DE1055707B - Atomkernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLI

DEUTSCHE S

K DEUTSCTiLAND

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1 055

anmeldetag:

bekanntmachung der anmeldung und ausgabe der auslegeschrift:

ausgabe der patentschrift:

kl. 21 g 21/31

INTERNAT. KL. G 21 3. AUGUST 1956

2 3. APRIL 1959 15.0KTOBER 1959

stimmt Oberein mit auslegeschrift

1 055 707 (A 25426 VIII c / 21 g)

Die Erfindung bezieht sich auf die Regelung von Atomkernreaktoren, einschließlich schwacher Versuchsreaktoren.

Bekanntlich ist es notwendig', zur Steuerung der Reaktivität eines Atomreaktors zwei Regelungsarten vorzusehen; und zwar erstens eine Feinregelung, welche während des normalen Betriebes angewandt wird, um die Energieerzeugung auf der gewünschten Höhe zu halten, und zweitens eine Schnellregelung, mit deren Hilfe die Reaktivität, rasch herabgesetzt werden kann, um im Notfall den Reaktor sofort abstellen zu können.

Man kann die erstgenannte Regelungsart, das heißt die Feinsteuerung, dadurch bewirken, daß man neutronenabsorbierende Stäbe in den Reaktorkern hineinschiebt oder aus diesem herauszieht, Teile des Reflektors bewegt oder die Standhöhe des Moderators (falls dieser flüssig ist) variiert, welcher sich in dem Reaktorgefäß befindet. Die Regulierung der Moderatorstandhöhe und somit die Kontrolle über die Neutronenreflektionswirkung bzw. die Reaktivität des Reaktors wurde bisher jedoch mittels Pumpen und relativ enger, durch Ventile absperrbarer Rohrleitungen bewirkt.

— Diese—bekannten—Vorrichtungen- -zur Veränderung

der Moderatorstandhöhe besitzen jedoch den Nachteil, daß sie für eine Notabschaltung des Reaktors zu träge sind. Es ist mit ihnen praktisch nicht möglich, den • Moderatorspiegel innerhalb weniger Sekunden so stark zu senken, daß die kritische Größe des Reaktors unterschritten-wird. Nur—dadurch-aber ist eine rasche Außerbetriebsetzung des Reaktors im Notfall garantiert. Außerdem können die Pumpen und Ventile durch elektrische oder mechanische Defekte ausfallen und die engen Rohrleitungen beispielsweise durch abgelöste Bauteile des Reaktors leicht blockiert werden. Da sie in der »heißen« Zone des Reaktors liegen, ist eine schnelle Reparatur nicht möglich und eine Katastrophe unter Umständen unvermeidlich.

Es ist nunmehr ein System entwickelt worden, bei dem das Risiko eines mechanischen Versagens ausgeschaltet ist. Bei diesem System ist es möglich, flüssigen Moderator mit hinreichender Schnelligkeit aus dem Reaktor in einen geeigneten Vorratsraum abzulassen, um die bei Notunterbrechungen erforderliche starke Herabsetzung der Reaktivität zu bewirken.

Der erfindungsgemäße Atomkernreaktor besitzt in bekannter Weise ein Reaktorgefäß für den von einem flüssigen Moderator umspülten Kernbrennstoff und eine unterhalb dieses Reaktorgefäßes angeordnete Vorratskammer für den Moderator und ist gekennzeichnet durch einen vom Boden des Reaktorgefäßes in die Vorratskammer führenden Überlauf-Fallkanal mit großem Querschnitt, der so innerhalb der Vorratskammer endet, daß sich in ihm eine freie Oberfläche

Atomkernreaktor

Patentiert für:

Atomic Energy of Canada Limited, Ottawa, Ontario (Kanada)

Beanspruchte Priorität: Kanada vom 6. August 1955 und 2. März 1956

Philip Robert Tunnicliffe, Ernest Siddall₁ Melville Douglas Berry und Stanley James Whittaker, Deep River, Ontario (Kanada), sind als Erfinder genannt worden

-des-flüssigen Moderators "bildet, sowie durch Mittel zur Aufrechterhaltung eines Gasdruckes in der Vorratskammer, der höher ist als der Gasdruck in dem Reaktorgefäß und durch den das Niveau des flüssigen Moderators im Reaktorgefäß im wesentlichen auf gleicher Höhe gehalten wird.

Vorzugsweise besitzt der Verbindungskanal zwischen Reaktorgefäß und Moderator-Vorratskammer im wesentlichen die Form eines ringförmigen Fallkanals, dessen unteres Ende im Querschnitt U-förmig abgebogen und nach oben geführt ist.

Nach der Erfindung sind zur Feinregulierung der Moderatorstandhöhe folgende Mittel vorgesehen: eine Leitung, welche den oberen Teil des Reaktorbehälters mit dem unteren Teil der Vorratskammer verbindet, Pumpeinrichtungen zur Übertragung von Gas durch diese Leitung aus dem Reaktorbehälter in die Kammer und ein Dreiwegehahn in dieser Leitung, welcher in einer ersten Stellung die Verbindung zwischen dem Reaktorbehälter und der Kammer unterbricht, in einer zweiten Stellung die Verbindung zwischen dem Reaktorbehälter und der Kammer über die genannte Pumpvorrichtung herstellt, wodurch die in der Kammer vorhandene Gasmenge erhöht wird, und in einer dritten Stellung eine direkte Verbindung zwischen dem Reaktorgefäß und der Kammer herstellt, wodurch die in dieser Kammer vorhandene Gasmenge vermindert wird.

Die Zeichnungen veranschaulichen schematisch ein Beispiel eines Atomreaktors, welcher gemäß der Erfindung betrieben werden kann.

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15

Fig. 1 zeigt einen senkrechten Querschnitt durch die Mitte des Reaktorbehälters;

Fig. 2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des Reaktors von Fig. 1 und der dazugehörigen Teile, welche die Zirkulation des Moderators betreffen;

Fig. 3 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des Reaktors von Fig. 1 und der dazugehörigen Teile für die Zirkulation eines Kühlmittels;

Fig. 4 ist ein Teil des Systems, welches in Fig. 2 dargestellt ist, und zeigt eine abgeänderte Darstellung;

Fig. 5 ist ein Teil des in Fig. 2 dargestellten Systems und veranschaulicht eine weitere Abänderung;

Fig. 6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des Reaktors ähnlich Fig. 2 und veranschaulicht ebenfalls eine weitere Abänderung;

Fig. 7 ist eine Teilansicht des Regulierungshahnes für das System von Fig. 6, in einer anderen Stellung gezeichnet, und

Fig. 8 ist eine Ansicht des Hahnes von Fig. 7 in einer dritten Stellung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Reaktorkern einen üblichen Druckbehälter 1 mit zylindrischen Wänden auf. Innerhalb dieses Kessels 1 befinden sich mehrere vertikal verlaufende Rohre 2, in welchen Kernbrennstoff (z. B. Uran) in Form von Stäben 3 enthalten ist. Man vergleiche hierzu das aufgeschnittene Rohr 2 in Fig. 3. Die Stäbe 3 können nach oben in Rohren 2 a verschoben werden. Die Rohre 2 führen jeweils von einem unteren Kopfstück 4 zu einem oberen Kopfstück 5, so daß man ein Kühlmittel (z. B. schweres Wasser = D₂O) unter der Einwirkung einer Pumpe 6 durch jedes der Rohre 2 um die Brennstoffstäbe 3 nach oben fließen lassen kann (ebenfalls am besten aus Fig. 3 ersichtlich) . Das Kühlmittel fließt in der üblichen Weise von dem oberen Kopfstück 5 durch Leitungen 5 a zu einem Haupt-Wärmeaustauscher 7, welcher mit einem Einlaß 8 für das zugeführte Wasser, einem Dampfauslaß 9 und einem Sicherheitsventil 10 ausgerüstet ist. Das Kühlmittel wird durch die Pumpe 6 über die Leitungen Aa zu dem unteren Kopfstück 4 zurückgeleitet. Dieses Kühlsystem, welches zur Abführung der Energie dient, umfaßt ferner einen Kühlmittel-Vorratsbehälter 11, dessen unterer Teil über eine die Strömung drosselnde öffnung 12 mit der Leitung 5 α in Verbindung steht. Der obere Teil des Tanks-ll- ist _über_eineXeitung 13. jmi£_einer .Leitung _ 32 verbunden, welche zum oberen Teil des Reaktorgefäßes 1 führt und, wie später beschrieben wird, zur Aufrechterhaltung eines Druckgleichgewichtes dient. Das Kühlsystem wird vervollständigt durch eine Pumpe 14 zur Zuführung von Kühlmitteln, welche dazu dienen, schweres Wasser über die Leitung 13ο vom Boden einer Moderator-Vorratskammer 15 abzuziehen, welche unterhalb des Kernes des Reaktorgefäßes 1 angeordnet ist, und dieses schwere Wasser in den oberen Tank 11 zu fördern, so daß stets eine angemessene Menge Kühlmittel zur Verfügung steht. Ein Uberschuß kann in das Gefäß 1 über die Leitung 13 zurücklaufen. Da das Kühlmittel und der Moderator durch die gleiche Flüssigkeit gebildet werden (D₂O), ist es praktisch, die beiden Strömungssysteme untereinander zu verbinden.

Die Verbindung zwischen dem Reaktorgefäß 1 und der Moderator-Vorratskammer 15 wird durch ein Paar verhältnismäßig englumiger Standleitungen hergestellt, welche von dem Boden der Moderator-Vorratskammer 15 in das Reaktorgefäß 1 führen, und zwar bis zu einer Höhe, welche der Standhöhe des Moderators im Inneren des Gefäßes entspricht, wenn dieses etwa zu 45% gefüllt ist. Ferner wird eine Verbindung zwischen dem Gefäß 1 und der Vorratskammer 15 durch einen ringförmigen, nach unten verlaufenden Kanal 17 hergestellt, welcher unten in eine Krümmung übergeht, die ihrerseits in einen nach oben führenden, in einer kreisringförmigen öffnung 18 endenden Teil überleitet. Man kann den Kanal 17 ais Rotationskörper eines U-Rohres ansehen. Wesentlich ist, daß dieser Kanal 17 nirgends geschlossen ist und ein großes Gebiet unbehinderter Verbindung zwischen dem Reaktorgefäß 1 und der Moderator-Vorratskammer 15 darstellt.

Ferner wird ein Kühlsystem
(schweres Wasser) vorgesehen.

für den Moderator Dieses Kühlsystem 20 (vgl. besonders

besteht aus Leitungen 19 und

Fig. 2) , einer Pumpe 21, einem Wärmeaustauscher 22 und einem parallel zu dem Wärmeaustauscher geschalteten Regulierventil 23. Zum Kühlen wird gewöhnliches leichtes Wasser (H₂O) verwendet; dieses tritt in den Wärmeaustauscher 22 über die Leitung 24 ein und verläßt ihn über die Leitung 25.

Die Standhöhe des Moderators in dem Reaktorgefäß 1 wird durch ein Paar Regelpumpen 26 eingestellt, welche die Moderatorflüssigkeit aus der Vorratskammer 15 über eine Leitung 27 abziehen und über eine Leitung 28, welche in die Leitung 19 übergeht, in das Reaktionsgefäß 1 zurückführen. Eine Anzahl von parallel geschalteten Regulierventilen 29 sind in diesem Kreis angeordnet. Dieses System bildet eine dritte Verbindung zwischen dem Gefäß 1 und der Kammer 15.

Da natürlich das Kühlmittel unter hohem Druck gehalten werden muß, um ein Kochen zu vermeiden (beispielsweise etwa 85 kg/cm²), ist es notwendig, diesen Druck auf die Innenseiten der Wandungen der Rohre 2 durch einen vergleichbaren Druck außerhalb der Rohre in dem Gefäß 1 und somit auch in der Moderator-Vorratskammer 15 auszugleichen. Dieser Druck wird normalerweise mittels Helium aufrechterhalten, dessen Hauptmenge sich gewöhnlich, d.h. während des Betriebes des Reaktors, oberhalb des in der Vorratskammer 15 vorhandenen Moderators befindet. Dieses ist der Zustand, wie er in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht ist. Das Helium wird ferner den Raum 30 über der freien oberen Oberfläche des Moderators in dem Gefäß 1 einnehmen, und das GJ^jchgewiclU zwischen diesen beiden TeHen des Systems wird durch eine Pumpe 31 (Fig. 2) aufrechterhalten, welche dazu dient, Helium aus dem Raum über die Leitung 32 abzuziehen und über die Leitung 33 der Moderator-Vorratskammer 15 zuzuführen. Ein Abflußventil 34, welches nach seiner Bauart besonders für große Durchflußmengen geeignet ist, wird zwischen den Leitungen 32 und 33 parallel zur Pumpe angeordnet. Zur Sicherung gegen mechanisches Versagen kann in der Praxis mehr als ein Abflußventil parallel geschaltet werden.

Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß es möglich ist, das Helium wegzulassen und einfach Dampf ZHi verwenden, der durch Heizung des Moderators entwickelt wird. Wesentliche Forderung ist, daß eine inerte Gas- oder Dampfart verwendet wird, das heißt, daß das verwendete Gas oder der verwendete Dampf sowohl chemisch als auch physikalisch den in dem Reaktor ablaufenden Vorgängen gegenüber ganz oder so weit wie möglich unempfindlich ist.

Die in Fig. 1 dargestellten Teile umfassen fernei einen aus leichtem Wasser bestehenden Reflektor welcher in einer Rohrwendel 42 enthalten ist, sowi< einen Kühlmantel 43, welcher ebenfalls leichtes Was 70 ser enthält und Teile der Rohre 2 α umgibt. Andere:

übliches Zubehör ist erforderlichenfalls vorzusehen, wie z.B. das Sicherheitsventil 48, welches mit der Kammer 15 in Verbindung steht. Im allgemeinen sind diese Teile der Übersichtlichkeit halber fortgelassen.

