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Atomkernreaktor mit Moderatorstandhöhenregelung Die Erfindung betrifft
Atomkernreaktoren mit flüssigem Moderator, dessen freie Oberfläche zur Regelung
der Reaktivität des Reaktors in ihrer Höhe einstellbar ist.
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Einige der Spaltprodukte, die während des Reaktorbetriebes entstehen,
haben einen hohen Einfangsquerschnitt für thermische Neutronen, so daß sie als Neutronengifte
wirken. Das Wichtigste dieser Neutronengifte ist radioaktives Xenon (Xe 135), dessen
Konzentration nach einer Reduktion der Reaktorleistung zunächst anwächst und dann
langsam abklingt. Die vorübergehend überhöhte Vergiftung durch das Xenon beeinträchtigt
die Regelbarkeit des Reaktors nach einer Leistungsminderung erheblich.
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Für Reaktoren mit Moderatorstandhöhenregelung wird zur Herabsetzung
der nachteiligen Folgen einer solchen Vergiftung erfindungsgemäß vorgeschlagen,
im Einstellbereich der Oberfläche oberhalb der normalen Brennelemente höher angereicherten
Spaltstoff als diese enthaltende Brennelemente (Quellelemente) anzuordnen. Vorteilhafterweise
sind die Quellelemente in die Kühlkanäle der normalen Brennelemente eingesetzt,
so daß für sie kein besonderer Kühlmittelkreislauf erforderlich ist. Ferner entsprechen
die Ouellelemente in ihrem grundsätzlichen Aufbau zweckmäßigerweise den normalen
Brennelementen, unterscheiden sich jedoch in Zahl und Länge der einzelnen Brennstäbe
von diesen. Sie können mit den für die normalen Brennelemente vorgesehenen Ladeeinrichtungen
eingesetzt und ausgebaut werden. Der vorgeschlagene Einsatz von Quellelementen unterscheidet
sich wesentlich von der Arbeitsweise mit der überlicherweise für diesen Zweck verwendeten
Trimmstäben.
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Infolge der Flußverteilung ist der Einfluß der im mittleren Bereich
des Reaktorkerns eingesetzten Quellelemente am größten, so daß die Quellelemente
vorzugsweise auf die in diesem Bereich liegenden Kühlkanäle verteilt werden. Während
ihres Einsatzes werden die Quellelemente nicht bewegt, sondern nur durch Veränderung
der Moderatorspiegelhöhe mehr oder weniger mit der eigentlichen Spaltzone des Reaktors
gekoppelt. Der Einfluß der Quellelemente auf die Flußverteilung erstreckt sich gleichmäßig
über eine große Zahl von Kühlkanälen. Nur in der Zeit, in der nach einer Leistungsänderung
eine überhöhte Vergiftung durch Xenon eingetreten ist, befinden sich die Quellelemente
in einem höheren Neutronenfluß. Bei Normalbetrieb sind sie nur schwach belastet,
so daß sich eine lange Einsatzzeit ergibt. Durch die Verwendung der Quellelemente
erübrigt sich der Einsatz von Absorberstäben in der Spaltzone, die den Multiplikationsfaktor
herabsetzen würden. Außer den ohnehin für die Feinregelung vorzusehenden Geräten
ist kein zusätzlicher Regelkreis erforderlich.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen,
in denen F i g. 1 eine schematische Darstellung eines die Spaltzone eines Reaktors
aufnehmenden Moderatorbehälters ist und F i g. 2 die Reaktivität eines Reaktors
als Funktion der Moderatorspiegelhöhe wiedergibt.
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In F i g. 1 ist der Moderatorbehälter 10 eines Atomkernreaktors
schematisch dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist nur einer der
Kühlkanäle 12 eingezeichnet, der eine beispielsweise aus vier normalen Brennelementen
13 zusammengesetzte Brennelementsäule enthält. Unterhalb der Spaltzone, deren Unterkante
mit 14 und deren Oberkante mit 15 bezeichnet ist, befindet sich als unterer Reflektor
16 ein Teil der Moderatorflüssigkeit. Der Einstellbereich 17 der Moderatorstandhöhe
erstreckt sich von der Spaltzonenoberkante 15 bis zur maximalen Höhe 18
der
Oberfläche des Moderators. Die Höhe des oberen Reflektors 20 hängt also von der
Standhöhe des Moderators ab. Sein Normalwert entspricht der normalen Standhöhe 19.
Oberhalb der normalen Brennelemente 13 sind in die Kühlkanäle 12 zusätzliche Brennelemente
21 (Quellelemente) eingesetzt, die höher angereicherten Spaltstoff als die normalen
Brennelemente enthalten. In ihrem äußeren Aufbau entsprechen die Quellelemente den
normalen Brennelementen, unterscheiden sich jedoch von diesen in der Zahl und Länge
der einzelnen Brennstäbe. Wird beispielsweise als Moderator schweres Wasser und
für die normalen Brennelemente Natururan verwendet, so enthalten die Quellelemente
auf beispielsweise 2% U 235 angereichertes Uran.
In F i g. 2 ist
die Reaktivität als Funktion der Moderatorstandhöhe dargestellt. Auf der Abszisse
ist die Moderatorstandhöhe H, auf der Ordinate die Reaktivität R aufgetragen. Die
Ordinate verkörpert gleichzeitig die normale Höhe 19 der Moderatoroberfläche. Ferner
sind die maximale Standhöhe 18 (gestrichelte Linie), die Höhe der Quellelemente
22 (strichpunktierte Linie) und die Oberkante 15 der Spaltzone eingezeichnet.
Der Einstellbereich der Moderatoroberfläche entspricht also dem Abstand zwischen
den Linien 15 und 18. Als Spaltstoff für die normalen Brennelemente ist Natururan
oder sehr schwach angereichertes Uran verwendet, während die Quellelemente den gleichen
Spaltstoff mit höherer Anreicherung enthalten. Die Kurve a gibt den Verlauf der
Reaktivität für einen Reaktor ohne Quellelemente an, die Kurve A für einen Reaktor
mit Quellelementen. Beim Normalbetrieb des Reaktors, d. h. bei normalem Stand der
Moderatoroberfläche (Ordinate), wirken sich die Quellelemente nicht nennenswert
aus. überschreitet jedoch der Moderatorspiegel den normalen Stand, so ändert sich
der Regelbereich beträchtlich. Wird beispielsweise der Moderatorspiegel vom oberen
Rand 15 der Spaltzone bis zum höchstmöglichen Stand 18 erhöht, dann ändert sich
der Regelbereich b (ohne Quellelemente) von etwa 0,311/o auf den Regelbereich B
(mit Quellelementen) von etwa 0,85°/o. Beträgt z. B. .die mittlere Leistungsdichte
in der Spaltzone 0,73 MWth/kg U 235, so kann'durch die Verwendung der Quellelemente
die zulässige Leistungsminderung, bei der eine nachfolgende Xenonspitze gerade noch
ausregelbar ist, von etwa minus 20°/o auf etwa minus 50% erhöht werden.