DE1222594B - Gasgekuehlter thermischer Hochtemperatur-Leistungsreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutschem.: 21g -21/20

Nummer: 1222 594

Aktenzeichen: G 36551VIH c/21 g

Anmeldetag: 4. Dezember 1962

Auslegetag: 11. August 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasgekühlten thermischen Hochtemperatur-Leistungsreaktor mit einem Druckgefäß, in dem sich ein mit senkrechten Durchlässen versehener Reaktorkern befindet, der auf einer waagerecht verlaufenden, im Abstand vom Boden des Druckgefäßes angeordneten Gitterplatte abgestützt ist, mit einem längs der Seite des Reaktorkerns angeordneten Reflektor aus neutronenmoderierendem Material, mit einer thermischen Abschirmung zwischen diesem Reflektor und der Seitenwand ίο des Druckbehälters, die im Abstand von der Seitenwand des Druckbehälters angeordnet ist, mit einem Deckenreflektor oberhalb des Brennstoff enthaltenden Teils des Reaktorkerns aus neutronenmoderierendem Material im Abstand vom oberen Teil des Druckbehälters, bestehend aus zwei senkrecht im Abstand übereinander angeordneten Teilen, die den freien Abstand zwischen dem Deckenreflektor und dem oberen Teil des Druckbehälters bestimmen, und mit einem Gaseinlaß, der in Kommunikation mit dem ao Raum unterhalb der Gitterplatte und dem Raum oberhalb des Deckenreflektors steht.

Reaktoren mit diesen Konstruktionsmerkmalen sind bekannt. In ihnen sind Vorkehrungen getroffen, die verhindern, daß das durch den Gaseinlaß eintretende Gas aus dem Raum zwischen der Seitenwand des Druckbehälters und der thermischen Abschirmung nach oben in den Raum oberhalb des Reaktorkerns übertreten kann. Das Gas fließt vom Boden des Reaktors senkrecht nach oben durch den Kern in den Raum oberhalb des Kerns und wird aus diesem Raum aus dem Reaktor heraus und dann im Umlauf in den Gaseinlaß zurückgeleitet.

Ferner ist ein Reaktor bekannt, der keinen aus zwei im Abstand voneinander liegenden Teilen gebildeten Deckenreflektor hat, die zwischen sich einen Gasauslaßraum begrenzen und zwischen denen ein Gasauslaß mündet, der in Kommunikation mit dem Gasauslaßraum steht. Bei diesem bekannten Reaktor ist vielmehr statt dessen eine Metallzwischenwand vorgesehen, die den Einlaß vom Auslaß trennt und einen Austrittsgasdurchlaß umschließt. Solche Zwischenwände sind, wie noch im folgenden erläutert werden wird, nachteilig.

Wirtschaftlichkeit ist ein Hauptfaktor bei der Erzeugung von Leistung mittels Kernreaktoren, die die bekannten Spaltprozesse als Energiequelle verwenden. Es ist wichtig, einen so hohen Wirkungsgrad wie nur möglich für die Wärmeabfuhr aus dem Reaktorkern unter gesteuerten Bedingungen zu erhalten. Gasgekühlte Kernreaktoren haben einen erhöhten thermischen Wirkungsgrad bezüglich der Wärmeabfuhr Gasgekühlter thermischer
Hochtemperatur-Leistungsreaktor

Anmelder:

General Dynamics Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Peter Fortescue,

Rancho Santa Fe, Calif. (V. St. Α.);

Francis Robert Bell, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. Dezember 1961
(156 917)

aus dem Reaktorkern, da gasförmige Kühlmittel nicht die Arbeitstemperatur des Reaktors begrenzen, wie dies bei flüssiggekühlten Reaktorsystemen der Fall ist. Bei den hohen Arbeitstemperaturen, unter denen gasgekühlte Kernreaktoren arbeiten können, ist der thermische Wirkungsgrad der Wärmeabfuhr vom Reaktorkern zum Kühlmittel beträchtlich erhöht. Dementsprechend sind die verschiedenen Arten gasgekühlter Kernreaktoren zur Erzeugung von Leistung und für andere Zwecke verwendet worden. Beispiele gasgekühlter Kernreaktoren sind in den USA.-Patentschriften 2 827 529, 2 831 807, 2 782 158, 2 714 577 beschrieben.

Bei gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren erwies es sich als möglich und zweckmäßig, die Metallummantelung der Brennstoffelemente wegzulassen und statt dessen Graphit oder ähnliches Moderatormaterial unterzubringen, wozu diesem Material eine niedrige Permeabilität gegenüber Spaltprodukten gegeben wurde. Durch Vermischen des Brennstoffes und Moderatormaterials miteinander ergab sich ferner eine Verbesserung der Neutronenausbeute, wobei aber andererseits auch ein Arbeiten bei hohen Tem-

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peraturen statthaft wurde, wie dies in gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktoren gewünscht ist. Durch das Weglassen der Metallummantelung der Brennstoffelemente ergaben sich jedoch Schwierigkeiten bei der Handhabung und Erfassung der Spaltprodukte. Es erwies sich als wünschenswert, in einem solchen Reaktor einfache, aber wirksame Mittel zu finden, die das Übertreten der Spaltprodukte in den primären Kühlkreis verhindern oder so gering wie möglich halten. Ferner erwies es sich als wünschenswert, wirksame Mittel zur Sammlung und Abführung der Spaltprodukte, die während des Reaktorbetriebes entstehen, zu finden.

In Anbetracht der sich steigernden Anwendungsmöglichkeiten, die Kernreaktoren rinden, erwies es sich ferner als wünschenswert, die Kernreaktoren so auszulegen, daß sie serienweise aufgelegt werden können, also aus ähnlichen Bauteilen zusammengefügt werden können, jedoch mit unterschiedlicher Größe und Ausgangsleistung. Es erwies sich als unzweckmäßig, hierzu allein die Größe der Brennstoffelemente für die Reaktorkerne zu vergrößern oder zu verkleinern. Hiergegen sprechen Erwägungen über die Leistungsdichte in den Brennstoffelementen. Statt dessen erhöhte oder erniedrigte man die Anzahl der Brennstoffelemente. Bei der Konstruktion eines 80 Megawatt gasgekühlten Hochtemperatur-Leistungsreaktors beispielsweise ist es möglich, Brennstoffelemente etwa der gleichen Größe zu verwenden wie in einem kleineren 40-Megawatt-Reaktor des gleichen Typs. Der 80-Megawatt-Reaktor wird jedoch mit einer größeren Anzahl von Brennstoffelementen ausgerüstet. Bei der Konstruktion eines 20-Megawatt-Reaktors können wiederum Brennstoffelemente etwa der gleichen Größe verwendet werden wie in einem' 40-Megawatt-Reaktor gleichen Typs, jedoch in geringerer Anzahl. Man erhält dadurch auch eine verbesserte Neutronenwirtschaftlichkeit, d. h. Neutronenausbeute, im Reaktorkern.

Welche Größe der Reaktor auch immer hat, stets ist es wichtig, die Mittel zu vereinfachen, mit denen die Brennstoffelemente und die Steuerstäbe in den Kern eingesetzt und aus ihm herausgenommen werden und mit denen die Brennstoffelemente im Reaktorkern gehaltert werden.

Ferner ist es wünschenswert, den Reaktor so auszulegen, daß das Ergänzen oder Austauschen des Brennstoffs im Reaktorkern wenigstens halbkontinuierlich erfolgen kann, um die Ausfallzeit des Reaktors zu verringern. Die Reaktorkernanordnung soll selbstverständlich strukturell stabil sein und einen langen Arbeitsbetrieb zulassen, obwohl die Brennstoffelemente oder sonstige Komponenten während des Betriebes an Volumen zunehmen. Dies tritt insbesondere ein, wenn Graphit zum Aufbau des Reaktorherzens verwendet wird. In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, die Spannungen und Drücke auf die im Kern befindlichen Komponenten so gering wie möglich zu halten, etwa indem die Bauteile des Kerns in hydrodynamisches Gleichgewicht gebracht werden. Auch die Spannungen und Schübe, die von den Brennstoffkomponenten herrühren oder auf sie ausgeübt werden, während sie eingefahren oder ausgefahren werden, sollen so gering wie möglich gehalten werden.

Die Erfindung schafft eine Kernanordnung für einen gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktor, die sich durch besondere Stabilität und Dauerhaftigkeit der Bauelemente des Kerns auszeichnet und die Ausdehnung der Bauteile im Kern zuläßt. Die Erfindung schafft ferner einen Reaktorkern, der in den verschiedensten Typen von Leistungsreaktoren verwendet werden kann und der ein halbkontinuierliches Nachfüllen des Brennstoffes während des Reaktorbetriebes gestattet. Die Erfindung schafft ferner Brennstoffkomponenten für einen gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktor, die zum erhöhten Betriebswirkungsgrad des Reaktors beitragen, leicht in den Reaktorkern einführbar und herausnehmbar und dabei nur minimalen Spannungen oder Drücken ausgesetzt sind. Ferner schafft die Erfindung eine kompakte Reaktorkernanordnung für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren, die in besonders vorteilhafter Weise Spaltprodukte aufnimmt, und abführt.

Der die Erfüllung dieser Forderungen prinzipiell ermöglichende Leistungsreaktor eingangs genannter Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,

ao daß die im Abstand voneinander liegenden Teile des

• Deckenreflektors einen Gasaustrittsraum begrenzen und daß ein in Kommunikation mit dem Gasaustrittsraum stehender Auslaß aus dem Gasaustrittsraum zwischen den Teilen des Deckenreflektors vorgesehen ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Figuren.
Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine Kernreaktor-Kernanordnung nach der Erfindung;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 in i

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines typischen Brennstoffelementbündels in dem Reaktorkern nach Fig.l;

F i g. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab einen vertikalen Schnitt durch einen Teil des Brennstoffelementbündels nach F i g. 3;

F i g. 5 zeigt eine Aufsicht auf den oberen Block des Brennstoffelementbündels nach Fig. 3;

F i g. 6 zeigt eine Aufsicht auf das untere Auflagegitter des Brennstoffelementbündels nach Fig. 3;

Fig. 7 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Kernreaktor-Kernanordnung nach der Erfindung;

F i g. 8 zeigt einen Schnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7;

F i g. 9 zeigt eine Seitenansicht eines Brennstoffelementbündels in dem Reaktorkern nach Fig. 7;
Fig. 10 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Teil des Brennstoffelementbündels nach Fig. 9;

F i g. 11 zeigt eine Aufsicht auf den oberen Block des Brennstoffelementbündels nach Fig. 9;

Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch das untere Auflagegitter des Brennstoffelementbündels längs der Schnittlinie 12-12 in Fig. 10.

Die Erfindung befaßt sich, wie schon erläutert, mit

dem Aufbau eines gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktors. Insbesondere gehört hierzu eine besondere Reaktorkernanordnung mit besonderen Brennstoffelementen.

Die Reaktorkernanordnung ist kompakt und kann bei hohen Temperaturen in gasgekühlten Kernreaktoren verschiedenster Ausgangsleistung betrieben werden. Es kann eine große Leistung pro Volumeinheit des Gesamtreaktors einschließlich des Behälters, in dem er sich befindet, erzielt werden. Die Reaktorkemanordnung ist so konstruiert, daß ein

gasförmiges Kühlmittel durch einen Bodeneinlaß in das Reaktorgefäß einfließt und dann nach oben um die Brennstoffelemente herum und aus dem Reaktorgefäß unterhalb des oberen Teils eines Deckenreflektors des Reaktorkerns austritt. Dieser Reflektor liegt etwa im Mittelbereich des Reaktorgefäßes. Ein Teil des Kühlmittels fließt vom Einlaß zwischen thermischen Abschirmungen hindurch in den Raum des Reaktorgefäßes oberhalb des Deckenreflektors. Dieser Raum wird dadurch auf einer Temperatur gehalten, die etwa gleich der des Kühlmittels beim Einlaß ist, also nicht auf der Temperatur des erhitzten Kühlmittels im Auslaß. Dadurch wird die Verwendung von oben aus arbeitender Steuerstabantriebe in dem Reaktorgefäß möglich, die oberhalb des Deckenreflektors anzuordnen sind. Die Steuerstäbe können durch die heiße Seite des Reaktorkerns durch geeignete Abschirmungen eintreten. Auch dadurch wird ihre Konstruktion vereinfacht. Ferner entfällt die Notwendigkeit, eine innere obere Metallwandung vorzusehen, die den Einlaß vom Auslaß trennt. In dem angegebenen Raum können ferner Vorrichtungen zur Handhabung der Brennstoffelemente untergebracht werden und auch Spaltproduktfallen mit Aufhaltebetten, die die Spaltprodukte aufnehmen. Auch eine leichte und sichere Entfernung der Brennstoffelemente aus dem Reaktorkern, eine Aufbewahrung der Brennstoffelemente innerhalb des Reaktorgefäßes und eine leichte und sichere Einführung der Brennstoffelemente in den Reaktorkern wird hierdurch möglich. Die Brennstoffelemente sind in Ausbildung der Erfindung in Bündeln angeordnet, so daß ihre Handhabung beim halbkontinuierlichen Nachführen während des Reaktorbetriebes erleichtert wird.

Der untere Teil des Deckenreflektors ist derart angeordnet, daß er lose auf den Brennstoffelementen in den Brennstoffelementbündeln sitzen kann und eine Expansion der einzelnen Brennstoffelementbündel gestattet. Ein hydrodynamisches Gleichgewicht kann in dem Reaktorkern dadurch erzielt werden, daß man den Kühlmitteleinlaßdruck sowohl oben wie unten im Reaktorkern einstellt.

In F i g. 1 ist eine bevorzugte Reaktorkernanordnung 11 nach der Erfindung dargestellt. Diese Reaktorkernanordnung 11 ist beispielsweise für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren mit hoher Leistung (80 eMW) geeignet. Die Reaktorkernanordnung 11 liegt in einem stählernen Druckgefäß 13, das in einer geeigneten, nicht dargestellten Ummauerung, beispielsweise aus Beton u. dgl., untergebracht ist und ha Kommunikation mit einer Quelle für ein gasförmiges Kühlmittel (nicht dargestellt), wie etwa Helium, steht und ebenfalls mit einem Dampfgenerator oder anderen geeigneten Mitteln (nicht dargestellt), die das erhitzte, ausgestoßene Kühlmittel zur Leistungserzeugung und Leistungsumwandlung verwerten. Die Kommunikation erfolgt durch zwei Kühlmittelleitungen, d. h. durch eine kalte Kühlmitteleinlaßleitung 15 nächst dem Boden des Druckgefäßes und eine heiße Kühlmittelauslaßleitung 17 im Mittelbereich des Druckgefäßes.

Der untere Teil des Druckgefäßes 11 ist mit einer perforierten, horizontalen Gitterplatte 19 aus Stahl od. dgl. versehen, die längs ihres Umfanges mit der innersten von mehreren thermischen Abschirmungen 21 verbunden ist, die im Abstand von der Seitenwand 23 des Druckgefäßes angeordnet sind. Die thermischen Abschirmungen 21 haben auch untereinander Abstände und erstrecken sich zwischen der Gitterplatte und dem Deckel des Reaktorkerns. Die thermischen Abschirmungen 21 sind mit ihren unteren Enden an dem Druckgefäß befestigt. Ein Seitenreflektor 25 aus Moderatormaterial, wie etwa Graphit od. dgl., liegt um den Reaktorkern 26 herum innerhalb der thermischen Abschirmungen und ruht auf der Gitterplatte 19, wie aus F i g. 1 ersichtlich.

ίο Der Reaktorkern 26 ist ferner mit einem Deckenreflektor 29 und einem Bodenreflektor 31 versehen, die später noch näher beschrieben werden. Der Reaktorkern hat hexagonale Form, wie aus F i g. 2 ersichtlich, und steht auf der Gitterplatte. Er enthält mehrere Brennstoffelementbündel 33, wie sie in F i g. 3 dargestellt skid. Jedes Bündel steht einzeln vertikal auf der Gitterplatte und wird dabei von einem einstückig mit ihm verbundenen Metallgefäß 35 abgestützt, in dem sich eine Spaltproduktfalle befindet. Das Gefäß 35 wird durch ein metallisches Führungsrohr 37 senkrecht gehalten. Das Rohr 37 ist auf der oberen Begrenzungsfläche der Gitterplatte befestigt, wie aus F i g. 4 ersichtlich.

Jedes Brennstoffelementbündel 33 hat einen unteren Moderatorabschnitt aus Graphit oder anderem Moderatormaterial, wie etwa Berylliumerde usw. Diese Abschnitte der Bündel bilden zusammen den Bodenreflektor 31 des Reaktorkerns. Das obere Ende eines jeden Brennstoffelementbündels besteht ebenfalls aus Moderatormaterial, wie etwa Graphit. Die Brennstoffelementbündel bilden also zusammen den unteren Abschnitt 47 des Deckenreflektors 29 des Reaktorkerns.

Eine Strebe 39 aus Graphit oder anderem Moderatormaterial befindet sich in jedem Brennstoffelementbündel. Das obere Ende dieser Strebe 39 erstreckt sich dabei über das obere Ende des Hauptkörpers 41 des Bündels. Jede dieser Abstützstreben 39 greift an zwei benachbarte, hexagonal geformte Reflektorblöcke 43 aus Moderatormaterial, vorzugsweise Graphit, an. Die Reflektorblöcke 43 bilden zusammen den oberen Abschnitt 45 des Deckenreflektors 29. Die Streben halten die Reflektorblöcke in gewünschtem Abstand vom unteren Abschnitt 47 des Deckenreflektors, wie aus F i g. 1 ersichtlich. Hexagonale Metallplatten 51 befinden sich auf der oberen Begrenzungsfläche der Reflektorblöcke 43. Sie bewirken eine gewünschte Abdichtung und sind mit den Blöcken etwa durch Bolzen 53 od. dgl. verbunden.

Es entsteht also ein Raum49 (s. Fig. 1) zwischen dem oberen Abschnitt 45 des Deckenreflektors 29 und dem unteren Abschnitt 47 des Deckenreflektors, durch den heißes, auszustoßendes Kühlmittel radial auswärts von den Brennstoffelementbündeln zur Auslaßleitung 17 zirkuliert. Die beschriebene Anordnung schafft einen Raum 55 oberhalb der Platten 51, der auf oder unterhalb der Temperatur des Kühlgases in der Einlaßleitung 15 zu halten ist, da das Kühlmittel von der Einlaßleitung nach oben zwisehen die thermischen Abschirmungen 21 und in den Raum 55 zirkuliert und da der Raum 55 von dem heißen, auszustoßenden Kühlmittel durch den oberen Abschnitt 45 des Deckenreflektors thermisch abgeschirmt ist, wie aus F i g. 1 ersichtlich.

Es ist zweckmäßig, in dem Raum 55 oberhalb der Metallplatten im Druckgefäß 13, wie aus Fig. 1 er sichtlich, mehrere Spaltproduktfallen 57 vorzusehen von denen jede Metallbehälter 59 aufweist, die akti

vierte Tier- oder Holzkohle oder dergleichen Einfangmittel enthalten (nicht dargestellt). Die Fallen 57 haben alle etwa die gleiche Größe und Form wie die Brennstoffelementbündel 33, um ihre Handhabung durch geeignete Handhabungsmittel zu erleichtern, etwa durch den Brennstoffhandhabungsmechanismus 61, der in Fig. 1 dargestellt ist. Der Brennstoffhandhabungsmechanismus kann im gleichen Raum 55 untergebracht werden und die Brennstoffelementbündel in den Reaktorkern einsetzen und aus ihm herausziehen. Ferner kann er die verbrauchten Brennstoffelementbündel ummanteln und speichern, die aus dem Reaktorkern herausgenommen wurden. Ein ummanteltes Bündel 63 ist in Fig. 1 dargestellt.

Der obere Abschnitt des Druckgefäßes 13 ist mit Steuerstabantrieben 67 und anderen Hilfseinrichtungen ausgerüstet, die in Kernreaktoren üblich sind. Mehrere Steuerstäbe 69 befinden sich in der Reaktorkernanordnung und können nach unten durch den oberen Abschnitt 45 des Deckenreflektorblocks hindurchragen. Die Steuerstäbe 69 sind von dem heißen, auszustoßenden Kühlmittel abgeschirmt, da sie nach unten durch geeignete, zentral liegende Längshohlräume 71 in den Moderatorabstiitzstreben gewisser Brennstoffelementbündel 33 hindurchzuführen sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich.

Der Reaktorkern wird in hydrodynamischem Gleichgewicht gehalten, da das Kühlmittel unter Einlaßdruck sowohl im Raum 55 oberhalb des Deckenreflektors als auch unterhalb der Gitterplatte steht.

Fig. 3 zeigt ein typisches Brennstoffelementbündel 33 für den Reaktorkern29 nach Fig. 1. Das Brennstoffelementbündel 33 weist mehrere, etwa 18, der in Fig. 3 dargestellten Brennstoff enthaltenden Elemente 75 auf, die ringförmig um ein zentrales Element 77 angeordnet sind, das aus einem Moderatorstab, vorzugsweise Graphit, besteht oder diesen enthält. Das obere Ende des Stabes bildet die erörterte Abstützstrebe 39 für den oberen Abschnitt des Deckenreflektors.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist jedes Brennstoffelement 75 des Bündels einen langgestreckten, zylindrischen Behälter 79 auf, der im wesentlichen aus Moderatormaterial, wie etwa Graphit, Berylliumerde, usw. hergestellt ist. Dieses Material wurde so behandelt, daß es eine niedrige Permeabilität gegenüber dem Durchtritt von Spaltprodukten hat, beispielsweise eine Heliumpermeabilität zwischen etwa 5 · 10-* cmS/Sek. und etwa 1 · 10~5 cm^/Sek. bei Zimmertemperatur.

Die Verminderung der Permeabilität von Graphit kann durch Beschichtung, Imprägnierung, Heißtauchen, Vakuumbedampfung, Besprühen, Brennen und andere bekannte Verfahrensmaßnahmen erreicht werden. In dem Behälter 79 sind verschiebbar mehrere, vertikal übereinander gestapelte, ringförmige Brermstoffkompaktkörper 81 angeordnet. Diese liegen verschiebbar um einen zentralen Dorn 83 aus Moderatormaterial niedriger Permeabilität, wie etwa niederpermeabler Graphit, Berylliumkarbid od. dgl.

Der zylindrische Behälter 79 kann mit einem oder mehreren Abstandskissen 86 versehen sein, wie in F i g. 3 dargestellt. Der Behälter 79 weist eine zylindrische Buchse 85 aus niederpermeablem Moderatormaterial, wie etwa niederpermeablem Graphit der beschriebenen Art auf. Am oberen Ende dieser Buchse ist ein poröser Graphitblock oder sonst ein poröser Moderatorreflektorblock 87 angeschraubt oder angeschweißt, der einen zentralen Durchlaß 89 hat, welcher sich nach unten zum Boden des Blocks erstreckt, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Der Block 87 kann beispielsweise aus normalem Graphit bestehen, der gegenüber Helium wesentlich permeabel ist. In den Durchlaß 89 kann ein lose passender Stopfen 91 eingefügt sein, der etwa durch einen Stift 93 an Ort und Stelle gehalten wird, so daß ein

ίο Ringraum 95 zwischen Stopfen und Block 87 entsteht. Das untere Ende der Buchse 85 ist, etwa durch Schweißen od. dgl., mit einem sich verjüngenden Metallkupplungsstück 97 verbunden, das beispielsweise aus nichtrostendem Stahl besteht und einen zentralen Hohlraum 99 aufweist. Das untere Ende 101 des Kupplungsstücks weist mehrere Durchlässe 103 auf, die sich vom Hohlraum 99 nach außen erstrecken. Durch diese Durchlässe kann das Kühlmittelgas, das Spaltprodukte enthält, fließen, wie später noch näher beschrieben wird.

Jeder Brermstoffkompaktkörper 81 besteht aus einer Mischung aus Kernbrennstoff und Moderatormaterial. Der Brennstoff kann spaltbare Materialien enthalten oder eine Mischung von Brutmaterial und Spaltmaterial. Beispielsweise kann Uran 235 oder Plutonium als Spaltmaterial verwendet werden und Uran 238 oder Thorium 232 als Brutmaterial. Die relativen Anteile der Brennstoffbestandteile und die Gesamtmenge dieser Bestandteile innerhalb eines jeden Brennstoffkompaktkörpers und innerhalb des Reaktorkerns hängen im wesentlichen von den .Forderungen ab, die man an den Reaktor stellt. In jedem Kompaktkörper kann die Brennstoffkonzentration auf beispielsweise 30°/» des Gesamtgewichtes des Brennstoffkompaktkörpers gebracht werden. Das Moderatormaterial bildet den Rest. Als Moderatormaterial kann Graphit, Berylliumerde u. dgl. verwendet werden, Graphit ist jedoch bevorzugt.

Jeder Brennstoffkompaktkörper hat die Form eines Ringes, vorzugsweise ist der Ring geschlitzt, so daß zwischen seinen Hälften ein Spalt einer Breite von etwa 0,8 bis 3,2 mm bleibt, der ein Zerbrechen der Behälterbuchse 85 verhütet, welche die Brermstoffkompaktkörper umschließt, wenn sich diese Buchse relativ zu den Kompaktkörpern zusammenzieht.

In den Kompaktkörpern liegt das Brut- und das Spaltmaterial vorzugsweise in Karbidform von Partikeln bestimmter Größe vor. Die Partikeln haben in der Regel eine Größe von etwa 200 bis 400 Mikron, vorzugsweise zwischen etwa 200 und 300 Mikron. Jedes Brennstoffpartikel ist vorzugsweise mit einem Moderatormaterial, wie etwa pyrolytischem Kohlenstoff, in geeigneter Weise überzogen. Die Überzugsdicke beträgt vorzugsweise zwischen etwa 50 und 75 Mikron. Der Überzug kann durch Aufsprühen, Aufstreichen, Eintauchen u. dgl. aufgebracht sein. Es können auch zusätzliche Schritte vorgenommen werden, um die feste Haftung der Überzüge an den Brennstoffpartikeln sicherzustellen. Die Überzüge bewirken eine Verminderung der Auswanderungsrate der Spaltprodukte aus dem Brennstoff. Die Mikrongröße der Brennstoffpartikeln ist derart eingestellt, daß eine hinreichende Menge Moderatormaterial, wenn es mit dem Brennstoff vermischt ist, zwischen den Brennstoffpartikeln liegt, um Strahlungsschäden des Moderatormaterials durch abprallende Spaltprodukte zu verhüten.

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Die Brennstoffkompaktkörper können in irgend- fen 91 und dem Block 87 und dann nach unten in

einer geeigneten Weise geformt sein, etwa durch den Querdurchlaß 117. Das Reinigungsgas fließt Kaltpressen, nachgefolgt von Warmpressen und dann um die Kappe 115 herum und nach unten

Sintern. Andere geeignete Methoden zur Formung durch die vertikalen Durchlässe 108 und in die

der Brennstoffkompaktkörper 81 können ebenfalls 5 Querdurchlässe 105. Wenn der Reinigungsstrom über

benutzt werden. Es kann hierbei ein Warmpressen die Oberfläche der Kompaktkörper fließt, nimmt er

ohne vorangehendes Kaltpressen ausgeführt werden, Spaltprodukte mit sich, die aus den Kompaktkörpern

jedoch mit einer nachfolgenden Wärmestabilisie- ausgewandert sind. Diese Spaltprodukte werden in

rungsbehandlung. die vertikalen Durchlässe 108 zu dem Querdurchlaß

Alle Brennstoffkompaktkörper sind vorzugsweise io 112 des Reflektorblocks getragen, dann zum zentra-

längs ihren oberen und unteren Kanten abgeschrägt, len Durchlaß 114 und in den Hohlraum 99 des

beispielsweise mit einer Schrägung von 10°. Wenn Kupplungsstückes. Dann fließen sie von dem Brenn-

diese Kompaktkörper auf dem zentralen Dorn aus Stoffelement durch die Durchlässe 103 im Kupp-

Moderatormaterial übereinandergestapelt werden, lungsstück, wie oben beschrieben,

bilden die benachbarten abgeschrägten Bereiche an- 15 Der Reinigungsgasstrom, der die Spaltprodukte

einanderliegender Kompaktkörper einen horizonta- enthält, fließt dann in Verbindungsdurchlässe 119 in

len, ringförmigen Kanal oder Durchlaß 105, durch einem metallischen Bodengitter 121 für die Brenn-

den Reinigungsgas in innigem Kontakt mit den Korn- Stoffelemente, wie in F i g. 4 dargestellt. Das Gitter

paktkörpern zirkulieren kann. trägt die Brennstoffelemente, die auf ihm vertikal

Die Brennstoffkompaktkörper sind vorzugsweise 20 bündelweise stehen. Das metallische Kupplungsstück mit mehreren, in Längsrichtung verlaufenden Aus- eines jeden Brennstoffelementes sitzt innerhalb eines nehmungen 106 längs ihres Umfanges versehen. Die passenden Hohlraumes 123 im Gitter 121. Wie aus Ausnehmungen liegen in den gestapelten Kompakt- F i g. 4 ersichtlich, verlaufen die Durchlässe 119 zwikörpern in Passung und bilden vertikale Durchlässe sehen benachbarten Brennstoffelementen in dem 108 zwischen der Buchse 85 und den Kompaktkör- 25 Bündel und führen zum zentralen Graphitelement 77. pern 81, durch die Spaltprodukte vom oberen Ende Das Gitter 121 ist ferner mit mehreren Löchern 125 des Brennstoffelementes nach unten zum unteren versehen, die das Aufwärtsfließen des Kühlmittel-Ende des Brennstoffelementes 75 gelangen können. gases um die einzelnen Brennstoffelemente herum in. Wenn gewünscht, können jedoch auch die Kompakt- dem Bündel gestatten.

körper lose innerhalb der Buchse 85 angeordnet wer- 30 Das Reinigungsgas, das die Spaltprodukte enthält,

den, so daß ein (nicht dargestellter) Ringraum zwi- fließt in ein unteres metallisches Kupplungsstück 126

sehen den Kompaktkörpern 81 und der Buchse 85 des zentralen Elementes 77, wie aus F i g. 4 ersicht-

entsteht, der im wesentlichen den gleichen Zweck hat lieh, aus Durchlässen 119, durch geeignete, in Pas-

wie die vertikalen Ausnehmungen und die abge- sung liegende Durchlässe 127 in dem Kupplungs-

schrägten Bereiche der vordem beschriebenen Korn- 35 stück. Das Kupplungsstück ist an dem unteren Gitter

paktkörper. Auch in diesem Fall ist also eine Zir- befestigt und erstreckt sich nach unten durch das

kulation des Reinigungsgases über die Oberfläche der Spaltproduktfallengefäß 35, an dem es ebenfalls be-

Kompaktkörper möglich. festigt ist. Das untere Ende des Kupplungsstückes

Der Stapel der Brennstoffkompaktkörper und der sitzt auf einer Düse 131, die sich nach oben durch zentrale Dorn bilden den zentralen aktiven Teil 107 40 eine Öffnung in der Gitterplatte 19 erstreckt, wie in eines jeden Brennstoffelementes 75. Unterhalb des F i g. 4 gezeigt. Ein zentraler Durchlaß 135 erstreckt aktiven Teils 107 befindet sich ein unterer Reflektor- sich nach unten durch das Kupplungsstück 126 zu abschnitt 109, der den aktiven Teil 107 abstützt. Die- dessen unterem Ende und steht in Passung mit einem ser Reflektorabschnitt 109 besteht aus einem oder ähnlichen Durchlaß 137 in der Düse 131. Der zenmehreren vertikalen, übereinandergestapelten Mode- 45 trale Durchlaß 135 des Kupplungsstückes steht in ratorblöcken 111, die vorzugsweise einen Querdurch- Kommunikation mit Durchlässen 127 in dem Kupplaß 112 nächst dem oberen Ende des obersten Blocks lungsstück, so daß Reinigungsgas, das Spaltprodukte frei lassen. Dieser Durchlaß 112 steht in Kommuni- enthält, zum Gefäß 35 der Spaltproduktfalle geleitet kation mit den Durchlässen 108 und mit einem zen- wird. Das Gas tritt in das Gefäß 35 vom zentralen tralen Durchlaß 114, der sich unten durch die Blöcke 50 Durchlaß 135 aus durch Queröffnungen 139, die in 111 zum Hohlraum 99 im Kupplungsstück 97 er- der Wand des Kupplungsstückes vorgesehen sind, streckt. Die untere Kante des Bodenreflektorblocks ein. Das Gas tritt ferner wieder in den zentralen 111 ruht in einem gekrümmten Abschnitt oder Aus- Durchlaß vom Gefäß der Spaltproduktfalle in der nehmung 113 des metallischen Kupplungsstückes 95, gleichen Weise ein und wird zum Düsendurchlaß 137 wie in F i g. 4 dargestellt. 55 geleitet, um von dort zu einem oder mehreren Spalt-

Eine Kappe 115 ruht auf dem oberen Ende des produktauffangbetten 57 geleitet zu werden, die im

Stapels der Kompaktkörper 81. Sie besteht aus nie- Raum 55 oberhalb des Reflektors 29 angeordnet

derpermeablem Moderatormaterial, wie etwa nieder- sind. Hierzu sind passende Leitungen od. dgl. (nicht

permeablem Graphit od. dgl. Die Kappe weist ver- dargestellt) vorgesehen.

tikale Ausnehmungen 116 auf, die mit den Ausneh- 60 Das Spaltproduktfallengefäß 35 besteht aus Metall,

mungen 106 der Kompaktkörper in Passung stehen. wie nichtrostendem Stahl, und ist hohl. Es ist mit

Die Kappe liegt im Abstand unterhalb des unteren einem geeigneten Spaltproduktfallenmittel, beispiels-

Endes des Reflektorblocks 87, wie aus Fig. 4 er- weise mit einem oder mehreren elektropositiven und/

sichtlich, so daß ein Querdurchlaß 117 zwischen dem oder elektronegativen Agens gefüllt, etwa mit Kupfer

Block 87 und der Kappe 115 frei bleibt. 65 oder Silber, die vorzugsweise auf einem absorbieren-

Bei dieser Anordnung fließt ein Reinigungsstrom den Träger liegen, wie etwa auf aktivierter Tier- oder

von Kühlmittelgas durch den porösen Reflektorblock Holzkohle. Das Fallengefäß steht verschiebbar in

87 in den zentralen Durchlaß 89 zwischen dem Stop- vertikaler Lage auf der Gitterplatte, wie vordem er-

örtert. Hierzu dient das Trägerrohr oder Buchse 37, die ebenfalls aus nichtrostendem Stahl od. dgl. hergestellt sein kann. Die Buchse ist an der Gitterplatte angeschweißt oder in anderer Weise befestigt. Die Spaltproduktfalle liegt oberhalb der Öffnung 133 in der Gitterplatte.

