DE1053109B - Heterogener Kernreaktor - Google Patents

Description

bundesrepublik deutschland

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1053109 ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGE S CHRI FT:

AUSGABE DER PATENTSCHRIFT:

kl. 21g 21/20

INTERNAT. KL. G 2 1 26. januar 195v

19. MARZ 1959

8. oktober 1959

STIMMT ÜBEREIN MIT AUSLEGESCHJtIFT 1 053 109 (S 52089 VIII c / 21 g)

Thermische Reaktoren benötigen zur Abbremsung der bei der Kernspaltung frei werdenden schnellen Neutronen auf thermische Energien einen Moderator.

In homogenen Reaktoren ist dieser Moderator mit dem Kernbrennstoff unter Vermeidung jeglicher Trennwände innig vermischt. Dagegen sind in heterogenen Reaktoren der Moderator und der Kernbrennstoff räumlich voneinander getrennt. Der Normalfall ist der, daß der Kernbrennstoff in stab- oder plattenförmigen Elementen, den sogenannten Brennstoffelementen, in einer regelmäßigen Gitteranordnung im Reaktor verteilt ist. Bei bekannten Gitteranordnuhgen sind die einzelnen Brennstoffelemente durchweg parallel zueinander verlaufend angeordnet. Lediglich zur Verwirbelung der Kühlmittelströmung hat man bereits vorgeschlagen, quergestellte Brennstoffstäbe zusätzlich in ein Brennstoffgitter einzuführen.

Gegenüber den homogenen Reaktoren haben die heterogenen eine günstigere Neutronenökonomie. Dies drückt sich unter anderem darin aus, daß man mit natürlichem Uran praktisch nur heterogene, nicht aber homogene Reaktoren betreiben kann. Die Ursache liegt unter anderem im günstigeren Verhalten heterogener Kernbrennstoffanordnungen in bezug auf den parasitären Resonanzeinfang von Neutronen.

Während des Abbremsens auf thermische Energien durchlaufen nämlich die hoohenergeti sehen Neutronen ein Energiegebiet, in welchem sie vom Kernbrennstoff besonders leicht eingefangen werden können, das sogenannte Resonanzgebiet.

BeihomogenenReaktoren ist nun wegen der innigen Mischung von Kernbrennstoff und Moderator die Wahrscheinlichkeit, daß die abzubremsenden Neu tronen auf ihrem Verlangsamungsweg im Kernbrennstoff selbst anzutreffen sind, erheblich größer als bei heterogenen Reaktoren. In diesen stellt vielmehr der vom Brennstoff getrennte Moderator sozusagen einen Kanal dar, durch den die schnellen Neutronen bei der Verlangsamung auf thermische Energien das Resonanzgebiet des Brennstoffes umgehen können.

Da beim Resonanzeinfang keine Kernspaltungen ausgelöst werden, sind die eingefangenen Neutronen für den Reaktionsprozeß verloren, so daß, vom Standpunkt der Neutronenökonomie aus gesehen, Reaktoren um so günstiger ausgelegt sind, je heterogener sie. sind.

Der ideal heterogene Reaktor besteht aus einem räumlichen Gitter von kugelförmigen Brennstoffelementen, ähnlich der Anordnung von Atomen in einem Kristallgitter. Er ist in drei Richtungen heterogen und hat daher den günstigsten Neutronenhaushalt. Jedoch wird dieser Vorteil dadurch aufgehoben, daß die im Reaktor erzeugte Wärme nicht mit technisch vertretbarem Aufwand ohne wesentliche

Heterogener Kernreaktor

Patentiert für:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft, Berlin und Erlangen

Dr. Walter Humbach, Erlangen, ist als Erfinder genannt worden

Verschlechterung der Neutronenökonomie (durch eingebrachte Bauelemente) und ferner nicht bei technisch interessierenden Temperaturen abgeführt werden kann.

Diese Schwierigkeit wird gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß das Brennstoffgitter aus mindestens zwei regelmäßig ineinander verschachtelten Stabuntergittern mit voneinander abweichenden, vorzugsweise aufeinander senkrechten Richtungen der Stäbe besteht.

Die Zeichnung veranschaulicht ein solches Gitter

als Ausführungsbeispiel.

Die bei der Kernspaltung frei werdende Wärme kann nunmehr sehr einfach dadurch aus dem Kern brennstoff abgeführt werden, daß die in bekannter Weise auszubildenden Brennstoff stäbe jedes Untergitters in je einen Kühlmittelkreislauf eingeschaltet werden. Durch einen mit dem als Beispiel dafgestellten Stabgitter ausgerüsteten Reaktor werden dem nach drei \'oneinander getrennte oder hintereinandergeschaltete Kühlkreise geführt, die sich, wie die Brennstoff stäbe, untereinander in drei verschiedenen Richtungen kreuzen.

Weitere Vorteile der neuen Gitteranordnung ergeben sich hinsichtlich der optimalen Bedingungen für die Größe der kritischen Masse. Dadurch, daß die neue Gitteranordnung der als ideal bezeichneten Anordnung gitterartig verteilter Brennstoffkugeln am nächsten kommt, ist sie in verschiedener Hinsicht dem bekannten einfachen Stabgitter überlegen.

Um das zu erkennen, denkt man sich die neue Stabgitteranordnung aus der bekannten, bei welcher die gleiche. Anzahl Stäbe, jedoch sämtlich von oben nach unten verlaufend und auf dem gleichen Raum gleichmäßig verteilt, angeordnet sind, dadurch entstanden, daß in zwei Dimensionen, nämlich in der Zeichnung

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Claims (2)

von links nach rechts und von hinten nach vorn jeweils die geradzahligen Stäbe gegenüber den ungerad zahligen um 90° geschwenkt angeordnet sind. Hierbei bleiben mithin die für die Berechnung der kritischen Masse des Gitters wichtigen Größen, wie der Stababstand und der Stabradius, unverändert. Unter diesen Voraussetzungen verringert sich die Resonanzeinfangquote so stark, daß in Natururanreaktoren oder in Reaktoren mit schwach angereichertem Uran ein Reaktivitätsgewinn von größenordnungsmäßig 1% erreicht wird. DieseVerbesserungkommt namentlich in Natururan-Graphit-Reaktoren und in Natururan-Schwerwasser-Reaktoren in einer merklichen Verkleinerung des Reaktorvolumens und damit in einer Verringerung des Materialaufwandes zum Ausdruck. Hat z. B. ein Graphitreaktor dieReaktivitatfe=I,03, so wird durch die Heterogenisierung gemäß der Erfindung ein Wert von etwa k = 1,04 erreicht. Da die kritische Größe eines Reaktors proportional zu 1/yk — 1 ist,, können bei gegebener Leistung die Lineardimensionen des Reaktors um einen Faktor der Größenordnung yo,03/o,04 = 0,87, so daß das Volumen um etwa die dritte Potenz dieses Verhältnisses, nämlich um das 0,65fache verkleinert wird. as Anschließend sei noch auf folgendes hingewiesen: Würde man von der oben gemachten Voraussetzung abweichen, daß Stababstand und Stabradius bei der neuen Gitteranordnung dieselben sind wie bei der bekannten optimal ausgelegten, indem man eine feinere Aufteilung und Staffelung der Brennstoffstäbe vornähme, so würde dadurch eine Vergrößerung der kritischen Masse notwendig werden; in diesem Fall nähert man sich nämlich wieder mehr dem homogenen Reaktortyp. Patentansprüche:

1. Heterogener Kernreaktor mit gitterförmig angeordneten Brennstoffstäben, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffstabgitter aus mindestens zwei Stabuntergittern besteht, die mit Rücksicht auf die anzustrebende maximale Heterogenität eines idealen Kugelgitters, das auf diese Weise angenähert werden soll, regelmäßig ineinander verschachtelt sind, bei voneinander abweichenden, vorzugsweise aufeinander senkrechten Richtungen der Stäbe.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stäbe der beiden Stabuntergitter in zueinander parallelen Ebenen insbesondere senkrecht kreuzen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Aus der Reihe »Chemical Engineering Progress Symposium Series«, Nr. 11, 1954, denBand5 (Nuclear Engineering-Part. I), S. 136.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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