DE1227571B - Kernreaktoranlage mit organischem Kuehlmittel und Moderator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/10

Nummer: 1227571

Aktenzeichen: N12883 VIII c/21 g

Anmeldetag: 29. Oktober 1956

Auslegetag: 27. Oktober 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernreaktoranlage, die von einem zirkulierenden Polyphenyl sowohl gekühlt als auch moderiert wird, bestehend aus einem Reaktorbehälter, einem reaktiven Kern in dem Behälter, den Behälter umgebenden Abschirmvorrichtungen und außerhalb des Reaktors befindlichen Vorrichtungen zur Reinigung und Erneuerung des Polyphenyls, wobei die Reinigungs- und Erneuerungsvorrichtungen Einrichtungen zur Entnahme eines Polyphenylanteils zum Abtrennen von unversehrtem Polyphenyl aus den Abbauprodukten und zur Rückführung des gewonnenen, gereinigten Polyphenyls zu den Durchleitvorrichtungen aufweisen.

Es ist bekannt, aromatische Fraktionen, d. h. kondensierte aromatische Verbindungen mit hohem C-zu-H-Verhältnis als Moderator <und Kühlmittel für Kernreaktoranlagen zu verwenden.

Bei bekannten Reaktoranlagen, die derartige Kohlenwasserstoffe wie Polyphenyle als Kühlmittel und Moderator verwenden, werden die Abbauprodukte von Zeit zu Zeit oder durch kontinuierliche Entnahme eines kleinen Betrages von frischer organischer Substanz ersetzt.

Entsprechende Durchleitvorrichtungen dienen zur Rückführung des abgetrennten unversehrten Polyphenyls in den Kühlkreislauf.

Obgleich Polyphenyl bereits als Kühlmittel und Moderator in der beschriebenen Weise Verwendung findet, blieb die Verwendung als Neutronenreflektor außer Betracht, da Bedenken hinsichtlich der damit verbundenen Zersetzungsprobleme bestanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kernreaktoranlage zu schaffen, bei der Polyphenyl als Kühlmittel, Moderator und Reflektor verwendet werden kann, so daß sich die Betriebsweise vereinfacht.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Reaktor erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtungen zum Durchleiten des Polyphenyls durch einen den Kern als Neutronenreflektor umgebenden ringförmigen Bereich innerhalb des Reaktorbehälters.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen teilweise als Aufriß dargestellten senkrechten Schnitt einer Ausführungsform des Reaktors,

F i g. 2 einen Grundriß,

F i g. 3 einen vergrößerten teilweisen Schnitt durch den Reaktorkern zur Veranschaulichung der Verteillung der Brennstoffelemente,

Fig. 4 ein schematisches Strömungsbild des Kühlsystems.

Kernreaktoranlage mit organischem Kühlmittel
und Moderator

Anmelder:

North American Aviation, Inc.,

Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Patentanwalt,
Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str. 65

Als Erfinder benannt:
'Joseph R. Wetch,
Raymond J. Beeley,
Woodland Hills, CaHf. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Mai 1956 (586 840)

Wie in F i g. 1 dargestellt ist, besteht der reaktive Kern in dem Behälter 9 aus einer Anzahl Flächenbrennstoffsätzen 1, die von Gitterplatten 2 und 3 und einer Führungsplatte 4 getragen werden. In dem Teil zwischen der Gitterplatte 3 und der Führungsplatte 4 verlaufen die Brennstoffsätze 1 durch Führungsrohre 5, die mit einer Anzahl Schlitze 6 für den Austritt von Kühlmittel versehen sind. Wenn das Spaltmaterial Uran ist, braucht dieses nur leicht mit U-235 oder U-233 angereichtert zu werden. Das durchschnittliche Verhältnis von Brennstoffvolumen zu Moderatorvolumen beträgt angenähert 1 :6. Das Polyphenyl, das zwischen den Uranplatten innerhalb jedes Satzes und um alle Sätze herum fließt, dient •als Kühlmittel und als Moderator.

