Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit einem spaltbares Material enthaltenden Reaktorkern und einem im Reaktor in einem in sich geschlossenen Umlauf zirkulierenden, durch den Reaktorkern hindurchgeführten, brüt- bares Material enthaltenden Kühlmittelstrom zur Ableitung der im Reaktorkern durch Kernspaltung sowie durch Strahlung der Spaltprodukte erzeugten Wärme aus dem Reaktorkern sowie zum Transport der von der abgeleiteten Wärme gebildeten Wärmeenergie zu wärmeaustauschenden oder wärmeenergieverbrauchenden Mitteln und zur gleichzeitig mit der Kühlung erfolgenden Brütung von neuem spaltbaren Material und ferner mit Mitteln zur Beeinflussung der Reaktivität des Reaktorkerns sowie zur Unterbrechung der Spaltung des im Reaktorkern enthaltenen spaltbaren Materials bei unzulässigen Abweichungen von einem vorbestimmten Normalzustand.
Kernreaktoren dieser Art sind in der einschlägigen Fachliteratur bereits beschrieben worden, z. B. in dem Forschungsbericht Das Brutverhalten eines epithermischen Salzschmelzereaktors; Interne Kühlung durch die Blanketschmelze von W.P. Barthold u.and., Jülich R.G., Bericht 362, März 1966.
Diese bekannten Kenreaktoren der eingangs genannten Art sind in der Regel mit flüssigem Brennstoff betriebene, als Brüter ausgebildete thermische oder epithermische Kernreaktoren. Die Verwendung von brütbares Material enthaltendem Kühlmittel hat bei diesen Reaktoren in erster Linie folgenden Grund: Man kann einen mit flüssigem Brennstoff betriebenen Kernreaktor im Prinzip auf zweierlei Arten kühlen, nämlich entweder mit interner Kühlung oder mit externer Kühlung.
Bei interner Kühlung leitet man durch den den flüssigen Brennstoff enthaltenden Reaktorkern mit Hilfe eines im Reaktorkern befindlichen Kühlrohrsystems ein Kühlmittel hindurch. Bei externer Kühlung wird dem Reaktorkern ständig flüssiger Brennstoff entnommen, der über einen Wärmeaustauscher geleitet und nach seiner Abkühlung im Wärmeaustauscher dem Reaktorkern wieder zugeführt wird. Die externe Kühlung hat den Vorteil, dass innerhalb des Reaktorkerns keine Kühlmittelrohre angeordnet werden müssen und damit die durch das Vorhandensein solcher Kühlmittelrohre im Reaktorkern bedingten, relativ grossen Neutronenverluste vermieden werden.
Ein schwerwiegender Nachteil der externen Kühlung ist jedoch, dass der hochaktive flüssige Brennstoff zum Zwecke dieser externen Kühlung über Rohrleitungen aus dem Reaktorkern herausgeführt werden muss, denn im Falle eines Bruches oder Lecks dieser Rohrleitungen würde der hochaktive Brennstoff aus diesen Rohrleitungen und dem Reaktorkern ausfliessen, was ein ganz erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt. Demgegenüber ist bei interner Kühlung des Reaktors im Falle eines Bruches oder Lecks der zu dem Reaktorkern hinführenden und aus dem Reaktorkern herausführenden Kühlmittelleitungen das Sicherheitsrisiko bei weitem nicht so gross, weil die Aktivität des Kühlmittels auch dann, wenn es brütbares und zum Teil schon gebrütetes Material enthält, um ein bis zwei Grössenordnungen niedriger als die Aktivität des flüssigen Brennstoffes liegt.
Diesem Vorteil der internen Kühlung des Reaktorkerns im Vergleich zur externen Kühlung steht aber der schon angedeutete Nachteil gegenüber, dass die interne Kühlung ein innerhalb des Reaktorkerns befindliches Kühlrohrsystem erfordert und die Kühlrohre einen beträchtlichen Neutronenverlust im Reaktorkern verursachen.
Um diesen Nachteil wenigstens teilweise zu beseitigen, wird daher bei interner Kühlung in der Regel ein Kühlmittel verwendet, das brütbares Material enthält, so dass die Neutronenverluste in den Kühlrohren wenigstens teilweise durch die Schaffung neuen spaltbaren Materials wieder ausgeglichen werden. Die interne Kühlung vermeidet also das beträchtliche Sicherheitsrisiko eines Ausfliessens von hochaktivem flüssigem Brennstoff, allerdings unter Inkaufnahme von in den im Reaktorkern befindlichen Kühlrohren entstehenden beträchtlichen Neutronenverlusten, die zu ihrem wenigstens teilweisen Ausgleich wiederum die Verwendung eines brütbares Material enthaltenden Kühlmittels bedingen.
Wegen dieser Neutronenverluste lassen sich bei den oben erwähnten bekannten Kernreaktoren der eingangs genannten Art, also mit flüssigem Brennstoff betriebenen und mit einem brütbares Material enthaltenden Kühlmittel intern gekühlten, als Brüter ausgebildeten thermischen oder epithermischen Kernreaktoren, nurBrüt überschüsse (Überschuss des durch Brütung erzeugten spaltbaren Materials gegenüber dem durch Kernspaltung verbrauchten spaltbaren Material) von einigen wenigen Prozenten erzielen, wobei man zudem alle geeigneten Massnahmen treffen muss, um weitere Neutronenverluste zu vermeiden und den nicht durch Neutronenverluste verlorengegangenen Teil der im Reaktorkern erzeugten Neutronen durch geeignete Wahl des Materials in der den Reaktorkern mantelförmig umgebenden äusseren Brutzone möglichst weitgehend zur Brütung auszunutzen.
Daher sind diese bekannten Kernreaktoren der eingangs genannten Art in der Regel mit einem Mantel aus festem brütbaren Material umgeben, weil bei festem brütbarem Material die Ausnutzung der vom Reaktorkern in die äussere Brutzone gelangenden Neutronen am günstigsten ist.
Tritt nun bei einem solchen bekannten Kernreaktor der eingangs genannten Art ein Kühlmittelverlust, z. B. durch Bruch oder Lecken einer der Kühlmittelleitungen, auf, so hat dies den Verlust des Kühlmittels innerhalb des im Reaktorkern befindlichen Kühlrohrsystems und damit ein Ansteigen der sich insgesamt im Reaktorkern ergebenden Neutronenverluste und damit wiederum eine Abnahme der Reaktivität des Reaktorkernes zur Folge, die zur selbsttätigen Unterbrechung der Spaltung des spaltbaren Materials im Reaktorkern, also zur selbsttätigen Abschaltung des Reaktors führt.
Dieser als Sicherheitsfaktor durchaus erwünschte Effekte steht aber im Zusammenhang damit, dass der Brütüberschuss bei den bekannten Kernreaktoren der eingangs genannten Art aus den vorstehend erläuterten Gründen nur relativ gering ist, denn aus dieser Tatsache ergibt sich, dass der aus der äusseren Brutzone stammende Anteil an den innerhalb des Reaktorkerns vorhandenen, die Reaktivität desselben bestimmenden Neutronen ebenfalls nur relativ gering ist, so dass der Wegfall des Kühlmittels in der Neutronenbilanz innerhalb des Reaktorkerns eine massgebende Rolle spielt und die Reaktivität des Reaktorkerns so weit absinken kann, dass die erwähnte selbsttätige Abschaltung des Reaktors eintritt.
Bei grösseren Brüt überschüssen von z.B. 30 bis 50%, wie sie in sogenannten schnellen Brütern anfallen, stammt aber ein wesentlich grösserer Anteil der im Reaktorkern vorhandenen Neutronen aus der den Reaktorkern mantelförmig umgebenden Brutzone, und demgemäss ist bei relativ grossen Brütüberschüssen der von dem das brütbare Material enthaltenden Kühlmittel stammende Anteil an den im Reaktorkern vorhandenen Neutronen entsprechend geringer.
Im Prinzip liegt das daran, dass bei grossen Brütüberschüssen und entsprechend hohem aus der äusseren Brutzone stammendem Neutronenanteil das Volumen des Reaktorkerns und damit aber auch das Volumen des in dem Kühlrohrsystem innerhalb des Reaktorkerns befindlichen Kühlmittels wesentlich verringert werden kann und bei relativ grossen Brütüberschüssen ist daher der sich mit einem Kühlmittelverlust im Reaktorkern ergebende Neutronenverlust in der Gesamtbilanz der Neutronen unter Umständen nicht ausreichend, um den oben erwähnten Effekt einer selbsttätigen Abschaltung des Reaktors bei Kühlmittelverlust mit Sicherheit zu gewährleisten.
Ausserdem kann auch bei dem oben erwähnten, einen nur geringen Brütüberschuss liefernden Kernreaktor der Effekt der selbsttätigen Abschaltung des Reaktors bei Kühlmittelverlust dann ausbleiben, wenn zwar in dem ausserhalb des Reaktorkerns befindlichen Bereich des Kühlmittelkreislaufs das Kühlmittel verlorengeht, aus dem innerhalb des Reaktorkerns befindlichen Kühlrohrsystem jedoch kein Kühlmittel ausläuft.
Das ist z. B. dann möglich, wenn die einzelnen Kühlrohre des Kühlrohrsystems U-förmig ausgebildet sind und ein Bruch der Verbindungsleitung zwischen der Kühlmittelabführung vom Reaktorkern und dem Eingang der Umwälzpumpe auftritt. In diesem Fall fördert die Pumpe noch so lange Kühlmittel durch den Reaktorkern, bis ihr eingangsseitig Gas zufliesst und damit der ausgangsseitige Förderdruck so weit absinkt, dass das nunmehr von der Pumpe ausgangsseitig abgegebene Gas keinen genügenden Druck mehr aufweist, um die U-förmigen Kühlrohre auszublasen. Eine andere Möglichkeit wäre, ebenfalls bei U-förmiger Ausbildung der Kühlrohre im Reaktorkern, ein gleichzeitiger Bruch der Kühlmittelzuführungs- und Abführungsleitungen zum und vom Reaktorkern.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung war daher, einen Kernreaktor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem sich im Falle eines Kühlmittelverlustes mit genügender Sicherheit eine durch diesen Kühlmittelverlust bewirkte selbsttätige Abschaltung des Reaktors ergibt.
Erfindungsgemäss wird das bei einem Kernreaktor der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass der Reaktorkern innerhalb einer den Reaktorkern im wesentlichen mantelförmig umgebenden, durch Begrenzungswände in dieser Form gehaltenen Flüssigkeit angeordnet ist, die das das brütbare Material enthaltende Kühlmittel und gleichzeitig das Mittel zur Unterbrechung der Spaltung des spaltbaren Materials im Falle von Kühlmittelverlust aus dem von den Begrenzungswänden umschlossenen Hohlraum bildet,
wobei diese Unterbrechung durch das sich aus dem Kühlmittelverlust ergebende Absinken des Flüssigkeitspegels in dem genannten Hohlraum und den damit einhergehenden Brutmaterialverlust in der den Reaktorkern umgebenden äusseren Brutzone und der dadurch bedingten Zunahme der Neutronenverluste und der dadurch wiederum verursachten Abnahme der Reaktivität des Reaktorkerns bewirkt wird.
Bei einer bevorzugten Ausbildungsform des vorliegenden Kernreaktors sind die Begrenzungswände, die die Kühlflüssigkeit in einer den Reaktorkern umgebenden Mantelform halten, die Boden- und Seitenwände eines Gefässes, innerhalb dessen der Reaktorkern in einem zentralen Bereich angeordnet ist und das mindestens bis zu einer zwischen Boden- und Deckenhöhe des Reaktorkerns liegenden Höhe, vorzugsweise jedoch bis zu einer über der Deckenhöhe des Reaktorkerns liegenden Höhe, mit der das brütbare Material enthaltenden, den Reaktorkern mantelförmig umgebenden Kühlflüssigkeit angefüllt ist.
Vorteilhaft können bei dieser Ausbildungsform Pumpmittel vorgesehen sein, die aus der den Reaktorkern umgebenden Flüssigkeit, vorzugsweise an einer höhenmässig unterhalb des Reaktorkerns gelegenen Stelle, das durch den Reaktorkern hindurchzuführende Kühlmittel absaugen und dem Reaktorkern zuführen, wobei ferner Leitungsmittel vorgesehen sind, die den durch den Reaktorkern hindurchgeführten, aus diesem austretenden Kühlmittelstrom über die wärmeaustauschenden oder wärmeenergieverbrauchenden Mittel wieder der den Reaktorkern umgebenden Flüssigkeit zuleiten.
Vorteilhaft können dabei die Pumpmittel, die genannten Leitungsmittel und ein oder mehrere die genannten wärmeaustauschenden oder wärmeenergieverbrauchenden Mittel bildenden Wärmeaustauscher innerhalb des genannten Gefässes angeordnet sein.
Bei einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausbildungsform des vorliegenden Kernreaktors, die mit einem geringeren Kühlmittelvolumen auskommt, dafür aber einen etwas geringeren Brütüberschuss hat, sind die Begrenzungswände, die die Kühlflüssigkeit in einer den Reaktorkern umgebenden Mantelform halten, die Wände von schlangenförmig um den Reaktorkern herumgeführten und dadurch einen mindestens die Seitenwände des Reaktorkerns umschliessenden Mantel bildenden Kühlmittelleitungen.
Zweckmässig sind auch hier Pumpmittel vorgesehen, die eingangsseitig an das Ende der genannten Kühlmittelleitungen und ausgangsseitig an die Kühlmittelzuführungen zum Reaktorkern abgeschlossen sind, wobei die wärmeaustauschenden oder wärmeenergieverbrauchenden Mittel eingangsseitig an die Kühlmittelabführungen vom Reaktorkern und ausgangsseitig an den Anfang der genannten Kühlmittelleitungen angeschlossen sind.
Da nach erfolgter Abschaltung des Reaktors bzw. nach erfolgter Unterbrechung der Spaltung des spaltbaren Materials im Reaktorkern die Wärmeerzeugung des Reaktors nicht beendet sondern nur stark reduziert ist, weil durch Strahlung der im Reaktorkern vorhandenen Spaltprodukte auch weiterhin Wärme erzeugt wird, ist es von wesentlicher Bedeutung, dafür Sorge zu tragen, dass trotz des Kühlmittelverlustes eine Abführung dieser durch Strahlung der Spaltprodukte erzeugten Restwärme erfolgt.
Vorteilhaft kann dies bei dem vorliegenden Kernreaktor dadurch erreicht werden, dass der Kühlmittelstrom auf eine Mehrzahl von voneinander unabhängigen, auch im Reaktorkern voneinander getrennten Kühlkreisläufen verteilt ist und dass Mittel zu einer im wesentlichen gleichmässigen Wärmeabfuhr von dem gesamten im Reaktorkern enthaltenen spaltbaren Material durch jeden einzelnen der voneinander getrennten Kühlkreisläufe vorgesehen sind, so dass im Falle des Versagens eines oder mehrerer Kühlkreisläufe der bzw. die restlichen noch intakten Kühlkreisläufe eine zur Ableitung der durch die Strahlung der Spaltprodukte erzeugten Wärme ausreichende Kühlung des Reaktorkerns bewirken.
Die Mittel zu der im wesentlichen gleichmässigen Wärmeabfuhr von dem gesamten im Reaktorkern enthaltenen spaltbaren Material können dabei zweckmässig eine das Spaltmaterial enthaltende, den Brennstoff des Reaktors bildende Flüssigkeit, ein Reaktionsgefäss zur Aufnahme dieser Flüssigkeit und für jeden Kühlkreislauf gesondere, im wesentlichen gleichmässig auf den Innenraum des Reaktionsgefässes verteilte, einerseits mit dem flüssigen Brennstoff und andererseits mit dem Kühlmittel des zugeordneten Kühlkreislaufes in Berührung stehende Wärmeaustauschmittel umfassen. Vorzugsweise sind dabei entweder zwei oder drei voneinander unabhängige Kühlkreisläufe vorgesehen.
Anhand der Zeichnung ist die Erfindung im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt ein Prinzipschema eines Ausführungsbeispiels des vorliegenden Kernreaktors, wobei der Reaktorkern 1 jedoch nur als Block dargestellt und in seinen räumlichen Ausmassen schematisch angedeutet ist und nur der generelle Verlauf der Kühlrohre durch den Reaktorkern gezeigt ist, während auf die Darstellung sämtlicher anderer Einzelheiten der Ausbildung des Reaktorkerns verzichtet wurde. Alle diese Einzelheiten sind, soweit in den folgenden Ausführungen nicht ausdrücklich darauf Bezug genommen wird, für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich und sind dem Fachmann im übrigen hinlänglich bekannt. Der Block 1 soll den Reaktorkern eines bekannten, mit flüssigem Brennstoff betriebenen Kernreaktors, wie er beispielsweise aus der Veröffentlichung Fuel properties and nuclear performance of fast reactors fueled with molten chlorides von P.A.
Nelson et al, Nuclear Applications, 1967, Vol. 3, Seite 540, bekannt ist, darstellen.
Das in der Zeichnung gezeigte Ausführungsbeispiel des vorliegenden Kernreaktors umfasst neben dem bereits erwähnten, als Block dargestellten Reaktorkern 1 und den durch diesen Reaktorkern 1 hindurchgeführten Kühlrohren 2 bis 9 ein zylindrisches Gefäss 10, innerhalb dessen der Reaktorkern 1 in einem zentralen Bereich angeordnet ist und das mit der das brütbare Material enthaltenden Kühlflüssigkeit 11 gefüllt ist.
Das Gefäss 10 ist in seinem oberen Bereich in Deckenhöhe des Reaktorkerns 1 mit einer das Gefäss in einen oberen und einen unteren Bereich aufteilenden horizontalen Zwischenwand 12 versehen, die als Tragorgan für den Reaktorkern 1 und eine oder mehrere im unteren Bereich des Gefässes 10 angeordnete Umwälzpumpen 13 sowie einen oder mehrere, ebenfalls im unteren Bereich des Gefässes 10 angeordnete Wärmeaustauscher 14 dient und ausserdem die aus dem Reaktorkern 1 in den oberen Bereich des Gefässes 10 austretende erhitzte Kühlflüssigkeit von der aus dem Wärmeaustauscher 14 in den unteren Bereich des Gefässes 10 austretende abgekühlte Kühlflüssigkeit trennt.
Die Wirkungsweise der Kühlung des in der Zeichnung im Prinzipschema dargestellten Ausführungsbeispiels des vorliegenden Kernreaktors ist im wesentlichen folgende: Die aus den Enden der Kühlrohre 4, 5, 8 und 9 aus dem Reaktorkern 1 austretende erhitzte Kühlflüssigkeit strömt in den im oberen Bereich des Gefässes 10 befindlichen Raum 15 und von dort in die eingangsseitig mit diesem Raum 15 in Verbindung stehende Primärseite des Wärmeaustauschers 14. Während des Durchlaufens der Primärseite des Wärmeaustauschers 14 gibt die Kühlflüssigkeit die im Reaktorkern 1 aufgenommene Wärme an eine der Sekundärseite des Wärmeaustauschers 14 über die Zuführungsleitung 16 zugeführte und von dieser über die Abführungsleitung 17 abgeführte, in einem Sekundärkühlkreislauf umlaufende, zum Wärmetransport dienende Flüssigkeit ab.
Die aus der Primärseite des Wärmeaustauschers 14 ausgangsseitig austretende abgekühlte Kühlflüssigkeit strömt dann in den im unteren Bereich des Gefässes 10 befindlichen Raum 18. Der Raum 18 reicht bis an die Unterseite der Zwischenwand 12 und ist vollständig mit abgekühlter Kühlflüssigkeit gefüllt. Aus dem Raum 18 saugt die eingangsseitig mit diesem Raum 18 in Verbindung stehende Umwälzpumpe 13 an einer unterhalb des Reaktorkerns 1 gelegenen Stelle Kühlflüssigkeit ab und fördert diese in den mit der Ausgangsseite der Umwälzpumpe 13 in Verbindung stehenden Raum 19. Die Umwälzpumpe 13 wird über die Antriebswelle 20 von einem in der Zeichnung nicht gezeigten Motor angetrieben.
Von dem durch eine im wesentlichen zylindrische Wand 21 begrenzten Raum 19 gelangt die Kühlflüssigkeit dann in einen im oberen Bereich des Gefässes 10 befindlichen Verteilerbehälter 22, von dem die in den Reaktorkern 1 hineinführenden Kühlrohre 2, 3, 6 und 7 ausgehen und der im vorliegenden Fall im wesentlichen toroidförmig ist und über einen im wesentlichen quaderförmigen Verbindungsraum 23 mit dem Raum 19 verbunden ist. Die aus der Umwälzpumpe 13 austretende Kühlflüssigkeit gelangt also über den Raum 19 und den Verbindungsraum 23 in den Verteilerbehälter 22 und wird von dort aus über die Kühlrohre 2 bis 9 durch den Reaktorkern 1 hindurchgeleitet und fliesst danach wieder in den als Sammelbehälter dienenden Raum 15.
Wie ersichtlich, ist demgemäss das gesamte Gefäss 10 mit der brütbares Material enthaltenden Kühlflüssigkeit gefüllt und der Reaktorkern 1 ist somit vollständig von einem dicken Mantel aus Kühlflüssigkeit umschlossen, die, da sie brütbares Material enthält, die den Reaktorkern umschliessende äussere Brutzone bildet. Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass alle Wände innerhalb des Gefässes 10, die auf der einen Seite an erhitzte und auf der anderen Seite an abgekühlte Kühlflüssigkeit angrenzen, also die Deckenwand 24 und die Seitenwände des Verbindungsraumes 23 sowie die Wände 25 des Verteilerbehälters 22, ferner die Zwischenwand 12 und die äussere Wand 26 des Wärmeaustauschers 14, zur Vermeidung eines direkten Übergangs von Wärme von der erhitzten auf die abgekühlte Kühlflüssigkeit wärmeisolierende Wände sind.
Auch das Gefäss 10 selbst ist, zumindest in seinem oberen Bereich, nach aussen zu wärmeisoliert. Die gesamte Kühlflüssigkeit zirkuliert in dem durch die Pfeile in der Zeichnung gezeigten Umlaufsinn innerhalb des Gefässes 10.
Ein Kühlmittelverlust kann demgemäss überhaupt nur dann auftreten, wenn das Gefäss 10 selbst ein Loch oder Leck aufweist. Solange dies nicht der Fall ist, bleibt das vollständig mit Kühlflüssigkeit gefüllte Gefäss 10 voll, und es wäre lediglich möglich, dass die Zirkulation der Kühlflüssigkeit durch den Reaktorkern 1 oder den Wärmeaustauscher 14 hindurch unterbleibt, ersteres z.B. bei einem Bruch einer der Wände 21, 24 oder 25, und letzteres z.B. bei einem Bruch der Zwischenwand 12. Ein Bruch dieser relativ starken Wände ist aber eigentlich nur dann möglich, wenn gleichzeitig auch das Gefäss 10 selbst bricht, z. B. infolge eines explosionsartig auf das Gefäss wirkenden Druckstosses, während ein Bruch dieser Wände bei gleichzeitig unbeschädigt bleibendem Gefäss 10 sehr unwahrscheinlich ist.
Im Falle eines Bruches des Gefässes 10 oder eines Lecks in dem Gefäss 10 fliesst nun die Kühlflüssigkeit aus dem Gefäss 10 aus, wobei bei einem Bruch im unteren Bereich des Gefässes 10 zunächst der Flüssigkeitspegel im Raum 18 und bei einem Bruch im oberen Bereich des Gefässes 10 zunächst der Flüssigkeitspegel im Raum 15 absinkt.
Im ersteren Fall, also bei einem Bruch des Gefässes 10 in seinem unteren Bereich, funktioniert die Kühlung des Reaktorkerns 1, sofern die Pumpe 13 noch arbeitet, weiter, bis der Flüssigkeitspegel im Raum 18 auf die Einlasshöhe der Pumpe 13 abgesunken ist, weil die Pumpe 13 bis zu diesem Zeitpunkt noch Kühlflüssigkeit fördert und der Kühlkreislauf durch den Reaktorkern 1 damit aufrechterhalten bleibt. Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt auch der obere Bereich des Gefässes 10 noch vollständig mit Kühlflüssigkeit gefällt.
Wenn der Flüssigkeitspegel im im Raum 18 jedoch so weit abgesunken ist, befindet sich in derden Reaktorkern 1 umgebenden, normalerweise die äussere Brutzonebildenden Mantelzone, abgesehen von dem Bereich über der
Decke des Reaktorkerns 1, kein Brutmaterial mehr und die Neutronenverluste in dieser Zone haben infolgedessen so stark zugenommen, dass die mit dieser Zunahme der Neutronenverluste einhergehende Abnahme der Reaktivität des Reaktor kerns bereits zur Unterbrechung der Kernspaltung im Reak torkern geführt hat.
Im Falle eines Bruches des Gefässes 10 in seinem oberen, d.h. oberhalb der Zwischenwand 12 gelegenen Bereich sinkt, wie erwähnt, zunächst der Flüssigkeitspegel im Raum 15, was aber auf die Funktionsweise des Reaktors - im mer vorausgesetzt, dass die Pumpe 13 noch arbeitet - so lange keinen wesentlichen Einfluss hat, bis der gesamte Raum 15 ausgelaufen ist. Von diesem Moment an fliesst durch die Pri märseite des Wärmeaustauschers 14 Gas in den Raum 18, weil aus dem Raum 18 durch die Pumpe 13 weiterhin Kühlflüssig keit abgesaugt wird. Da die Pumpe 13 diese abgesaugte Kühlflüssigkeit durch den Reaktorkern treibt, funktioniert auch die
Kühlung des Reaktorkerns weiterhin. Infolge des Einfliessens von Gas in den Raum 18 sinkt nunmehr der Flüssigkeitspegel im Raum 18, bis der Pegelstand die Höhe der Eintrittsöffnung der Pumpe 13 erreicht hat.
Bis zu diesem Zeitpunkt funktioniert die Kühlung des Reaktorkerns weiter. Zu diesem Zeitpunkt ist aber, in gleicher Weise wie bei einem Bruch des Gefässes 10 in seinem unteren Bereich, in der den Reaktorkern 1 umgebenden Mantelzone kein Brutmaterial mehr vorhanden und infolge des dadurch bedingten Anstiegs der Neutronenverluste und der damit einhergehenden Abnahme der Reaktivität des Reaktorkerns ist die Kernspaltung im Reaktorkern zu diesem Zeitpunkt bereits unterbrochen.
Die obigen Ausführungen zeigen, dass bei einem Bruch des
Gefässes 10 an einer beliebigen Stelle eine selbsttätige Unterbrechung der Kernspaltung im Reaktorkern und damit eine selbsttätige Abschaltung des Reaktors erfolgt, wobei die Kühlung des Reaktorkerns 1, sofern die Pumpe 13 weiter arbeitet, bis zum Absinken des Flüssigkeitspegels auf die Höhe der Eintrittsöffnung der Pumpe 13 und damit also bis zu einem Zeitpunkt lange nach dem selbsttätigen Abschalten des Reaktors aufrechterhalten bleibt. Für den Fall eines Versagens der Pumpe 13 sind andere schnellwirkende Abschaltmittel vorgesehen.
Anstelle der in der Zeichnung gezeigten Ausbildung des vorliegenden Kernreaktors, bei der der Reaktorkern sozusagen in der Kühlflüssigkeit schwimmt , kann aber auch eine Ausbildung vorgesehen sein, bei der die den Reaktorkern mantelförmig umgebende, die äussere Brutzone bildende Kühlflüssigkeit in einer sich schlangenförmig um den Reaktorkern herumwindenden Kühlschlange geführt ist. In diesem Fall wäre der Eingang der Umwälzpumpe an das Ende dieser Kühlschlange, der Ausgang der Umwälzpumpe ebenso wie in der Zeichnung an die Kühlmittelzuführungen zum Reaktorkern, der primärseitige Eingang des Wärmeaustauschers ebenso wie in der Zeichnung an die Kühlmittelabführungen vom Reaktorkern und der primärseitige Ausgang des Wärmeaustauschers an den Anfang der genannten Kühlschlange anzuschliessen.
Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass man mit einer wesentlich geringeren Kühlmittelmenge auskommen kann, was in Anbetracht dessen, dass das Kühlmittel ja brütbares Material enthält, aus Gründen des technischen Aufwandes von Bedeutung sein kann. Ein weiterer Vorteil dieser Ausbildung ist der, dass bei dieser Ausbildung die im folgenden noch zu erörternde Aufteilung des gesamten Kühlmittelstromes auf mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe ohne Schwierigkeiten realisierbar ist.
Nach der Unterbrechung der Kernspaltung im Rekatorkern 1 wird die Wärmeerzeugung im Reaktorkern auf die durch Strahlung der Spaltprodukte erzeugte Wärme reduziert.
Diese durch Strahlung der Spaltprodukte erzeugte Wärme, die bei einem Leistungsreaktor von 500 Megawatt immerhin noch ca. 40 Megawatt beträgt, muss auch nach der Abschaltung des Reaktors weiterhin aus dem Reaktorkern abgeführt werden.
Zu diesem Zweck kann der in der Zeichnung gezeigte Kernreaktor derart abgeändert werden, dass erstens der Boden des Gefässes 10 kegelförmig mit der Kegelspitze nach unten ausgebildet wird und die Eintrittsöffnung der Pumpe 13 an den Kegelgrund gelegt wird. Wenn dann der Bruch oder das Leck im Gefäss 10 nicht gerade im Spitzenbereich des Kegels liegt, sammelt sich in diesem Spitzenbereich immer wieder Kühlflüssigkeit an, die von der Umwälzpumpe abgesaugt und durch den Reaktorkern hindurchgetrieben wird und dann über die Primärseite des Wärmeaustauschers wieder in diesen Spitzenbereich des Kegels gelangt, so dass also auch bei einem Bruch oder Leck des Gefässes 10 (der nicht gerade im Spitzenbereich des Kegels liegt) eine Kühlung des Reaktorkerns 1 aufrechterhalten wird,
sofern das noch im Gefäss 10 verbliebene Kühlmittel beim Durchlaufen der Primärseite des Wärmeaustauschers seine im Reaktorkern aufgenommene Wärme an den Wärmeaustauscher bzw. die Sekundärseite desselben abgeben kann. Jedoch ist diese Form der Aufrechterhaltung der Kühlung zur Abführung der durch Strahlung der Spaltprodukte im Reaktorkern erzeugten Restwärme mit einigen Unsicherheiten, z. B. der Bedingung, dass das Leck nicht im Spitzenbereich des Kegels liegen darf, und der Bedingung, dass das durch die Primärseite des Wärmeaustauschers fliessende Kühlmittel langsam genug durchfliesst, um seine Wärmeenergie an die Sekundärseite des Wärmeaustauschers abgeben zu können, behaftet und gewährleistet daher keine genügende Sicherheit dafür, dass die zur Abführung der Restwärme notwendige Kühlung auf jeden Fall aufrechterhalten bleibt.
Eine genügende Sicherheit, dass die Abführung der Restwärme aus dem Reaktorkern nach einer unfallsbedingten Abschaltung des Reaktors unter allen Umständen aufrechterhalten wird, ist aber erforderlich, wenn man das Risiko einer Verseuchung der gesamten Umgebung des Kernreaktors mit stark radioaktivem Material ausschliessen will, denn wenn die Abführung der Restwärme aus dem Reaktorkern nicht gewährleistet ist, kann die entstehende Restwärme nicht nur zum Zusammenschmelzen des Reaktors mit allen seinen innerhalb des Beton-Schutzmantels befindlichen Einrichtungen sondern auch zum Durchschmelzen des Betonmantels und dem Austritt des stark radioaktiven Materials in die Umgebung des Kernreaktors führen.
Die Abführung der Restwärme nach einer unfallbedingten Abschaltung kann bei dem vorliegenden Kernreaktor mit genügender Sicherheit dadurch gewährleistet werden, dass der durch den Reaktorkern hindurchgeführte und in einem in sich geschlossenen Umlauf zirkulierende Kühlmittelstrom auf eine Mehrzahl von voneinander unabhängigen, auch im Reaktorkern voneinander getrennten Kühlkreisläufen verteilt wird.
Dabei ist für eine im wesentlichen gleichmässige Wärmeabfuhr von dem gesamten im Reaktorkern enthaltenen Brennstoff durch jeden einzelnen der voneinander getrennten Kühlkreisläufe Sorge zu tragen, damit im Falle des Versagens eines oder mehrerer Kühlkreisläufe der bzw. die restlichen noch intakten Kühlkreisläufe eine zur Ableitung der Restwärme ausreichende Kühlung des Reaktorkerns bewirken. Die gleichmässige Wärmeabfuhr wird bei dem oben beschriebenen, mit flüssigem Brennstoff betriebenen Kernreaktor einerseits durch eine gleichmässige Verteilung der den verschiedenen Kühlkreisläufen zugeordneten Kühlrohre im Reaktorkern und andererseits durch den flüssigen Brennstoff selbst, bei dem sich ja Temperaturunterschiede zwischen seinen einzelnen Teilvolumen durch Konvektionsströmung selbsttätig ausgleichen, gewährleistet.
Die Anzahl der voneinander unabhängigen Kühlkreisläufe, in die der gesamte durch den Reaktorkern hindurchgeführte Kühlmittelstrom aufgeteilt wird, ist eine Frage des angestrebten Sicherheitsgrades und des dafür notwendigen technischen Aufwandes. Je grösser diese Anzahl ist, desto grösser wird, jedenfalls in dem für die praktische Ausführung in Frage kommenden Bereich, der erzielte Sicherheitsgrad, umso höher ist aber auch der erfoderliche technische Aufwand. Für die praktische Ausführung kommt in erster Linie eine Aufteilung in zwei, drei oder vier Kühlkreisläufe in Betracht.
Zum Zwecke dieser Aufteilung des gesamten durch den Reaktorkern hindurchgeführten Kühlmittelstromes in mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe werden innerhalb des Reaktorkerns 1 in ähnlicher Weise wie in der Zeichnung gezeigt eine Vielzahl von parallel zueinander in vertikaler Richtung verlaufenden Kühlrohren derart angeordnet, dass die Achsen der einzelnen Kühlrohre durch die Kreuzungspunkte eines gedachten in einer Querschnittsebene durch sämtliche Kühlrohre gelegenen Gitters verlaufen, und zwar bei einer Aufteilung in zwei oder vier Kühlkreisläufe eines Gitters mit quadratischen Maschen und bei einer Aufteilung in drei Kühlkreisläufe eines Gitters mit die Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweisenden Maschen.
Bei einer Aufteilung in zwei voneinander unabhängige Kühlkreisläufe werden dabei die Kühlrohre derart an die beiden Kühlkreisläufe angeschlossen, dass in jeder Masche des gedachten Gitters die sich in einem Achsabstand vom # 2-fachen der Maschenweite diagonal gegen überliegenden Kühlrohre an ein und denselben Kühlkreislauf und die in einem der Maschenweite entsprechenden Achsabstand nebeneinander liegenden Kühlrohre an voneinander verschiedene Kühlkreisläufe angeschlossen sind.
Bei einer Aufteilung in drei voneinander unabhängige Kühlkreisläufe werden die Kühlrohre derart an die drei Kühlkreisläufe angeschlossen, dass in jeder der dreieckigen Maschen des gedachten Gitters die drei Kühlrohre, deren Achsen durch die Eckpunkte der Masche verlaufen, an voneinander verschiedene Kühlkreisläufe angeschlossen sind, und in entsprechender Weise werden bei einer Aufteilung in vier voneinander unabhängige Kühlkreisläufe die Kühlrohre derart an die vier Kühlkreisläufe angeschlossen, dass in jeder quadratischen Masche des gedachten Gitters die vier Kühlrohre, deren Achsen durch die Eckpunkte der Masche verlaufen, an voneinander verschiedene Kühlkreisläufe angeschlossen sind.
Die jeweils zum gleichen Kühlkreislauf gehörenden Kühlrohre gehen an ihren Anfängen von einem dem betreffenden Kühlkreislauf zugeordneten gemeinsamen Verteilerbehälter oder Verteilerrohr aus und münden an ihren Enden in einen ebenfalls dem betreffenden Kühlkreislauf zugeordneten gemeinsamen Sammelbehälter oder einem Sammelrohr.
Um die oben im Zusammenhang mit der Erläuterung der Zeichnung schon erwähnten und in der Zeichnung auch schematisch dargestellten, aus jeweils zwei vertikalen Kühlrohren und einen horizontalen Verbindungsstück zwischen deren unteren Enden bestehenden, U-förmigen Kühlmittelleitungen durch den Raktorkern zu bilden, werden die jeweils zum gleichen Kühlkreislauf gehörenden Kühlrohre an der Unterseite des von sämtlichen Kühlrohren gebildeten Kühlrohrbündels paarweise miteinander verbunden und sowohl die den einzelnen Kühlkreisläufen zugeordneten Verteilerbehälter als auch die den einzelnen Kühlkreisläufen zugeordneten Sammelbehälter oberhalb des Reaktorkerns angeordnet.
Oberhalb des Reaktorkerns befinden sich demgemäss eine der Anzahl von voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen entsprechende Anzahl von Verteilerbehältern, von denen jeder einem der Kühlkreisläufe zugeordnet ist, und eine gleiche Anzahl von Sammelbehältern, von denen ebenfalls jeder einem der Kühlkreisläufe zugeordnet ist. Damit ist der gesamte Kühlmittelstrom innerhalb des Reaktorkerns auf mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe verteilt, wobei jedem dieser Kühlkreisläufe zuführungsseitig ein gemeinsamer Verteilerbehälter und abführungsseitig ein gemeinsamer Sammelbehälter zugeordnet ist.
Um den Kühlmittelstrom auch ausserhalb des Reaktorskerns in die vorgesehene Anzahl von voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen aufzuteilen, gibt es im Prinzip zwei Möglichkeiten: Die eine Möglichkeit ist folgende: Man teilt den Raum 18 des in der Zeichnung gezeigten zylindrischen Gefässes 10 in eine der vorgesehenen Anzahl von Kühlkreisläufen entsprechende Anzahl von Sektoren, z.B. also bei drei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen in drei jeweils einen Winkelbereich des Raumes 18 von 1200 umfassende Sektoren, und ordnet zwischen den einzelnen Sektoren vertikale Trennwände an, die von der Seitenwand des Gefässes 10 und vom Boden des Gefässes 10 bis zum Reaktorkern 1 reichen und in dem Bereich zwischen dem Boden des Reaktorkerns 1 und dem Boden des Gefässes 10 in der Gefässmitte zusammentreffen und die nach oben zu bis an die Zwischenwand 12 reichen.
Jeder dieser Sektoren ist einem der Kühlkreisläufe zugeordnet. In jedem dieser Sektoren ordnet man eine Umwälzpumpe 13 und einen Wärmeaustauscher 14 an und verbindet den Ausgang der Pumpe mit dem Verteilerbehälter und den primärseitigen Eingang des Wärmeaustauschers mit dem Sammelbehälter des zugeordneten Kühlkreislaufs. Die Verteilerbehälter und Sammelbehälter sämtlicher Kühlkreisläufe sind in dem oberhalb der Zwischenwand 12 gelegenen oberen Bereich des Gefässes 10 angeordnet, und zwar zweckmässig so, dass der gesamte oberhalb der Zwischenwand 12 gelegene Bereich des Gefässes 10 in eine dem Doppelten der Anzahl der vorgesehenen Kühlkreisläufe entsprechende Zahl von übereinanderliegenden kreisscheibenförmigen Hohlraum aufgeteilt ist, von denen die eine Hälfte die Verteilerbehälter und die andere Hälfte die Sammelbehälter bildet.
Die zu den einzelnen Verteiler- und Sammelbehältern führenden Kühlrohranschlüsse aus dem Reaktorkern 1 und Anschlüsse der Pumpenausgänge und der Wärmeaustauschereingänge sind dabei teilweise mittels Durchführungen durch andere Verteiler- bzw.
Sammelbehälter hindurchgeführt. Wenn bei einem derart ausgebildeten Reaktor an einer Stelle des Gefässes 10 ein Bruch oder Leck auftritt, dann läuft nur der Sektor des Raumes 18 aus, in dessen Bereich sich die Leckstelle befindet. Der Kühlkreislauf, dem dieser Sektor zugeordnet ist, versagt dann, während die Kühlkreisläufe, in deren zugeordneten Sektoren des Raumes 18 das Gefäss 10 unbeschädigt geblieben ist, weiterhin funktionieren. Durch das Auslaufen des einen Sektors wird bei geeigneter Bemessung des Reaktorkerns infolge des Brutmaterialverlustes in diesem Sektor und der dadurch verursachten Neutronenverlustzunahme und Reaktivitätsabnahme eine selbsttätige Unterbrechung der Kernspaltung im Reaktorkern erzielt.
Problematisch ist bei der vorstehend beschriebenen Möglichkeit jedoch, dass beim Auslaufen von nur einem Sektor des Raumes 18 sowohl hinsichtlich der Wärmeverteilung im Reaktorkern als auch hinsichtlich der Neutronenverteilung im Reaktorkern Ungleichgewichte entstehen, die zu örtlichen Überhitzungen des Reaktorkerns während der Abschaltphase und auch zu einer verzögerten Abschaltung führen können.
Aus diesem Grunde ist es vorteilhafter, anstelle der vorstehend erläuterten Möglichkeit, den Kühlmittelstrom ausserhalb des Reaktorkerns in mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe aufzuteilen, die im folgenden erläuterte, dem gleichen Zweck dienende Möglichkeit anzuwenden:
Es war oben schon erwähnt worden, dass man anstelle des mit Kühlmittel gefüllten, den Reaktorkern 1 umschliessenden Gefässes 10 auch eine sich um den Reaktorkern herumwindende Kühlschlange verwenden könne, deren ende an den Eingang der Umwälzpumpe und deren Anfang an den primärseitigen Ausgang des Wärmeaustauschers anzuschliessen ist, Anstelle einer einzigen solchen Kühlschlange kann man nun bei einer Aufteilung des gesamten Kühlmittelstroms in mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe eine der Anzahl der Kühlkreisläufe entsprechende Anzahl von Kühlschlangen verwenden,
die nach Art eines Mehrfachgewindes ineinander verschachtelt sind. Bei drei Kühlkreisläufen hat also beispielsweise jede dieser Kühlschlangen eine dem Dreifachen ihrer Windungsstärke entsprechende Ganghöhe und die einzelnen Windungen der drei Kühlschlangen liegen jeweils unmittelbar nebeneinander. Jede dieser Kühlschlangen ist einem der Kühlkreisläufe zugeordnet und mit ihrem Anfang an den primärseitigen Ausgang des dem betreffenden Kühlkreislauf zugeordneten Wärmeaustauschers und mit ihrem Ende an den Eingang der dem betreffenden Kühlkreislauf zugeordneten Umwälzpumpe angeschlossen. Die Ausgänge der einzelnen Umwälzpumpen sind dabei jeweils an den dem betreffenden Kühlkreislauf zugeordneten Verteilerbehälter und die primärseitigen Eingange der einzelnen Wärmeaustauscher an den jeweils dem betreffenden Kühlkreislauf zugeordneten Sammelbehälter angeschlossen.
Wenn bei dieser Ausbildung in einem der Kühlkreisläufe ein Leck oder Rohrbruch auftritt und die Kühlflüssigkeit daher aus der dem betreffenden Kühlkreislauf zuge ordneten Kühlschlange ausläuft, wird trotzdem eine gleichmässige Wärmeverteilung und auch eine gleichmässige Neutronenverteilung in dem Reaktorkern 1 erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist oben am Beispiel eines mit flüssigem Brennstoff betriebenen Kernreaktors erläutert worden. Es ist aber darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemässe Lehre in entsprechender Weise auch bei mit festem Brennstoff betriebenen Kernreaktoren anwendbar ist.