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Kernreaktor Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren, bei denen
zum Zweck der Regelung die Moderatormenge im Reaktorkern verändert wird, deren Reaktorkern
aus einer ein moderierendes Element enthaltenden festen Masse und einer strömungsfähigen,
in ihrer Menge veränderbaren Masse aus dem gleichen moderierenden Element, wie es
in der festen Masse vorhanden ist, besteht. Ein solcher Kernreaktor ist bekannt
(vgl. die deutsche Auslegeschrift 1020 417).
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Es sind ferner Kernreaktoren bekannt, bei denen die Reaktivitätssteuerung
durch Verschieben des Spektrums der Neutronenenergien im Reaktorkem erfolgt. Diese
Spektralverschiebung bzw. Verschiebung des Spektrums wird durch Verändern der Abbremsfähigkeit
eines Neutronenmoderators im Reaktorkern bewirkt. Bei einem Kernreaktor, welcher
von M. C. E d 1 u n d (Nucleonics, August 1957, S. 66)
vorgeschlagen
worden ist, wird die Abbremskraft eines Wassermoderators durch Verändern des Verhältnisses
von Leicht- zu Schwerwasser ün Moderator verändert. Andere strömungsfähige Moderatoren
von veränderlicher Abbremskraft sind ebenfalls vorgeschlagen worden.
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Allgemein ist das Mischen von verschiedenen Moderatoren bekannt. Ferner
sind auch metallische Hydride und gasföriniger Wasserstoff bekannte Moderatoren
(vgl. insbesondere die britische Patentschrift 614 156).
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Keinreaktor, bei dem die Neutronenmoderierung
durch ein Gleichgewichtsgemisch von einerseits einem Aufnahmematerial, welches einen
Neutronenmoderator enthält, und andererseits den gleichen Moderator in einer strömenden
Phase erfolgt, wobei der Reaktor für die Veränderung der Gleichgewichtsbedingungen
so angepaßt ist, daß der Moderatorgehalt des Aufnahmematerials verändert wird.
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Erfindungsgemäß ist die feste Masse ein metallisches Hydrid oder Deuterid,
das in einer der Gasadsorption fähigen Form vorliegt, und die veränderbare Masse
ein wasserstoffhaltiges oder deuteriumhaltiges Gas.
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Ein Kernreaktor mit einer veränderlichen Moderierung dieser Art kann
so gebaut werden, daß er von Haus aus einen hohen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist, d. h. die Eigenschaft hat, bei Temperaturanstieg an Reaktivität
zu verlieren. Diese Eigenschaft ergibt von selbst ein stabiles und sicheres System.
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Zweckmäßig wird zur Veränderung der Gleich-Crewichtskonzentration
des adsorbierten Wasserstoffs in der festen Moderatormasse die Temperatur der festen
Masse und/oder der Gasdruck in dem wasserstoffhaltigen Gas verändert.
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Ein Kernreaktor soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Der Reaktor hat einen kugelförmigen Druckbehälter 11 mit einer
Einlaßöffnung 12 und einer Auslaßöffnung 13, die sich zu unteren und oberen
Kühlmittelräumen 14 bzw. 15 öffnen. Horizontale obere und untere Gitter
16 und 17 stützen aufrecht stehende Druckrohre 18, in welchen
Brennstoffelemente 19 aus umhüllten spaltbarem Material angeordnet sind.
Ein Kühlmittel-Strömungsmittel strömt durch die Rohre 18 und führt Wänne
von den Elementen ab. Die Rohre in einer Moderatorkammer 21, deren Inneres oben
und unten von den Gittern 16 und 17 so abgeschlossen ist, daß es gegen
das Kühlmittel isoliert ist, sind von festem Moderatormaterial umgeben, das aus
einem metallischen Hydrid besteht. In dem Moderator befindet sich ein toroidaler
Sammelraum 22, welcher mit Öffnungen versehen ist, um das Strömen von Strömungsmittel-Moderator
durch seine Wände hindurch zu ermöglichen. Der Sammelraum 22 wird durch eine Leitung
23 gespeist, welche ein einregelbares Kontrollventil 24 hat, durch welches
der Druck in der Moderatorkammer zu verändern ist.
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Schwerwasser unter Druck wird als Reaktorkern-Kühlmittel verwendet,
und Zirkonhydrid als Moderator. Das Zirkonhydrid liegt in der Form von enggepackten
Körnchen vor, welche mit Wasserstoff gesättigt sind, so daß ein Gleichgewichtsgemisch
von Zirkonhydrid und Wasserstoff gebildet wird; der C
Wasserstoff ist in einem
gasförmigen Gemisch von Wasserstoff und einem inerten Trägergas, wie beispielsweise
Helium, vorhanden. Der Sammelraum und die Leituno, 23 sind ebenfalls mit
diesem gasförinigen Z, im
Gemisch gefüllt. Mit Hilfe einer
herkömmlichen Anlage, die mit der Leitung 23 und dem Ventil 24 verbunden
ist, kann der Druck des gasförmigen Gemisches und somit der Partialdruck des Wasserstoffs
innerhalb des Moderators verändert werden. Die Temperatur des Moderators in der
Moderatorkammer ist von - der durchschnittlichen Kühli-Iiitteltemperatur
in dem Behälter abhängio, C, Die Anteile von spaltbarem zu brätbarem Material in
dem Behälter und von spaltbarein Material zu Moderator in dem Behälter sind so gewählt,
daß der Reaktor einen hohen negativen Reaktivitätskoeffizienten der Moderatortemperatur
hat. Dieser Koeffizient ist teilweise eine Folge der Auswirkung der Temperatur auf
die Neutronenabbremskraft des Kühlmittels und teilweise eine Folge einer Entfernung
von Wasserstoff aus dem Moderator mit zunehmender Moderatortemperatur, wobei der
Druck des Wasserstoffs in der Moderatorkammer konstant gehalten wird. Die Neutronenabbremskraft
des Hydridmoderators -in de -in Behälter hängt von dem Wasserstoffgehalt des Hydrids
ab und nimmt somit ab, wenn die Moderatortemperatur erhöht wird, wobei der Wasserstoffdruck
durch das Ventil 24 konstant gehalten wird.
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Der ReaZtor hat außerdem einen positiven Koeffizienten der Reaktivität
des Wasserstoffdrucks (d. h. dem Partialdruck des Wasserstoffs in dem gasförmigen
Gemisch), weil der Wasserstoffgehalt des Hydridmoderators erhöht wird, wenn der
Wasserstoffdruck zunimmt, wobei die Moderatortemperatur konstant gehalten wird.
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Wenn der Reaktor kalt ist, wird er durch Verringem des Wasserstoffdrucks
in der Moderatorkammer um einen solchen Betrag, daß die Abbremskraft des Hydrids
nicht ausreicht, um -den kritischen .-Zustand aufrechtzuerhalten, unterkritisch
gehalten. Der Reaktor wird dadurch in Gang gebracht, daß er auf seine Betriebstemperatur,
beispielsweise durch Erhitzen des Kühlmittels in herkömmlicher Weise, erhöht wird.
Der partielle Wasserstoffdruck in der -Moderatorkammer wird dann erhöht, bis die
Ab---bremskraft des Hydridmoderators derart ist, daß der Reaktor kritisch ist. Danach
kann infolge seines negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktor mit konstantem
Wasserstoffdruck derart gefahren werden, -daß er automatisch der Belastung folgt,
zumindest für langsame Belastungsveränderungen. Er behält dann eine konstante mittlere
Kühlmitteltemperatur bei, ungeachtet der Änderungen in der vom Reaktor ab-#gezogenen
Leistung. Diese Konzeption ist wohlbekannt und braucht nur kurz beschrieben zu werden.
Das Kühlmittel wird von dem Reaktor her durch einen Wärinetauscher in herkömmlicher
Weise geleitet, und die ausgetauschte Wärme wird verwendet, um Dampf für die Gewinnung
von Leistung, beispielsweise durch eine Turbine, zu erzeugen. Ein verstärkter Dampfbedarf
verursacht ein Abfallen der Kühlmitteltemperatur an der Einlaßöffnung mit darauffolgendem
Anstieg der Reaktivität des Reaktors und somit einen Anstieg der Kühlmitteltemperatur
an der Auslaßöffnung. Der Reaktor stabilisiert sich bei diesem größeren Leistungsausgang
mit einem größe-C ren Unterschied zwischen seinen Kühlmittelauslaß-und -einlaßtemperaturen,
aber mit einer konstanten durchschnittlichen Kühlmitteltemperatur. Bei raschen Belastungsänderungen
kann es erforderlich sein, herkömmliche Steuereleinente zu verwenden.
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Während das Abbrennen des Brennstoffs im Reaktor fortschreitet, fällt
die durchschnittliche Kühlmitteltemperatur ab. In Abständen wird diese durchschnittliche
Temperatur dadurch erhöht, daß der Wasserstoffdruck in der Moderatorkammer erhöht
wird, um eine größere Moderierung in dem Reaktor zu verursachen. Dieser Ausgleich
des Reaktivitätsabfalls durch Erhöhen der Moderierung wird fortgesetzt, bis eine
optimale Moderierung des Reaktors erreicht ist, woraufhin der Reaktor mit frischem
Brennstoff beschickt wird.
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Dieser Reaktor ist von Haus aus stabil infolge seines negativen Temperaturkoeffizienten
bei konstantem Wasserstoffdruck. Darüber hinaus verursacht, da das Gasgemisch von
Wasserstoff und inertem Trägergas sich bei einem Druck über Atmosphärendruck befindet,
das Auslecken dieses Gemisches einen Abfall in dem partiellen Wasserstoffdruck und
somit einen Abfall der Reaktivität, Ein Druckminderungsventil reicht aus, um einen
ungesteuerten Anstieg der Reaktivität infolge eines übermäßigen Anstiegs des Drucks
des Gasgemisches zu verhindern. Unter normalen Betriebsbedingungen kann der Reaktor
durch eine Verringerung des partiellen Wasserstoffdrucks abgeschaltet werden. Es
sind Vorkehrungen zum Injizieren eines »Giftes«, d. h. eines starken Neutronenabsorbers,
in das Kühlmittel getroffen, um den Reaktor in einem Notfall rasch abzuschalten.