Bei normalem Betrieb wird sich der Moderatorspiegel etwa in der in Fig. 2 und 3 angedeuteten Höhe befinden. Der durch die Pumpe 31 erzeugte Heliumüberdruck in der Kammer 15 trägt das Gewicht der Moderatormasse in dem Gefäß 1, wobei das Helium mit der beständigen freien Flüssigkeitsoberfläche in dem an die Krümmung anschließenden Kanal 17 in Berührung steht. Bei der praktischen Durchführung wird ein Heliumdruckunterschied zwischen der Kammer 15 und dem Raum 30 vorgesehen, welcher ein wenig größer als erforderlich ist, um den Moderator in dem Gefäß 1 zu tragen, so daß Helium langsam durch die Krümmung des Kanals 17 und durch den Moderator in dem Gefäß 1 in den Raum 30 hochblubbert. Zu gleicher Zeit wird ein stetiger langsamer Abfluß von dem Moderator aus dem Gefäß 1 durch die Standrohre 16 in die Kammer 15 eintreten, welcher kontinuierlich durch eine von den Pumpen 26 in das Reaktorgefäß 1 zurückgeförderte Moderatormenge kompensiert wird. Die Regelung der Standhöhe des Moderators in dem Gefäß 1 hängt somit lediglich von der Einstellung der Regulierventile 29 ab, welche nach Wunsch so eingestellt werden können, daß der Abfluß durch die Standrohre 16 unter- oder überkompensiert wird oder daß die Höhe des Flüssigkeitsspiegels genau konstant bleibt. In der Praxis muß aus verschiedenen Gründen zur Regulierung der Reaktivität die Moderatorstandhöhe ständig in geringem Umfang variiert werden. Die Regulierungsventile 29 stellen somit die hauptsächliche Feinregelung der Moderatorstandhöhe dar und werden deshalb dazu verwendet, diese Standhöhe einzuregulieren, um die Reaktivität (manchmal als Multiplikationsfaktor k bezeichnet) des Kerns auf oder nahe an der kritischen Größe zu halten. Die kritische Größe ist eine Reaktivität, mit dem Betrag

_der. Fi¹-^l^^ipit , ^iV Fnprgipprypiigrit 40-

stant.

Eine zusätzliche Feinregelung der Reaktivität des Kernes kann mit Hilfe einer Temperaturveränderung des Aloderators erreicht werden. Diese Temperatureinstellung kann mit dem Ventil 23 bewirkt werden, welches dazu dient, entsprechendimehr-oder- weniger Moderator aus dem Wärmeaustauscher 22 abzuleiten.

Diese zweite Feinregelung wirkt langsamer als die erste Feinregelung, da die Wärmekapazitäten eine Rolle spielen, und wird normalerweise nicht für eine empfindliche Regulierung während des gewöhnlichen Betriebes benutzt. Der Wert dieser zweiten Feinregulierung wird weiter unten erklärt.

Wenn eine Notunterbrechung des Betriebes erforderlich werden sollte, kann diese durch schnelles öffnen des Ablaßventils 34 vorgenommen werden. Diese Maßnahme hat zur Folge, daß der Heliumüberdruck in der Vorratskammer 15 sofort verschwindet, so daß der Moderator beginnt, unter dem Einfluß der Schwerkraft schnell und völlig ungehindert aus dem Inneren 6v. des Behälters 1 durch den großflächigen Kanal 17 und seine öffnung 18 in die Kammer 15 zu strömen. Die Größe der Vorratskammer 15 reicht aus, um etwa die Hälfte des Moderators und außerdem das gesamte Volumen des primären Kühlmittels aufzunehmen, so daß die Entleerung des Gefäßes 1 auf halbe Füllhöhe sogar dann gesichert ist, wenn ein Rohr 2 bricht und das primäre Kühlmittel in das Innere des Gefäßes läuft. Normalerweise, also wenn kein Auslaufen von Kühlmittel stattfindet, wird sich das Gefäß 1 auf ungefähr ein Fünftel Füllhöhe entleeren, bevor die Vorrats kammer 15 angefüllt ist.

Das plötzliche Ablassen des Moderators aus dem Reaktorkern vergrößert schnell das Verhältnis zwischen der Oberfläche des Moderators (dem wirksamen Teil des Reaktors) und dem Volumen des Moderators (und somit dem Volumen des wirksamen Brennstoffes, da im Brennstoff, welcher nicht in Moderator eingetaucht ist, keine Kettenreaktion andauern kann). Da dieses Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen (umgekehrt) die Reaktivität des Kernes bestimmt, d. h. die auf jedes durch Absorption oder Leckverlust verschwindende Neutron entstehende durchschnittliche Anzahl neuer Neutronen, kann die Reaktivität schnell unter den Einheitswert reduziert werden. Wenn die Reaktivität erst einmal kleiner als Eins geworden ist. kann keine Eigenreaktion stattfinden. Die Arbeitsweise eines erfindungsgemäß konstruierten Reaktors ist rechnerisch wie folgt bestimmt worden:

Prozentsatz der anfänglichen Moderatorhöhe	Zeit in Sekunden nach dem Eintritt des Notfalles	Herabsetzung der Reaktivität in K ■ 10—3
100	0,3	0
90	1,6	5,5
80	3,0	13,5
70	4,4	25,0
60	6,0	41,0
50	7,7	68,0

Die berechnete maximale Abflußgeschwindigkeit des Moderators liegt bei 13001/Sek.

Wie oben erwähnt, dient die Regelung der Moderatortemperatur dazu, eine zusätzliche Einstellung der Reaktivität zu bewirken. Die Möglichkeit, die Moderatortemperatur zu variieren, gestattet es, den Reaktorbehälter beim normalen Betrieb ganz oder im wesentliehi ζar~trrit~etnem verhältnismäßig heißen Moderator, so daß der Brennstoff vollständiger ausgenutzt werden kann und ein Optimum an Energieerzeugung möglich wird. Andererseits bietet dieses System auch die Möglichkeit, bei Beginn des Betriebes kalten Moderator zu verwenden. Ein kalter Moderator -erfüllt seine Funktion, Neutronen zu verlangsamen, besser als ein heißer Moderator. Bei einem kalten Moderator steigt somit die Reaktivität pro Einheitsvolumen des in das Reaktorgefäß gepumpten Moderators schneller an, als es bei einem heißen Moderator der Fall ist.

Man kann in üblicher Weise Einrichtungen (nicht dargestellt) anbringen, mit deren Hilfe das Regulierungsventil 23 der Moderatorkühlung entsprechend der Moderatorstandhöhe in dem Reaktorgefäß automatisch eingestellt werden kann.

Durch die Möglichkeit, bei Betriebsbeginn kalten Moderator zu verwenden, läßt sich die Schwierigkeit gut überwinden, weichte die Vermehrung des Reaktorgiftes Xenon darstellt. Xenon 135 ist ein höchst .Wirksames Gift, d. h. eine Substanz, welche die Reaktivität herabsetzen kann; es ist eins der indirekten Spaltprodukte von Uran 235 und anderen spaltbaren Materialien und stammt aus Jod 135. Während des normalen Betriebes bleibt die Menge des in dem Reaktorkern vorhandenen Xenons verhältnismäßig gering, da das Gleichgewicht zwischen seiner Bildungsgeschwindigkeit und den Verlusten durch natürlichen Zerfall und Neutronenabsorption stark nach der Zerfallsseite verschoben ist. Diese niedrige Xenonmenge reicht

nicht aus, die Reaktion zu unterbinden. Bei der Drosselung verschwinden die freien Neutronen, welche vorher in hoher Zahl vorhanden waren, praktisch ganz, so daß der Abbau von Xenon 135 nunmehr auf den Verlust durch'natürlichen Zerfall beschränkt ist und nur noch in erheblich geringerem Umfang vor sich geht. Andererseits findet die Bildung von Xenon 135 aus Jod 135 nach wie vor statt, welches in dem Brennstoff noch vorhanden ist (wenn auch in abnehmender Menge, da das Jod selbst nicht ersetzt wird). Die Folge ist, daß der Gehalt an Xenon 135 scharf ansteigt. Dieses Phänomen kann zu einer Vergiftung des Reaktors führen, welche die Wiederaufnahme des Betriebes für eine Zeit von 1 bis 2 Tagen vollkommen unmöglich macht. Dies ist keine Seltenheit, wenn die Unterbrechung des Betriebes mehr als eine Stunde gedauert hat. Das variierbare Kühlsystem für den Moderator, welches einen Teil der Erfindung bildet, ermöglicht die Erzielung einer besonders höhen anfänglichen Reaktivität bei Betriebsbeginn. Es ermöglicht somit erheblich längere Unterbrechungen, weil der Reaktor einen wesentlich höheren Grad von Vergiftung aushalten kann. Wenn der Reaktor erst einmal in Tätigkeit ist, verschwindet der Vergiftungseffekt durch Xenon schnell, da die hohe Zahl von Neutronen, welche sofort bei der Tätigkeit des Reaktors entstehen, die Yenonkonzentration rasch kompensiert.

Es hat sich in der Praxis als vorteilhaft herausgestellt, nach der anfänglichen Herabsetzung der Reaktivität diese während der Betriebsunterbrechung schrittweise der kritischen Größe anzunähern. Diese Maßnahme hat den Zweck, das Reaktivitätsgebiet zu verringern, welches der Reaktor beim Start überschreiten muß. Wesentlich wichtiger ist jedoch, daß hierdurch die Möglichkeit eines plötzlichen, unerwarteten Anstiegs der Reaktivität verringert wird, bei dem die Herrschaft über den Reaktor verlorengehen könnte. Während der Wartezeiten kann ein unerwarteter Reaktivitätsanstieg rechtzeitig erkannt und nachgeprüft werden.

Der wichtigste Vorteil des erfindungsgemäßen Systems liegt in der Betriebssicherheit, welche es in vieler Hinsicht bietet. Das System ist so beschaffen, daß die meisten der möglichen Fehler die Wirkung besitzen, die Reaktivität zu verringern. Falls beispielsweise die Pumpen 26 stehenbleiben sollten, wird der Moderator automatisch aus dem Reaktorgefäß ausfließen. Wenn die Pumpe 21 versagen sollte, wird die Moderatortemperatur steigen, was ebenfalls zu einer Verringerung der Reaktivität führt. Ähnlich liegt der Fall, wenn die Heliumpumpe 31 stehenbleiben sollte, da dann der Überdruck in der Vorratskammer 15 verschwinden und der Moderator wiederum ausfließen wird. Die Erfindung bietet zusätzliche Sicherheit durch den großen Querschnitt der öffnung 18 und des Kanals 17, durch die der Moderator in dem Reaktorkern mit der Vorratskammer in Verbindung steht. Diese öffnung kann durch keine äußeren Mittel verschlossen werden, und die große Dimensionierung, verbunden mit der Anordnung entlang der ganzen Peripherie des Reaktorkernes, setzt die Möglichkeit einer Blockierung dieses Kanals sehr stark herab, falls ein mechanisches Versagen eintreten sollte, welches zur Ablösung^- von Teilen der Konstruktion des Reaktors innerhalb des Gefäßes führt.

Es ist ferner ersichtlich, daß Moderator durch einen Heliumüberdruck niemals aus der Vorratskammer in den Reaktorkern gepreßt werden kann. Falls ein solcher Druckunterschied auftreten sollte, würde er lediglich die Folge haben, daß das Helium durch den

Kanal 17 hochblubbert und eventuell in den Raum 30 gelangt.

Am gefährlichsten dürfte ein Versagen der Primärkühlung sein. Ein Aussetzen dieser Kühlung schon für wenige Sekunden würde hinreichen, die Uranstäbe 3 zum Schmelzen zu bringen. Wenn auch ein Versagen der Kühlpumpe 6 die Reaktivität nicht automatisch herabsetzt, so kann doch das Kühlsystem in üblicher Weise mit dem Ventil 34 verblockt werden, so daß ο bei mechanischem Versagen eine zu hohe Temperatur oder ein zu hoher Druck in dem Kühlsystem das Ventil 34 sofort öffnet.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, in welchem die gleiche Flüssigkeit als Kühlmittel und Mode-L5 rator verwendet wird, wird der Druckausgleich zwischen den beiden unabhängigen Systemen, nämlich dem Kühlsystem und dem Moderatorsystem, über die Pumpe 14 und die Ausgleichsleitung 13 hergestellt. Die Pumpe 14 läßt eine kleine Menge Moderator am Boden der Kammer 15 durch die Leitung 13a in den Kühlmitteltank 11 aufsteigen, während der Heliumdruck in dem Raum 30 gleichzeitig über die Leitung 13 mit dem oberen Teil dieses Tanks 11 verbunden wird. Ein Überschuß an schwerem Wasser in dem Tank 11 kann durch die Leitung 13 in den Reaktorkern zurücklaufen.

Fig. 4 stellt ein modifiziertes System zur Feinregulierung der Moderatorstandhöhe dar. Bei diesem System sind die Standleitungen 16 überflüssig. Die Leitung 27, welche vom Boden der Kammer 15 kommt, verbindet sowohl mit einer Pumpe35 als auch mit einer Seite des Ventils 38. Die anderen Seiten von Pumpe und Ventil stehen miteinander in Verbindung und führen in die Leitung 28, welche über die Leitungen 19 zum Gefäß 1 zurückgeht. Die Pumpe 35 wälzt Moderatorflüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf, in welchem sie selbst und das Ventil 28 liegt, in der durch Pfeil 39 gekennzeichneten Richtung um. Sie dient ferner dazu, Moderator in die durch.den Pfeil 40 angedeutete getrennte Strömungsrichtung zu pumpen, d. h. aus der Leitung 27 in die Leitung 28. Die Strömung durch das Ventil 38 ruft schließlich einen Fluß in einer dritten Richtung von der Leitung 28 durch das Ventil 38 zur Leitung 27 (Pfeil 41) hervor. Wenn die öffnung des Ventils ve rgföß e r f~ wir rl", s t e i gf~ d ie Strömurig Tri ä€h "du FcfTd ie Pfeile 39 und 41 dargestellten Richtungen an, während die entsprechend Pfeil 40 vermindert wird. Somit wird eine weite öffnung des Ventils 38 zur Folge haben, daß Moderator aus dem Reaktionsgefäß 1 abläuft, während durch eine kleine öffnung des Ventils noch mehr Moderator zum Reaktorgefäß 1 hinaufgepumpt wird, da dann die Strömung 40 dominiert. Ein solches reversibles Pumpsystem macht es überflüssig, durch die Standrohre 16 für einen konstanten Ablauf von Moderator zu sorgen, ohne daß die Pumpe angehalten oder umgesteuert zu werden braucht.