Das obere Ende des Spaltproduktfallengefäßes 35 weist einen sich nach oben verjüngenden Abschnitt 140 auf, auf dem das Abstützgitter 121 liegt, wie F i g. 4 zeigt.

Das zentrale Element 77 eines jeden Bündels 33 enthält keinen Brennstoff, sondern wird als Mittel benutzt, um den oberen Abschnitt 45 des Deckenreflektors 29 im Abstand vom unteren Abschnitt 47 des Deckenreflektors zu halten. Das zentrale Element fördert ferner Spaltprodukte von den Brennstoffelementen der Bündel zu der beschriebenen Spaltproduktenfalle, wie oben beschrieben, und zu der Gitterplattendüse 131. Das zentrale Element ist ferner so konstruiert, daß mit ihm die Bündel leicht in den Reaktorkern eingesetzt und aus ihm herausgenommen werden können, ohne daß dabei die Brennstoffelemente Spannungen oder Schüben ausgesetzt werden.

Das zentrale Element besteht entweder aus einem kompakten Stab 77 aus Graphit, oder — wenn ein Steuerstab in dem Bündel vorliegt — aus einem hohlen Stab aus Graphit, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, der den zentralen Hohlraum 71 umschließt, in den der Steuerstab 69 nach Wegnehmen des Graphitstabs 77 eingesetzt werden kann. Eine metallische Hebestange 142, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist, kann in das Abstützgitter 121 eingesetzt und lösbar mit diesem durch das Kupplungsstück 126 verbunden werden. Hierzu sind geeignete Mittel 143 vorgesehen, wie etwa eine ineinandergreifende Kugelausnehmungsanordnung, wie schematisch in F i g. 4 dargestellt. Das Kupplungsstück 126 ist in diesem Fall mit Ausnehmungen 145 versehen und die Hebestange 142 mit einer in die Ausnehmungen einzuführenden Kugel 146, so daß das Bündel als Ganzes zum Reaktorkern und von ihm wegbewegt werden kann. Die metallische Hubstange gewährleistet, daß auf die graphitischen Brennstoffelemente bei Bewegung des Bündels kein Zug ausgeübt wird. Nur das metallische Abstützgitter und der Stab sind Zug oder Spannung unterworfen. Die metallische Hubstange 142 wird, wenn sie nicht benutzt wird, herausgenommen und durch einen kompakten Graphitstab, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, oder einen hohlen Graphitstab, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, ersetzt.

Der obere Abschnitt des zentralen Elementes verläuft nach oben durch einen Moderatorblock 147, vorzugsweise aus Graphit. Je ein solcher Block liegt oberseitig eines Brennstoffelementbündels. Die Blöcke 147 passen mit ihren Umfangen ineinander und bilden den unteren Abschnitt 47 des Deckenreflektorblocks 29 des Kerns. Jeder Block 147, wie er in F i g. 4 dargestellt ist, nimmt wie das Abstützgitter 121 an der Abstützung des Brennstoffelementbündeis in vertikaler Lage im Reaktorkern teil und hilft dabei, die einzelnen Brennstoffelemente und das zentrale Element innerhalb eines jeden Bündels in Flucht zu bringen. Jeder Block 147 ist im wesentlichen hexagonal geformt und mit mehreren Hohlräumen 149 versehen. Jeder dieser Hohlräume nimmt einen verjüngten Kopfteil 151 eines Brennstoffelementes in dem Bündel auf. Ferner ist jeder Block mit mehreren Löchern 153 versehen, die den Durchtritt von Kühlmittelgas nach oben in den Raum 49 zwischen dem oberen und unteren Abschnitt des Deckenreflektors zulassen, wie dies aus den F i g. 4 und 5 ersichtlich ist. Der verjüngte Kopf abschnitt 151 nimmt lose einen Haltestift 157 auf, der nach unten von der oberen Begrenzungsfläche des Blocks 147 in den Kopf hineinragt, wie F i g. 4 zeigt. Obwohl die Stifte bei der Einstellung des Blocks 147 in bezug zu den Brennstoffelementen helfen, so gestatten sie doch, daß das Volumen der Brennstoffelemente zunimmt und sich nach oben zum Block 147, der auf ihnen sitzt, ausdehnt. Dadurch wird die Gefahr, daß die Brennstoffelemente zerbrechen, verringert.

Der obere Abschnitt 39 des zentralen Elementes 77 ist mit einem Ringansatz 159 versehen, der in passenden Hohlräumen 161 zwischen aneinanderstoßenden Deckenreflektorblöcken 43 sitzt. Die Blöcke 43 bestehen aus Moderatormaterial, wie Graphit, und bilden zusammen den oberen Abschnitt 45 des Deckenreflektors 29 des Reaktorkerns. Wie aus den F i g. 4 und 2 ersichtlich, sind die Deckenreflektorblöcke 43 hexagonal geformt und stoßen längs Linien aneinander, die zur Mittellinie eines jeden Brennstoffelementbündels zusammenstreben. Dies erleichtert die Entnahme der Brennstoffelementbündel aus dem Kern, wie später noch beschrieben wird.

Wie aus den Fig. 1 und 4 ersichtlich, sind die Deckenreflektorblöcke 43 im Abstand oberhalb der Blöcke 147 durch die Abstützstreben 39 abgestützt. Diese Abstützstreben bilden den oberen Abschnitt der zentralen Elemente 77. Die Metallplatten 51 sind mit Bolzen 53 an den Blöcken 43 befestigt und helfen dabei, die aneinanderstoßenden Blöcke 43 zusammenzuhalten. Auf diese Weise entsteht der vordem beschriebene Raum 49, durch den heiße Ausstoßgase, nachdem sie nach oben um die Brennstoffelemente zirkuliert sind, radial nach außen zu der heißen Leitung 17 fließen und aus dem Druckgefäß 13 austreten. Dies geschieht unterhalb des oberen Abschnitts 45 des Deckenreflektors 29.

Soll bei dieser Anordnung ein gewisses Brennstoffelementbündel entnommen werden, so werden drei aneinanderstoßende Deckenreflektorblöcke 43 und die ihnen zugeordneten Platten 51 und Bolzen 53 entfernt. Der Graphitstab, das zentrale Element des ausgewählten Bündels, wird dann entnommen und durch eine metallische Hubstange 142 ersetzt. Die Hubstange wird lösbar mit dem Abstützgitter 121 verbunden, und das Bündel aus dem Kern wird durch den Brennstoffhandhabungsmechanismus 61 herausgehoben. Das Bündel, das entnommen worden ist, enthält die Brennstoffelemente 75, das Kupplungsstück 126, das Abstützgitter 121, den Bündelblock 147 und das Spaltproduktfallengefäß 35. Das Einsetzen eines neuen Bündels in den Reaktorkern erfolgt in gleicher Weise. Darauf wird die Hubstange 142 gelöst und herausgezogen und neben dem Brennstoffhandhabungsmechanismus abgelegt. Der Graphitstab und das zentrale Element 77 wird dafür eingeführt. Wenn die Bündel Steuerstäbe 69 enthalten, werden die Steuerstäbe zunächst und dann die hohlen Graphitstäbe herausgezogen. Dann wird der metallische Hubstab 142 in das Kupplungsstück 126 eingesetzt, um das Bündel, wie oben beschrieben, herauszuziehen.

Die beschriebene Anordnung gestattet eine leichte und rasche Handhabung einer Gruppe von Brenn-

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Stoffelementen, ohne daß Spannungen und Schübe elementen auf und tritt aus dem Reaktorgefäß durch

auf diese Brennstoffelemente ausgeübt werden. Fer- die heiße Ausstoßgas-Auslaßleitung 215 aus, die

ner gestattet sie eine halbkontinuierliche Beladung konzentrisch zur Einlaßleitung 209 liegt. Die Aus-

und Entladung des Reaktorkerns während des Be- laßleitung 215 ist die innere von den beiden Leitun-

triebes des Reaktors vom Raum 55 innerhalb des Re- 5 gen, wie F i g. 7 zeigt. In dem Reaktorkern erzeugte

aktorgefäßes aus. Wärme wird auf diese Weise zu Hilfseinrichtungen

Eine zweite Ausführungsform einer Kernanord- (nicht dargestellt) abgeführt, die an die Auslaßleitung

nung ist in F i g. 7 und folgenden dargestellt. angeschlossen sind und die Wärme in mechanische

F i g. 7 zeigt einen Teil eines Kernreaktors 175, der Leistung umwandeln.

mit einem Leistungspegel von beispielsweise 20 Me- io Die Konstruktion des Deckenreflektors 217 der

gawatt betrieben werden kann und in seinem Aufbau Ausführungsform nach F i g. 7 ist ähnlich wie bei

ziemlich kompakt ist. Die Reaktorkernanordnung 177 der Reaktorkernanordnung nach Fig. 1. Sie erleich-

ist ähnlich der in Fig. 1 dargestellten. Es ist ein tert den Durchtritt heißer Ausstoßgase von den

Druckgefäß 179 vorgesehen, innerhalb dessen ein Brennstoffelementbündeln zur Auslaßleitung. Der

hexagonal geformter Reaktorkern 181 auf einer Git- 15 Deckenreflektor 217, wie er in F i g. 7 dargestellt ist,

terplatte 183 steht, die horizontal im unteren Ab- weist einen unteren Abschnitt 219 auf, der durch

schnitt des Reaktorgefäßes liegt und im Abstand obere Teile 221 der Brennstoffelementbündel gebildet

oberhalb des Bodens des Reaktorgefäßes gehalten ist. Der obere Abschnitt 223 des Deckenreflektors

ist. Die Gitterplatte 183 ist mit ihrem Umfang mit liegt im Abstand oberhalb des unteren Teils und

einer thermischen Abschirmung 185 verbunden, die 20 wird oberhalb des unteren Teils 219 des Decken-

sich zwischen der Gitterplatte und dem Oberteil des reflektors durch mehrere Streben 227 gehalten, die

Reaktorkerns 181 erstreckt und im Abstand von den durch die oberen Enden 229 von zentralen Elemen-

Seitenwandungen 187 des Druckgefäßes 179 verläuft. ten 231 der Brennstoffelementbündel im Reaktor-

Die Bauteile der Anordnung, die den in den Fig. 1 kern gebildet sind. Der Raum225 kommuniziert mit

bis 6 dargestellten entsprechen, bestehen aus gleichen 25 den Durchlässen 211 zwischen den Brennstoffelemen-

oder ähnlichen Materialien. ten 213 eines jeden Bündels und auch mit der Aus-

Um die Brennstoffelementbündel 189 des Reaktor- laßleitung 215, wie in Fig. 7 dargestellt. Das er-

kerns 181 herum ist ein Seitenreflektor 191 angeord- hitzte, auszustoßende Kühlmittel fließt also radial

net. Ein Bodenreflektor 193 liegt unterhalb des akti- nach außen von den Brennstoffelementbündeln zu

ven Abschnitts der Brennstoffelementbündel 189, der 30 der Auslaßleitung 215.

untere Teil des Reflektor 193 sitzt auf der Gitter- Der obere Abschnitt 223 des Deckenreflektors beplatte 183 und stößt an Teile der thermischen Ab- steht, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1, aus schirmung 185 an. Der obere Teil 197 des Boden- mehreren hexagonalen Deckenreflektorblöcken 233, reflektors besteht aus einem unteren Abschnitt 199, wie aus F i g. 8 ersichtlich. Auf diesen Blöcken lieder aus Teilen der Brennstoffelementbündel 189, wie 35 gen hexagonal Metallplatten 235, die mit Bolzen 237 aus Fig. 7 ersichtlich, gebildet ist. Der obere Ab- befestigt sind, wie Fig. 8 zeigt. Die Platten dienen schnitt des Bodenreflektors liegt im Abstand von sei- als Dichtungsflächen.

nem unteren Abschnitt, wie aus F i g. 7 ersichtlich. Durch die beschriebene Anordnung wird ein Den Abstand halten mehrere metallische Spaltpro- Raum 239 zwischen der Oberseite des Reaktorkerns duktaufnahmestäbe oder Rohre 201, die nach unten 4° und dem oberen Ende des Reaktorgefäßes geschafzu den Spaltproduktfallengefäßen 203 führen, die fen, der thermisch gegenüber den heißen Ausstoßinnerhalb des unteren Abschnitts 195 des Boden- gasen im Raum 225 durch die Deckenreflektorblöcke reflektors angeordnet sind. Es liegt also ein Raum 233 abgeschirmt ist. Ein Teil des eingelassenen 205 zwischen den beiden Abschnitten des Boden- Kühlmittels fließt überdies in den Raum 239, wie aus reflektors. Dieser Raum kommuniziert mit einer kon- 45 F i g. 7 ersichtlich, und hält den Raum 239 etwa auf zentrischen Öffnung 207 in dem Seitenreflektor 191 der Temperatur im Kühlmitteleinlaß. Daher kann und der thermischen Abschirmung 185. Gasförmiges der Raum 239 für die gleichen Zwecke verwendet Kühlmittel fließt von einer Einlaßleitung 209, die werden wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, in der Mitte der Seitenwand 187 des Reaktorgefäßes So können in ihm einfache Steuerstabhandhabungsmündet, nach unten zwischen die Seitenwand 187 50 mechanismen 241 und Brennstoffhandhabungs- und und den thermischen Schirm 185 durch die Öffnung Speichervorrichtungen 243 untergebracht werden, 207 und den Raum 205 und kommt in Kontakt mit wie auch Spaltproduktauf fangbetten 245, im wesentden Brennstoffelementbündeln 189, wie dies F i g. 7 liehen wie oben beschrieben und in F i g. 7 dargezeigt. Gasförmiges Kühlmittel fließt ferner von der stellt. Steuerstäbe 247 gelangen in den Reaktorkern Einlaßleitung 209 nach unten zwischen dem thermi- 55 durch den oberen Teil 223 des Deckenreflektors, sehen Schirm 185 und die Seitenwand 187 des Reak- Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind sie torgefäßes und kommt in Kontakt mit der Gitter- gegenüber dem heißen, auszustoßenden Kühlmittel platte 183, zirkuliert durch die Gitterplatte nach im Raum 225 dadurch abgeschirmt, daß sie nach oben und durch den unteren Abschnitt 195 des Bo- unten in geeignete Hohlräume 249 in ausgewählten denreflektors, kühlt dabei die Spaltproduktfallen- 60 zentralen Elementen 231 der Brennstoffelementbüngefäße 203, fließt weiter nach oben durch den Raum del einzuführen sind, wie dies die F i g. 7 und 10 205 und kommt in Kontakt mit den Brennstoff- zeigen.

elementbündeln 189. In den Brennstoffelementbün- Bei der beschriebenen Anordnung der Bauteile dein sind, wie aus den Fig. 10, 11 und 12 ersieht- der Reaktorkernanordnung 177 tritt das kalte Kühllich, Durchlässe 211 vorgesehen, durch die gasför- 65 mittel durch die Einlaßleitung ein, fließt sowohl zum miges Kühlmittel nach oben zwischen den Brenn- Boden und zur Decke des Reaktorkerns, d. h. zum stoffelementbündeln 213 eines jeden Bündels fließt. Raum unterhalb der Gitterplatte und auch zum Das Kühlmittel nimmt Wärme von den Brennstoff- Raum 205, wie auch zum Raum 239, und hält den

Reaktorkern in hydrodynamischem Gleichgewicht, wodurch die Dauerhaftigkeit und Stabilität des Realelorkerns erhöht wird.

Fig. 9 zeigt ein typisches Brennstoffelementbündel 189 für den Reaktorkern nach F i g. 7. Das Brennstoffelementbündel weist mehrere, etwa sechs, Brennstoff enthaltende Elemente 213 auf, die ringförmig um ein zentrales Element 231 angeordnet sind.

Jedes Brennstoffelement 213 ist grundsätzlich den BrennstofMementen 75 nach F i g. 4 ähnlich. Es weist einen zylindrischen Behälter 251 auf, der im wesentlichen aus Moderatormaterial, wie etwa Graphit, hergestellt ist. Dieses Moderatormaterial ist in geeigneter Weise vorbehandelt worden, so daß es die erörterte niedrige Permeabilität gegenüber Durchtritt von Spaltprodukten hat. Der Behälter weist einen Buchsenabschnitt 254 auf, der an seinem oberen Ende ansetzt und zu einem oberen Reflektorblock 253 reicht, der aus normalem Graphit oder anderem Moderatormaterial besteht, das relativ permeabel gegenüber Spaltprodukten ist. Das untere Ende des Buchsenabschnittes 254 ist mit einem unteren Reflektorblock 255 verbunden. Der obere Reflektorblock 253 weist einen sich verjüngenden Kopf 257 auf, der lose in einen Hohlraum 259 in einem das Bündel oben abdeckenden Block 261 ist. Der Block 261 erstreckt sich um alle Elemente des Bündels und entspricht im wesentlichen dem Bündelblock 147 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Kopf 257 weist einen Hohlraum 263 auf, in dem lose ein Stift 265 sitzt, der das Brennstoffelement in dem Bündel an Ort und Stelle hält. Der Block 253 eines jeden Brennstoffelementes ist ferner, wie aus F i g. 10 ersichtlich, mit einem Querdurchlaß 267 versehen, durch den ein Kühlmittelreinigungsstrom in das Brennstoffelement eintritt. Ein verbindender Zentraldurchlaß 269 endet am unteren Ende des Blocks 253.

Der untere Block 255 des Brennstoffelementes kann aus einem oder mehreren Blockteilen 256 bestehen und weist an seinem oberen Ende einen Querdurchlaß 271 auf und einen verbindenden zentralen Durchlaß 273, der nach unten führt und mit einem querverlaufenden Reinigungsgas-Austrittsdurchlaß 275 in der Nähe des unteren Endes des Brennstoffelementes verbunden ist, wie aus F i g. 10 ersichtlich. Der Durchlaß 275 befindet sich in einem Quereinsatz aus nichtrostendem Stahl oder ähnlichem Metall, Graphit usw. Dieser Einsatz 277 steckt in dem Brennstoffelement. Sein dem Brennstoffelement abgewandtes Ende liegt in einem zentralen Gassammelelement 279, das den unteren Endabschnitt des zentralen Elementes 231 bildet, wie Fig. 10 zeigt. Wie ebenfalls F i g. 10 zeigt, umfaßt das untere Ende des Blocks 255 ein geeignet geformtes metallisches Tragelement 281, das einen Teil einer unteren Trägerplatte oder eines Traggitters 283 bildet, das sich zwischen den Elementen und um die Elemente des Bündels herum erstreckt. Diese Bodenträgerplatte verbindet die Brennstoffelemente untereinander und hält sie in Flucht zueinander. An der Ausrichtung der Brennstoffelemente nimmt der das Brennstoffelementbündel oben abdeckende Block 261 mit ihm zugeordneten Stiften 265 teil. Eine zweite Trägerplatte285, wie sie Fig. 10 zeigt, erstreckt sich zusätzlich zwischen den Brennstoffelementen des Bündels und um die Elemente herum in einer Höhe der ersten Trägerplatte 283, aber im Bereich des unteren Reflektorblocks 255 des Brennstoffelementes. Die Platte 285 hilft ebenfalls, die Bauteile des Bündels in Flucht zueinander zu halten.

Der aktive Abschnitt eines jeden Brennstoff elementes 213 des Bündels erstreckt sich zwischen den oberen und unteren Reflektorblöcken 253 und 255. Er enthält mehrere ringförmige Brennstoffkompaktkörper 287, die über einen vertikalen, zentralen Dorn 289 aus Moderatormaterial gesteckt sind. Die Kompaktkörper 287 und der Dorn sind im wesentlichen in ihrer Anordnung, Zusammensetzung und Konstruktion denjenigen ähnlich, die in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 beschrieben wurden. Die Kompaktkörper und der Dorn werden von dem unteren Reflektorblock 255 abgestützt. Die Kappe 291 ruht auf dem obersten Kompaktkörper und im Abstand unterhalb des unteren Endes des oberen Reflektorblocks 253, so daß ein sich in Querrichtung erstreckender Reinigungsgasraum.293 frei bleibt. Die Kappe und die Kompaktkörper sind mit Querdurchlässen 295 und verbindenden vertikalen Durchlässen 297 längs ihrer Oberflächen versehen, so daß der Durchtritt von Reinigungsgas vom Raum 293 nach unten über die Kompaktkörper zum unteren Ende des Brennstoffelementes erleichtert ist. Das Reinigungsgas spült Spaltprodukte mit sich fort.

Das Reinigungsgas tritt in das Brennstoffelement durch den Durchlaß 267 ein, fließt nach unten durch den Durchlaß 269 in den Raum 293, dann durch die Durchlässe 295 und 297 in den Querdurchlaß 271 nach unten durch den Durchlaß 273 und aus dem Brennstoffelement heraus durch den Austrittsdurchlaß 275. Der Reinigungsstrom fließt, wenn er das Brennstoffelement 213 verlassen hat, zum Bauteil 279 durch die Durchlässe 275 in jedem Einsatz 277. Der Bauteil 279 wird innerhalb des Bündels mittels der metallischen Bodenplatte 283 und zugeordneter metallischer Paßstücke 281 an Ort und Stelle gehalten, die um sein unteres Ende herum angeordnet sind, und mittels der Einsatzstücke 277. Der Bauteil 279 ist mit Querdurchlässen 301 versehen, die zu den Durchlässen 275 führen und mit einem zentralen vertikalen Reinigungsstromdurchlaß 303, der nach unten zum anderen Ende des Bauteils 279 führt und mit einem ähnlichen Durchlaß 305 durch das Paßstück 281 in Verbindung steht. Der Durchlaß 305 steht seinerseits mit einem Durchlaß 307 in dem Spaltproduktenabführungsstab oder -rohr 201 in Verbindung. Der Durchlaß 307 setzt sich durch dert Stab 201 nach unten in einen Verbindungsdurchlaß (nicht dargestellt) fort, der durch das zugeordnete Spaltproduktfallengefäß 203 verläuft, welches iin unteren Teil 195 des Bodenreflektors 193 angeordnet ist.

Der Reinigungsstrom, der die Spaltprodukte enthält, fließt also von jedem Brennstoffelement des Bündels nach unten durch den Bauteil 279, dann durch den Stab 201 zum Spaltproduktenfallengefäß

203. Der Reinigungsstrom fließt vom unteren Ende des Fallengefäßes durch geeignete, nicht dargestellte Durchlässe nach unten durch die Gitterplatte und zu einem oder mehreren Spaltproduktenauffangbetten 245, die im Raum 239 oberhalb des Reaktorkerns untergebracht sind. Hierzu dienen geeignete, nicht dargestellte Leitungen.

Das zentrale Element 231 in jedem Bündel hat die oben beschriebene Funktion. Es ragt oben über die

Brennstoflelementbündel hinaus und bildet die Abstützstrebe 229. Der Endabschnitt seines oberen Endes ist mit einem Ring 309 versehen, der in Hohlräume 311 der aneinanderstoßenden Deckenreflektorblöcke 233 paßt. Dadurch werden die Blöcke aneinandergehalten.

Das zentrale Element 231 verläuft nach unten durch eine Öffnung in dem das Bündel abdeckenden Block 261. An seinem unteren Ende verjüngt es sich und endet etwa in Höhe der zweiten Abstützplatte 285, wie aus Fig. 10 ersichtlich. Eine Metallmutter 313 mit Innengewinde ist an der Unterseite der Platte 285 befestigt. In sie kann ein Graphitstab (nicht dargestellt) des zentralen Elementes lösbar eingeschraubt werden. Statt eines solchen Graphitstabes kann, wenn das Bündel in den Reaktorkern eingesetzt oder aus ihm herausgezogen wird, ein metallischer Hubstab 315 eingeschraubt werden. Das zentrale Element kann auch einen Steuerstab 247 aufnehmen, der nach unten durch die Deckenreflektorblöcke in das zen- ao trale Element mittels des Steuerstabhandhabungsmechanismus 241 abgesenkt wird. Das obere verjüngte Ende des Bauteils 279 kann auch in eine Öffnung 317 in der Mitte der Mutter ragen, wie dies Fig. 10 zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel gibt eine Reaktorkemanordnung für einen relativ kleinen Reaktor an; auch diese Anorodnung hat aber die Vorteile wie die in den F i g. 1 bis 6 beschriebene. Ferner gestattet diese Kernanordnung einen gesonderten Fluß eines Kühlmittels zu den Spaltproduktenfallen der Bündel und bietet Platz für die Behälter solcher Fallen in einem Bereich des aufgeteilten Bodenreflektors.

Die Erfindung schafft also eine Reaktorkemanordnung, die für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren niedriger und hoher Leistung verwendbar' ist und die eine Brennstoff elementanordnung in Form leicht entfernbarer und einsetzbarer Brennstoffelementbündel aufweist. Die Brennstoffelementbündel und Steuerstäbe können während des Betriebs des Reaktors mittels eines einfachen Brennstoff-Steuerstabhandhabungsmechanismus, der an einem oberen Kühlabschnitt des Reaktordruckgefäßes angeordnet ist, herausgezogen und eingesetzt werden. Im oberen Kühlabschnitt des Reaktorgefäßes und auch im Reaktorkern selbst sind wirksame Spaltproduktaufnahmevorrichtungen vorgesehen. Die Reaktorkemanordnung ist relativ kompakt und steht in hydrodynamischem Gleichgewicht.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Gasgekühlter thermischer Hochtemperatur-Leistungsreaktor mit einem Druckgefäß, in dem sich ein mit senkrechten Durchlässen versehener Reaktorkern befindet, der auf einer waagerecht verlaufenden, im Abstand vom Boden des Druckgefäßes angeordneten Gitterplatte abgestützt ist, mit einem längs der Seite des Reaktorkems angeordneten Reflektor aus neutronenmoderierendem Material, mit einer thermischen Abschirmung zwischen diesem Reflektor und der Seitenwand des Druckbehälters, die im Abstand von der Seitenwand des Druckbehälters angeordnet ist, mit einem Deckenreflektor oberhalb des Brennstoff enthaltenden Teils des Reflektorkerns aus neutronenmoderierendem Material im Abstand vom oberen Teil des Druckbehälters, bestehend aus zwei senkrecht im Abstand übereinander angeordneten Teilen, die den freien Abstand zwischen dem Deckenreflektor und dem oberen Teil des Druckbehälters bestimmen, und mit einem Gaseinlaß, der in Kommunikation mit dem Raum unterhalb der Gitterplatte und dem Raum oberhalb des Deckenreflektors steht, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand voneinander liegenden Teile (45, 47) des Deckenreflektors (29) einen Gasaustrittsraum (49) begrenzen und daß ein in Kommunikation mit dem Gasaustrittsraum stehender Auslaß (17) aus dem Gasaustrittsraum zwischen den Teilen des Deckenreflektors vorgesehen ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein unter dem Brennstoff enthaltenden Teil des Kerns (181) angeordneter Bodenreflektor (193) einen unteren (195) und einen oberen Teil (197) aufweist, die einen Gasraum (205) begrenzen, und daß — wie an sich bekannt — der Gaseinlaß (209) konzentrisch zum Gasauslaß (215) angeordnet ist und in Kommunikation mit dem Gasraum steht.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Seitenreflektor (25) längs der Seite des Brennstoff enthaltenden Teils (41) des Kerns (26) angeordnet ist, daß der Kern mehrere Bündel (33) von Brennstoffelementen (75, 77) enthält, in denen die Brennstoffelemente (75) um ein zentrales Element (77) herum angeordnet sind, daß das obere Ende (39) des zentralen Elements den oberen Teil (45) des Deckenreflektors (29) im Abstand vom unteren Teil (47) des Deckenreflektors hält, daß ein unterer Abschnitt (111) eines jeden Brennstoffelementes einen Teil des Bodenreflektors (31) des Kerns bildet und daß ein oberer Abschnitt (147) eines jeden Brennstoffelementes einen Teil des unteren Teils (47) des Deckenreflektors (29) bildet.

4. Reaktor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß — wie an sich bekannt— der Gaseinlaß (15) nächst dem Boden des Druckgefäßes (11) angeordnet ist.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Spaltproduktabführrohre für jedes Bündel von Brennstoffelementen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltproduktabführrohre (201) die ihnen zugeordneten Bündel (189) im Abstand von dem unteren Teil (195) des Bodenreflektors (193) halten.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bündel (33) einen metallischen Träger (121) aufweist, der nächst dem Boden jedes Bündels die Elemente (75, 77) des Bündels umfaßt, daß jedes Bündel ferner einen zweiten Träger (147) aus neutronenmoderierendem Material aufweist, der nächst dem oberen Ende des Bündels die Elemente des Bündels umfaßt und einen Teil des unteren Teils (47) des Deckenreflektors (29) bildet, daß die beiden Träger die Brennstoffelemente (75) innerhalb der Bündel im Abstand voneinander halten, daß die zentralen Brennstoffelemente (77) hohl sind und ein Huborgan (142) aufnehmen können, das in lösbaren Eingriff mit dem metallischen Träger zu bringen ist, daß wenigstens einige der zentralen Brennstoffelemente einen

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Steuerstab (69) aufnehmen können, daß der obere Teil (45) des Deckenreflektors (29) aus mehreren zusammenpassenden Blöcken (43) zusammengefügt ist und daß wenigstens einige der Blöcke in der Mittellinie eines jeden Bündels, das Herausnehmen der Bündel aus dem Kern (26) erleichternd, aufeinandertreffen.

7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger (121) Durchlässe (119) aufweist, durch die ein kühlendes Reinigungsgas von den Brennstoffelementen (75, 77) zu den Steuerstäben (69) gelangen kann, daß jedes Brennstoffelement in einem Behälter (79) aus neutronenmoderierendem Material niedriger Polarität untergebracht ist, dessen oberes Ende (87) gegenüber dem kühlenden Reinigungsgas porös durchlässig ist und von dem zweitgenannten Träger (147) aufgenommen werden kann und dessen unteres Ende (97) von dem metallischen Träger aufgenommen werden kann, daß dieses untere Ende mit einem Reinigungsgasauslaß (103) versehen ist, durch den kühlendes Reinigungsgas dem metallischen Träger zuzuführen ist, durch mehrere ringförmige, Kernbrennstoff enthaltende Kontaktkörper (81), die auf einen zentralen Dorn (83) aus neutronenmoderierendem Material gesteckt und derart angeordnet sind, daß sie einen Reinigungsgasraum (108) begrenzen, der in Kommunikation mit dem Einlaß (87) und Auslaß (103) steht, so daß Spaltprodukte, die aus den Kompaktkörpern austreten, durch das kühlende Reinigungsgas zu dem Auslaß gespült und dem zentralen Element (77) zugeführt werden, durch eine Spaltproduktfalle in einem Gefäß (35) unterhalb des metallischen Trägers des Bündels (33) und durch Mittel (126, 127) an dem zentralen Element, die das Reinigungsgas zur Spaltproduktfalle fördern.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (35) der Spaltproduktfalle mit dem zentralen Element (77) verbunden ist und das Gewicht des Bündels (33) auf den Gitterrost (19) überträgt.

9. Reaktor nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltproduktfalle (203) im unteren Teil (195) des Bodenreflektors (193) angeordnet ist und daß das Spaltproduktabführrohr (201) einen Durchlaß (301) aufweist, durch den kühlendes Reinigungsgas von dem zentralen Element (231) zu der Falle gelangt.

10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Brennstoffelement (213) einen oberen Abschnitt (253) aus neutronenmoderierendem Material aufweist, der einen Teil des unteren Teils (219) des Deckenreflektors (217) bildet, ferner einen zentralen, Kernbrennstoff (287) enthaltenden Abschnitt und ferner einen unteren Abschnitt (255) aus neutronenmoderierendem Material, der einen Teil des Bodenreflektors (193) bildet, daß das zentrale Element (231) sich nach oben bis über die anderen Elemente (213) des Bündels (189) hinauserstreckt und an den oberen Teil (223) des Dekkenreflektors (217) anstößt und ihn im Abstand oberhalb des unteren Teils (219) des Deckenreflektors hält.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Element (231) einen Hohlraum aufweist, der eine Hubstange (315) aufnehmen kann, welche in lösbaren Eingriff mit dem metallischen Träger (283) zu bringen ist, um die Handhabung der Bündel (189) zu erleichtern, und daß der Hohlraum einen Steuerstab (247) aufnehmen kann.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltpro duktabführrohr (201) die Spaltproduktfalle (203) und das zentrale Element (231) miteinander verbindet und einen Durchlaß (301) aufweist, durch den kühlendes Reinigungsgas von dem zentralen Element zu der Falle gelangen kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1051422;
österreichische Patentschrift Nr. 217129;
französische Patentschrift Nr. 1 266 735.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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