen ist, um eine selbständige Kernspaltungskettenreak- tion in gegenwart einer neutronenmoderierenden Kühlflüssigkeit aufrechtzuerhalten, wobei jede dieser
Brennstoffanordnungen mit einer Mehrzahl von Kernbrennstoffelementen ausgestattet ist, die getrennt von- einander mit einem Mittenabstand angeordnet sind,
der mit dem moderierenden Kühlmittel in dem dabei vorliegenden Zwischenraum ein gegebenes Moderator : Brennstoffatomverhältnis R ergibt, dadurch ge- kennzeichnet, dass jeder Fliessweg (20 : 106) von den unmittelbar benachbarten Wegen (106 ; 20) durch eine einzige Wand aus Baumaterial mit niedrigem Neutronenabsorptionsquerschnitt getrennt ist und dass die peripheren Brennstoffelemente (120a) in jeder Anordnung von den nächsten peripheren Brennstoffelemen- ten (120b) in der benachbarten Brennstoffanordnung durch diese einzige Wand hindurch einen solchen Mit- tenabstand (d) haben, dass sich mit dem moderierenden Kühlmittel in den dazwischenliegenden Abstän- den an jeder Seite der Wand ein Moderator : Brennstoffatomvolumsverhältnis R ergibt, welches im wesentlichen dasselbe ist wie R.