Das Brennstoffgitter, die primäre Wärmeabschirmung 7 (aus Stahl) und die sekundäre Wärmeabschirmung 8 sind in einem Behälter 9 eingeschlossen. Der Behälter, der beispielsweise aus einem niedriglegierten Stahl besteht, ist für Normalbetriebsdruck von 3,5 kg/cm² entwickelt, kann aber bei 345° mit 7,0 kg/ cm² betrieben werden. Als Abschirmvorrichtung umgibt ein Gammastrahlenpanzer 10 den Behälter 9 und ein Brennstofflagerungsgestell 11 zur Lagerung von verbrauchtem Brennstoff. Die Innenseite der sekundären Wärmeabschirmung 8 ist mit einem dünnen Fut-

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ter (nicht dargestellt) aus einem neutronenabsorbie- jedem Stöpsel verhindern das Entweichen von Gasen

renden Stoff — wie beispielsweise Borkarbid in einer oder Dämpfen aus dem reaktiven Kern während des

Aluminiummasse eingebettet — ausgefüttert. Eine Wechselns der Brennstoffelemente. Auf diese Weise

Wärmeisolation 12 befindet sich auf der Innenseite ist ein einziger Brennstoffelement-Entfernungsstöpsel

des Gammastrahlenpanzers 10. Dieser Gammastrah- 5 erforderlich anstatt eines Stöpsels für jedes Brenn-

lenpanzer wird mit Polyphenyl über Kühlschlangen Stoffelement wie .in bekannten Konstruktionen. Die

(nicht dargestellt) an der Innenfläche gekühlt. . Verwendung vieler Stöpsel würde die Kosten wesent-

Das als Kühlmittel, Brennstoff und Neutronen- lieh erhöhen und das Abdichtungsproblem beträcht-

reflektor wirkende .Polyphenyl wird durch zwei ge- lieh erschweren und wäre infolge des engen Abstan-

trennte Systeme umgewälzt. Das Polyphenyl tritt in io des der Brennstoffsätze in einem reaktiven Kern mit

den Reaktorkern durch eine große Leitung 13 auf ebenem Fluß kaum angängig.

jeder Seite des Reaktors ein und wird in Pfeilrichtung Das Brennstofflagerungsgestell 11 befindet sich un-

nach oben in den Ringraum 14 zwischen dem Reak- mittelbar neben dem Reaktor. Brennstofflagerungs-

torgef äß und der sekundären Wärmeabschirmung und rohre 28, beispielsweise aus Stahl mit Kadmiumaus-

dann nach unten in den ringförmigen Bereich 15 zwi- 15 kleidung oder einem anderen neutronenabsorbieren-

schen der primären und der sekundären Wärmeab- den Material wie Bor, sind auf einem Tisch 29 ange-

schirmurig'gepumpt:: Das Kühlmittel läuft dann in bracht und werden von Führungsplatten 30 getragen,

eine untere Anfüllkammer 16, dann nach oben durch Der Tisch wird von einer Welle 31, die von einem

die Brennstoffelemente mit einer Umleitung von etwa Motor 32 angetrieben wird, gedreht, wodurch das

5 °/o um die Brennstoffelemente herum durch Schlitze 20 Einstellen eines jeden Rohres unter abnehmbaren

34 in den Gitterplatten 2 und 3. Das Polyphenyl ver- Zugangsstöpseln 33 zum Brennstoffwechsel ermög-

läßt die Brennstoffelemente durch die obere Öffnung licht wird. Das Gestell ist in Wasser oder ein orga-

der Führungsrohre 5 und die Schlitze 6 und fließt nisches Material eingetaucht, das bei Raumtempera-

durch eine Auslaßleitung 17 ab. Es ist also ersieht- tür flüssig und von dem Gammastrahlenpanzer 10

lieh, daß das Polyphenyl -die Kernreaktoranlage 25 umschlossen ist. -

kühlt und auch als Moderator .und Neutronenreflek- Der Ersatz der verbrauchten Brennstoffelemente

tor wirkt. vollzieht sich folgendermaßen: Etwa 2 Stunden nach

Die Steueretöm&nle bestehen aus ebenen Platten Stillsetzung des Reaktors, Druckaufhebung und Ver-18. Diese sind Stahlplatteri, die jeweils zwischen Bor- minderung des Kühlmittelumlaufs werden die Druckkarbidplatten, die in Aluminiummasse eingebettet 30 flansche an jedem der Drehschlußelemente entfernt, sind, liegen, obgleich auch andere Materialien hohen Die erstarrte Metalldichtung wird geschmolzen und Querschnitts, wie Kadmium, verwendet werden kön- die Verschlußelemente so gedreht, daß der Zugangsnen. Die Platten sind senkrecht zwischen den Brenn- stöpsel über dem zu ersetzenden Element liegt. Ein Stoffsätzen ausgerichtet und bewegen sich waagerecht außen befindlicher, mit Blei abgeschirmter Transin und aus dem fcefaktiven Kern. Die Platten werden 35 portbehälter (nicht dargestellt), der von einem" Laufmit daran befestigten Stahlsteuerstäben 19 und durch kran getragen wird, wird über dem kleinen entfern-Führungsstangen 20 ausgerichtet gehalten. Die Stahl- baren Stöpsel eingestellt, und eine Gasdichtung wird stäbe 19 bewegen isich-durch Niederdruckdichtungen hergestellt. Der entfernbare Stöpsel wird in den Bean der vorderen Fläche des Behälters 9 und des halter gezogen und auf eine Seite bewegt. Ein Grei-Gammastrahlenpanzers. Die Steuerplatten werden 40 ferstab wird dann durch den Zugangsstöpsel in den durch einen Zahnstangenantrieb 21 angetrieben und Kern gesenkt. Das verbrauchte Brennstoffelement können einzeln oder mechanisch gekuppelt betätigt wird gelöst .und in den Behälter gezogen. Das neue werden. Die Plätten können auch von Hand bewegt Brennstoffelement, das in dem Behälter lagerte, wird werden. Die Platte ist in' der in den reaktiven Kern dann in 'den Kern gesenkt und an seinem Platz fest-eingeschobenen Stellung dargestellt. Eine herausge- 45 gelegt. Der Stöpsel wird zurückgestellt. In dem Reak-: zogene Stellung 22 ist gestrichelt gezeichnet. Sehr tor wird während des Ersatzes des Brennstoffelemenschnelle Stillsetzung der Kernreaktor anlage erfolgt tes ein geringer Unterdruck aufrechterhalten. Der dadurch, daß die Steuerplatten mittels eines hydrau- Transportbehälter wird dann von dem Reaktor zu lisch bewegten Kolbens in einem hydraulischen dem angrenzenden Brermstofflagerungsgestell 11 zur Steuerstangenzylinder 23 in den reaktiven Kern ge- 50 Lagerung verbrauchten Brennstoffs bewegt, wo das schoben werden. Ein hydraulisch betätigter Stoß- verbrauchte Element in Lagerröhren 28 durch eine dämpfer, der in den ersten hydraulischen Zylinder Zugangsöffnung 33 abgestellt wird,
eingebaut ist, bremst die Steuerplatte ab. Wenn der Die Brennstoffelemente zur Verwendung in dem Druck in einem (nicht dargestellten) Druckluftspei- Reaktor können variieren, und ihr Aufbau ist nicht, eher, der den hydraulisch bewegten Kolben antreibt, 55 kritisch. Eine bevorzugte Konstruktion für jeden Satz unter einen bestimmten Wert fällt, wird die Kern- besteht aus einem langen, hohlen quadratischen Kareaktoranlage durch .die Steuerstangenmotoren selbst- sten, der eine Anzahl paralleler, dünner, langgetätig stillgesetzt. :^;.. ' streckter Brennstoffplatten aufweist, die aus zwischen

Der obere Gammastrahlenpanzer 10 enthält zwei Schutzverkleidungen oder -plattieroingen eingefügtem

runde, von Elektromotoren getriebene Drehver- 60 Spaltmaterial bestehen.

Schlußelemente, von denen sich das kleinere Element Das organische Kühlmittel fließt durch den Raum

24 innerhalb des größeren Elementes 25 dreht. Das zwischen jeder Platte in dem Brennstoffsatz und rings

kleinere Drehverschlußelement ist exzentrisch zu der um die Außenseite des Kastens. Die Verkleidung

Kernmittelünie angeordnet, oind ein kleiner entfern- jeder Brennstoffplatte kann aus einem beliebigen

barer Zugangstöpsel"26 kann über einem Brennstoff- 65 Material mit geeigneten metallurgischen und nukle-

element in dem reaktiven Kern durch Teilmarken- aren Eigenschaften bestehen, wie. beispielsweise

schaltung eingestellt sein. Flüssige Metalldichtungen nichtrostendem Stahl oder Zirkon. Es hat sich jedoch

27, beispielsweise'Zinn—Wismut oder Zinn—Blei, in gezeigt, daß im Gegensatz zu der .früheren Erfahrung:

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in wäßrigen Systemen Aluminium in Kontakt mit Reaktor zurück. Der in den Wärmeaustauschern erdem organischen Material bei Betrieb unter erhöhter zeugte Dampf wird zum Antrieb eines Turbinengene-Temperatur (z. B. 427° C) nicht korrodiert oder sich ratorsatzes und von Turbopumpen und zugehörigen in anderer Weise verschlechtert. Deshalb und im Hin- Hilfsvorrichtungen verwendet. Nach dem Durchlaublick auf den niedrigen Neutronen-Einfangquer- 5 fen der Turbine wird der Dampf kondensiert und zu schnitt, seine geringen Kosten, die bequeme Herstel- den Dampfgeneratoren 40 zurückgeleitet. Die Pumlung und Verarbeitung wird Aluminium als Plattier- pen sind Kreiselpumpen in Turbinenbauart. Es kön- oder Überzugsmaterial bevorzugt. Das spaltbare Ma- nen aber auch andere geeignete Pumpen verwendet terial jeder Brennstoffplatte kann anders zusammen- werden.

gesetzt sein, wobei man irgendwelche der ergiebigen io Ein Kühlmittelzwischenbehälter oder Buffertank und spaltbaren Materialien, z. B. Legierungen, gesin- 41 befindet sich oberhalb des Reaktorkems und ist terte Oxyde oder gesinterte Preßlinge aus Uran, PIu- mit dem Reaktor durch ein großes Stahlrohr direkt tonium und Thorium verwendet. Jedoch ist eine verbunden, um einen schnellen Ausstoß von Strödünne Schicht aus gepreßtem Uranmetallpulver für mungsmittel aus dem Reaktor im Fall einer Tempediesen Anwendungsfall in hohem Maße geeignet. Ein i₅ ratur- oder Volumenstoßwelle in dem Reaktor zu wenige hundertstel Millimeter starker Nickelüberzug ermöglichen. Ein kleiner Druck (z. B. 3,5 bis 7,0 kg/ zwischen dem Uran und dem Aluminium dient in cm²) wird an den primären Kühlmittelkreis mit einem wirksamer Weise als Diffusionsgrenze gegenüber dem inaktiven Gas, beispielsweise Stickstoff, in dem Gas-Uran. Der 'die Brennstoffplatten tragende Kasten volumen des Kühlmittelzwischenbehälters aufrechtkann aus Aluminium, Stahl oder Zirkon bestehen. ₂o erhalten. Die Einrichtung, durch die das primäre Die Kästen erstrecken sich über die Brennstoffplatten Kühlmittel fließt, muß abgeschirmt sein. Ein unter an beiden Enden hinaus. Die Enden können verjüngt Druck gesetztes inaktives Gas wird auch auf das ausgebildet sein, so daß sie in das untere, die Brenn- Strömungsmittel in den Steuerstabdichtungen aufstoffsätze tragende Gitter 2 passen, wo sie mecha- rechterhalten, um jedes Aussickern von Radioaktivinisch an ihrem Platz gehalten werden, um Vibration 25 tat aus dem geringfügig unter Druck gesetztem Re- oder Verschiebung zu verhindern. Der verjüngte Teil aktor zu verhindern.

kann /auch perforiert sein, damit das Kühlmittel rings Wenn die Konzentration des Polymerisates (hier

um die Brennstoffsätze strömen kann. Die Brenn- als Polyphenyl mit fünf oder mehr Phenylringen defi-

stoffelementführungsrohre 5 sind über jedem Brenn- niert) infolge Wärme- und Strahlungszersetzung des

stoffelement angeordnet und erstrecken sich bis zu ₃₀ Polyphenyls angenähert 30 Gewichtsprozent des Ge-

dem oberen Gammastrahlenpanzer 10. misches erreicht, saugt eine Zweigstrompumpe un-

Fig. 2 zeigt einen Grundriß des Reaktors, der be- unterbrochen einen Teil davon in außerhalb des Rcsonders gut das äußere Drehverschlußschutzelement aktors befindliche Vorrichtungen zur Reinigung und 25, das innere Drehverschlußschutzelement 24, den Erneuerung des Polyphenyls, wobei die Reinigungsentfernbaren Stöpsel 26, eine Kühlmitteleinlaßleitung 35 und Erneuerungsvorrichtungen Einrichtungen zur 13 und eine Kühlmittelausflußleitung 17 zeigt. Ge- Entnahme eines Polyphenylanteils zum Abtrennen strichelt unterhalb der Abschirmung sind die primäre von unversehrtem Polyphenyl aus dem Abbaupro-Wärmeabschirmung 7 und der Behälter 9 dargestellt. dukt und zur Rückführung des gewonnenen, gereinig-Im Brennstofflagerungsgestell 11 sind die umlaufende ten Polyphenyls zu den Durchleitvorrichtungen auf-Welle31, der Motor 32 und die Zugangsstöpsel 33 ₄₀ weisen.

dargestellt. In teilweisem Schnitt darunter sind die Eine als Füllkörperdestillationssäule ausgebildete

Brennstofflagerröhren 28 erkennbar. Man kann leicht Blase 42 treibt die leichte Polyphenylfraktion aus

erkennen, daß eine Drehung des Vorratstisches und dem Gemisch ab, kondensiert und leitet sie in einen

der Verschlußelemente in dem Reaktor eine Einstel- Speise- und Ergänzungs- oder Aufbereitungsbehälter

lung über jedem einzelnen Brennstoffelement zwecks ₄₅ 43 zurück. Eine Zentrifuge, eine Absorptionssäule,

Herausnahme ermöglicht. ein Kaltabscheider oder Filter können auch für die-

F i g. 3 zeigt einen teilweisen Querschnitt des Ker- sen Zweck verwendet werden.

nes, der die Anordnung der Brennstoffsätze 1 zeigt. Das gereinigte Polyphenyldestillat gelangt zu dem Das Brennstoffbesetzungsmuster in dem nicht darge- Ergänzungs- oder Aufbereitungsbehälter 43, wo es stellten Teil ist ein Spiegelbild des gezeigten Teiles. 50 mit frischem Material aus einem Vorratsbehälter 44 Wie man erkennt, sind die Brennstoffsätze in der gemischt wird, der mit einem Tauchsieder versehen Mitte des Kernes mit radial abnehmender Häufigkeit ist, um den organischen Stoff strömungsfähig zu haikonzentriert. Diese ungleichmäßige Besetzung ist für ten, und strömt dann zu dem Reaktor zurück. Der den praktisch ebenen Wärmefluß des Reaktors we- Vorratsbehälter 44 steht auch für Füll- und Ablaufsentlich und trägt zu dem Wirkungsgrad seiner Ar- 55 zwecke direkt mit dem Reaktor in Verbindung,
beitsweise beträchtlich bei. Der Polymerisatrückstand wird ununterbrochen

Das Hauptreaktorkühlsystem und das Reinigungs- aus dem Stahltopf der Destillationssäule 42 in einen system sind in Fig. 4 als schematisches Strömungs- Polymerisatspeicherbehälter 45 gefördert, der ebenschaubild dargestellt. Die Hauptrohrleitungen, je- falls mit Tauchsiedern ausgestattet ist. Der Speicherdoch nicht sämtliche Rohre, sind eingezeichnet. 60 behälter wird gelegentlich in größere Polymerisat-Wenn man den Fluß des Kühl-Moderatorstoffes be- lagerbehälter entleert. Eine gewisse Abschirmung des trachtet, so wird das Kühlmittel in getrennten Lei- Polymerisatbehälters 45 ist empfehlenswert, da das tungen durch zwei Dampfgeneratoren 40 hindurch Polymerisat eine gewisse Radioaktivität durch die mittels Pumpen umgewälzt (wobei zwei Pumpen in Aktivierung von Verunreinigungen enthält, wenn es jedem Kreislaufsystem parallel liegen, um das Ver- 65 durch den Reaktor hindurchströmt. Es kann auch sagen einer einzelnen Pumpe auszugleichen). Die möglich sein, daß Spaltprodukte in das Polyphenyl Pumpen saugen das Kühlmittel aus dem Reaktor und durch Bruch der Plattierung der Brennstoffelemente fördern es durch die Dampfgeneratoren 40 in den eintreten.

Infolge Wärme und Strahlung werden mehrere Liter Gas pro Stunde aus dem Kühlmittel ausgestoßen und in dem Zwischenbehälter 41 gespeichert. Das Gas enthält angenähert 90% Wasserstoff, 6% Methan und 4% Äthan und Azetylen. Dieses Gas kann daher verbrannt und von dem Zwischenbehälter an einen Brenner oder eine Esse 46 geleitet werden, wobei der Verunreinigungsgrad des Polyphenyls ausreichend niedrig ist. Die Radioaktivität in der Esse wird mit üblichen Vorrichtungen ständig überwacht.

Wenn das Gas radioaktiv ist, muß es vor dem Verbrennen aus dem Zwischenbehälter zu einem Gasbehandlungssystem 47 geleitet werden. Dieses umfaßt in Hintereinanderschaltung eine Oxydationskammer, einen Jodabscheider, einen Wasserkondensator und einen Silikagelabsorber für Wasserdampf. Ein CO₂-Absorber und ein Holzkohlenabsorber für Xenon und Krypton sind vorgesehen, falls diese Spaltproduktgase durch eine defekte Verkleidung eines Brennstoffelementes in das Kühlmittel emdringen. In der Fig. 4 sind mit P die Pumpen und mit V die Ventile bezeichnet.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kernreaktoranlage, 'die von einem zirkulierenden Polyphenyl sowohl gekühlt als auch moderiert wird, bestehend aus einem Reaktorbehälter, einem reaktiven Kern in dem Behälter, den Behälter umgebenden Abschirmvorrichtungen und außerhalb des Reaktors befindlichen Vorrichtungen zur Reinigung und Erneuerung des Polyphenyls, wobei die Reinigungs- und Erneuerungsvorrichtungen Einrichtungen zur Entnahme eines Polyphenylanteils zum Abtrennen von unversehrtem Polyphenyl aus den Abbauprodukten und zur Rückführung des gewonnenen, gereinigten Polyphenyls zu den Durchleitvorrichtungen aufweisen, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zum Durchleiten des Polyphenyls durch einen den Kern als Neutronenreflektor umgebenden ringförmigen Bereich (15) innerhalb des Behälters (9).

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   ao Britische Patentschrift Nr. 697 601;

   »Chemical Engineering Progress Symposium Series«, Bd. 50, 1954, Nr. 12, S. 115 bis 117;

   »Proceedings of the Int. Conf. on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1956, Bd. 7, S. 546
   bis 555;

   »Elektrotechnik und Maschinenbau«, 72, 1955,
   S. 340.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen