DE1020127B - Kernreaktor - Google Patents

Description

• Kernreaktor Bezüglich ihrer Steuerung lassen sich die Kernreaktoren in zwei Typen einteilen, nämlich selbststabilisierende und solche mit Fremdstabilisierung. Bei den selbststabilisierenden Reaktoren wird entweder die thermische Ausdehnung der Moderatorsubstanz oder die Erhöhung der mittleren Energie der thermischen Neutronen bei einer Erwärmung des Reaktors als stabilisierender Faktor benutzt. Bei den fremdstabilisierten Reaktoren führt man hingegen Absorptionsmittel in die Reaktoren ein, die die Energieentwicklung in diesen nach oben begrenzt. Dies kann z. B. durch die Verwendung von borhaltigen, hafniumhaltigen oder cadmiumhaltigen Metallstäben geschehen, die mehr oder weniger tief in den Reaktorkern eintauchen und deren Lageveränderung für die Stabilisierung und Steuerung des Reaktors verwendet werden kann. Bei Anlagen großer Energieabgabe bildet die Steuerung der Reaktoren eine erhebliche technische Schwierigkeit, die den Einsatz umfangreicher Hilfsapparaturen, Meßgeräte und Servomechanismen erforderlich macht. Ein Versagen dieser Steuerungsapparaturen kann es mit sich bringen, daß die Reaktoren außer Kontrolle geraten und damit Katastrophen entstehen können. Um dieser Gefahr zu entgehen, ist man dazu übergegangen, mehrere voneinander unabhängige Steuerungseinrichtungen anzubringen, so daß beim Ausfall der einen die andere oder eine dritte in Funktion tritt. Trotzdem bietet auch dieses Verfahren noch nicht in allen Fällen die ausreichende Sicherheit.
• Es wird deshalb zur Stabilisierung von Reaktoren eine Methode vorgeschlagen, die bei einem etwaigen Versagen der Einrichtung automatisch die Energieerzeugung im Reaktor beendet bzw. stoppt. Dies läßt sich wie folgt erreichen: Ausgehend von einem an sich bekannten Reaktor, dessen Brennstoff- und Moderatorsystem von Hohlräumen durchzogen ist, die von einem Gas (unter Umständen mit zusätzlichen Moderatoreigenschaften) durchströmt werden können., wird ein Reaktor erfindungsgemäß so aufgebaut und dimensioniert, daß eine gerade noch unterkritische Anordnung von festen oder flüssigen Kernbrennsubstanzen in Verbindung mit geeigneten Moderatorsubstanzen von Hohlräumen durchzogen ist, die mit einem Gas gefüllt sind, welches zusätzliche Moderatorwirkungen hervorruft, damit den Reaktor gerade überkritisch macht und zur Steuerung und Stabilisierung des Reaktors dient. So entsteht beispielsweise eine Anordnung aus Stäben von reinem oder leicht angereichertem Kernbrennstoff von solcher Art, daß sie, zusammen mit einer festen Moderatorsubstanz, wie Kohlenstoff, Graphit oder Beryllium oder chemischen Verbindungen dieser Substanzen, selbst noch unterkritisch ist, so daß diese Anordnung im ganzen nicht zur Energieentwicklung führt. Die im Reaktorkern vorhandenen Hohlräume können z. B. so ausgeführt werden, daß sie aus Röhren bestehen, durch die man ein Gas hindurchführen kann. Die Anordnung wird nun in solcher Weise unterkritisch gehalten, daß vor Füllung der Röhren mit einem geeigneten, hochkomprimierten Gas der Vermehrungsfaktor der Neutronen erheblich unter 1 liegt. Führt man nun in die Hohlräume dieses Reaktorkerns ein Gas ein, z. B. Wasserstoff, Deuterium, Helium oder Wasserdampf, das gegenüber den Neutronen Moderatoreigenschaften besitzt, und bringt man den Gasdruck auf solche Höhe, daß damit hinreichend viel zusätzliche Moderatorsubstanz in den Reaktor eingeführt wird, so daß der Gesamtreaktor nunmehr entweder überkritisch oder bei einem Zweistufenreaktor in seinem Außenteil sehr nahe an die kritische Grenze herangeführt wird, so hat man die Möglichkeit, eine Steuerung des Reaktors durch Veränderung des Gasdruckes in den Hohlräumen zu erreichen.
• Es ist zwar ein Reaktor bereits bekanntgeworden, dessen Reaktivität ebenfalls durch Änderung des Druckes eines Gases gesteuert wird, das sich in einem Hohlraum des Reaktors befindet. Dabei handelt es sich aber um ein Gas, das gegenüber den Neutronen einen hohen Absorptionsquerschnitt aufweist, während beim Gegenstand der Erfindung ein Gas angewandt wird, das zusätzliche Moderatorwirkungen hervorruft, so daß, im Gegensatz zu der bekannten Einrichtung, bei Druckabfall die Reaktivität zurückgeht.
• Der erfindungsgemäße Reaktor besitzt den weiteren Vorteil, daß das zur Steuerung benutzte Gas gleichzeitig zum Energietransport verwendet werden kann, indem es sich nämlich beim Durchströmen des Reaktors etwas erhitzt und an anderer Stelle, z. B. an einem Wärmetauscher, seine Wärmeenergie abgibt. Wenn man dabei als Gas in diesem Falle beispielsweise Wasserstoff, Deuterium oder Helium verwendet, so hat dies außerdem den Vorteil, daß die genannten Gase mit den Neutronen im selbsterregenden Reaktor nur wenig oder gar nicht reagieren und auf diese Weise auch nicht besonders stark radioaktiv werden. Außerdem sind die Gase bei geeigneter Kombination mit passenden Brennstoffstäben chemisch praktisch inaggressiv.
• Die Steuerung kann nun etwa so vorgenommen werden, daß man das Gas in einem Kreislauf durch den Reaktor hindurchpumpt, von da aus zum Wärmetauscher leitet und dann dem Reaktor nach der Wärmeentnahme wieder über eine Pumpe zuführt.
• Die Einrichtung wird dabei zweckmäßigerweise so dimensioniert, daß bei stilliegender Pumpe und gleichmäßiger Verteilung des Gases über alle Innenräume des Kreislaufes der Reaktor, bei einem Zweistufenreaktor, zumindest in der zweiten Stufe, gerade noch unterkritisch ist. Wenn man nun auf der einen Seite des Reaktors die Pumpe, auf der anderen Seite des Reaktors einen Strömungswiderstand anbringt, läßt es sich erreichen, daß bei laufender Pumpe der Reaktor gerade selbst überkritisch oder - wie oben erläutert - gerade in der zweiten Stufe eines Zweistufenreaktors die kritische Grenze eben nicht erreicht wird, weil unter diesen Bedingungen die Menge der Moderatorsubstanz im Reaktor ansteigt.
• Die Steuerungsmöglichkeiten des Reaktors sind dabei beispielsweise gegeben einerseits durch Veränderung der Pumpgeschwindigkeit, etwa durch Veränderung ihrer Umdrehungszahl, sowie durch Veränderung des Strömungswiderstandes auf der anderen Seite. Wenn nun z. B. durch Ausfall des Stromes, der die Pumpe antreibt, der Gasumlauf zum Erliegen kommt, beendet der Reaktor automatisch seine Energieerzeugung, weil durch Druckausgleich im ganzen Gefäßsystem der Druck des Gases im Reaktor absinkt und dieser damit unterkritisch wird. Das Verfahren hat noch den weiteren Vorteil, daß beim Auftreten von Undichtigkeiten im Gefäßsystem des Gasumlaufes der Gasdruck von selbst so weit absinkt, daß der Reaktor auch in diesem Fall unterkritisch wird. Auf diese Weise ist das Gefahrenmoment im Katastrophenfalle auf ein Minimum reduziert.
• Erläuterung: Als Zweistufenreaktor wird eine Einrichtung bezeichnet, bei der ein kleiner überkritisch arbeitender Zentralreaktor (erste Stufe) von einem größeren, nahe an der kritischen Grenze, aber noch unterkritisch betriebenen Außenreaktor (zweite Stufe) ; umgeben ist.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade noch unterkritische Anordnung von festen oder flüssigen Kernbrennsubstanzen in Verbindung mit geeigneten Moderatorsubstanzen von Hohlräumen durchzogen ist, die mit einem Gas gefüllt sind, welches zusätzliche 1Uoderatorwirkungen hervorruft, damit den Reaktor gerade überkritisch macht und zur Steuerung und Stabilisierung des Reaktors dient.
2. 2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Steuerung und Stabilisierung durch Veränderung des Gasdruckes in den Hohlräumen bewirkt wird.
3. 3. Reaktor nach An `prucli 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Moderator- und Steuergas in einem geschlossenen Kreislauf umgeführt wird, bei dem der Überdruck im Reaktor durch das Zusammenwirken einer Pumpe vor und eines Strömungswiderstandes hinter dem Reaktor erzeugt wird.
4. 4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhren- und Gefäßsystem des Gaskreislaufes so dimensioniert ist, daß nur bei laufender Pumpe der Reaktor auf einem überkritischen Niveau gehalten wird, daß aber andererseits in dem Röhren- und Gefäßsystem außerhalb des Reaktors genügend Vorratsraum vorhanden ist, um bei Ausfall der Pumpe den Druck im gesamten System so weit absinken zu lassen, daß der Reaktor automatisch seine Energieerzeugung beendet.
5. 5. Reaktor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das umlaufende Gas selbst zum Wärme- und Energietransport vom Reaktor zti einem Wärmetauscher oder zu einem sonstigen Wärmeenergieverbraucher benutzt wird. 6. Reaktor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieentnahme nur durch geeignete andere Kühlmittel oder Kühlflüssigkeiten erfolgt. 7. Reaktor nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungswiderstand ein einfaches Ventil verwendet wird, das entweder mechanisch oder elektrisch leicht steuerbar ist. B. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdrucksteuerung des unterkritischen Reaktors dazu verwendet wird, um ihn sehr nahe an die Grenze der Selbsterregung heranzubringen. 9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er die zweite Stufe eines Zweistufenreaktors darstellt, dessen erste Stufe überkritisch betrieben wird. In Betracht gezogene Druckschriften: G 1 a s s t o n e, Principles of Nuclear Reactor Engineering, 1956, S. 154; »Nucleonics«, Bd. 11, 1953, H.
6. 6, S. 51 bis 53, und Bd. 13, 1955, H. 8, S. 30 bis 33.