Heterogener Atomkernreaktor Die Erfindung bezieht sich auf einen heterogenen Atomkernreaktor, aus welchem die im Spaltstoff erzeugte Wärme durch eine- den Spaltstoff umströ mende, vom Moderator umgebene Druckwasserschicht bei einem hohen, eine Dampfbildung mindestens ver zögernden Wasserdruck entnommen wird.
Bei Reaktoren dieser Gattung ist es vorteilhaft, die Wärme bei hoher Temperatur zu entnehmen. Hohe Temperatur bedingt aber hohen Druck des die Wärme aus den Heizelementen des Reaktors entnehmenden Druckwassers, damit nicht unkontrollierbare Dampf bildungen in den Druckwasserschichten auftreten. Hoher Druck wiederum erfordert grosse Wandstärke der die Druckwasserschicht nach aussen gegen den Moderator abgrenzenden Wandungen und daher, da diese Wandungen von den Neutronen durchdrungen werden müssen, grosse Verluste an Neutronen. Ferner wird infolge der hohen Temperaturen der Druck wasserschicht auch der Moderator wesentlich aufge heizt und verliert dadurch, insbesondere wenn ein flüssiger Moderator verwendet wird, einen Teil seiner Eigenschaft, Neutronen zu bremsen.
Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, dass ein flüssiger, unter mindestens annähernd dem Druck des Druck wassers stehender Moderator verwendet, und dass der Moderator mittels einer Isolierschicht gegen die Druckwasserschicht wärmeisoliert ist. Hierdurch wird erzielt, dass die die Druckwasserschicht nach aussen abgrenzenden Wandungen nicht mehr einem einsei tigen Druck ausgesetzt sind, sondern einem beidersei tigen, also mit nur geringer Wandstärke ausgeführt werden dürfen, wodurch die Verluste an Neutronen verringert werden. Und ferner wird hierdurch erzielt, dass infolge der Isolierschicht die Temperatur des Moderators niedrig bleibt.
Erst infolgedessen wird die Verwendung eines flüssigen Moderators erleich- tert, der es hinwiederum erst ermöglicht, von aussen her auf die die Druckwasserschicht nach aussen ab grenzende Wandung wie erwähnt den ungefähr glei chen Flüssigkeitsdruck auszuüben, wie er in ihrem Innern herrscht und es - womit der Kreis sich schliesst - ermöglicht,. wie schon erwähnt die Wandstärke gering und so den Neutronenverlust klein zu halten.
Es kann sowohl das die Wärme entnehmende Druckwasser als auch der flüssige Moderator aus gleichem, mit schwerem Wasser angereicherten Wasser bestehen.
Dies hat den Vorteil, dass dann das Druckwasser und der Moderator unmittelbar miteinander in Druck verbindung gebracht werden können, so dass ihre Drücke sich selbsttätig ausgleichen.
Vorteilhaft ist es, wenn auch der wärmeisolierende Stoff der Isolierschicht unter mindestens annähernd dem gleichen Druck steht wie das Druckwasser und der Moderator.
Dabei kann der wärmeisolierende Stoff unmittelbar das Druckwasser gegen den Moderator abgrenzen und so den gleichen Druck unmittelbar empfangen. Da der wärmeisolierende Stoff dann von innen und aussen den gleichen Druck empfängt, so darf er z.-B. als relativ dünnwandiges keramisches Rohr ausgeführt sein, ohne dass Gefahr besteht, dass der hohe Druck das Rohr beschädigt.
Es kann aber auch die Isolierschicht relativ dünne und nachgiebige Wände besitzen, welche den wärme isolierenden Stoff zwischen sich einschliessen und ihn einerseits gegen das Druckwasser und anderseits gegen den Moderator abgrenzen und, indem sie sich auf den wärmeisolierenden Stoff abstützen, auch diesem den Druck des Druckwassers und des Moderators mitteilen. Dies hat den Vorteil, dass sich als wärme isolierender Stoff auch eine z. B. körnige, trockene Substanz verwenden lässt, wobei die sie dicht ein schliessenden Wände sich wie erwähnt auf ihr ab stützen, daher trotz dem hohen Druck, wie erwähnt, dünn sein dürfen und daher nur unwesentliche Neu tronenverluste verursachen.
Der wärmeisolierende Stoff der Isolierschicht kann Kohlenstoff sein. Da derselbe keine grosse Festigkeit besitzt, ermöglicht es erst die Erfindung, ihn auch trotz hohen Drücken des Druckwassers unbedenklich verwenden zu können und so insbesondere seine nach stehenden Eigenschaften nutzbar zu machen: dass er nur wenig Neutronen einfängt, dass er selber schon als Moderator wirkt und dass er unter Einwirkung der im Reaktorinnern herrschenden Strahlung selbsttätig seinem amorphen Zustand zustrebt, in welchem seine Isolierwirkung ein Optimum ist.
Die Isolierschicht kann relativ dünne Wände be sitzen, welche den wärmeisolierenden Stoff einerseits gegen das Druckwasser und anderseits gegen den Moderator abgrenzen, wobei als wärmeisolierender Stoff ein Fluid dient.
In der Isolierschicht können Mittel vorgesehen sein, durch welche Konvektionsströmungen des Fluids behindert werden. Beispiele für solche Mittel sollen weiter unten an Hand der Zeichnung noch beschrieben werden.
Das Fluid kann ein Gas sein und über ein das Eindringen von Flüssigkeit in die Isolierschicht ver hütendes Gasreservoir in Druckverbindung mit dem flüssigen Moderator stehen, wobei als Gas Luft, aber auch z. B. ein gasförmiger Moderator gewählt werden kann, der dann schon in der Isolierschicht eine Moderatorwirkung ausübt und so die Wirkung des flüssigen Moderators des Reaktors unterstützt.
Als Fluid kann ferner Moderatorflüssigkeit dienen, die in Druckverbindung mit dem flüssigen Moderator des Reaktors steht. Es wird dadurch schon in der Isolierschicht eine Moderatorwirkung ausgeübt und so die Wirkung des flüssigen Moderators des Reaktors unterstützt.
Es kann dann für das Fluid in der Isolierschicht und für das die Wärme entnehmende Druckwasser das gleiche mit schwerem Wasser angereicherte Wasser wie für den flüssigen Moderator des Reaktors dienen.
Es kann die Isolierschicht durch Stulpen gebildet sein, die mit ihrer obern engeren Öffnung auf eine die Druckwasserschicht aussen begrenzende Rohrwandung untereinander aufgereiht sind und an ihrer untern weiteren Öffnung gegenüber dem darunterfolgenden Stulpen einen Spalt freilassen, welcher die Druck verbindung mit dem umgebenden flüssigen Moderator des Reaktors herstellt, wie weiter unten noch näher beschrieben.
An Hand einer schematischen Zeichnung sollen noch Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Reaktors beschrieben werden.
In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 im Vertikalschnitt Teile eines Reaktors mit flüssigem Isolierstoff, Fig. 2 im Vertikalschnitt Teile eines Reaktors mit gasförmigem Isolierstoff, Fig. 3 und 4 Beispiele für eine Isolierschicht mit Mitteln, durch welche Konvektionsströmungen eines flüssigen Isolierstoffes behindert werden.
In Fig. 1 sind zwecks klarer Darstellung von den vielen Heizelementen des Reaktors nur zwei gezeichnet. Das Heizelement besteht im wesentlichen aus dem Spaltstoff in Form eines zylindrischen Stabes 1 aus mit Uran 235 angereichertem Uran 238, der mit einer ihn vom Druckwasser trennenden, schützenden Hülle verkleidet ist, der Druckwasserschicht 2, die den Stab 1 in Richtung der Pfeile umströmt und die in seinem Spaltstoff erzeugte Wärme entnimmt, und der hohl- zylinderförmigen Isolierschicht 3, welche den flüssigen Moderator 4, der die Heizelemente umgibt, gegen die heisse Druckwasserschicht 2 wärmeisoliert.
Das am Stab 1 erhitzte Druckwasser wird mittels der Umlauf pumpe 5 im Kreislauf durch die Rohrleitung 6, den Wärmeaustauscher 7, ein Ausdehnungsgefäss 8 und durch die die genannte Umlaufpumpe 5 enthaltende Rohrleitung 9 zurück zur Druckwasserschicht 2 des Heizelements geführt. Mittels des Ventils 10 am Ausdehnungsgefäss 8 wird das eben beschriebene Um laufsystem unter einen Druck gesetzt, der so hoch ist, dass er für die gewählte Temperatur in der Rohrleitung 6, also für die gewählte Eingangstemperatur des Wärmeaustauschers 7, eine Dampfbildung in der Druckwasserschicht 2 des Heizelements verhütet. Dieser Druck kann unter Umständen mehr als 40 kg/cm2 betragen.
Im Wärmeaustauscher 7 überträgt das Druckwasser einen Teil seiner Wärme auf einen weiteren Wärmeträger, der dieselbe durch die Rohr leitung 11 ihrer Nutzung zuführt. Die Isolierschicht 3 ist durch dünne rohrförmige Wände 12 und 13 um schlossen und steht durch die Öffnung 14 in Druck verbindung mit dem flüssigen Moderator 4, der seiner seits mittels der Rohrleitung 15 in Druckverbindung mit dem durch die Druckwasserschicht 2 und die Teile 6, 7, 8, 5 und 9 umlaufenden Druckwasser steht und der in den druckfesten Behälter 16, 17 einge schlossen ist.
Das Druckwasser in der Druckwasserschicht 2, das Vluid in der Isolierschicht 3 und der flüssige Moderator 4 bestehen aus dem gleichen, und zwar einem mit schwerem Wasser angereicherten Wasser und stehen zufolge der Druckverbindungen 14 und 15 unter dem gleichen Druck. In die Isolierschicht ist körniger Kohlenstoff eingefüllt, welcher Konvektions- strömungen des in ihr enthaltenen Fluids zu Gunsten der Isolierwirkung behindert und welcher ausserdem mit als Moderator wirksam ist.
In Fig. 2 tritt anstelle der mit flüssigem Isolierstoff gefüllten Isolierschicht 3 eine mit gasförmigem Isolier stoff gefüllte Isolierschicht 18, welche über ein das Eindringen von Flüssigkeit verhütendes Gasreservoir 19 sowie die Rohrleitungen 20 und 21 mit dem Mo derator 4 in Druckverbindung steht. Wird bei Inbe triebnahme des Reaktors das Druckwasser unter vollen Druck gesetzt, so steigt im Gasreservoir 19 der Flüssigkeitsspiegel vom Niveau 22 auf das Niveau 23 an. Etwaige Gasverluste können während des Betriebes durch das Ventil 24 hindurch ersetzt werden. Auch in die Isolierschicht 18 ist, wie schon für die Isolierschicht 3 der Fig. 1 beschrieben, körniger Kohlenstoff ein gefüllt.
Ausser diesem in den vorstehenden Ausführungs beispielen erwähnten Einfüllen körnigen Kohlenstoffes seien als weitere Ausführungsbeispiele für Mittel zur Behinderung von Konvektionsströmungen in der Iso lierschicht noch genannt das Einfüllen von geknitterten Metallfolien, von Fasern, von porösen und/oder kör nigen Stoffen, das Anordnen von Zwischenwänden konzentrisch zur Achse der Isolierschicht.
Und schliess lich zeigen als weitere Ausführungsbeispiele Fig. 3 und Fig. 4 Stulpen 25 bzw. 26, die auf der Aussenwand 27 der Druckwasserschicht 2 des senkrecht angeordneten Heizelements untereinander aufgereiht sind, unten je einen ringförmigen Spalt 28 freilassen und so aus sich selbst die in Druckverbindung mit dem umgebenden Moderator 4 stehende Isolierschicht bilden, die aus relativ kleinen und daher die Konvektion behindernden Teilräumen besteht.
Die Stulpen 26 in Fig. 2 sind gestuft und bilden daher eine Isolierschicht, die aus zwei Lagen von Teilräumen besteht.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf dieses Ausführungsbeispiel. So können insbesondere auch andere Anordnungen, andere Moderatoren und andere Spaltstoffe als die hier genannten verwendet werden.