DE1031439B - Heterogener Reaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

kl. 21g

INTERNAT. KL. G

PATENTAMT

B 42292 VIII c/21g

ANMELDETAG: 27. OKTOBER 1956

B EKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AÜSLEGESCHRIFT: 4.JUNI1958

Die Erfindung betrifft einen heterogenen Reaktor. Es sind bereits derartige Reaktoren bekannt, bei denen als Reaktorherz ein mit parallelen Bohrungen versehener Graphitblock dient. In die Bohrungen werden die Brennstoffelemente eingeführt, während ein im allgemeinen an den Brennstoffelementen vorbeigeführtes Kühlmittel die erzeugte Wärme abführt. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, das Einführen der Brennstoffelemente zu erleichtern und gleichzeitig das Kühlmittel so· zu führen, daß es mindestens zum Teil unmittelbar mit den Brennstoffelementen in Berührung kommt. Die Erfindung besteht darin, daß zur Verwendung von an sich bekannten kugelförmigen, vorzugsweise porösen Brennstoffelementen der zwischen einer durchbohrten Deck- und einer durchbohrten Tragplatte angeordnete Graphitblock parallele Kanäle quadratischen Querschnittes aufweist, die an ihren Seitenflächen Führungsschienen für die kugelförmigen Brennstoffelemente besitzen, so daß mindestens ein Teilstrom des Kühlmittels in an sich bekannter Weise durch den frei bleibenden Querschnitt der Kanäle strömt.

Die Deck- und die Tragplatte weisen alsdann getrennte Bohrungen für die Brennstoffelemente und die Kühlmittel auf, wobei mindestens die Bohrungen für die Brennstoffelemente kreisförmigen Querschnitt besitzen und koaxial zu den Kanälen in dem Graphitblock verlaufen.

Die Kühlmittelkanäle sind in der Deckplatte von den Bohrungen für die Brennstoffelemente abgezweigt und derart geführt, daß an der Oberfläche der Deckplatte schräg nach oben gerichtete Strömungen entstehen, die mit von der Reaktorhaube aus schräg nach unten gerichteten Strahlen eines außerhalb des Reaktorherzens vorbeigeführten Teilstromes des Kühlmittels eine starke Durchwirbelung des gesamten Kühlmittels bewirken.

Durch Regelung der Teilstrommengen des Kühlmittels läßt sich die Temperatur des aus dem Reaktor austretenden Gesamtstromes einstellen.

Die Kühlmittelströme über der Deckplatte sind derart tangential zu dem im wesentlichen kreisförmigen. Querschnitt des Gesamtreaktors gerichtet, daß die z. B. durch eine Schleuse einzeln in den Reaktor eingeführten frischen Brennstoffelemente sich so lange auf der Deckplatte etwa im Kreise oder einer Spirale bewegen, bis sie in einen der Brennstoffkanäle hineinfallen.

Je nach der Art der Beschickung kann dabei die Oberfläche der Deckplatte konkav oder konvex gekrümmt sein.

An der unteren Tragplatte sind den Kanälen entsprechende rohrartige, abgewinkelte Fortsätze für die Brennstoffkanäle und daran befindliche Preßgasan-Heterogener Reaktor

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22

Dr. Rudolf Schulten, Mannheim,

Dr. Wernfried Güth, Mannheim-Gartenstadt,

Dipl.-Ing. Andreas Setzwein,

Mannheim-Neu-Hermsheim,

Helmut Braun, Rülzheim,

Georg Berberich, Mannheim,

und Helmuth Backs, Mannheim-Käfertal,

sind als Erfinder genannt worden

Schlüsse für das Entfernen der untersten Brennstoffelemente vorgesehen, während die Abwinklung der Fortsätze ein freies Durchfallen der Brennstoffelemente verhindert.

Oberhalb der Abwinklung des rohrförmigen Fortsatzes kann eine Erweiterung desselben und in der Abwinklung ein Preßgasanschluß vorgesehen sein, der einzelne Brennstoffelemente in die Erweiterung zu drücken gestattet, wodurch das in der Abwinklung

befindliche unterste Brennstoffelement entlastet wird und frei in einen Sammelraum im untersten Teil des Reaktors fallen kann.

Grundsätzlich können an Stelle des Preßgasanschlusses oder zusätzlich zu ihm mechanische Stößel vorgesehen sein, welche die Brennstoffelemente in ihrer Lage beeinflussen.

Als Brennstoff soll insbesondere gesintertes Urankarbid mit der chemischen Formel UC verwendet werden. Dieser Stoff, der etwa eine theoretische

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Dichte von 14 g/cm³ hat und am zweckmäßigsten, mit baut, daß der Hauptstrom des Kühlgases seitlich aus einer Dichte von 10 g/cm³ verwendet wird, ist hoch- dem Kanal entweicht und dann durch eine Umleitung temperaturbeständig. Außerdem besitzt er eine aus- in der Reaktorplatte schräg an der Oberfläche des reichende Temperaturwechselbeständigkeit, vor allem Reaktorkerns durch Kanäle 13 ausgeblasen wird. Der in dem Temperaturbereich von 600 bis 2000° C. Die 5 quadratische Kanal 8 wird nach oben durch das Einmechanische Festigkeit solcher Brennstoffelemente ist satzstück 12 mit Kreisquerschnitt fortgesetzt. Die für die beabsichtigte Verwendung ausreichend. Wie Länge dieses Teiles ist so gewählt, daß noch etwa bei allen gesinterten Stoffen liegt allerdings eine ge- fünf bis acht Kugeln 9 in diesem Teil aufeinanderwisse Sprödigkeit vor. Deshalb werden die Brenn- liegen können. Damit ist gewährleistet, daß die Stoffelemente in Form von Kugeln benutzt. Bei der io Kugeln nicht durch den Gasstrom nach oben ausvorgesehenen Dichte ist die Porosität des Materials geschleudert werden.

so groß, daß mit einem Entweichen aller gasförmigen In dem oberen freien Teil des Reaktors werden die Spaltprodukte, die beim Spaltprozeß entstehen, ge- Brennstoffelemente gemäß Fig. 1 durch eine Schleuse rechnet werden muß. Hiermit ist eine große Ersparnis 14, die in Form von zwei hintereinandergeschalteten an Neutronen verbunden, da vor allen. Dingen das 15 Ventilen ausgebildet sein kann, hereingebracht. Es ist Xenon, das als starker Neutronenabsorber bekannt vorgesehen, die Brennstoffelemente bei ihrem erstist, mit dem Kühlstrom herausgeführt und so seine maligen Einsatz zunächst vorzuheizen, um sie nicht Rückwirkung auf den Reaktorprozeß ausgeschaltet einer allzu großen Temperaturspannung auszusetzen, wird. Nach Durchgang durch die obere Schleuse befinden In den Zeichnungen ist der erfmdungsgemäße Reak- 20 sich die Brennstoffelemente zunächst auf der oberen tor in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, und Begrenzungsfläche bzw. auf der Deckplatte 11 des zwar zeigt Reaktorkerns und sind dort frei beweglich. Durch das Fig. 1 einen Querschnitt durch den gesamten Reak- seitlich aus der Deckplatte durch die Kanäle 13 austor mit allen zugehörigen wesentlichen Einzelheiten; tretende Kühlmittelgas werden die Kugeln 9 ständig Fig. 2 zeigt die Ausbildung eines Teiles der Deck- 35 in kreis- oder spiralförmiger Bewegung gehalten und

platte im Schnitt und laufen so lange auf der gegebenenfalls konvex oder

Fig. 3 den entsprechenden Bereich in Draufsicht; konkav gekrümmten Oberfläche der Deckplatte 11

' Fig. 4 veranschaulicht den Querschnitt der Kanäle herum, bis sie einen freien Kühlkanal 8 gefunden

im Graphitblock, haben und dort hineinfallen.

Fig. 5 das gleiche mit anderer Anordnung der ein- 30 Die Oberfläche der Deckplatte kann auch durch Er-

zelnen Bauelemente des Blockes; in hebungen in verschiedene Randzonen eingeteilt sein,

Fig. 6 ist alsdann die Vorrichtung dargestellt, die so daß diese Zonen unabhängig voneinander beladen

zum Entnehmen der ausgebrannten Brennstoff elemente werden können. Es ist daran gedacht, zuerst den mitt-

aus den Kanälen dient und gleichzeitig zum Ein- leren Teil des Reaktors zu beladen und ihn mit die-

führen des Kühlmittels in die Kanäle bestimmt ist. 35 sem in Betrieb zu setzen, während die äußeren Bezirke

Gemäß Fig. 1 ist in üblicher Weise in dem Reaktor- frei bleiben. Wenn der Reaktor einen Teil seiner

stahlmantel 1 und innerhalb eines Reflektors 4 ein Graphitblock 2 angeordnet, der auch aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Blöcken und übereinanderliegenden Schichten bestehen kann. Der 40 gesamte Block liegt auf einer Tragplatte 3., die in gleieher Weise und in gleicher Anordnung wie der Block 2 mit Bohrungen versehen ist. Zwischen dem Reflektor 4

Reaktivität verloren hat, können auch die äußeren Zonen aufgefüllt werden, womit die Reaktivität beliebig heraufgesetzt werden kann.

Nach unten werden gemäß Fig. 6 die Kanäle 8 durch ein Stahlrohr 15 fortgesetzt. Am unteren Teil dieses Stahlrohres befinden sich ein Knie 16 und eine kugelförmige Ausbuchtung 17 sowie ein Druckgas-

und dem Mantel 1 sind Kanäle 5 zum Führen eines anschluß 18. Mit diesen Vorrichtungen ist es möglich, Teilstromes des Kühlmittels vorgesehen, das durch 45 jede einzelne Brennstoff kugel 9 durch einen kurzen Bohrungen 7 in der Reaktorhaube 6 in das Innere des Druckgasstoß aus dem Knie 16 auszustoßen, wahrend Reaktorraumes eintreten kann. Hier mischt sich die- die nächstfallende Kugel durch die kreisförmige Ausses Kühlmittel mit demjenigen Kühlmittelteilstrom, buchtung oberhalb des Knies gehalten wird. Die herder durch die Kanäle 8 des Graphitblockes unmittel- ausgestoßenen Kugeln fallen in den unteren Teil 23 bar an den dort eingeführten Brennstoffelementen 9 50 (Fig. 1) des Reaktors und von da aus in ein besonvorbeiströmt, da die Kanäle 8 in dem Graphitblock 2 deres Ablaßrohr 19, wo die verbrauchten Brennstoffgemäß den Fig. 4 und 5 quadratischen Querschnitt elemente durch eine nicht gezeichnete Schleusenvorbesitzen, so daß neben den Brennstoffelementen 9 das richtung, ähnlich wie die oben beschriebene, einzeln Kühlmittel vorbeiströmen kann. abgezogen werden können und dann in ein Vorrats-'

An den quadratischen Querschnitten befinden sich 55 gefäß hineinfallen,

vorspringende Schienen 10, die zur Führung der Die im Reaktor entstehende Wärme wird durch das

Brennstoffelementkugeln 9 dienen sollen. Die qua- hindurchgepumpte Kühlmittel, vorzugsweise ein dratische Querschnittsform der Kanäle wurde ge- Kühlgas, aus dem Reaktor herausgeführt. Das Gas wählt, um einen möglichst geringen Druckabfall bei wird von unten in den Reaktor durch ein Gebläse 20 ausreichenden Wärmeübertragungseigenschaften für 60 eingeblasen, durchquert den Reaktorkern und verläßt das durchströmende Kühlmittel zu erhalten. den Reaktor durch das obere Anschlußrohr 21. Durch

Die Graphitklötze, aus denen der Reaktorkern be- Einjustieren der unteren Öffnungen der Kanäle wird steht, werden so zusammengebaut, daß genügend die Temperatur des aus dem Reaktor austretenden Zwischenraum zwischen ihnen vorhanden ist, um eine Gases so eingestellt, daß es im oberen Teil der Kanäle Ausdehnung bei steigender Temperatur zu ermög- 65 überall die gleiche Temperatur erreicht. Das geschieht liehen, ohne daß Spannungen in dem Reaktorkern ein- dadurch, daß die unteren Öffnungen der Kanäle protreten, portional zu der Neutronenfluß dichte in radialer

Nach oben hin werden die einzelnen Kanäle durch Richtung gewählt werden. Normalerweise wird man die Deckplatte 11 und Einsatzstücke 12 gemäß Fig. 2 diese Kanalöffnung nach der nullten Besselfunktion und 3 abgeschlossen. Die Einsatzstücke sind so ge- 70 einjustieren. ': ,„

Neben diesem normalen Kühlgasdurchgang wird, wie bereits erwähnt, noch eine regelbare Menge Kühlgas mit Hilfe des Gebläses 22 am Rand des Reaktors durch den Reflektor oder durch eine Zwischenschicht 5 zwischen Reflektor und Reaktormantel hindurchgepumpt. Diese Trennung von Hauptkühlkreis und Nebenkreis und die Ausstattung der beiden Kreisläufe mit eigenen Gebläsen ist wegen der verschiedenen Druckabfälle in den beiden Kreisläufen erforderlich. Die im Nebenkreis strömende Gasmenge soll vor allem der Kühlung des Reflektors 4 und der Kühlung des Reaktorstahlmantels 1 und des Reaktordomes 6 dienen. Im Dom des Reaktors läßt man die seitlich vorbeigeströmte Gasmenge wieder in den Hauptkreislauf einströmen, wobei durch eine Schrägstellung der Einströmschlitze 7 eine Verwirbelung und eine gute Durchmischung mit dem Kühlgas des Hauptkreislaufes erreicht wird. Auch das seitliche Abströmen des Kühlgases aus dem Hauptkreislauf an der Oberfläche des Reaktorkerns dient diesem Zweck. Durch die Mengenregelung der Gebläse 20, 22 im Hauptkreislauf und im Nebenkreislauf kann die Temperatur des ausströmenden Gases am oberen Teil 21 des Reaktors geregelt werden.

Das erste Anfahren des Reaktors geschieht in der Weise, daß das Innere des Reaktors langsam mit Brennstoffelementen 9 aufgefüllt wird. Von einem bestimmten Auffüllungsgrad an wird der Reaktor kritisch, und seine Temperatur steigt langsam an. Werden dann noch mehr Brennstoffelemente zugeführt, so kann der Reaktor langsam auf die beabsichtigte Betriebstemperatur gebracht werden. Sodann werden die Gebläse 20 bzw. 22 eingestellt. Nach dem Einstellen der Gebläse wird die Temperatur zunächst fallen. Nach einer gewissen Zeit stellt sich wieder, unabhängig von der entnommenen Leistung, die Betriebstemperatur des Reaktors ein.

Das Abstellen des Reaktors geschieht dadurch, daß die Gebläse 20., 22 abgeschaltet werden. Dabei steigt zunächst die Temperatur im Innern des Reaktors an. Nach einer gewissen Zeit stellt sich infolge des negativen Temperaturkoeffizienten der Kettenreaktion wieder die Betriebstemperatur ein. Für die Regelung des Reaktors werden keine Regelstäbe benötigt. Der Hauptgrund dafür ist, daß eine Temperaturschwankung um einige hundert Grad für die Brennstoffelemente ohne störenden Einfluß ist.

Die nach dem Abschalten des Reaktors verbleibende Restenergie infolge des Wärmeumsatzes der verzögerten Gamma- und Betastrahlen von etwa. 4 bis 5% der vorausgegangenen Leistung kann durch ein Hilfsgebläse entnommen werden. Es ist jedoch möglich, mit dem Anfahren eines solchen Hilfsgebläses zunächst zu warten, da bei sehr starker Erhöhung der Temperatur der Brennstoffelemente eine starke Abstrahlung von Wärmeenergie erfolgt. Diese Wärme wird von dem Graphit aufgenommen, dessen Wärmekapazität ausreicht, um für eine gewisse Zeit die verzögert freigesetzte Energie aufzunehmen. Nach etwa 1 Stunde muß allerdings das Hilfsgebläse zur Abfuhr der Restwärme angefahren werden, da sonst die Temperaturspannungen innerhalb des Reaktorkerns und des Reaktorstahlmantels zu gefährlich werden könnten.

In äußerster Gefahr, etwa beim Bruch des Reaktorkesseis, kann die Kettenreaktion durch einen Gasstrahl Neutronen stark absorbierender Atomkerne innerhalb sehr kurzer Zeit völlig abgeschaltet werden. Als Gas für diesen Prozeß ist besonders Bortrifluorid, Borwasserstoff oder Helium 3 geeignet.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Heterogener Reaktor mit einem als Reaktorherz dienenden, mit parallelen Bohrungen versehenen Graphitblock, in dessen Bohrungen die Brennstoffelemente eingeführt werden, während ein an den Elementen vorbeigehender Kühlmittelstrom die erzeugte Wärme abführt, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen einer durchbohrten Deck- und einer durchbohrten Tragplatte (11 bzw. 3) angeordnete Graphitblock (2) parallele Kanäle (8) quadratischen Querschnittes aufweist, die an ihren Seitenflächen Führungsnasen (10) für kugelförmige, vorzugsweise poröse Brennstoffelemente (9) besitzen, so daß mindestens ein Teilstrom des Kühlmittels in an sich bekannter Weise durch den frei bleibenden Querschnitt der Kanäle (8) strömt.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deck- und die Tragplatte (11, 3) getrennte Bohrungen für die Brennstoffelemente und das Kühlmittel aufweisen, wobei mindestens die Bohrungen für die Brennstoffelemente (9) einen kreisförmigen Querschnitt besitzen und koaxial zu den Kanälen (8) in dem Graphitblock (2) verlaufen.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (13) in der Deckplatte (11) von den Bohrungen für die Brennstoffelemente (9) abgezweigt und derart geführt sind, daß an der Oberfläche der Deckplatte (11) schräg nach oben gerichtete Strömungen entstehen, die mit von der Reaktorhaube (6) aus schräg nach unten gerichteten Strahlen eines außerhalb des Reaktorherzens vorbeigeführten Teilstromes des Kühlmittels eine starke Durchwirbelung des gesamten Kühlmittels bewirken.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelströme über der Deckplatte (11) derartig tangential zu dem im wesentlich kreisförmigen Querschnitt des Gesamtreaktors gerichtet sind, daß die z. B. durch eine Schleuse (14) einzeln in den Reaktor eingeführten frischen Brennstoffelemente (9) sich so lange, z. B. etwa im Kreis oder auf einer Spiralbahn, bewegen, bis sie in einen der Brennstoff kanal e (8) hineinfallen.

5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Deckplatte (11) konkav oder gekrümmt ist.

6. Reaktor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Deckplatte (11) durch Erhebungen in vorzugsweise konzentrische Zonen unterteilt ist.

7. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der unteren Tragplatte (3) rohrartige, abgewinkelte Fortsätze (16) für die Brennstoffkanäle und daran befindliche Preßgasanschlüsse (18) für die Entfernung der untersten Brennstoffelemente (9) vorgesehen sind, die ein freies Durchfallen der Brennstoffelemente verhindern.

8. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Abwinklung des rohrförmigen Fortsatzes (16) eine Erweiterung (17) desselben und in der Abwinklung ein Preßgasanschluß (18) vorgesehen ist, wodurch ermöglicht wird, daß einzelne Brennstoffelemente (9) in diese Erweiterung gedrückt werden können, und wodurch das in der Abwinklung befindliche

unterste Brennstoffelement entlastet wird und frei in einenSammelraum im unteren Teil des Reaktors fallen kann.

9. Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Preßgasanschlusses oder zusätzlich hierzu an dem abgewinkelten

Rohrfortsatz ein mechanischer Stößel zur Beeinflussung der Lage der dort befindlichen Brennstoffelemente vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 708 656.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen