DE1102919B - Nuclear reactor with a protection against excessively high temperature increases in the reactor core - Google Patents

Nuclear reactor with a protection against excessively high temperature increases in the reactor core

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DE1102919B DEH35062A DEH0035062A DE1102919B DE 1102919 B DE1102919 B DE 1102919B DE H35062 A DEH35062 A DE H35062A DE H0035062 A DEH0035062 A DE H0035062A DE 1102919 B DE1102919 B DE 1102919B
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Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einer Sicherung gegen unzulässig hohe Temperaturen im Reaktorkern, die aus einem Material mit hohem Neutroneneinfangquerschnitt besteht, das sich bei Erhöhung der Temperatur des Reaktorkems auf einen vorbestimmten Wert so innerhalb des Reaktors ausbreitet, daß dadurch eine gegenüber dem Normalbetrieb stark erhöhte Neutronenabsorption auftritt.The invention relates to a nuclear reactor with a safeguard against impermissibly high temperatures in the Reactor core, which consists of a material with a high neutron capture cross-section, which increases when it is raised the temperature of the reactor core spreads to a predetermined value within the reactor, that this results in a greatly increased neutron absorption compared to normal operation.

Es ist wünschenswert, Kernreaktoren mit möglichst hoher Leistung zu bauen, da dadurch die Anlagekosten gesenkt werden. Damit ist jedoch das Risiko verbunden, daß bei den höheren Leistungen die Brennstoffelemente gefährlichen Temperaturerhöhungen ausgesetzt sind, wenn ein gleichzeitiges Versagen des Primärkühlkreislaufes und der Abschaltvorrichtungen eintreten sollte.It is desirable to build nuclear reactors with the highest possible output, as this reduces the plant costs be lowered. However, this is associated with the risk that the fuel elements are exposed to dangerous increases in temperature if a simultaneous failure of the Primary cooling circuit and the shutdown devices should occur.

Aus der Zeitschrift »Nucleonies«, Band 15, 1957, Heft 6, Seite 116, ist ein Reaktor mit einer Sicherung bekannt, welche bei unzulässig hohem Neutronenfluß oder bei Verlust des Kühlmittels im Primärkreislauf anspricht, um unzulässig hohe Temperaturerhöhungen im Reaktorkern zu verhindern, und bei der das neutronenabsorbierende Material, nämlich Bortrifluorid, ständig in gasförmigem Zustand vorliegt. Nach seiner Freisetzung, die durch Schmelzen eines Verschlusses in der Sicherung erfolgt, dehnt es sich aus, wodurch die Neutronenabsorption erhöht wird. Die Erhöhung der Neutronenabsorption, die beim Ausdehnen einen Gases erzielt wird, reicht jedoch in vielen Fällen, insbesondere bei Hochleistungsreaktoren, nicht aus, um die Reaktivität des Reaktors bei unzulässigen Temperaturerhöhungen wirksam zu vermindern. Um eine größere Steigerung der bei Normalbetrieb vorliegenden Neutronenabsorption zu erreichen, ist gemäß der Erfindung ein Kernreaktor mit einer Sicherung gegen unzulässig hohe Temperaturen im Reaktorkern vorgesehen, die aus einem Material besteht, das unterhalb der vorbestimmten Temperatur in fester Phase vorliegt und bei der vorbestimmten Temperatur in die flüssige oder gasförmige Phase übergeht, bzw. in flüssiger Phase vorliegt und in die gasförmige Phase übergeht.From the magazine "Nucleonies", Volume 15, 1957, Issue 6, page 116, there is a reactor with a fuse known which in the event of an impermissibly high neutron flux or loss of the coolant in the primary circuit responds to prevent impermissibly high temperature increases in the reactor core, and at which the neutron-absorbing Material, namely boron trifluoride, is always present in a gaseous state. After his Release, which occurs by melting a closure in the fuse, expands it, causing it the neutron absorption is increased. The increase in neutron absorption that occurs when expanding a gas is achieved, but is not sufficient in many cases, especially in high-performance reactors in order to effectively reduce the reactivity of the reactor in the event of impermissible temperature increases. Around to achieve a greater increase in the neutron absorption present during normal operation is according to According to the invention, a nuclear reactor with a safeguard against impermissibly high temperatures in the reactor core provided, which consists of a material that is below the predetermined temperature in the solid phase is present and passes into the liquid or gaseous phase at the predetermined temperature, or into liquid phase is present and merges into the gaseous phase.

Das nach dem Schmelzen, Sublimieren oder Verdampfen als JNTeutronenabsorptionsmittel dienende Material kann sich beispielsweise im Kühlmittel eines mit einer Flüssigkeit gekühlten Reaktors befinden. Es hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, dieses Material in einem hohlen Brennstoffelement anzuordnen. Eine weitere zweckmäßige Möglichkeit besteht darin, das Material im Moderator, vorzugsweise in einem Behälter mit Moderatormaterial zusammen anzuordnen und innerhalb des Behälters gesonderte Räume vorzusehen, die das Material nach dem Schmelzen, Sublimieren oder Verdampfen aufnehmen.That which serves as a neutron absorbent after melting, sublimation or evaporation Material can, for example, be in the coolant of a reactor cooled with a liquid. It however, it has proven expedient to arrange this material in a hollow fuel element. Another useful option is to use the material in the moderator, preferably in one To arrange containers with moderator material together and separate rooms within the container provide that absorb the material after melting, sublimation or evaporation.

Kernreaktor mit einer Sicherung
gegen unzulässig hohe Temperaturerhöhungen im ReaktorkernNuclear reactor with a fuse
against impermissibly high temperature increases in the reactor core

Anmelder:
Hawker Siddeley Nuclear PowerApplicant:
Hawker Siddeley Nuclear Power

Company Limited,Company Limited,

Langley, BuckinghamshireLangley, Buckinghamshire

(Großbritannien)(Great Britain)

Vertreter: Dr.-Ing. K. BoehmertRepresentative: Dr.-Ing. K. Boehmert

und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. A. Boehmert, patent attorneys,

Bremen 1, Feldstr. 24Bremen 1, Feldstr. 24

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 10. Dezember 1957 und 19. August 1958Claimed priority:
Great Britain 10 December 1957 and 19 August 1958

Albert Colin Hughes, Gerrards Cross,Albert Colin Hughes, Gerrards Cross,

Buckinghamshire (Großbritannien),Buckinghamshire (UK),

ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor

Ferner ist es vorteilhaft, das neutronenabsorbierende Material in einem Gehäuse einzuschließen, das infolge des Innendruckes aufbricht, wenn die Temperatur des Reaktorkerns den vorbestimmten Wert erreicht. In diesem Fall kann auch ein Material verwendet werden, das unter Atmosphärendruck bei einer Temperatur unterhalb der vorbestimmten Temperatur von der festen oder flüssigen Phase in die flüssige bzw. gasförmige Phase übergeht, da bei geeigneter Wahl der Gehäusewand der Innendruck den Phasenwechsel des neutronenabsorbierenden Materials so lange verhindern wird, bis durch Aufbrechen des Gehäuses bei der vorbestimmten Temperatur das neutronenabsorbierende Material entweicht.Furthermore, it is advantageous to enclose the neutron absorbing material in a housing, as a result of the internal pressure breaks when the temperature of the reactor core reaches the predetermined value. In In this case, a material can also be used that is under atmospheric pressure at a temperature below the predetermined temperature from the solid or liquid phase to the liquid or gaseous phase passes, since with a suitable choice of the housing wall the internal pressure causes the phase change of the neutron-absorbing material is prevented until the case is broken open at the predetermined temperature, the neutron absorbing material escapes.

Das neutronenabsorbierende Material kann zwar als freies Agens in dem Reaktorkern freigesetzt werden, doch ist es im Hinblick auf seine anschließende Entfernung und das neuerliche Anfahren eines Reaktors zweckmäßig, wenn sich dieses Material nur in einem begrenzten Raum, z. B. einem Behälter, in dem Reaktorkern ausbreitet. So läßt sich dieses Material leicht wieder entfernen.The neutron-absorbing material can be released as a free agent in the reactor core, but it is with a view to its subsequent removal and the restart of a reactor useful when this material is only in a limited space, e.g. B. a container in which Reactor core spreads. So this material can easily be removed again.

Die Verminderung der Reaktivität des Reaktors wird durch Verwendung eines Materials erzielt, das in festem oder flüssigem Zustand (dem Zustand desThe reduction in the reactivity of the reactor is achieved by using a material which in solid or liquid state (the state of the

109 537/449109 537/449

Materials bei normalen Betriebstemperaturen) für thermische Neutronen einen »Schwarzen Körper« darstellt und dessen Geometrie so gewählt ist, daß das Verhältnis von Oberfläche zu Masse gering ist, wie z. B. bei einer Kugel. Dieser Körper beeinflußt auf Grund seiner geringen Ausdehnung und des kleinen Verhältnisses von Fläche zu Masse wegen Selbstabschirmung den Neutronenfluß im Reaktorkern nur geringfügig. Tritt jedoch bei einer bestimmten Temperatur eine Zustandsänderung auf, so daß das Verhältnis der Oberfläche zur Masse zunimmt und damit seine Selbstabschirmung abnimmt, so wird der Neutronenfluß infolge starker Absorption sehr stark beeinflußt. Material at normal operating temperatures) for thermal neutrons a "black body" represents and whose geometry is chosen so that the ratio of surface to mass is low, such as z. B. with a ball. This body influences due to its small size and size Ratio of area to mass due to self-shielding the neutron flux in the reactor core only slightly. However, if a change of state occurs at a certain temperature, so that the relationship the surface increases to the mass and thus its self-shielding decreases, the neutron flux becomes very strongly influenced as a result of strong absorption.

Vorzugsweise wird Quecksilber als neutronenabsorbierendes Material verwendet, doch können auch andere Stoffe mit einem Neutroneneinfangquerschnitt von mindestens etwa 100 barn und einem geeigneten niedrigen Schmelzpunkt eingesetzt werden, bei denen ein Übergang von fester zu flüssiger, fester zu gasförmiger oder flüssiger zu gasförmiger Phase bei geeigneten Temperaturen auftritt.Preferably, mercury is used as the neutron absorbing material, but can also other substances with a neutron capture cross-section of at least about 100 barn and a suitable one low melting point are used where there is a transition from solid to liquid, solid to gaseous or liquid to gaseous phase occurs at suitable temperatures.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung soll im folgenden eine Ausführungsform derselben, die lediglich als Beispiel angeführt wird, unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden.To explain the invention in more detail, an embodiment of the same is intended below, which is only as an example, will be described with reference to the drawing.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen Querschnitt eines Behälters, in dem sich das neutronenabsoibierende Material befindet;Fig. 1 of the drawing shows a cross section of a container in which the neutron absorbent Material located;

Fig. 2 der Zeichnung ist ein Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1.FIG. 2 of the drawing is a section along line II-II of FIG. 1.

Diese Ausführungsform zeigt eine mögliche Methode, innerhalb des Moderatormaterials eines Kernreaktors einen Körper aus einem neutronenabsorbierenden Material anzubringen, das nach Schmelzen, Sublimieren oder Verdampfen die Reaktivität des Kernreaktors herabsetzt, und eignet sich besonders für einen Kernreaktor, bei welchem die Brennstoffelemente in dem Moderatormaterial verteilt sind.This embodiment shows one possible method within the moderator material of a nuclear reactor to attach a body made of a neutron-absorbing material, which after melting, Sublimation or evaporation reduces the reactivity of the nuclear reactor, and is particularly suitable for a nuclear reactor in which the fuel elements are distributed in the moderator material.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Behälter und mit 2 ein neutronenabsorbierendes Material, in diesem Fall Quecksilber, bezeichnet. Mit 3 und 4 und 5 ist das Moderatormaterial und mit 6 ist ein Zwischenraum bezeichnet, der sich entlang den Anteilen 3 und 4 des Moderatormaterials erstreckt, mit 7 ist ein druckfestes Gehäuse bezeichnet, welches das Quecksilber einschließt.In the drawing, 1 is a container and 2 is a neutron absorbing material, in this case Mercury. With 3 and 4 and 5 is the moderator material and with 6 there is a space denotes, which extends along the portions 3 and 4 of the moderator material, with 7 is a pressure-resistant Housing denotes which encloses the mercury.

Das neutronenabsorbierende Material 2 kann, wenn es schmilzt, sublimiert oder verdampft und aus dem Gehäuse7 freigesetzt wird, in den Zwischenräume dispergieren und dadurch eine große Oberfläche im Verhältnis zu seiner Masse annehmen. Das Gehäuse 7 wird, wenn die Beschickung Quecksilber enthält, von solcher Stärke gewählt, daß das Quecksilber erst dann aus dem Gehäuse 7 austritt und verdampft, wenn der Teil des Reaktorkerns, in welchem sich der Behälter 1 befindet, die Gefahren-Temperatur tatsächlich erreicht hat.The neutron absorbing material 2, when it melts, sublimates or evaporates and from the Housing7 is released in the interstices disperse and thereby assume a large surface area in relation to its mass. The housing 7 If the charge contains mercury, it is selected to be of such strength that the mercury will only then exits the housing 7 and evaporates when the part of the reactor core in which the container 1 has actually reached the hazard temperature.

Im Fall eines Reaktors, bei dem sich der Brennstoff in Abschnitten, z. B. Kanälen, mit flüssigem Kühlmittel befindet, kann das neutronenabsorbierende Material zweckmäßig in einem solchen Abschnitt angeordnet sein. Vorzugsweise befindet sich dann das Material im Innern, beispielsweise eines hohlen Berylliumstabs, und wiederum kann je nach dem verwendeten Material ein Gehäuse vorgesehen sein, das so stark ist, daß es die Beschickung einschließt, bis die Gefahren-Temperatur erreicht ist.In the case of a reactor in which the fuel is divided into sections, e.g. B. channels, with liquid Coolant is located, the neutron-absorbing material can expediently arranged in such a section be. The material is then preferably located inside, for example a hollow one Beryllium rod, and again, depending on the material used, a housing can be provided that is so strong that it locks the load in until the hazard temperature is reached.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Kernreaktor mit einer Sicherung gegen unzulässig hohe Temperaturerhöhungen im Reaktorkern, die aus einem Material mit hohem Neutroneneinfangquerschnitt besteht, das sich bei Erhöhung der Temperatur des Reaktorkerns auf einen vorbestimmten Wert so innerhalb des Reaktors ausbreitet, daß dadurch eine gegenüber dem Normalbetrieb stark erhöhte Neutronenabsorption auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material unterhalb der vorbestimmten Temperatur in fester Phase vorliegt und bei der vorbestimmten Temperatur in die flüssige oder gasförmige Phase übergeht bzw. in flüssiger Phase vorliegt und in die gasförmige Phase übergeht.1. Nuclear reactor with a safeguard against impermissibly high temperature increases in the reactor core, which consists of a material with a high neutron capture cross-section, which is located at Increasing the temperature of the reactor core to a predetermined value so within the reactor spreads that as a result, compared to normal operation, a greatly increased neutron absorption occurs, characterized in that this material is below the predetermined temperature in solid Phase is present and changes to the liquid or gaseous phase at the predetermined temperature or is present in the liquid phase and merges into the gaseous phase. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material in einem hohlen Brennstoffelement angeordnet ist.2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that that the neutron absorbing material is arranged in a hollow fuel element is. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material in dem Moderator angeordnet ist.3. Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that that the neutron absorbing material is arranged in the moderator. 4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material mit Moderatormaterial zusammen in einem Behälter angeordnet ist und daß innerhalb des Behälters besondere Räume vorgesehen sind, die das Material nach der Zustandsänderung aufnehmen.4. Nuclear reactor according to claim 3, characterized in that the neutron-absorbing material is arranged with moderator material together in a container and that within the container special rooms are provided to accommodate the material after the change in condition. 5. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material in einem Gehäuse eingeschlossen ist, das infolge des Innendruckes aufbricht, wenn die Temperatur des Reaktorkerns den vorbestimmten Wert erreicht.5. Nuclear reactor according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the neutron absorbing material is enclosed in a housing, which as a result of the internal pressure breaks open when the temperature of the reactor core reaches the predetermined value. 6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material und die Wandstärke des Gehäuses so gewählt sind, daß der bei einer bestimmten Temperatur entstehende Innendruck zwar ausreicht, eine normalerweise bei dieser Temperatur eintretende Phasenänderung des neutronenabsorbierenden Materials zu verhindern, aber dieser Innendruck nicht ausreicht, um die Gehäusewand vor Erreichen einer vorherbestimmten Temperatur zu zerbrechen.6. Nuclear reactor according to claim 5, characterized in that the neutron-absorbing material and the wall thickness of the housing are chosen so that that at a certain temperature The resulting internal pressure is sufficient, one that normally occurs at this temperature To prevent phase change of the neutron absorbing material, but not this internal pressure sufficient to break the housing wall before reaching a predetermined temperature. 7. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material Quecksilber ist.7. Nuclear reactor according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the neutron absorbing material is mercury. In Betracht gezogene Druckschriften:
»Nuclear Science and Engineering«, Bd. 1, 1956, S. 167 bis 169;Considered publications:
"Nuclear Science and Engineering", Vol. 1, 1956, pp. 167 to 169; »Nucleonics«, Bd. 15, 1957, Heft 6, S. 116."Nucleonics", Vol. 15, 1957, Issue 6, p. 116. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings © 109 537/449 3.61© 109 537/449 3.61
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