Eine dritte Möglichkeit, eine Feinregulierung der Strömung von Moderator zwischen Gefäß 1 und Kammer 15 durchzuführen, ist in Fig. 5 dargestellt. Auch hier wird die Moderatörkühlpumpe 44, welche nunmehr an der Abgabeseite des Wärmeaustauschers angeordnet ist, dazu verwendet, die Förderung von Moderator aus der Kammer 15 in das Gefäß 1 zu regulieren. Diese Wirkung wird ergänzt durch eine Leitung 45, welche von der Eintrittsseite der Pumpe 44 bis zum Boden der Kammer 15 führt. Angenommen, es herrsche ein Druck von 84,34 kg/cm² in dem Raum 30 über dem Moderator im Gefäß 1, so wird der Druck am Boden des Gefäßes 1, wo die Leitung

Claims (3)

1 mündet, und ebenso am Boden der Kammer 15 etwa 84,65 kg/cm2 betragen. Der Druck an der Eintrittsseite der Pumpe 44 wird jedoch wegen des Abfalles im Wärmeaustauscher 22 ungefähr 83,0 kg/cm2 betragen. Zwischen den Enden der Leitung 45 besteht somit ein Druckunterschied von ungefähr 1,65 kg/cm2, so daß Moderator aus der Kammer 15 nach oben strömen wird. Die Standleitungen 16 werden beibehalten, um den ständigen Abfluß in der entgegengesetzten Richtung zu ermöglichen, und die Regelung des Moderatofspiegel1s in dem Gefäß 1 geschieht durch ein Ventil 46 in der Leitung 45. Ein weiteres alternatives Verfahren zur Durchführung der Feinregelung der Moderatorstandhöhe in dem Reaktorgefäß 1 ist in den Fig. 6 bis 8 veranschaulicht. Nach den dargestellten Verfahren wird die Feinregelung mit Hilfe eines Pumpsystems bewirkt, welches Moderator aus der Vorratskammer 15 in das 'Gefäß 1 fördert, wobei der Rückfluß entweder durch die Standrohre 16 (Fig. 2 und 5) oder durch das Pumpsystem selbst (Fig. 4) vor sich geht. Bei diesem im nachstehenden beschriebenen Verfahren wird die Feinregulierung der Moderatorstandhöhe mit Hilfe des Heliumdrucksystems durchgeführt. Die in der Vorratskammer 15 unterhalb des Behälters 1 befindliche Moderatormasse wird mittels einer Pumpe 26 über die Leitung 27 abgezogen und über die Leitung 28 in den Behälter 1 zurückgeleitet. Eei der hier beschriebenen Ausführungsform tritt der Moderator jedoch am oberen Ende des Behälters 1 in diesen ein. Wie vorher umfaßt das Heliumdrucksystem eine Leitung. 32, die von dem oberen Teil des Behälters 1 ausgeht, eine Leitung 33, ' die mit dem oberen Teil der Vorratskammer 15 in Verbindung steht, sowie, eine Pumpe 31 und einen Hahn 34, die parallel in qliese beiden Leitungen eingeschaltet sind. Außerdem ,ist bei dem hier behandelten System ein Dreiwegehahn 47 vorgesehen, der so angeordnet ist, daß er entweder eine Verbindung zwischen den Leitungen 32 und 33 verhindert (Stellung von Fig. 6), die Pumpe 31 mit der Leitung 33 verbindet (Fig. 7) oder die Leitungen 32 und 33 direkt miteinander in Verbindung setzt, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. In den Systemen von Fig. 2, 4 und 5 steht die Vorratskammer 15 stets unter einem geringen Heliumüberdruck; die Folge dieses Heliumüberdruckes ist, daß Helium ständig durch den Kanal 17 hindurchblubbert und zu der Moderatormasse in dem Behälter 1 hinzutritt, um von dort durch die Heliumpumpe 31 wieder abgesaugt zu werden. Bei dem in den Fig. 6 bis 8 dargestellten System spielt sich der entgegengesetzte Vorgang ab, in dem Moderatorflüssigkeit langsam, aber ständig1 durch den Kanal 17 in die Vorratskammer 15 rinnt. Der Moderator wird kontinuierlich durch die Pumpe 26 mit konstanter Geschwindigkeit in den Behälter 1 gepumpt und die Moderatorstandhöhe im Behälter 1 wird durch Regulierung der Ablaufgeschwindigkeit eingestellt. Diese wird wiederum durch den relativen Heliumdruck zwischen der Vorratskammer 15 und dem oberen Teil des Behälters 1 bestimmt. Wenn der Dreiwegehahn 47 geschlossen ist, wie es Fig. 6 zeigt, so daß jede normale Verbindung zwischen den Leitungen 32 und 33 unterbrochen ist, wird die Menge des in der Vorratskammer 15 befindlichen Heliums konstant bleiben, so daß das System eine Gleichgewichtslage erreicht. In dieser Gleichgewichtslage läuft stets so viel Moderatorflüssigkeit durch den Kanal 17 in die Vorratskammer 15 zurück, wie durch die Pumpe 26 emporgepumpt wird, so daß die Standhöhe der Moderator- flüssigkeit in dem Behälter 1 konstant bleibt. Wenn der Regulierungshahn 47 für das Helium, sich in der in Fig. 7 dargestellten Lage befindet, wird mehr Helium aus dem Behälter 1 in die Vorratskammer 15 gepumpt, so daß die Ablaufgeschwindigkeit zeitweise geringer wird und die .Standhöhe der Moderatorflüssigkeit in dem Behälter 1 steigt. Sobald der Hahn 47 wieder in seine mittlere Stellung gebracht ist, stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, die Ablaufgeschwindigkeit entspricht wieder der Geschwindigkeit des Zupumpens, und die Moderatorhöhe bleibt wieder mit dem neuen Wert konstant. Sollte irgendwann die Menge des in die Vorratskammer 15 gepumpten Heliums die Geschwindigkeit übertreffen, mit der die Moderatorflüssigkeit von der Pumpe 26 in den Behälter 1 gepumpt wird, wird das überschüssige Helium lediglich durch den Kanal 17 nach oben blubbern, wie es in den vorhergehenden Systemen der Fall ist. In der Stellung von Fig. 8 ermöglicht der Hahn 47 den langsamen Übertritt von Helium aus der Vorratskammer 15 in den oberen Teil des Reaktorbehälters 1, so daß die Flüssigkeitshöhe in diesem Behälter stetig sinkt, bis der Hahn 47 wieder in seine mittlere Stellung gebracht wird. Im Notfall findet die Schnellentleerung genau so statt wie bei den vorher beschriebenen Systemen, indem der Ablaufhahn 34 geöffnet und die Moderatorflüssigkeit schnell in die Vorratskammer 15 entleert wird. Abschließend sei- noch*' darauf hingewiesen, daß Fig. 6 eine leicht abgeänderte Konstruktion des Ablaufkanals 17 veranschaulicht. DerKanal hat die Form eines Rotationskörpers mit U-förmigem Querschnitt und funktioniert in der gleichen Weise wie bei der vorhergehenden Konstruktion, ist aber so ausgebildet, daß die radiale Strömung von innen nach außen gegenüber der von außen nach innen bevorzugt ist. Diese Funktion erleichtert die physikalische Konstruktion der Teile und ermöglicht es im besonderen, den nach unten gerichteten Schenkel des U-Röhres aus dem Boden 48 des Behälters 1 und einem von der Peripherie des Bodens nach oben gerichteten Rand zu bilden. Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor mit einem Reaktorgefäß für den von einem flüssigen Moderator umspülten Kernbrennstoff und einer unterhalb dieses Reaktorgefäßes angeordneten Vorratskammer für den Moderator, gekennzeichnet durch einen vom Boden des Reaktorgefäßes^ in die Vorratskammer führenden Überlauf-Fallkanal mit großem Querschnitt, der so innerhalb der Vorratskammer endet, daß sich in ihm eine freie Oberfläche des flüssigen Moderators bildet, sowie durch Mittel zur Aufrechterhaltung eines Gasdrucks in der Vorratskammer, der höher ist als der Gasdruck in dem Reaktionsgefäß und durch den das Niveau des flüssigen Moderators im Reaktorgefäß im wesentlichen auf gleicher Höhe gehalten wird.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal zwischen Reaktorgefäß und Moderator-Vorratskammer im wesentlichen die Form eines ringförmigen Fallkanals besitzt, dessen unteres Ende im Querschnitt U-förmig abgebogen und nach oben geführt ist.

3. Atomkernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Mittel zur Feinregulierung der Mode-

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