DE1117787B - Kernreaktor mit Umlaufkuehlung - Google Patents

Kernreaktor mit Umlaufkuehlung

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DE1117787B
DE1117787B DED28612A DED0028612A DE1117787B DE 1117787 B DE1117787 B DE 1117787B DE D28612 A DED28612 A DE D28612A DE D0028612 A DED0028612 A DE D0028612A DE 1117787 B DE1117787 B DE 1117787B
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DE
Germany
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bores
nuclear reactor
fuel elements
channels
coolant
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Pending
Application number
DED28612A
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English (en)
Inventor
Arno Mueller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
Original Assignee
Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG filed Critical Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
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Publication of DE1117787B publication Critical patent/DE1117787B/de
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C15/00Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/02Arrangements or disposition of passages in which heat is transferred to the coolant; Coolant flow control devices
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE- 1. Kernreaktor mit kreiszylindrischem Moderator, in dessen achsparallelen Bohrungen die Brennstoffelemente derart eingesetzt sind, daß innerhalb der Bohrungen ein Kühhnittelstrom fließen kann, wobei für die Zuführung des in Zuführungskanäle des Moderatorblockes eintretenden und aus mit Brennstoffelementen belegten Bohrungen austretenden Kühlmittels zur Reaktorachse achsparalleleZuführkanälevorgesehen sind, die durch nicht mit Brennstoffelementen belegte Teile der Bohrungen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühhnittelstrom 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 (1) gebildet werden.
  2. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche überströmkanäle (10) zwischen benachbarten Bohrungen (1) vorgesehen sind. 3. Kernreaktor nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente (2) nur am in Strömungsrichtung gesehen hinteren Teil der Bohrungen (1) angeordnet sind. 4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in zwei benachbarten Brennstoffkanälen (1), in denen die Brennstoffelemente (2) nicht benachbart liegen, in entgegengesetzter Richtung geführt ist. 5. Kernreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen der überströmkanäle (10) seitlich in der Mitte der Bohrungen (1) angeordnet sind. 6. Kemreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlströme innerhalb des Reaktorbehälters zusammengefaßt sind und in bekannter Weise in einem oder mehreren nebeneinandergeschalteten Kreisläufen arbeiten. 7. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel durch besonders ausgebildete Leitkammern (6, 7) an den Stirnseiten (4, 5) des Reaktorblockes durch den Reaktorkern geführt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegesehrift Nr. 1023 828; belgische Patentschrift Nr. 529 777; britische Patentschrift Nr. 794 329.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3365370A (en) * 1964-01-28 1968-01-23 Sulzer Ag Pressure tubes for nuclear reactors

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE529777A (de) * 1953-07-10
DE1023828B (de) * 1955-08-26 1958-02-06 Babcock & Wilcox Dampfkessel Kernreaktor mit Umlaufkuehlung
GB794329A (en) * 1956-01-27 1958-04-30 Babcock & Wilcox Ltd Improvements in nuclear reactors and an improved method of operating nuclear reactors

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