DE1207023B

DE1207023B - Nuclear reactor with shaped bodies guided through the core in tubes

Info

Publication number: DE1207023B
Application number: DED31972A
Authority: DE
Inventors: Dr Alfred Boettcher
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1959-11-26
Filing date: 1959-11-26
Publication date: 1965-12-16

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ifflTGSSP PATENTAMT FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN ifflTGSSP PATENT OFFICE Int. CL:Int. CL:

G21cG21c

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Deutsche KL: 21g-21/20 German KL: 21g-21/20

Nummer: 1207 023Number: 1207 023

Aktenzeichen: D 31972 VIII c/21 gFile number: D 31972 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 26. November 1959Filing date: November 26, 1959

Auslegetag: 16. Dezember 1965Opening day: December 16, 1965

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit durch den Kern in Rohren geführten Formkörpern, insbesondere Kugeln, auf Brennstoff und/oder Brutstoff, die gegebenenfalls auch Moderatormaterial enthalten.The present invention relates to a nuclear reactor having tubes guided through the core Shaped bodies, in particular spheres, on fuel and / or breeding material, which may also be Moderator material included.

Es ist bekannt, daß Reaktoren des sogenannten homogenen Typs hinsichtlich der Einfachheit des Aufbaues und der Handhabung wesentliche Vorteile gegenüber den heterogenen Reaktoren mit mehr oder weniger starren und ortsfest gebundenem Einbau der Brennstoffelemente aufweisen. Allerdings kommen die homogenen Reaktoren in ihrer reinen Form im allgemeinen nur als Forschungsreaktoren, nicht aber als Leistungsreaktoren in Betracht; für letztere scheint ein Aufbau nach den Grundsätzen des heterogenen Typs vorteilhaft. Es hat aber an Versuchen nicht gefehlt, die Grundelemente im Aufbau beider Reaktoren zu verschmelzen bzw. heterogene Reaktoren so abzuwandeln, daß die Einbringung des Brennstoffes in das Reaktorherz und das Dechargieren erleichtert und das beim reinen heterogenen Typ notwendige Umsetzen möglichst vermieden wird. Das Chargieren und Dechargieren der Brennelemente bereitet bei einem heterogenen Reaktor verhältnismäßig große Schwierigkeiten. Zu Beginn der Reaktorentwicklung war es noch erforderlich, zur Vornahme dieser Manipulationen den Reaktor außer Betrieb zu setzen. Obgleich derartige Betriebsunterbrechungen bei einem Teil der zukünftigen Reaktoren nicht mehr notwendig sein werden, bedarf es doch zur Bewegung des Brennstoffes während des Reaktorbetriebes außerordentlich komplizierter, eigens für diese Zwecke aufgebauter Vorrichtungen und Anlagen, die den Reaktorbetrieb erheblich belasten und einen unerwünscht hohen maschinellen Aufwand darstellen. Der komplizierte Bewegungsmechanismus für die Brennelemente des heterogenen Reaktors muß nicht nur beim Chargieren und Dechargieren der Brennelemente betätigt werden, sondern vor allem bei dem sogenannten »Umsetzen«, das dazu dient, ein gleichmäßiges Ausbrennen des Brennstoffes zu erzielen.It is known that reactors of the so-called homogeneous type in terms of simplicity of the Structure and handling have significant advantages over the heterogeneous reactors with more or have less rigid and fixed installation of the fuel elements. However, come the homogeneous reactors in their pure form generally only as research reactors, but not considered as power reactors; for the latter, a structure seems to be based on the principles of heterogeneous type advantageous. But there was no lack of attempts, the basic elements in the structure to merge both reactors or to modify heterogeneous reactors so that the introduction of the Fuel in the reactor heart and the discharge facilitated and that with the pure heterogeneous type necessary implementation is avoided as far as possible. The charging and discharging of the fuel assemblies causes relatively great difficulties in a heterogeneous reactor. At the beginning of the reactor development it was still necessary to shut down the reactor in order to carry out these manipulations. Although such business interruptions will no longer be necessary for some of the future reactors, it is necessary but the movement of the fuel during the reactor operation is extremely complicated, Devices and systems built especially for this purpose, which place a considerable load on reactor operation and represent an undesirably high machine expense. The complicated movement mechanism for the fuel elements of the heterogeneous The reactor does not only have to be operated when charging and discharging the fuel elements, but above all with the so-called »transfer«, which serves to ensure an even burnout of the To achieve fuel.

Es sind bereits Kernreaktoren bekannt, bei denen als Formkörper ausgebildete Brennstoffelemente, insbesondere Kugeln, durch gerade, parallel zur Achse des Reaktorkerns verlaufende Rohre geführt werden. Diese Rohre werden hierbei von dem gleichen Kühlmittel, und zwar einem Kühlgas, durchströmt, das auch die Wärmeabführung aus dem Reaktorkern übernimmt.Nuclear reactors are already known in which fuel elements designed as molded bodies, in particular balls, passed through straight tubes running parallel to the axis of the reactor core will. The same coolant, namely a cooling gas, flows through these pipes, which also takes over the heat dissipation from the reactor core.

Vorliegende Erfindung geht von diesem Stande der Technik aus und verbessert diese bekannten Reak-The present invention is based on this prior art and improves this known reaction

Kernreaktor mit durch den Kern in Rohren
geführten FormkörpernNuclear reactor with through the core in tubes
guided moldings

Anmelder:Applicant:

Deutsche Gold- und Silber-ScheideanstaltGerman gold and silver refinery

vormals Roessler,formerly Roessler,

Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9Frankfurt / M., Weißfrauenstr. 9

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Alfred Boettcher, Jülich (RhId.)Dr. Alfred Boettcher, Jülich (RhId.)

is toren dadurch, daß erfindungsgemäß die die Formkörper führenden Rohre dauernd mit einer den Wärmeaustausch zwischen dem Brennstoff und dem außerhalb der Rohre geführten Kühlmittel vermittelnden und die Reibung vermindernden Flüssigkeit gefüllt sind, wobei der Kühlmittelkreislauf unabhängig von dem in den Rohren vorhandenen Wärmeaustauschmittel verläuft.is gates in that, according to the invention, the molded bodies leading pipes continuously with a heat exchange between the fuel and the Liquid conveying coolant outside the pipes and reducing friction are filled, the coolant circuit independent of the heat exchange medium present in the tubes runs.

Hierdurch wird erreicht, daß der Wärmeaustauschvorgang zwischen den eigentlichen Brennelementen und dem Kühlmittel wesentlich verbessert wird, ohne daß eine Möglichkeit besteht, daß Spaltprodukte aus dem Wärmeübertragungsmittel in den Rohren auf den Kühlkreislauf übergehen. Dies bedeutet zugleich eine erhöhte Sicherheit für den Reaktorbetrieb, da eine Verunreinigung des primären Austauschkreislaufs durch zerstörte oder verletzte Umhüllungen der eigentlichen Brennelemente nicht eintreten kann. Gleichzeitig ist es möglich, die Dichte des Brennstoffs und der in den Transportrohren befindlichen Flüssigkeit so aufeinander abzustimmen, daß sich der Brennstoff in der Flüssigkeit mehr oder weniger im Schwebezustand befindet. Durch diese relative Gewichtsverminderung der Brennstoffkörper erreicht man eine leichte Umlenkung der Elemente in solchen Rohren, die Krümmungen und Umlenkungen besitzen, um die einzelnen Elemente in Zonen verschieden starken Neutronenflusses zu führen.This ensures that the heat exchange process between the actual fuel assemblies and the coolant is significantly improved without a possibility that fission products from pass the heat transfer medium in the tubes to the cooling circuit. This means at the same time an increased safety for the reactor operation, since a contamination of the primary exchange circuit cannot occur due to destroyed or damaged casings of the actual fuel assemblies. At the same time it is possible to check the density of the fuel and that in the transport pipes To coordinate liquid so that the fuel in the liquid is more or less in the Is in limbo. The fuel body is achieved by this relative weight reduction a slight deflection of the elements in pipes that have bends and deflections, to guide the individual elements in zones of different strengths of neutron flux.

Im übrigen übernehmen die Rohre in jeder Beziehung die Rolle der bis dahin erforderlichen Umhüllung der Brennstoffelemente. Sie dienen gewissermaßen als Can, wobei die für die Rohre erforderlichen Materialmengen gegenüber der Umhüllung eines jeden einzelnen Brennelementes wesentlich vermindert werden können. Durch den Fortfall der »Einzelcans« führt die Anwendung des Verfahrens der Erfindung zu einer Verbesserung der Neutronenausbeute. Außerdem kann auf die bei der bisherigenIn all other respects, the pipes take on the role of those required up to that point Covering the fuel elements. In a sense, they serve as a can, with the ones required for the pipes Amount of material compared to the cladding of each individual fuel assembly is significantly reduced can be. The elimination of the »single scans« leads to the application of the procedure of the invention to improve the neutron yield. You can also use the previous one

509 758/331509 758/331

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Reaktorbauweise unerläßlichen Vorrichtungen zur führende Rohre vorgesehen werden. BesondersReactor design indispensable devices for leading pipes are provided. Particularly

Halterung und zur Chargierung und Dechargierung zweckmäßig ist in dieser Beziehung die AusbildungBracket and for charging and de-charging is useful in this regard, the training

der Brennstoffe verzichtet werden. Durch den Fort- der Transportrohre als konische Spiralen, von denenthe fuels are dispensed with. By advancing the transport tubes as conical spirals of which

fall derartiger Einbauten wird der Reaktor wesentlich mehrere im Reaktorherzen vorgesehen werdenin the case of such internals, the reactor will be provided with substantially more than one in the heart of the reactor

einfacher und betriebssicherer, wenn gemäß der Er- 5 können, und zwar bevorzugt, so daß sie etwa trichter-Easier and more reliable, if according to the Er- 5 can, and preferably so that they are about funnel-

findung die Führung der beweglichen Brennstoff- förmig ineinandergestellt werden und die freienfinding the guide of the movable fuel can be nested in one another and the free ones

elemente durch Rohre erfolgt. Enden der Spiralen gegeneinander versetzt werden.elements through pipes. Ends of the spirals are offset against each other.

Der Fortfall der Umhüllung um jedes einzelne Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfin-Element ermöglicht, daß die gasförmigen Spaltpro- dung sind derartige Vorrichtungen in den A b b. 1 dukte aus den Elementen entweichen können und io bis 3 schematisch dargestellt,
durch Rohre gesammelt und abgeführt werden. A b b. 1 zeigt im Schnitt und Seitenansicht schema-Die struktur- und volumenmäßigen Änderungen tisch angedeutet einen Reaktorkern 11 mit den des Brennstoffes wirken sich auf die Betriebsdauer Brennstoff aufnehmenden Transportrohren 12. Diese der Brennstoffelemente nur wenig aus, so daß ein Rohre werden im oberen Teil mit den Brennstofferhöhter Ausbrand des Brennstoffes erreicht werden 15 körpern beschickt und ziehen schräg zum Zentrum kann. Das bedeutet zugleich eine erhöhte Sicherheit des Reaktorraumes, wo sie axial nach unten aus für den Reaktorbetrieb, da eine Verunreinigung des treten. Die in den Rohren geförderten Körper durchprimären Wärmeaustauscherkreislaufs durch zer- laufen also in dem schrägen Rohrabschnitt alle Zonen störte oder verletzte Umhüllungen beim Reaktor verschiedener Neutronendichte, die in dem Reaktorgemäß der vorliegenden Erfindung nicht eintreten 20 herzen vorliegen, und werden dann zentral ausgekann. Schließlich muß auch erwähnt werden, daß die tragen;The omission of the envelope around each individual To explain the basic idea of the invention element makes it possible that the gaseous fission production are such devices in the A b b. 1 products can escape from the elements and io to 3 are shown schematically,
collected and discharged through pipes. A b b. 1 shows in section and side view schematic-the structural and volume changes indicated table a reactor core 11 with the fuel have an effect on the service life of fuel-absorbing transport tubes 12. These of the fuel elements have little effect, so that a tubes are in the upper part with the Fuel increased burnout of the fuel can be reached 15 bodies and pull obliquely to the center. This means at the same time an increased safety of the reactor space, where they occur axially downwards for the reactor operation, since a contamination of the occur. The bodies conveyed in the tubes through the primary heat exchanger circuit run through all zones in the inclined tube section, disturbed or damaged envelopes in the reactor of various neutron densities, which do not enter the reactor according to the present invention, and are then centrally dispensed. Finally, it must also be mentioned that they wear;

Aufarbeitung ungecanter Brennstoffelemente ein- A b b. 2 zeigt eine Spirale 21, deren Windungs-Reconditioning of uncanter fuel elements A b b. 2 shows a spiral 21, the turn of which

facher und billiger ist als bei den in reinen hete- durchmesser von oben nach unten gleichmäßig ab-times and cheaper than in pure hete diameters from top to bottom evenly

rogenen Reaktoren verwendeten. nimmt; in derroe reactors used. takes; in the

Die Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Er- 25 Abb. 3 sind vier solcher Spiralen 31, 32, 33 findung kommen besonders zur Geltung, wenn man und 34 gezeigt, wobei aus Abb. 3a die Versetnach einer bevorzugten Ausführungsform die Dichte zung der oberen Spiralenenden und aus A b b. 3 b die des Brennstoffes und der im Transportrohr befind- Anordnung der unteren Spiralenenden ersichtlich ist, liehen Flüssigkeit so aufeinander abstimmt, daß sich die ebenfalls gegeneinander versetzt sind,
der Brennstoff in der Flüssigkeit mehr oder weniger 30 Die Brennstoffkörper, die durch die Rohre des im Schwebezustand befindet. Man ist dann für die Reaktorherzens geführt werden, können verschiedene Förderung der Brennstoffkörper nicht allein auf die Formen aufweisen, wobei stest berücksichtigt werden Schwerkraft oder auf die Einwirkung von zusatz- muß, daß der Durchgang durch das Rohr möglichst liehen Kräften angewiesen, die in ihrer Höhe auf die ungehindert erfolgen soll. In bevorzugter Ausfüh-Bewegung der gesamten Brennstoffmenge in jedem 35 rungsform sind diese Elemente als Kugeln ausge-Rohr eingestellt sein müßten. Vielmehr erreicht man staltet. Sie können aber auch als Scheiben oder bei durch die relative Gewichtsverminderung der Brenn- genügend großem Radius der Rohrkrümmungen oder Stoffkörper eine leichte Umlenkung der Elemente im Spiralwindungen als Zylinder angewendet werden. Rohr, so daß beliebige Rohrformen mit Krümmungen Der Vorschub im Rohr erfolgt jeweils durch Aus- und Umlenkungen gewählt werden können, wenn sich 40 tragen eines oder mehrerer Körper am einen Ende dies für die Ökonomie des Reaktors als günstig er- und Nachchargieren einer gleichen Anzahl von Körweist. In Ausnutzung solcher Möglichkeiten läßt sich pern am anderen Ende des Rohres,
gemäß der vorliegenden Erfindung der Brennstoff in Die einzelnen Brennstoffkörper können wie üblich den Rohren so durch das Reaktorherz führen, daß er mit einer Umhüllung, dem sogenannten Can, umauf seinem Weg zwangläufig in dem Reaktorherzen 45 geben sein, dessen Aufbau sich nach dem jeweils vervorhandene Zonen verschieden starken Neutronen- wendeten Brennstoff und der im Rohr enthaltenen flusses nacheinander durchläuft. Damit entfällt das Flüssigkeit richten muß. Selbstverständlich können bei Reaktoren mit stationären Brennelementen zur die Einzelkörper sowohl aus metallischem wie auch Erzielung eines möglichst vollständigen Ausbrandes aus oxydischem oder carbidischem Brennstoff der Elemente unerläßliche Umsetzen, wobei die EIe- 50 und/oder Brutstoff bestehen. Es ist vorteilhaft, die mente aus Zonen geringeren Neutronenflusses in Brennelemente ohne Can zu verwenden, voraussolche höheren Neutronenflusses gebracht werden. gesetzt, daß die Rohre, in denen sich die Brennele-Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann mente bewegen, aus einem Werkstoff bestehen, der man beispielsweise Rohre im Reaktorherzen anord- die Funktionen des Cans, also den Schutz des Brennnen, die von der Peripherie zur Achse des Reaktor- 55 stoffes gegen das die Rohre umfließende Kühlmittel, raumes geneigt sind. In diesen Rohren durchlaufen übernimmt. Wenn man ungecanten Brennstoff bei die Brennstoffkörper allmählich von außen nach dem Reaktor gemäß der Erfindung benutzt, so werinnen Zonen mit immer höher werdender Neutronen- den die gasförmigen Spaltprodukte in den Spiraldichte und sind, wenn sie das Reaktorherz etwa in rohren durch die in diesen enthaltene Flüssigkeit seinem Zentrum verlassen, ohne manuelles oder 60 nach oben steigen und müssen dort unter entsprechenmaschinelles Umsetzen in optimalem Maße ausge- den Vorsichtsmaßnahmen oberhalb der Flüssigkeit brannt. Man kann den Weg der Brennstoffelemente aufgefangen werden. Der Vorteil einer solchen Andurch das Reaktorherz in beliebiger Weise verlän- Ordnung kann darin liegen, daß die gasförmigen Spaltgern, wenn man nach einer weiteren günstigen Aus- produkte rasch aus dem Brennstoff austreten und die führungsform die Rohre spiralig durch das Reaktor- 6g Neutronenbilanz nicht mehr beeinträchtigen können, herz führt. Dabei kann der ganze Weg der Brenn- Die Brennstoffkörper können im übrigen neben stoffe als Spirale ausgebildet sein, es können aber dem Brenn- und/oder Brutstoff auch noch eine auch im Anschluß an die Spirale schräg nach innen Moderatorsubstanz, z. B. Graphit, enthalten.The advantages of the method of the present invention are four such spirals 31, 32, 33 are particularly evident when one and 34 are shown, whereby from FIG from A b b. 3 b the arrangement of the fuel and the arrangement of the lower spiral ends in the transport tube can be seen, borrowed liquid is coordinated so that they are also offset from one another,
The fuel in the liquid is more or less 30 The body of fuel that is suspended through the pipes of the. One is then led for the reactor heart, different conveyance of the fuel body can not have solely on the forms, whereby gravity or on the action of additional must always be taken into account that the passage through the tube as far as possible dependent on forces that are in their height to which should take place unhindered. In a preferred execution movement of the total amount of fuel in each approximate form, these elements should be set as spheres out-tube. Rather, one achieves stalten. They can, however, also be used as disks or with a slight deflection of the elements in the spiral windings as cylinders due to the relative reduction in weight of the combustion- sufficiently large radius of the pipe bends or material bodies. Tube, so that any tube shape with curvatures The feed in the tube can be selected by deflection and deflection, if one or more bodies are carried at one end, this is favorable for the economy of the reactor and the same number of recharging Körweis. In making use of such possibilities, you can pern at the other end of the pipe,
According to the present invention, the fuel in The individual fuel bodies can, as usual, lead the tubes through the reactor heart in such a way that it is inevitably into the reactor heart 45 on its way with a casing, the so-called can, the structure of which depends on the zones present in each case differently strong neutrons-turned fuel and the flux contained in the tube passes through one after the other. This eliminates the need to adjust the liquid. Of course, in the case of reactors with stationary fuel assemblies, the individual bodies made of metallic as well as achieving as complete a burnout as possible from oxidic or carbidic fuel of the elements can be indispensable, the EIe 50 and / or breeding material. It is advantageous to use the elements from zones of lower neutron flux in fuel assemblies without a can, provided that such higher neutron flux is brought. set that the tubes in which the fuel element can move in this embodiment of the invention, consist of a material that can be arranged, for example, tubes in the reactor heart, the functions of the can, so the protection of the burning, from the periphery to Axis of the reactor material against which the coolant flowing around the tubes is inclined. Going through in these tubes takes over. If one uses uncanten fuel in the fuel body gradually from the outside to the reactor according to the invention, then the gaseous fission products are in the spiral density in zones with ever higher neutron ends and when they pipe the reactor heart through the liquid contained in them Leave its center without manual or climbing up and have to take the precautionary measures above the liquid burns to the best possible extent, with appropriate mechanical repositioning. One can be caught the way the fuel elements. The advantage of extending the reactor heart in any way can be that the gaseous fissures, if one can quickly escape from the fuel after a further favorable exhaustion and guide the tubes spirally through the reactor, no longer have a neutron balance can affect heart leads. The whole way of the fuel The fuel body can also be designed as a spiral in addition to substances, but the fuel and / or breeding material can also be a moderator substance, e.g. B. graphite included.

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Als Material für die den Brennstoff führenden Die Einführung der Brennstoffkörper in die einRohre wird man zweckmäßigerweise solche Werk- zelnen Rohre kann in einfacher Weise durch üblicheAs a material for the fuel-carrying The introduction of the fuel body into the one-pipe If one is expediently such tools, tubes can easily be passed through conventional

stoffe wählen, die als Umhüllung oder Can für Brenn- Verteilungsmechanismen erfolgen. Die unteren Rohrelemente verwendet werden. Es kommen hierfür vor enden münden ebenfalls in einen Behälter, der alsSelect materials that are used as a cladding or can for combustion distribution mechanisms. The lower pipe elements be used. It comes to this before ends also open into a container, which as

allem Aluminium oder Aluminiumlegierungen, 5 Dechargiergefäß dient und die zur Rohrfüllungall aluminum or aluminum alloys, 5 decarging vessel is used and which is used to fill the pipe

Magnesiumlegierungen, Stahl oder auch Zirkon bzw. benötigte Flüssigkeit enthält. Die Flüssigkeit wirdMagnesium alloys, steel or zirconium or the required liquid contains. The liquid will

Zirkonlegierungen in Betracht. Die Auswahl muß im durch Einführen eines Inertgases in den Dechargier-Zirconium alloys into consideration. The selection must be made by introducing an inert gas into the

einzelnen in Abhängigkeit von dem verwendeten behälter in die Rohre bis zur gewünschten Höhe ge-individually depending on the container used in the pipes up to the desired height

Brenn- und/oder Brutstoff, der als Rohrfüllung be- führt und das Niveau durch Aufrechterhaltung einesFuel and / or breeding material, which leads as a pipe filling and the level by maintaining a

nutzten Flüssigkeit und der Natur des Kühlmittels io entsprechenden Gasdruckes gleichmäßig eingestellt,used liquid and the gas pressure corresponding to the nature of the coolant adjusted evenly,

getroffen werden. In diesem Falle müssen also die unteren Enden derto be hit. In this case, the lower ends of the

Das flüssige Medium für die Füllung der Rohre, Rohre gasdicht mit dem Dechargierbehälter verbundas einerseits die Beweglichkeit der Brennelemente den sein. Zum geregelten Austragen der verbrauchten im Rohr erleichtern und andererseits dem Wärme- Brennelemente sind in den unteren Enden der Rohre übergang vom Brennstoff auf die Rohrwand dienen 15 jeweils Schieber angebracht, die nicht flüssigkeitsmuß, kann im einfachsten Falle Wasser sein. Bevor- dicht sind, um den Durchtritt der Füllflüssigkeit zu zugt kommen jedoch geschmolzene Metall-Legierun- ermöglichen, die aber in Ruhestellung den untersten gen, wie Natrium-Kalium-Legierungen oder eine Brennstoffkörper in der Rohrspirale festhalten. Beim (vorzugsweise annähernd eutektische) Wismut-Blei- öffnen des Schiebers, der von außen betätigt wird, Legierung in Betracht. Der Schmelzpunkt einer 20 fällt dann je nach Öffnungsdauer eines oder mehrere eutektischen Legierung liegt bei 125° C; sie zeigt bei der Brennstoffelemente in den Dechargierbehälter, so dem Erstarren keinen positiven Volumensprung wie daß von oben eine entsprechende Menge an Brennreines Wismut und weist wegen des relativ kleinen Stoffkörpern nachchargiert werden kann. Die Durch-Wirkungsquerschnittes des Bleies auch insgesamt gangsgeschwindigkeit der Elemente durch den Reakeinen günstigen Wirkungsquerschnitt auf. 25 tor wird durch die Länge der Dechargierintervalle inThe liquid medium for filling the pipes, pipes gas-tight with the de-charging container verbundas on the one hand, the mobility of the fuel assemblies. For the regulated discharge of the used facilitate in the tube and on the other hand the heat- fuel assemblies are in the lower ends of the tubes transition from fuel to the pipe wall serve 15 sliders each attached, which do not have to be liquid, can in the simplest case be water. Prevented to allow the filling liquid to pass through However, molten metal alloys are added, but in the rest position they are the lowest such as sodium-potassium alloys or a body of fuel in the spiral tube. At the (preferably approximately eutectic) bismuth lead opening of the slide, which is operated from the outside, Alloy into consideration. The melting point of a 20 then falls one or more depending on the opening time eutectic alloy is 125 ° C; it shows at the fuel elements in the decharging container, like this the solidification does not have a positive jump in volume such as that from above a corresponding amount of pure fuel Bismuth and points can be recharged because of the relatively small substance body. The through-cross-section of the lead, the overall speed of the elements through the reactor also has a favorable cross-section. 25 tor is determined by the length of the de-charging intervals in

Ebenso verwendbar sind jedoch hochsiedende einfacher Weise geregelt.However, high-boiling points can also be used in a simple manner.

organische Flüssigkeiten, wie etwa Diphenyle oder Eine solche Ausführungsform des Reaktors gemäß Terphenyle, die weder gegenüber dem Brennstoff der Erfindung ist in Abb.4 schematisch wiedernoch gegenüber dem Werkstoff des Spiralrohres gegeben. Darin bedeutet 41 einen Ausschnitt aus dem korrodierend wirken und ebenso wie geschmolzene 30 Reaktorherzen, das mehrere, im einzelnen nicht geMetalle bei erhöhter Temperatur nur geringe Dampf- zeichnete konische Spiralen 42, 43 und 44 enthält, drücke besitzen. Während jedoch geschmolzene Die oberen, freien Enden 42 a, 43 a und 44 a dieser Metalle oder Metall-Legierungen auch bei längerem Spiralen münden in das Chargiergefäß 45, das für Betrieb weitgehend unverändert bleiben und daher den Fall der Verwendung von ungecanten Brennais Rohrfüllung über lange Betriebszeiten verwendet 35 Stoffkörpern gasdicht aufgebaut und mit einem Gaswerden können, bilden sich in organischen Flüssig- auslaß 46 versehen ist. Auch die unteren Enden der keiten unter dem Einfluß der Strahlung Polymerisate, Rohre 42 b, 43 b und 44 b sind gasdicht mit einem die laufend oder von Zeit zu Zeit unter Ersatz der unterhalb des Reaktorherzens befindlichen Decharverbrauchten Flüssigkeiten aus den Rohren entfernt gierbehälter 47 verbunden. Im Dechargierbehälter 47 werden müssen. 40 befindet sich die Rohrflüssigkeit 48, in die die Endenorganic liquids, such as diphenyls or such an embodiment of the reactor according to terphenyls, which neither compared to the fuel of the invention is shown schematically in Fig. 4 nor compared to the material of the spiral tube. 41 denotes a section from which has a corrosive effect and, like 30 melted reactor hearts, which contains several conical spirals 42, 43 and 44, which are not particularly metal at elevated temperature, with only slight steam drawn, have pressures. However, while melted The upper, free ends 42 a, 43 a and 44 a of these metals or metal alloys open into the charging vessel 45 even with longer spirals, which remain largely unchanged for operation and therefore the case of using uncanten Brennais tube filling for a long time Operating times used 35 bodies of matter built up gas-tight and with a gas can be formed in organic liquid outlet 46 is provided. Also the lower ends of the keiten under the influence of radiation polymers, tubes 42 b, 43 b and 44 b are gas-tight with a yaw container 47 that is continuously or from time to time removed from the tubes by replacing the Dechar consumed liquids located below the reactor heart. Must be in the de-charging container 47. 40 is the pipe fluid 48 into which the ends

Von der Kombination des Brennstoffes und der der Rohre eintauchen. Oberhalb des Flüssigkeits-Flüssigkeit für die Füllung der Rohre hängt es ab, ob spiegeis ist am Gefäß ein Gaseinlaß 49 angebracht, die Bewegung des Brennstoffes durch den Reaktor durch den Inertgas zum Eindrücken der Flüssigkeit von oben nach unten oder von unten nach oben er- in die Rohre eingeleitet werden kann. In der Nähe folgt. Wenn beispielsweise als Brennstoff metallisches 45 der Rohrenden 42 b, 43 b 44 b befinden sich innerhalb Uran und als Füllflüssigkeit Wasser verwendet wird, der Rohre Schieber 411, durch die die andeutungswerden sich die Brennstoffelemente in dem Rohr auf weise gezeichneten Brennstoffkörper 412 abgezogen Grund der Schwerkraft von oben nach unten bewe- werden können. Der verbrauchte Brennstoff sammelt gen, d. h., sie werden am unteren Ende dechargiert, sich dann in dem Dechargiergefäß 47.
während oben einchargiert wird. Besteht dagegen 50 Nach einer anderen Ausführungsform können das beispielsweise das Brennstoffelemente aus Uranoxyd Ausführen und Einführen der Brennstoffkörper auch und die Füllflüssigkeit aus einer geschmolzenen Blei- durch Schleusenanordnungen erfolgen. Diese Ausfüh-Wismut-Legierung, so schwimmt das Brennstoffele- rungsform ist in Abb.5 schematisch dargestellt. In ment in der Flüssigkeit, d. h., die Brennstoffelemente der Abbildung bedeutet 51 wiederum einen Auskönnen sich von unten nach oben durch den Reaktor 55 schnitt aus dem mit Wärmeaustauschflüssigkeit gebewegen und oben abgezogen und unten zuchargiert füllten Reaktorherzen, durch das die Rohre 52 und werden. 53 hindurchgeführt sind. In diesen Rohren befindenImmerse from the combination of the fuel and that of the pipes. Above the liquid-liquid for filling the tubes it depends on whether there is a gas inlet 49 attached to the vessel, the movement of the fuel through the reactor by the inert gas for pushing the liquid in from top to bottom or from bottom to top the pipes can be introduced. Nearby follows. If, for example, metal 45 of the pipe ends 42 b, 43 b 44 b are located inside uranium and water is used as the filling liquid, the pipes slide 411, through which the fuel elements in the pipe are indicated, are deducted due to gravity can be moved from top to bottom. The used fuel collects gene, that is, they are de-charred at the lower end, then in the de-charring vessel 47.
while charging takes place above. If, on the other hand, there is 50. According to another embodiment, for example, the fuel elements can be made from uranium oxide and the fuel bodies can also be introduced, and the filling liquid can also be made from a molten lead through sluice arrangements. This execution bismuth alloy, so the fuel cell floats, is shown schematically in Fig.5. In ment in the liquid, that is, the fuel elements in the figure, 51 again means an opening from the bottom up through the reactor 55, cut from the reactor heart, which is filled with heat exchange liquid and withdrawn at the top and charged at the bottom, through which the tubes 52 and are. 53 are passed through. Located in these pipes

Demgemäß erfolgt auch die Anordnung der Sam- sich die kugelförmigen Brennstoffkörper 54. Die melgefäße für die zu chargierenden und dechargierten Rohre sind mit Flüssigkeit 55 gefüllt und weisen am Brennstoffkörper an den entsprechenden Seiten des 60 oberen und unteren Ende jeweils zwei Schleusen-Reaktors. In einer allgemeinen Ausführungsform, bei ventile 56 auf. Außerdem befindet sich am oberen der die Brennstoffkörper von oben nach unten durch Austritt der Rohre noch jeweils ein Gasauslaß 57, der die Rohre bewegt werden, wird oberhalb des Reak- dazu dient, entweder die im Rohr aufsteigenden torherzens ein Chargierbehälter angebracht, in den die Spaltgase abzuziehen oder für den Fall, daß Fülloberen Enden der Rohre einmünden. Bei ungecantem 65 flüssigkeiten mit nennenswertem Dampfdruck benutzt Brennstoff muß dieser Chargierbehälter gasdicht aus- werden, in den Rohren Atmosphärendruck herzustelgeführt werden, um das Sammeln und Abziehen der len, bevor die Brennstoffelemente dechargiert wergasförmigen Spaltprodukte zu ermöglichen. den. In der Darstellung nach der Zeichnung nimmtThe arrangement of the spherical fuel bodies 54 also takes place accordingly jars for the tubes to be charged and de-charged are filled with liquid 55 and point at the Fuel body on the corresponding sides of the top and bottom 60 two lock reactor. In a general embodiment, at valves 56. Also located on the top which the fuel body from top to bottom through the exit of the tubes each have a gas outlet 57, the the pipes are moved, is used above the reac- either the ascending in the pipe Torherzens a charging container attached, in which the fission gases can be drawn off or in the event that filling overhead The ends of the pipes run into each other. Used for non-edged 65 liquids with significant vapor pressure The fuel must be made gas-tight in this charging container, and atmospheric pressure must be produced in the pipes be gaseous in order to collect and withdraw the oil before the fuel elements are de-charged To enable fission products. the. In the representation according to the drawing takes

der Schleusenraum jeweils zwei Brennstoffelementkugeln auf, die nach dem Öffnen der unteren Schleusenventile 56 in die Sammelgefäße 58 fallen und von da der Aufarbeitung zugeführt werden können. Sobald die Schleusen an den unteren Rohrenden nach außen entleert und aus der Rohrbeschickung wieder nachgefüllt sind, kann durch die Schleusen an den oberen Rohrenden eine gleiche Anzahl von Brennstoffkörpern zuchargiert werden.the lock chamber each have two fuel element balls, which after opening the lower lock valves 56 fall into the collecting vessels 58 and can be fed from there for processing. As soon the locks at the lower pipe ends are emptied to the outside and from the pipe feed again are refilled, an equal number of fuel bodies can through the locks at the upper ends of the pipe be charged.

Es wurde oben schon erwähnt, daß beim Erfindungsgegenstand die verschiedensten Brennstoffe verwendet und auch unterschiedliche Werkstoffe und Füllflüssigkeiten für die Rohre benutzt werden können. Daraus ergeben sich Möglichkeiten für den Aufbau der verschiedenartigsten gängigen Reaktortypen nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung. Eine Reihe von möglichen Kombinationen zwischen Brennstoff, Umhüllung des Brennstoffkörpers, Füllflüssigkeit und Werkstoff der Spirale unter Verwendung unterschiedlicher Wärmeaustauschmittel ist in der Tabelle zusammengestellt, wobei in der letzfen Spalte unter Bemerkungen der jeweils sich ergebende Reaktortyp eingesetzt ist. Die Tabelle zeigt die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten für den Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung.It has already been mentioned above that a wide variety of fuels are used in the subject matter of the invention and different materials and filling liquids can also be used for the pipes can. This results in possibilities for the construction of the most varied of common reactor types according to the principles of the present invention. A number of possible combinations between Fuel, cladding of the fuel body, filling liquid and material of the spiral using different heat exchange media is compiled in the table, with the last Column under remarks the respective resulting reactor type is used. The table shows the variety the possible uses for the article according to the present invention.

Als Beispiel für die Anwendung der vorliegenden Erfindung soll der Aufbau eines organisch moderierten Reaktors in seinen wichtigsten Teilen beschrieben werden. Im Reaktor sind, etwa entsprechend den A b b. 4 und 5, nach unten im Windungsdurchmesser abnehmende konische Spiralrohre aus Chromstahl angeordnet. Als Kühlmittel dient Terphenyl. Die Spiralrohre sind mit einer geschmolzenen Wismut-Blei-Legierung gefüllt, die aus dem unterhalb des Reaktorherzens angeordneten Dechargierbehälter durch Überdruck eines Inertgases auf Niveau gehalten wird. Die Brennstoffkugeln bestehen aus Uranmetall ohne Umhüllung (Can). Bei einer lichten Rohrweite von 10,5 mm können die Brennelemente einen Durchmesser von 10 mm aufweisen. Die Brennstoffelemente bewegen sich spiralenförmig von außen oben nach innen unten, so daß der Brennstoff gleichmäßig alle Zonen des zur Mitte des Reaktorherzens hin steigenden Neutronenflusses durchwandert, also gewissermaßen automatisch »umgesetzt« wird. Wie in A b b. 4 dargestellt, gestatten Schieber, die gegen Gas und Flüssigkeit nicht abdichten und die außerhalb des Dechargierbehälters betätigt werden, Kugel um Kugel aus der Schlange in den Behälter abzuziehen, während entsprechend von oben die gleiche Anzahl von Kugeln einchargiert wird.As an example of the application of the present invention, the structure of an organically moderated The main parts of the reactor are described. In the reactor are, approximately according to the A b b. 4 and 5, conical spiral tubes made of chrome steel with decreasing winding diameter arranged. Terphenyl is used as the coolant. The spiral tubes are made with a molten bismuth-lead alloy filled from the decarging container located below the heart of the reactor is kept at the level by overpressure of an inert gas. The fuel balls are made of uranium metal without coating (can). With a clear tube width of 10.5 mm, the fuel assemblies can have a Have a diameter of 10 mm. The fuel elements move from the outside in a spiral shape top to bottom, so that the fuel evenly all zones of the center of the reactor heart wandering through towards an increasing neutron flux, that is to say is automatically "converted", so to speak. As in A b b. 4, allow slide valves which do not seal against gas and liquid and which are outside of the de-charging container are actuated, ball by ball drawn from the snake into the container, while the same number of balls is charged accordingly from above.

Der' Reaktoraufbau gemäß der Erfindung dürfte sich auch für die Ausführung als Druckreaktor eignen, wenn man den Brennstoff in doppelwandigen Rohren oder Rohrspiralen führt, deren Mantelteil durch das Kühlmittel durchströmt wird. Insbesondere die leichte und einfache Chargierung und Dechargierung des Reaktors gemäß der Erfindung läßt ihn auch als Schiffsreaktor besonders brauchbar erscheinen. The 'reactor structure according to the invention should also be suitable for execution as a pressure reactor are suitable if you lead the fuel in double-walled pipes or pipe spirals, the shell part through which the coolant flows. In particular, the easy and simple charging and de-charging of the reactor according to the invention also makes it appear particularly useful as a ship reactor.

Brennstofffuel UmhüllungWrapping Wärmeüber
tragungs-
flüssigkeitHeat over
bearing
liquid Rohrschlangen
materialPipe coils
material KühlmittelCoolant BemerkungenRemarks U oder U-Legierung
oder UC oder UO₂ U or U alloy
or UC or UO ₂ C oder ohne CanC or without Can BiPbBiPb Legierung aus
Zr—Sn—Fe—
Cr-Ni
oder Al oder Al-
LegierungAlloy from
Zr — Sn — Fe—
Cr-Ni
or Al or Al-
alloy BiPbBiPb —- U-Legierung oder
UC oder UO₂ U alloy or
UC or UO ₂ Al oder Al-Legie
rung oder C
oder ohne CanAl or Al-Legie
tion or C
or without Can BiPbBiPb Edelstahl-Legierung
aus Zr—Sn—
Fe-Cr-Ni
oder Al oder Al-
LegierungStainless steel alloy
from Zr — Sn—
Fe-Cr-Ni
or Al or Al-
alloy H₂OH ₂ O Siedewasser oder
Druckwasser
reaktorBoiling water or
Pressurized water
reactor U-Legierung oder
UC oder UO₂ U alloy or
UC or UO ₂ Al oder Al-Legie
rung oder C
oder ohne CanAl or Al-Legie
tion or C
or without Can organischorganic Edelstahl-Legierung
aus Zr—Sn—
Fe-Cr-Ni
oder Al oder Al-
LegierungStainless steel alloy
from Zr — Sn—
Fe-Cr-Ni
or Al or Al-
alloy H₂OH ₂ O Siedewasser oder
Druckwasser
reaktorBoiling water or
Pressurized water
reactor U oder U-Legierung
oder UC oder UO₂ U or U alloy
or UC or UO ₂ Al oder Al-Legie
rung oder C
oder ohne CanAl or Al-Legie
tion or C
or without Can organischorganic Al oder Al-Legie
rungAl or Al-Legie
tion organischorganic organisch mode
rierter Reaktororganic fashion
rated reactor UU Stahl oder ohne
CanSteel or without
Can NaKNaK Stahlstole NaKNaK NaK-gekühlter
ReaktorNaK-cooled
reactor UU Stahl oder ohne
CanSteel or without
Can NaKNaK Stahlstole organischorganic organisch mode
rierter Reaktororganic fashion
rated reactor U oder UO₂ U or UO ₂ Legierung aus
Zr—Sn-Fe—
Cr-NiAlloy from
Zr — Sn — Fe—
Cr-Ni H₂OH ₂ O Legierung aus
Zr—Sn-Fe—
Cr-NiAlloy from
Zr — Sn — Fe—
Cr-Ni H₂OH ₂ O Siedewasser oder
Druckwasser
reaktorBoiling water or
Pressurized water
reactor UU ohne Canwithout Can BiPbBiPb Mg-LegierungMg alloy CO₂ CO ₂ gasgekühlter
Reaktorgas-cooled
reactor

Claims

Patent claims:

1. Nuclear reactor with shaped bodies, in particular spheres, guided through the core in tubes, of fuel and / or breeding material, which may also contain moderator material, thereby characterized in that these tubes continuously with a heat exchange between the fuel and the outside of the tubes are filled with a fluid that provides a coolant and reduces the friction, wherein the coolant circuit is independent of the heat exchange medium present in the tubes runs.

2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the heat exchange medium is a Has density which roughly corresponds to that of the fuel elements.

3. Reactor according to claims 1 and 2, characterized in that in the reactor space Pipes are arranged, which run from the outer parts to the center of the reactor space and are at least partially guided parallel to its central axis.

4. Reactor according to claim 3, characterized in that the tubes are arranged radially and as are inclined from the periphery to the axis of the reactor space.

5. Reactor according to claim 3, characterized in that the tubes in the form of one or several flat or conically coiled spirals are arranged in the reactor space, wherein the feed for the fuel bodies at the outer end and the discharge at the inner end each spiral is located.

6. Reactor according to claim 3, characterized in that the free ends of the tubes in collecting vessels open out and the lower collecting vessel with the liquid which also fills the tubes and partially with an inert gas under positive pressure to maintain the Liquid level in the pipe are filled.

7. Reactor according to claims 3 to 6, characterized in that the ends of the tubes are provided with liquid-permeable slides through which the fuel or incinerator bodies can be deducted.

8. Reactor according to claims 3 to 6, characterized in that the free ends of the Pipes are provided with locks and the lock space is dimensioned so that it each can accommodate at least one fuel or incombustible body.

9. Reactor according to claims 3 to 6, characterized in that the tubes as Shell material known materials, such as aluminum or aluminum alloys, magnesium alloys, Zirconium or zirconium alloy or steel.

10. Reactor according to claims 3 to 9, characterized in that the liquid filling for the pipes water, high-boiling organic liquids or molten metal alloys serve as sodium-potassium alloy or bismuth-lead alloy.

Considered publications:

German patent specifications No. 952 919, 957, 064,
950494;

German Auslegeschrift No. 1026451;

Belgian patent specification No. 561 637;

French Patent No. 1190 253;

British Patent Nos. 754 183, 697 601;

"Nuclear Science and Engineering", 5, pp. 227-236, 1959;

"E u M", 2, p. 28, 1958;

"Die Atomwirtschaft", September 1959, pp. 377 to 384;

“Mech. Engineering ", 80, No. 12, p. 80, December 1958.

Legacy Patents Considered:
German patents No. 1095 959, 1 095 414.

1 sheet of drawings