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Kernreaktor mit Umlaufkühlung Die Erfindung bezieht sich auf einen
Kernreaktor mit kreiszylindrischem Moderator, in dessen achsparallele Bohrungen
die Brennstoffelemente derart eingesetzt sind, daß innerhalb der Bohrungen ein Kühlmittelstrom
fließen kann, wobei für die Zuführung des in Zuführungskanäle des Moderatorblockes
eintretenden und aus mit Brennstoffelernenten belegten Bohrungen austretenden Kühlmittels
zur Reaktorachse achsparallele Zuführkanäle vorgesehen sind, die durch nicht mit
Brennstoffelementen belegte Teile der Bohrungen gebildet werden.
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Bekanntlich nimmt die Wärmeerzeugung eines Reaktors gegen die Mitte
des Moderators hin zu, ist also nicht in allen Brennelementen gleich groß. Es sind
infolgedessen auch ungleich große Wärmemengen aus den einzelnen Teilen des Reaktors
abzuführen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird eine möglichst hohe spezifische Wärmeleistung
bei Keinreaktoren angestrebt. Diese wird im wesentlichen durch das Verfahren bestimmt,
mit dem die Brennstoffstäbe gekühlt werden, da der Brennstoff bzw. dessen Schutzhülle
nur für eine bestimmte Temperatur ausgelegt ist. Damit die höchstmögliche Temperatur
des Kühlmittels erreicht wird, muß die Temperatur der Hüllen wohl hoch sein, jedoch
ein bestimmtes Höchstmaß, das durch die Festigkeit der Hülle begrenzt wird, darf
nicht überschritten werden.
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Es ist bereits bekannt, das kalte Kühlgas den Stellen der Brennstoffstäbe
mit der höchsten Wärmeentwicklung im Zentrum des Reaktors zuzuführen. Dadurch steht
an diesen hochbelasteten Elementen eine hohe Temperaturdifferenz für die Wärineabfuhr
zur Verfügung. Nach dieser bekannten Einrichtung wird das Gas so geführt, daß es
vom Zentrum des Reaktors nach den Außenzonen fließt und sich dabei erwärmt. Bei
gleichbleibender Oberflächentemperatur der Brennstoffstäbe sinkt dabei die Temperaturdifferenz.
Ein solches Grundpfinzip hat bei dem Brookhaven-Forschungsreaktor Verwendung gefunden.
Dabei wird das Kühlgas durch einen Mittelspalt quer zur Richtung der Kühlkanäle
der Reaktormitte zugeführt. Die gleichmäßige Beaufschlagung der Kühlkanäle wird
durch die Drosselung der einzelnen Kühlkanäle eingeregelt. Für Leistungsreaktoren
mit großen Kühlgasmengen ist eine solche Gaszuführung praktisch nicht geeignet,
da für die Zuführung des Kühlgases ein verhältnismäßig breiter Spalt erforderlich
ist, der große Neutronenverluste verursacht. Auch die erforderliche starke Drosselung
der Außenkanäle ist strömungsmäßig ungünstig, ebenso die für das Beschickungsverfahren
nachteilige Unterbrechung der Kühlkanäle in der Mitte des Reaktors. Durch die Einrichtung
gemäß der Erfindung. werden diese Nachteile vermieden. Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, daß der Kühlmittelstrom von beiden Stimflächen des Moderatoraufbaues
aus sowohl ein- als auch austritt und daß die Zuführungskanäle beider Stimflächen
durch teilweise oder gar nicht mit Brennstoffelementen belegte Bohrungen gebildet
werden.
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Die Erfindung kann sowohl für Reaktoren mit festen als auch mit flüssigen
Moderatoren Verwendung finden. Die Brennstoffelemente werden nach der einen Ausführungsform,
in Strömungsrichtung gesehen, nur in der hinteren Hälfte der Reaktorbohrungen angeordnet
und Vorsorge getroffen, daß in zwei benachbarten Brennstoffkanälen die Brennstoffelemente
praktisch an entgegengesetzten Enden liegen. Das Kühlmittel. wird dann in zwei entgegengesetzt
gerichteten Strömen jeweils am vorderen freien Ende des Brennstoffkanals eingeführt.
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Nach einer anderen Ausführungsforrn wird das Kühlmittel durch nicht
mit Brennstoffelementen belegte Kanäle in die Mitte des Moderators und durch Überströmkanäle
an die heißen Seiten der Elemente geführt.
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Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung wird erreicht, daß die Oberflächentemperatur
der Brennstoffstäbe an der ganzen Oberfläche annähernd gleich hoch gehalten werden
kann, so daß eine gute Materialausnutzung sowohl des Brennstoffmaterials als
auch
des Umhüllungsmaterials gegeben ist. Es ist in bekannter Weise ebenfalls möglich,
nach dem Ausbrennen eines Teiles der Brennstoffstäbe diese aus dem Reaktor zu entfernen
und umgekehrt in die Bohrungen einzuführen. Ein weiterer Ausgleich kann in bekannter
Weise dadurch verstärkt herbeigeführt werden, daß ein Kühlkanal Anwendung findet,
der einen veränderbaren Querschnitt aufweist.
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Die Zeichnung stellt den Gegenstand der Erfindung beispielsweise und
vereinfacht dar; es zeigt Abb. 1 einen Schnitt durch einen Reaktor mit wechselseitig
teilweise belegten Brennstoffkanälen, Abb. 2 einen Schnitt nach Abb. 1 mit
überströmkanälen und Zuführung des Kühlmittels in der Mitte der einzelnen Brennstoffkanäle,
Abb. 3 einen Schnitt nach Abb. 2 und Zuführung des Kühlmittelstromes durch
zwei einzelne Stutzen und Abb. 4 ein Schaubild der Temperaturverteilung in Längsrichtung
des Reaktorblockes.
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Bei dem in Abb. 1 dargestellten Reaktor sind die Kühlkanäle
1 wechselseitig nach entgegengesetzten Richtungen je zur Hälfte mit
Brennstoffstäben 2 be-
legt. Das Kühlmittel (Pfeile 3) tritt von zwei
entgegengesetzt liegenden Stirnseiten 4 und 5 in den Reaktorblock ein, strömt
durch die freien Teile der Kühlkanäle 1 zur Reaktormitte und trifft dort
auf den heißesten Teil der Brennstoffstäbe 2. Besonders ausgebildete und gegeneinander
abgedichtete Leitkammern 6 und 7 an der Stirnseite 4 bzw.
5 des Reaktorblockes führen das Kühlmittel durch den Reaktor, aus dem es
durch die Stutzen 8 und 9 austritt.
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Bei dem in Abb. 2 gezeigten Reaktor ist jeweils ein Kanal vollständig
mit Brennstoffelementen 2 bestückt, während der danebenliegende Kanal
1 als Kühlstoffzuftihrungskanal dient. Im Zentrum ist ein Überströmkanal
10 jeweils so angeordnet, daß der Kühlstrom in der Mitte der Bohrung auf
den heißesten Teil der Brennstoffelemente 2 trifft. Das Kühlmittel strömt auch hier
wieder in ähnlicher Weise, wie es in Abb. 1 dargestellt ist, von beiden Stirnseiten
4 und 5 des Reaktorblockes durch die freien Kühlkanäle 1 der Reaktormitte
zu und tritt dann, anders, als es in Abb. 1 dargestellt ist, durch die Überströmkanäle
10 in die mit Brennstoffelementen 2 beschickten Kanäle über und strömt an
der Außenseite der Brennstoffstäbe 2 in Richtung der Pfeile 11
in die Abführungsstutzen
8 und 9. Bei dieser Konstruktion sind ähnliche Leitkammern an den
Stirnseiten des Reaktorblockes vorgesehen, wie sie in Abb. 1 erörtert worden
sind.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Zufuhr des Kühlmittels
(Pfeil 3) zum Reaktorblock und seine Abführung über den Stutzen 12 in der
in Abb. 3 dargestellten Weise erfolgen. Dabei werden die KühlmitteIströme
nach dem Eintritt in den Reaktor getrennt (Pfeile 13 und 14), treten in die
Kühlkanäle 1 und kühlen die Brennstoffelemente in gleicher Weise, wie es
in Abb. 2 dargestellt wurde. Durch die Zusammenfassung der Kühlströme innerhalb
des Reaktordruckbehälters erübrigt sich die Ausbildung besonderer Leitkammem.
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Die Temperaturverteilung in Längsrichtung des Reaktorblockes zeigt
Abb. 4. Wie bei den bekannten Reaktoren ist auch bei dem Reaktor gemäß der Erfindung
die Wärmeerzeugung, die durch die Kurve 15
dargestellt ist, im Reaktorzentrum
am höchsten und fällt nach beiden Seiten stark ab. Gemäß der Erfindung wird das
kalte Kühlgas in zwei Teilströme (s. Abb. 1 von rechts und links und Abb.
2 und 3
durch die überströmkanäle) zur Kanalmitte geführt und streicht von
dort entlang der Brennstoffstäbe 2 wieder nach außen. Auf dem Wege entlang der Brennstoffstäbe
2 von der Kanahnitte bis zum Austritt erwärmt sich das Gas und weist em*en'Temperaturverlauf
auf, wie er für die beiden Teilströme durch die Kurven 16 und 17 dargestellt
ist. Daraus ist erkennbar, daß die Brennstoffstäbe zuerst an einer solchen Stelle
von dem kalten Kühlgas getroffen werden, an welcher sie eine hohe Wärmeentwicklung
haben. Die weiter außen liegenden Teile der Brennstoffelemente mit der geringeren
Wärmeerzeugung werden von dem Gas, das bereits in der Mitte erwärmt worden ist,
bestrichen. Dadurch wird die Oberflächentemperatur, wie sie für den Idealfall durch
die Gerade 18 gezeigt ist auf der ganzen Länge gleich hoch gehalten. Diese
Maßnahme kann durch unterschiedliche Durchmesser entlang der Kühlkanäle noch unterstützt
werden.
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Die für die Wärmeabfuhr aus dem Reaktorblock maßgebende Temperaturdifferenz
A t (Bezugszeichen 19) ergibt sich als Differenz zwischen
den Kurven 18
und 16 bzw. 17. Es zeigt sich, daß der Verlauf
der Temperaturdifferenz A t über der Reaktorlänge etwa der
Wärmeentwicklung, wie sie durch die Linie 15
dargestellt ist, entspricht.