DE1031900B

DE1031900B - Schwerwasser-Reaktor mit Steuerung der Kettenreaktion durch Regelung des Moderatorspiegels

Info

Publication number: DE1031900B
Application number: DEK30692A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Heinrich Schultz
Original assignee: KERNREAKTOR BAU und BETR S GES
Current assignee: KERNREAKTOR BAU und BETR S GES
Priority date: 1956-12-27
Filing date: 1956-12-27
Publication date: 1958-06-12

Description

DEUTSCHES

kl. 21g 21/1Q3*

INTERNAT. KL. G 21

PATENTAMT

K30692VIIIc/21g

ANMELDETAG: 27. DEZEMBER 1956

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 12. JUNI 1958

Die Steuerung der Kettenreaktion in Kernreaktoren, die mit schwerem Wasser als Moderator arbeiten, erfolgt bis heute im allgemeinen dadurch, daß Absorberstäbe oder -platten mehr oder weniger tief in den Reaktorkern eingetaucht werden. Die hierzu erforderlichen Antriebsmechanismen sind aber umständlich und schwer zu überwachen und führen meist zu Komplikationen für die übrigen Konstruktionsteile, und zwar ganz besonders bei Anwendung von senkrechten Absorberstäben zusammen mit senkrechten Brennstoffelementen.

Daher hat man in Fällen, in denen keine allzu großen Reaktivitätsänderungen, d. h. definierte Beeinflussungen der effektiven Neutronenverluste verlangt werden müssen, auch schon die äußerst einfache Steuerung durch pneumatische Änderung des Moderatorniveaus vorgeschlagen, da ein Absinken des Moderatorspiegels um beispielsweise 30% eine Reaktivitätsabnahme um etwa 8% bringt. Die bisher angewandten Ausführungen haben aber den Nachteil, daß die Moderatorflüssigkeit im Gefahrenfall nicht schnell genug abgelassen werden kann und daß die Brennstoffelemente im Betrieb nicht auswechselbar sind.

Der letztere Nachteil hat sich dadurch ergeben, daß bei Absenkung des Schwerwasserspiegels unter das normale Niveau zwischen den Brennstoffelementen ein völlig ruhiger, auf einige Millimeter genau definierter Spiegel eingehalten werden muß, da sonst unzulässig große statistische Reaktivitätsschwankungen auftreten. Das oben aus den Brennstoffkuhlmänteln ablaufende Kühlwasser darf daher nicht von oben in den Moderatorraum ablaufen. Diese Bedingung ist am einfachsten durch Trennung des Kühlwasserkreislaufes der Brennstoffelemente und des Moderatorkreislaufes einzuhalten. Das bedeutet aber bei bekannten Ausführungsformen dieser Art einerseits eine Komplikation und andererseits den Verzicht auf die Auswechselbarkeit der Brennstoffelemente im Betrieb.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht nun sowohl einen Schnellablaß für das Moderatorwasser als auch die Auswechselbarkeit der Brennstoffelemente imBetrieb auf einfachste Weise unter Trennung des Überlaufes von Moderatorwasser und Kühlwasser der Brennstoffelemente, indem die Regelung des Moderatorspiegels durch Einstellung des Gasüberdruckes in einem unterhalb oder seitlich des Reaktors angebrachten Zusatzbehälter bewirkt wird, in dessen Gas- oder Flüssigkeitsraum das aus dem Moderatorraum abfließende Wasser mit einer Flüssigkeitstauchung eingeführt ist und dessen Spiegel unterhalb des Moderatorspiegels liegt, wobei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Zuführung des Kühlwassers in den Moderatorraum durch einige nicht mit Stutzen ver-Schwerwasser-Reaktor

mit Steuerung der Kettenreaktion

durch Regelung des Moderatorspiegels

Anmelder: Kernreaktor

Bau- und Betriebs-Gesellschaft m.b.H., Karlsruhe (Bad.), Weberstr. 5

Dr. rer. nat. Heinrich Schultz, Karlsruhe (Bad.), ist als Erfinder genannt worden

sehene Öffnungen im Deckel des Kühlwasser-Veras teilerbodens erfolgt und zur Auffangung und getrennten Abführung des Kühlwassers der Brennstoffelemente unmittelbar unter dem Reaktordeckel ein Kühlwassersammelboden angebracht ist, durch dessen Standrohre die Brennstoffelemente in den Reaktorraum eingeführt sind, wobei an ihnen angebrachte Glocken die Standrohre umfassen und das Ablaufkühlwasser der Brennstoffelemente in den Sammelboden leiten, aus dem es vom Moderatorwasser getrennt abgeführt wird, ohne den Moderatorspiegel zu beunruhigen.

Zum besseren Verständnis sei die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erklärt. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist der Reaktor nur mit einem Brennstoffelement dargestellt unter Fortlassung aller zur Erfindung nicht gehörenden Teile und außerdem nur für den besonderen Fall, daß der Zusatzbehälter unterhalb des Herzstücks im Reaktortank untergebracht ist. Der Reaktortank α ist durch einen für die gleichmäßige Verteilung der Moderatorflüssigkeit dienenden Verteilerboden b in den Moderatorraum c und den Zusatzbehälter d unterteilt. Beide Räume sind durch die Wassertauchung e/f voneinander getrennt.

Der Brennstoffstab g ist mit dem unteren Ende seines Mantels h in bekannter Weise in einen am Verteilerboden b fest angebrachten Stutzen i ohne Dichtung im Betrieb auswechselbar eingesteckt. Oben ist der Brennstab mit seinem Mantel durch das Standrohr k des dort unterhalb des Deckels / angebrachten Kühlwassersammelbodens m durchgeführt, derart, daß

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die unterhalb der Kühlwasserablauföffnungen η am Kühlmantel h angebrachte Glocke ο das Standrohr k umfaßt und daher das aus dem Kühlmantel des Brennstoffelementes oben ablaufende Kühlwasser über die Glocke in den Sammelboden ni leitet, aus dem es durch den Ablaufstutzen q und das Ablaufrohr r in den Zusatzbehälter d abgeführt wird.

Das Wasser wird dem Verteilerboden b durch das Rohr s zugeleitet, tritt durch den Stutzen i in den Kühlmantel des Brennstabes g und durch einige nicht mit Stutzen versehene öffnungen t des Verteilerbodens in den Moderatorraum c, aus dem es durch die Tauchung e/f mit großem Ringquerschnitt abläuft.

Die Wassersäule H im Moderatorraum c wird durch den Druck P₁ im Zusatzbehälter d aufrechterhalten, entsprechend dem Überdruck Ap = P₁ ^-P₂- Der Druck ^₁ wird mit Hilfe eines nicht gezeichneten Gasgebläses mit regulierbarem Umlauf eingestellt.

Solange die Druckdifferenz Ap = P₁ ^-P₂ konstant bleibt, läuft durch die Tauchung e/f nur so viel Wasser in den Zusatzbehälter ab, als an Leckwasser an den Enden der Brennstoffelemente und aus den nicht mit Stutzen versehenen Öffnungen des Verteilers in den Moderatorraum gelangt, so daß auch bei schwankender Wasserzufuhr ein nur von der Druckdifferenz Ap abhängiger Spiegel im Moderatorraum eingehalten wird. Aus dem Zusatzbehälter fließt das Wasser durch die Leitung u zu einer nicht gezeichneten Pumpe, die es nach Kühlung im Kreislauf durch Leitung j wieder in den Verteilerboden b fördert.

Da die Leckwassermenge unbedeutend und die durch die nicht mit Stutzen versehenen Öffnungen des Verteilerbodens eintretende Wassermenge durch entsprechende Bemessung der Öffnungen im Verteilerboden auf das erforderliche Maß beschränkt ist, kann der Wasserspiegel im Moderatorraum auch durch die Wasserzufuhr in den Moderatorraum nicht beunruhigt werden.

Wird der Druck P₁ im Behälter d gesenkt, dann fließt entsprechend der Drucksenkung zusätzlich Wasser aus dem Moderatorraum durch die Wassertauchung e/f in den Zusatzbehälter d ab, so daß der Spiegel im Moderratorraum entsprechend absinkt. Wird der Druck im Zusatzbehälter d erhöht, dann wird die Wasserabschlußsäule in / entsprechend heruntergedrückt, so daß der Wasserablauf aufhört und der Wasserspiegel im Moderatorraum ansteigt, bis der Überlauf f wieder aufgefüllt ist und das Wasser erneut abläuft.

Da die Änderung des Moderatorspiegels nur ganz langsam durchgeführt werden darf, darf auch der Druck im Zusatzbehälter nur ganz langsam gesteigert und ebenso langsam gesenkt werden. Aus diesem Grund genügt für die Drucksteigerung eine relativgeringe Höhe der Wassertauchung /. Eine geringe Höhe der Tauchung / hat noch den besonderen Vor teil, daß eine unbeabsichtigt schnelle Drucksteigerung nicht eintreten kann, da nach Überschreitung der Tauchhöhe Gas durch das Wasser im Moderatorraum in dessen Gasraum durchschlägt, so daß eine weitere Druckerhöhung verhindert wird.

Da der Gasraum vom Moderatorraum c und vom Zusatzbehälter d durch eine nicht gezeichnete Leitung mit großem Kurzschlußschieber verbunden ist, läßt sich im Gefahrenfall durch Öffnen des Kurzschluß-Schiebers eine schlagartige Drucksenkung im Zusatzbehälter und damit infolge des großen Ringquerschnittes e/f eine Wasserablaufzeit von nur wenigen Sekunden erzielen, die für eine langsame Notabschaltung ausreicht.

Die Anwendung zusätzlicher Notabschaltstäbe wird durch die erfindungsgemäße Konstruktion nicht behindert. Andererseits läßt sich durch den Einbau mehrerer parallel geschalteter Kurzschlußleitungen und Schieber eine wesentlich größere Sicherheit erreichen als bei den mechanisch gesteuerten Absorberkonstruktionen.

Außerdem wirken sich alle möglichen Fehler bei definierter Gesamtwassermenge (Moderatorwasser und Kühlwasser) stets im Sinne der Sicherung aus.

Durch die vorstehend beschriebene Erfindung wird daher eine kontinuierliche und verzerrungsfreie Steuerung des Neutronenflusses bei Schwerwasser-Reaktoren erreicht, die trotz einfachster Ausführung eine zuverlässige und feinste Regelung und im Gefahrenfall einen schnellen Moderatorablaß ermöglicht, ohne die Auswechselung der Brennstoffelemente im Betrieb zu behindern.

Claims

Patentansprüche:

1. Schwerwasser-Reaktor mit Steuerung der Kettenreaktion durch pneumatische Regelung des Moderatorspiegels, getrenntem Kühlwasserablauf der Brennstoffelemente und in Vertiefungen oder Stutzen des Moderator-Verteilerbodens von oben eingesteckten, im Betrieb auswechselbaren Brennstoffelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Moderatorspiegels durch Einstellung des Gasüberdruckes in einem unterhalb oder seitlich des Reaktors angebrachten Zusatzbehälter erfolgt, dessen Spiegel unterhalb des Moderatorspiegels liegt und in dessen Gas- oder Flüssigkeitsraum das aus dem Moderatorraum ablaufende Wasser mit einer Flüssigkeitstauchung eingeführt ist.

2. Schwerwasser-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitstauchung für das ablaufende Moderatorwasser unten am Innenmantel des Moderatorraumes als Überlaufrinne (f) mit großem Ringquerschnitt angebracht ist, in die ein an einem Verteilerboden (b) für die Moderatorrlüssigkeit angeschweißter Ringmantel (e) eintaucht.

3. Schwerwasser-Reaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der öffnungen (i) des Moderator-Verteilerbodens (b) zur Zuführung des Moderatorwassers in den Moderatorraum (c) dient und daß zur Trennung des Kühlwasserablaufes der Brennstoffelemente von dem Ablauf der Moderatorrlüssigkeit unterhalb des Reaktordeckels (/) ein mit Standrohren (k) zur Durchführung der Brennstoffelemente versehener Kühlwassersammelboden (w) mit besonderem Ablauf (q/r) angebracht ist und die Brennstoffelemente (g/h) oben unterhalb ihrer Wasserablauföffnungen (n) fest angebrachte Glocken (0) besitzen, die im eingebauten Zustand die Standrohre (k) zwecks Überleitung des Ablaufkühlwassers der Brennstoffelemente in den Sammelboden umfassen, derart, daß der Moderatorstand vom Ablauf und Umlauf des Brennstoff kühl wassers und des Moderatorwassers nicht beunruhigt und nicht beeinflußt und die Auswechselbarkeit der Brennstoffelemente nicht behindert ist.

4. Schwerwasser-Reaktor nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung eines schnellen Druckausgleiches im Gefahrenfall der Gasraum des Zusatzbehälters mit dem Gasraum des Moderatorraumes durch eine oder mehrere Kurzschlußleitungen mit eingebauten

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Kurzschlußschiebern von großem Querschnitt ver- USA.-Patentschrift Nr. 2 770 591;

bunden ist. R. Stephenson, »Introduction to Nuclear

Engineering«, 1954, S. 281;

In Betracht gezogene Druckschriften: »Selected Reference Material on Atomic Energy,

Britische Patentschrift Nr. 753130;

5 Research Reactors«, 1955, S. 377.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen