DE1239411B - UEberhitzerkernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTtW!· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/24

Nummer: 1 239 411

Aktenzeichen: U 9527 VIII c/211

1239411 Anmeldetag: 24. Januar 1963

Auslegetag: 27. April 1967

Die Erfindung betrifft einen Überhitzerkemreaktor, d. h. einen Kernreaktor, bei welchem die im Reaktor durch die Kernspaltung erzeugte Wärme zur Erzeugung von überhitztem Dampf für Kraftwerke dient.

Die Möglichkeit der Ausnutzung der in einem Reaktor auftretenden Spaltungswärme zur Energieerzeugung mittels Dampfkraftanlagen wurde frühzeitig erkannt. Leistungsreaktoren zur Dampferzeugung für Dampfturbinenkraftwerke sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Die Dampferzeugung kann entweder außerhalb des Reaktors oder zumindest außerhalb des Reaktorkerns erfolgen, wobei die Wärmeübertragung vom Reaktorkern auf die Dampferzeugungsvorrichtung über einen Primärkühlmittelkreislauf erfolgt; alternativ kann die Dampferzeugung auch innerhalb des Reaktors und insbesondere innerhalb des Reaktorkerns selbst erfolgen, beispielsweise bei dem bekannten Siedewasserreaktor, bei welchem Wasser zugleich als Moderator- und Kühlmittel dient und laufend ein Teil dieses Moderator- und Kühlwassers in dem Reaktor selbst verdampft wird.

Im Hinblick auf die bekannte Abhängigkeit des Wirkungsgrades von Dampfturbinen von der Dampftemperatur ging dabei das Bestreben dahin, eine Überhitzung des innerhalb oder außerhalb des Reaktors erzeugten Naßdampfes ebenfalls mittels der im Reaktor erzeugten Wärme zu ermöglichen.

Derartige Uberhitzungskernreaktoren, bei weichen also Naßdampf und Heißdampf innerhalb der Spaltzone eines Kernreaktors oder durch Wärmeaustausch mit aus diesem Bereich kommendem erhitztem Kühlmittel erzeugt wird, sind ebenfalls in verschiedenen Ausführungen bekannt. Bei einer Gruppe bekannter Reaktoren dieser Art geht man dabei so vor, daß die Wärmeübertragung auf das Primärkühlmittel zur Naßdampferzeugung (bzw. bei Verwendung von Wasser als Moderator- und Kühlmittel: die Erzeugung des Naßdampfes) einerseits und die weitere Wärmeübertragung auf den außerhalb (oder innerhalb) des Reaktors erzeugten Naßdampf zur Überhitzung andererseits in verschiedenen, getrennten räumlichen Bereichen des Reaktorkerns erfolgte. Dies hat eine Reihe von Nachteilen; insbesondere erfordert dieses Verfahren einen hohen Investitionsaufwand, da unterschiedliche Brennstoff anordnungen für die verschiedenen Bereiche der Spaltzone benötigt werden; außerdem ist ein kompliziertes, teures und störanfälliges Leitungssystem zwischen den verschiedenen Bereichen des Reaktorkerns erforderlich.

Aus der französischen Patentschrift 1198 728 ist bereits ein Überhitzerreaktor bekannt, bei welchem Überhitzerkemreaktor

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Washington, D. C (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C Wallach, Dipl.-Ing. G. Koch
und Dr. T. Haibach, Patentanwälte,
München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:
Clifford Warren Wheelock,
Encino, Calif. (V.St.A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. Januar 1962
(168 857)

sowohl die Wärmeübertragung auf das Primärkühlmittel zur Naßdampferzeugung als auch die Wärmeübertragung auf den innerhalb oder außerhalb des Reaktordruckgefäßes erzeugten Naßdampf zu dessen

■jo Überführung in Heißdampf innerhalb ein- und denselben Brennstoffanordnungen in dem Reaktorkern erfolgt, wobei diese in Form konzentrischer Rohranordnungen ausgebildet sind. Gegenüber den weiter oben erwähnten bekannten Anordnungen stellt dies eine wesentliche Verbesserung dar, da sich durch die Verwendung ein- und derselben Brennstoffelementanordnungen für die beiden Wärmeübertragungen zur Naßdampferzeugung bzw. zur Dampfüberhitzung der Reaktoraufbau wesentlich vereinfacht und der gesamte Reaktorkern für beide Wärmeübertragungen ausgenutzt wird. Bei dem bekannten Überhitzerkernreaktor nach der französischen Patentschrift 1198728 ist nun die Anordnung so getroffen, daß die Übertragung der in den Brennstoffelementanordnungen frei werdenden Kernspaltungs wärme auf das zu verdampfende Wasser zur Gänze oder wenigstens zum größten Teil durch Vermittlung des erzeugten Naßdampfes erfolgt; dieser strömt zu diesem Zweck durch Durchtrittskanäle, welche zwischen den Brenn-Stoffelementen und wärmeleitenden Wandungen vorgesehen sind, die ihrerseits in äußerem Kontakt mit dem zu verdampfenden Wasser stehen. Auch soweit

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bei diesem bekannten Reaktorsystem kompliziertere Brennstoffelementanordnungen mit jeweils mehreren Brennstoffmengen vorgesehen sind, dient jedenfalls jede Brennstoffmenge sowohl der Wärmeübertragung auf das Wasser als auch auf den zu überhitzenden Dampf und steht daher mit diesen beiden Medien in unmittelbarer, wärmeleitender Verbindung.

Dieses Prinzip der bekannten Anordnung, die beiden Wärmeübertragungen thermisch dadurch zu koppeln, daß die Wärmeübertragung an das zu verdampfende Wasser durch den zu erhitzenden Dampf hindurch erfolgt, stellt insofern einen wesentlichen Nachteil dar, als sich hieraus unerwünschte einschränkende Bedingungen für den Reaktorbetrieb und die thermische Optimalisierung der Dampferzeugung ergeben.

Die Erfindung betrifft somit einen Überhitzerkernreaktor, dessen Kern aus einheitlichen sowohl der Dampferzeugung als auch der Dampfüberhitzung dienenden Brennelementanordnungen aufgebaut ist, die jeweils in Form konzentrischer Rohre mit wenigstens zwei räumlich getrennten und radial beabstandeten Brennstoffmengen ausgebildet sind. Durch die Erfindung soll ein derartiger Uberhitzerkernreaktor mit einheitlichen Brennstoffelementanordnungen geschaffen werden, bei welchem die erwähnten Nachteile der bekannten Anordnung nicht auftreten; insbesondere soll die Wärmeübertragung zur Dampferzeugung (bzw. die unmittelbare Verdampfung des Moderator- und Kühlmittelwassers im Falle eines Siedewasserreaktors) und die Wärmeübertragung zur Dampfüberhitzung mit einem möglichst konstanten Temperaturgradienten sowohl in Längsrichtung als auch radial innerhalb jeder Brennstoffelementanordnung gewährleistet werden, und zwar ohne daß hierbei unerwünschte Einschränkungen hinsichtlich der Temperaturpegel der beiden Wärmeübergänge bestehen.

Ein möglichst gleichmäßiger Temperaturgradient in Längs- und Querrichtung innerhalb jeder Brennstoffelementanordnung und für beide Wärmeübertragungen wird deswegen angestrebt, um einen abrupten Übergang von Wasser in Dampf bzw. von Wasser in überhitzten Sättigungsdampf mit örtlicher Überlastung bestimmter Bereiche der Brennstoffelementanordnungen zu vermeiden.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß zwischen den beiden Brennstoffmengen, von denen eine die Wärme für die Dampferzeugung und die andere die Wärme für die Dampfüberhitzung liefert, eine Wärmeisolation angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß die Brennstoffelementanordnung eine konzentrische Anordnung aus einer äußeren Behälterröhre und zwei inneren Röhren aufweist, daß die eine Brennstoffmenge in dem äußeren Ringraum zwischen der äußeren Behälterröhre und der weiter außen liegenden inneren Röhre angeordnet ist, in welchem der Wärmeübergang auf das Primärkühlmittel erfolgt, daß die andere Brennstoffmenge in dem inneren Ringraum zwischen den beiden Innenröhren vorgesehen ist, in welchem die Wärmeübertragung auf den Naßdampf erfolgt, und daß die beiden Ringräume durch ein Wärmeisolationsrohr gegeneinander isoliert sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wärmeisolation zwischen den beiden konzentrischen Ringräumen ein

innerhalb der mittleren Behälterröhre angeordnetes Rohr aus rostfreiem Stahl ist, das an seiner Außenseite mit Ausbeulungen versehen ist, mittels welcher es in geringem Abstand von der weiter außen liegenden inneren Röhre gehalten wird, derart, daß der mit stagnierendem Dampf ausgefüllte Zwischenraum zwischen der weiter außen liegenden inneren Röhre und dem Isolationsrohr eine wärmeisolierende Schicht bildet.

ίο Bezüglich der Ausgestaltung der beiden Brennstoffmengen jeder Brennstoffelementanordnung bestehen dabei die verschiedensten Möglichkeiten; so kann gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform vorgesehen sein, daß die in dem äußeren Ringraum angeordnete eine zur Dampferzeugung dienende Brennstoffmenge in Form einer oder mehrerer vorzugsweise zu den Behälterröhren konzentrischer Röhren oder aber als Anzahl von vorzugsweise radialsymmetrisch verteilt angeordneten, achsparallel verlaufenden Blöcken bzw. Stangen mit Umhüllungen ausgebildet ist. Entsprechend kann zweckmäßig vorgesehen sein, daß die in dem inneren Ringraum angeordnete, zur Dampfüberhitzung dienende andere Brennstoffmenge als vorzugsweise radialsymmetrisch über den Ringraum verteilt angeordnete stab- bzw. stangenförmige Keramikformteile ausgebildet ist.

Die Erfindung eignet sich sowohl zur Anwendung bei Überhitzerkernreaktoren mit Naßdampf außerhalb des Reaktorgefäßes wie bei solchen mit Naßdampferzeugung innerhalb des Reaktorgefäßes bzw. innerhalb der Brennstoffelementanordnungen.

Bei Anwendung auf einen Reaktor mit Dampferzeugung außerhalb des Reaktorkerns bzw. des Reaktorgefäßes kann dabei gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen sein, daß der äußere Ringraum der einzelnen Brennstoffelementanordnungen, in welchem die eine Brennstoffmenge angeordnet ist, jeweils mit einem Primärkühlmittelkreislauf verbunden ist, über welchen die von der einen Brennstoffmenge auf das Primärkühlmittel übertragene Wärme der außerhalb des Reaktorgefäßes angeordneten Naßdampferzeugungsvorrichtung zugeführt wird, und daß der außerhalb des Reaktors erzeugte Naßdampf über eine Leitung dem inneren Ringraum zugeführt wird, in welchem die andere Brennstoffmenge zur Dampfüberhitzung angeordnet ist.

Bei Anwendung auf einen Reaktor mit innerer Dampferzeugung, insbesondere einen Siedewasserreaktor mit Wasser als Moderator- und Kühlmittel, kann zweckmäßig vorgesehen sein, daß der äußere Ringraum der einzelnen Brennstoffelementanordnungen unmittelbar von dem Moderator- und Kühlwasser durchströmt wird und daß der innere Ringraum mit der darin angeordneten anderen Brennstoffmenge einerseits mit dem Naßdampfraum oberhalb des Moderator- und Kühlwasserspiegels und andererseits mit einer Heißdampfsammelkammer verbunden ist.

Bei Anwendung auf einen Kernreaktor mit innerer Dampferzeugung, insbesondere einen Siedewasserreaktor kann gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform vorgesehen sein, daß die zur Dampferzeugung dienende erste Brennstoffmenge jeder Brennstoffelementanordnung unmittelbar als äußere, in das Moderator- und Kühlwasser eintauchende Behälterröhre ausgebildet ist, die an ihrem unteren Ende verschlossen ist und an ihrem oberen

Ende mit einem Naßdampfsammeiraum oberhalb des Moderator- und Kühlwasserspiegels verbunden ist, daß die der Dampfüberhitzung dienende Brennstoffmenge als an beiden Enden offenes Rohr ausgebildet ist, das innerhalb der äußeren Brennstoffröhre konzentrisch angeordnet ist und an seinem unteren Ende mit dem Inneren des äußeren Brennstoffrolirs und an seinem oberen Ende mit einer Heißdampfsammelkammer in Verbindung steht, und daß die Wärmeisolation als Stahlrohr ausgebildet ist, das innerhalb des äußeren Brennstoffrohrs in geringem Abstand von dessen Innenwandung angeordnet ist.

Die Erfindung wird mittels Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennstoffanordnung innerhalb des Kerns eines Siedewasserreaktors, wobei der in einem äußeren Ringraum erzeugte gesättigte Dampf frei durch den in der Mitte gelegenen Überhitzerteil der Vorrichtung strömen kann,

F i g. 2 in schematischer Darstellung eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Brennstoffanordnung innerhalb des Kerns eines Reaktors mit Dampferzeugung außerhalb des Reaktorgefäßes, bei welcher das in einem äußeren Ringraum erhitzte Kühlmittel aus dem Reaktor herausgeführt und Dampf aus einem äußeren Wärmeaustauscher in den mittleren Überhitzerteil der Brennstoffanordnung eingeführt wird,

F i g. 3 in geschnittener Seitenansicht eine Ausführung eines Siedewasserreaktorkerns in einem Druckgefäß,

F i g. 4 im Schnitt in Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennstoffelementanordnung in ihrer Lage innerhalb des Reaktorgitters mit Aufhängung an einem oberen Decken-Verschlußstopfen,

F i g. 5 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennstoffelementanordnung mit einem in dem äußeren Ringraum angeordneten röhrenförmigen Brennstoffelement,

F i g. 6 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennstoffelementanordnung mit in dem äußeren Ringraum angeordneten stabförmigen Brennstoffelementen,

F i g. 7 im Schnitt in Seitenansicht eine Brennstoffelementanordnung mit zwei konzentrischen röhrenförmigen Brennstoffelementen.

Fig. 1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung einen Kernaufbau in Verbindung mit einer schematischen Teildarstellung einer einzelnen Brennstoffelementanordnung. Im einzelnen ist ein Reaktorkernbehälter 11 dargestellt, welcher obere und untere Brennstoffelementgitterplatten 12 und 13 aufweist. Zwischen diesen Gittern ist eine einzelne Brennstoffelementanordnung 14 herausnehmbar angeordnet. Der Innenraum 16 des Kerns kann mit einem beliebigen Moderatormaterial gefüllt sein; in dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Moderator Wasser, das durch beide Gitter und um alle Brennstoffanordnungen herum frei strömen kann. Die dargestellte Brennstoff anordnung 14 weist ein offenes zylindrisches Halterungs- und Befestigungsrohr 17 auf, das durch das obere und das untere Gitter 12 bzw. 13 hindurchführt. Innerhalb der Röhre 17 ist mit Hilfe nicht dargestellter Mittel ein konzentrisches Rohr 18 angeordnet, wie sich aus weiteren besonderen Ausführungsbeispielen noch näher ergibt. Sowohl in dem ringförmigen Bereich 19 als auch innerhalb des konzentrischen Rohrs 18 außerhalb der Röhre 22 sind (nicht dargestellte) Brennstoffanordnungen aus spaltbarem Material angeordnet. Bei der in F i g. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die konzentrische Innenröhre 18 an ihrem unteren Ende bei 21 geschlossen und enthält ein weiteres konzentrisches Rohr 22, das wahlweise ebenfalls Brennstoffsubstanzen tragen kann.

ίο Dieses innerste Rohr 22 verläuft nach oben und steht mit einer dicht abgeschlossenen Dampfaustrittsspeicherkammer 23 oberhalb einer Platte 24 in Verbindung; die Zwischenröhre 18 erstreckt sich nur bis zu einer Höhe oberhalb dem Flüssigkeitsspiegel 26 in einem mit Dampf gefüllten Bereich 32 innerhalb des Innenraums 16. Ferner ist unterhalb des unteren Gitters 13 ein Flüssigkeitseinlaß 27 sowie unmittelbar unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 26 ein Flüssigkeitsauslaß 28 vorgesehen. Schließlich ist auch eine Dampfaustrittsleitung 29 vorgesehen.

Im Betrieb tritt unterkühltes Wasser entweder durch natürliche oder durch erzwungene Strömung in den äußeren Ringraum 19 der Brennstoffanordnung 14 ein und wird allmählich während der Aufwärtsbewegung in dem Ringraum 19 durch die Spaltung des Kernbrennstoffs erwärmt; in der Nähe des oberen Endes entsteht Naßdampf. Am oberen Ende dieses ringförmigen Bereichs tritt ein Gemisch aus Wasser und Naßdampf in den Grenzbereich Dampf/ Wasser an dem Flüssigkeitsspiegel 26 aus, wo Wasser und Dampf voneinander getrennt werden. Das in dem Bereich zwischen den Brennstoffelementen in dem Leerraum 16 verbleibende Wasser dient als Moderator und strömt, bei natürlichem Strömungskreislauf, langsam nach unten für einen erneuten Durchlauf bzw. bei erzwungener Strömung durch die Flüssigkeitsaustrittsöffnung 28 nach außen. Der Dampf steigt in den Sättigungs- oder Naßdampfbereich 32 auf und tritt in den Ringraum 20 ein, wo zusätzliche Wärme von der inneren Brennstoffanordnung auf den Dampf übertragen wird. Wenn der Dampf das untere Ende des Brennstoffelements bei 21 erreicht hat, tritt er in die Auslaßleitung 22 ein, in welcher er durch den Überhitzungsbereich hindurch zurück nach oben und in die Überhitzungskammer 23 strömt, wo er sich mit dem von anderen (nicht dargestellten) Brennstoffelementen herrührenden Dampf vermischt. Indem man weitere Brennstoffanordnungen innerhalb der Röhre 22 vorsieht, läßt sich eine weitere Erhitzung des Dampfes erzielen. Der überhitzte Dampf strömt sodann zu einer (nicht dargestellten) herkömmlichen Dampfturbine oder zu sonstigen anderweitigen Nutzanlagen.

In F i g. 2 ist eine andere bevorzugte Ausführungsform einer Brennstoffanordnung in Verbindung mit einen Kernaufbau dargestellt, bei welcher als Primärkühlmittel ein anderer Stoff als Wasser vorgesehen ist. Bei dieser Bauart tritt ein flüssiges Primärkühlmittel an sich bekannter Art wie beispielsweise bestimmte organische Kohlenwasserstoffe in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 in den äußeren ringförmigen Kanal 19 ein; statt jedoch das Primärkühlmittel zum Sieden und zur Abgabe von Dampf an einen oberen Speicherbehälter zu bringen, wird es auf eine Temperatur oberhalb 100° C erwärmt und sodann aus dem oberen Teil des Reaktors durch die obere Abdeckung 42 hindurch in der Austrittsleitung 29 abgeführt. Das er-

hitzte Primärkühlmittel erzeugt in einem (nicht dargestellten) herkömmlichen Wärmeaustauscher Dampf; der in dieser Weise erzeugte Sättigungs- oder Naßdampf wird sodann in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 in den inneren Röhrenkanal 22 der Brennstoffelementanordnung 14 zurückgeführt.

Der konstruktive Einbau mehrerer Brennstoffanordnungen in einen tatsächlichen Kernreaktor ergibt sich aus Fig. 3.

Sie zeigt einen äußeren Reaktordruckbehälter 11, der einen runden Boden 52 aufweist und an seiner Oberseite mit einem halbkugelförmigen Deckel 53 abgeschlossen ist. Innerhalb des Druckgefäßes liegen die einzelnen Brennstoffelementanordnungen 14, welche den in den F i g. 1 bzw. 2 beschriebenen Ausführungsformen entsprechen, auf Schultern 56 um (nicht dargestellte) Öffnungen in der unteren Gittertragplatte 13 auf. Die Tragplatte 13 ihrerseits ruht auf Ansätzen 59, welche im unteren Teil des Reaktorgefäßes 11 angeschweißt sind. Die Tragplatte 13 ist im allgemeinen auch mit zusätzlichen (nicht dargestellten) Öffnungen versehen, um eine ungehinderte Strömung des Reaktormoderators und/oder Kühlmittels durch sie hindurch zu ermöglichen. Durch die Grundplatte 52 führen mittels flüssigkeitsdichter Abdichtungen 62 Steuerstabantriebe 61. Die Stabtriebe sind in solchen Abständen angeordnet, daß die Stäbe 63 durch Öffnungen 64 in der unteren Führungsplatte 66 sowie Öffnungen 67 in der Tragplatte 13 hindurchtreten können, wodurch der Zutritt zu dem Innenraum 16 gewährleistet ist.

Die Brennstoffelementanordnungen 14 werden im oberen Teil ihrer Länge von einer oberen Traggitterplatte 24 ausgerichtet gehalten; die Traggitterplatte 24 ist ebenso wie der nach oben gewölbte Deckel 72 auf einer Konsole 69 gelagert. Die Traggitterplatte 24 und der Deckel 72 bilden den Naßdampfspeicher 32. Die Konsolen sind auf vorspringenden Ansätzen 74 befestigt, die an der Innenseite des Druckgefäßes 11 angeschweißt sind. Bei der (in Fig. 4 dargestellten) Ausführungsform ist die Traggitterplatte 24 lasttragend ausgebildet, da die konzentrischen Innenröhren 22 der einzelnen Brennstoffelementanordnungen an ihr mittels eines sich verjüngenden Pfropfens 89, welcher eine mit Öffnungen 105 in der Röhrenplatte zusammenwirkende Abdichtung bildet, von der Röhrenplatte 24 herabhängen. Von dem oberen Speicherraum 32 (F i g. 3) führen Heißdampfleitungen 29 durch den oberen Teil des Druckgefäßes 11 zu mehreren Auslässen 76. In der Grundplatte 52 sind auch Eintrittsöffnungen 27 für die Rückführung des Kühlmittels vorgesehen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Brennstoffelementanordnung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die einzelnen, als Ganzes mit 14 bezeichneten Brennstoffanordnungen sind jeweils so ausgebildet, daß sie von oben in einen Reaktorkern, der wie der in F i g. 3 gezeigte Reaktorkern mittels Gitter 12 und 13 gehalten wird, eingesetzt und befestigt werden können; bei geeigneter Abänderung können die Brennstoffanordnungen jedoch auch von unten nach oben in den Kern eingeführt oder auch in horizontaler Lage in diesem angeordnet werden.

Die Brennstoffanordnung besteht aus einer äußeren Röhre 17, die am unteren Ende der Öffnung in dem unteren Gitter mittels überstehender Schultern 86 gehalten wird. Diese an ihren beiden Enden offene

Röhre kann alternativ gegebenenfalls auch von dem oberen Pfropfen 89 getragen werden; in bestimmten Reaktorausführungen kann es erforderlich werden, (nicht dargestellte) Niederhalteeinrichtungen vorzusehen, um zu verhindern, daß diese Röhren durch die Kraft des Kühlmittels von der Schulter 86 abgehoben werden. Innerhalb der Röhre 17 und konzentrisch mit ihr befindet sich die kürzere, unten verschlossene innere Druckröhre 18, die mittels Halo terungen 88 an dem Verschlußstopfen 89 befestigt ist. Am unteren Ende des Rohres 18 sind radiale Fingervorsprünge 91 vorgesehen, welche das Innenrohr 18 in seiner Lage ausrichten. Beide Rohre dienen als Behältervorrichtungen.
Die Innenrohre 18 und 22 sind aus einem Metall hergestellt, das, wie beispielsweise rostfreier Stahl, bei hohen Temperaturen gute Festigkeit besitzt. Das Außenrohr 17 arbeitet bei einer niedrigeren Temperatur und kann aus Zirkonium, einer Legierung hiero von oder möglicherweise auch aus gesintertem Aluminium-Aluminiumoxyd hergestellt sein. Wie weiter unten noch beschrieben, bilden die Materialien, aus welchen diese Rohre hergestellt sind, einen wesentlichen Faktor für die Bestimmung der Neutronen-Ökonomie.

Zwischen dem inneren und dem äußeren Behälterrohr 17 bzw. 18 ist Brennstoffmaterial 92 in Form eines ringförmigen Bauteils oder in der in F i g. 6 gezeigten Konfiguration oder in anderweitigen Kon-

o figurationen, wie beispielsweise vertikal angeordneten Brennstoffzapfen, angeordnet. Dieser Brennstoff dient zur Erhitzung von Kühlmittel und/oder zur Verdampfung von Wasser bei mäßigen Temperaturen; demgemäß können metallische Brennstoffe, wie beispielsweise eine U-Mo-Legierung Verwendung finden, die bei Überhitzertemperaturen weniger geeignet sein mögen. Auch andere Brennstoffe, wie beispielsweise UO₂ in Form von Zapfen oder Bolzen können verwendet werden. Das Brennstoffrohr 92 ist

α im typischen Fall mit einer Verkleidung 93 aus Aluminium oder gesintertem Aluminium-Aluminiumoxyd versehen, welche vergrößerte Oberflächen 94 in Form von Rippen, wie in F i g. 5 gezeigt, besitzt, die den Brennstoff in Abstand von der Behälterröhre 17 halten und Durchtritte 96 für das Kühlmittel bilden. Auch kann mehr als eine konzentrische Brennstoffröhre Anwendung finden. Bei der in F i g. 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sitzt das verkleidete Brennstoffrohr 92 fest in seiner unteren Lage auf

j einer Schulter 97 auf, die sich von der Unterseite des Druckrohres 18 nach außen erstreckt, und wird durch mehrere Abstandsstücke 98 an dem Druckrohr 18 in Abstand von diesem gehalten. Am oberen Ende des Druckrohrs 18 sind an dessen Außenseite

j Halterungen 88 angeschweißt oder sonst befestigt, welche verhindern, daß sich der Brennstoffzylinder 92 unerwünschterweise von der unteren Schulter 97 abhebt.

Das Innenrohr 18 dient als Behälter für den darin < erzeugten Heißdampf; daher ist eine isolierende Auskleidung bzw. ein Futter 99 vorgesehen, um die Wärmeströmung nach außen nach Möglichkeit zu vermindern. Die erforderliche Isolation hängt von den jeweiligen spezifischen Reaktorbedingungen und ι der Reaktorbauart ab. Bei der bevorzugten Ausführungsform nach den F i g. 4 und 5 arbeitet das Innenrohr 18 auf einer Temperatur ziemlich nahe der des Kühlmittels in den Durchtritten 96 des Ringraums,

mit welchem es in Kontakt steht. Eine Wärmeströmung von dem Überhitzerkanal 20 nach außen wird durch eine dünne metallische Auskleidung 99, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, verhindert, die, wie bei 100 angedeutet, mit Ausbeulungen versehen ist, wodurch erhöhte Punkte möglichst geringer Berührungsfläche gebildet werden, die in Richtung auf die Röhre 18 vorspringen. Die mit den genannten Ausbeulungen versehene Auskleidung 99 ist am unteren Ende der Innenröhre 18 mittels einer SchulterlOl oder entsprechender Mittel gehaltert und in ihrer Lage festgelegt. Normalerweise ist bei der Ausführungsform in F i g. 4 keine obere Halterung erforderlich, da bei der gezeigten Ausführungsform der innen abwärts fließende Dampfstrom die mit den Ausbeulungen versehene Röhrenauskleidung in ihrer Lage zu halten bestrebt ist. Der Raum zwischen der Innenseite des Druckrohres 18 und der mit den Vertiefungen versehenen Isolation 99 füllt sich im Betrieb mit verhältnismäßig stagnierendem Dampf, wodurch die Wärmeströmung weitestmöglich verringert wird.

Innerhalb des inneren Druckrohrs 18 und konzentrisch zu diesem ist das Austrittsrohr 22 vorgesehen. Dieses Rohr ist an seinem unteren Ende offen und ist etwas kürzer als das innere Druckrohr 18; das Rohr 22 ragt jedoch nach oben aus der Brennstoffanordnung hervor und steht durch den Stopfen 89, von welchem es getragen wird, hindurch mit der Dampfabflußkammer 23 in Verbindung. An der Außenseite der Auslaßröhre 22 ist mittels geeigneter Klemmringe 106 und Zapfen 107 oder sonstiger bekannter Vorrichtungen der zur Überhitzung dienende Brennstoff, vorzugsweise in Form von Keramikstäben oder anderen Keramikformteilen, in der Zeichnung durch die verkleideten Stäbe 104 angedeutet, vorgesehen.

Zum Betrieb eines Reaktors unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Brennstoffelementanordnung wird der Kern zunächst beschickt, indem man zunächst die äußeren Behälterrohre 17 in die aufeinander ausgerichteten Gitteröffnungen einsetzt, während die Reaktorregel- und -steuerstäbe ganz eingeführt sind. Sodann wird der verbleibende Überhitzerteil der einzelnen Brennstoffanordnungen 14 in geeigneter Weise an der Unterseite des Stopfens 89 befestigt und aufgehängt und der Stopfen sodann nach unten in seine Lage herabgelassen. Sofern kein großer Druckabfall vorgesehen ist, brauchen der Stopfen und die übrigen miteinander zusammenwirkenden Teile nicht zur Erzielung besonders enger Toleranzen bearbeitet zu sein, und das Gewicht der Teile genügt, um die Druckdifferenz zu überwinden. Der Kühlmittelspiegel in dem Innenraum 16 des Kerns (F i g. 3) wird auf ein Niveau in der Nähe oder über dem Dampfaustrittsende der äußeren Röhren 14 eingestellt, so daß sowohl an der Innenwandung als auch an der Außenwandung annähernd der gleiche Druck herrscht. Das innere Druckrohr 18 ist an seinem unteren Ende geschlossen und ragt mit seinem oberen Ende über den Flüssigkeitsspiegel des Reaktors heraus.

Nach Beendigung des Einbaus sämtlicher Brennstoffelemente in die Reaktorgitter (F i g. 3) werden der Deckel 72 des Heißdampfspeicherraums sowie der Reaktordeckel 53 dicht verschlossen. Sodann wird die Wärmeerzeugung durch Spaltung eingeleitet, indem die Steuerstäbe entsprechend herausgezogen

werden; der Reaktor arbeitet dann entsprechend seiner Konstruktion, und sowohl in dem äußeren ringförmigen Strömungskanal als auch in dem Überhitzerkanal wird Wärme erzeugt. Das in dem äußeren Ringraum 19 befindliche Wasser oder Kühlmittel wird erwärmt und etwas Dampf erzeugt, der nach oben in den Naßdampfspeicherraum 32 aufsteigt. Sobald sich ein kleiner Druck aufgebaut hat, drückt der Dampf das Wasser aus dem Überhitzerkanal 20 ίο und strömt in die Dampf austrittsröhre 22, welche in die Dampfaustrittskammer 23 führt.

Es sei betont, daß durch entsprechende Anordnung der einzelnen Teile der Brennstoff elementanordnung relativ zueinander innerhalb jeder einzelnen Brennstoffanordnung sowie durch Wahl der für die Herstellung dieser Einzelteile verwendeten Stoffe die Neutronenökonomie eines Reaktorkerns mit mehreren Brennstoffanordnungen wesentlich verbessert wird. So haben die zur Herstellung der Behälter für den Heißdampf nach dem Stande der Technik dienenden Stoffe im allgemeinen einen höheren Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen als die bei niedrigeren Temperaturen und Drücken verwendeten Metalle und Auskleidungen. Daher sind, wie aus den F i g. 2 bis 6 ersichtlich, die Rohre 18 und 22 zusammen mit der Isolationsauskleidung 99, die sämtlich Neutronen absorbieren, innerhalb der äußeren Brennstoffanordnung 92 angeordnet, wo der Neutronenfluß wegen des größeren Brennstoffvolumens und der größeren Dichte des als Moderator wirkenden Wassers und/oder flüssigen Kühlmittels und auch wegen des außerhalb der Brennstoffanordnungen 14 befindlichen flüssigen oder festen Moderators größer ist.
In den F i g. 6 und 7 sind einige weitere alternative Ausführungsformen von Brennstoffelementanordnungen dargestellt. In F i g. 6 besteht der Brennstoff in dem äußeren Ringraum 19 aus rechteckigen Stangen 122, die mit einer fortlaufenden Oberflächenverkleidung 123 umhüllt sind. Diese Konfiguration ist zur Anwendung metallischer Brennstoffe wie beispielsweise Uranmetallegierungen geeignet. Der Hauptvorteil dieser Geometrie besteht darin, daß nur eine einfache Verkleidungsform erforderlich ist und das Verfahren der Umhüllung daher einfacher ist. Auch kann die Breite des Brennstoffs und damit die Brennstoffmenge in dem mittels Wasser oder einem organischen Kühlmittel gekühlten Bereich 19 leicht verändert werden. Diese Vorteile lassen sich auch erzielen, wenn man zylindrische Brennstoffzapfen an Stelle rechteckiger Stangen oder Riegel verwendet. Die übrigen Teile der in F i g. 6 gezeigten Ausführung entsprechen dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 und 5.
In F i g. 7 ist ein ringförmiger Brennstoffzylinder 131 zur Dampferhitzung mit einer äußeren Umkleidung 132 dargestellt; er führt durch eine Röhrenplatte 24 der Dampfaustrittskammer 23. Ein dazu konzentrischer Brennstoffzylinder 136, der am unteren Ende 137 verschlossen ist, umgibt den inneren Zylinder 131; der äußere Zylinder 136 ist an der Gitterplatte 12 befestigt, die unterhalb der Platte 24 und parallel zu dieser verläuft. Der Siedewassermoderator 139 umgibt den äußeren Zylinder 136 an seiner Außenseite. Der äußere Zylinder isoliert den Heißdampf mechanisch gegenüber dem Siedewassermoderator. Die Wärme wird auf die Siedefraktion durch den Dampf außerhalb des ringförmigen Brenn-

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Claims (13)

Stoffs mit einer Geschwindigkeit übertragen, die in etwa proportional der Gesamt-Heißdampfströmung und damit der Reaktorleistung ist. Die Proportionalität zwischen Siedewärme-Übergangsgeschwindigkeit und Reaktorleistungspegel wirkt dahin, daß der Einnuß der tatsächlichen Leistung und des Abbrands weitgehend verringert wird. Die Einbeziehung eines konzentrischen Isolierzylinders 99 aus Stahl innerhalb des äußeren Zylinders 136, wodurch ein isolierender Totraum 142 gebildet wird, dient ebenfalls zur Hemmung des Wärmeübergangs nach außen durch den Zylinder 136. Patentansprüche:

1. Überhitzerkernreaktor, dessen Kern aus einheitlichen sowohl der Dampferzeugung als auch der Dampfüberhitzung dienenden Brennelementanordnungen aufgebaut ist, die jeweils in Form konzentrischer Rohre mit wenigstens zwei räumlich getrennten und radial beabstandeten Brennstoffmengen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Brennstoffmengen, von denen eine die Wärme für die Dampferzeugung und die andere die Wärme für die Dampfüberhitzung liefert, eine Wärmeisolation angeordnet ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelementanordnung (14) eine konzentrische Anordnung aus einer äußeren Behälterröhre (17) und zwei inneren Röhren (18, 22) aufweist, daß die eine Brennstoffmenge (92) in dem äußeren Ringraum (19) zwischen der äußeren Behälterröhre (17) und der weiter außen liegenden inneren Röhre (18) angeordnet ist, in welchem der Wärmeübergang auf das dampf erzeugende Primärkühlmittel erfolgt, daß die andere Brennstoffmenge (104) in dem inneren Ringraum (20) zwischen den beiden Innenröhren (18, 22) vorgesehen ist, in welchem die Wärmeübertragung auf den Naßdampf erfolgt, und daß die beiden Ringräume durch ein Wärmeisolationsrohr (99) gegeneinander isoliert sind.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren aus einem Material mit einem niedrigen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen bestehen.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Behälterröhre aus Zirkonium, einer Zirkoniumlegierung oder aus gesintertem Aluminium-Aluminiumoxyd und daß die Innenröhren sowie die Wärmeisolationsröhre aus nichtrostendem Stahl bestehen.

5. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Brennstoffmengen (92, 104) sich in den betreffenden Ringräumen über die gesamte Länge der Brennstoffelementanordnung (14) erstrecken und innerhalb der Ringräume entlang deren Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

6. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem äußeren Ringraum (19) angeordnete, 5g zur Dampferzeugung dienende Brennstoffmenge in Form einer oder mehrerer zu den Behälterröhren konzentrischer Röhren (92) ausgebildet ist.

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmig ausgebildete Brennstoffmenge (92) mit einer metallischen Umhüllung (93), vorzugsweise aus Zirkonium oder Aluminium oder gesintertem Aluminium-Aluminiumoxyd, versehen ist, welche äußere Vorsprünge (94) aufweist, die zur Abstandshalterung gegenüber den Behälterröhren und zugleich zur Oberflächenvergrößerung zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf das Primärkühlmittel dienen.

8. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem äußeren Ringraum (19) angeordnete, zur Dampferzeugung dienende Brennstoffmenge in Form einer Anzahl von vorzugsweise radialsymmetrisch verteilt angeordneten, achsparallel verlaufenden Blöcken bzw. Stangen (122) mit Umhüllungen (123) ausgebildet ist.

9. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem inneren Ringraum angeordnete, zur Dampfüberhitzung dienende Brennstoffmenge als radialsymmetrisch über den Ringraum verteilt angeordnete stab- bzw. stangenförmige Keramikformteile (104) ausgebildet ist.

10. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisolationsrohr zwischen den beiden konzentrischen Ringräumen ein innerhalb des inneren Ringraums (20) angeordnetes Rohr (99) aus rostfreiem Stahl ist, das an seiner Außenseite mit Ausbeulungen (100) versehen ist, mittels welcher es in geringem Abstand von der weiter außen liegenden inneren Röhre (18) gehalten wird, derart, daß der mit stagnierendem Dampf ausgefüllte Zwischenraum zwischen der weiter außen liegenden inneren Röhre (18) und dem Isolationsrohr (99) eine wärmeisolierende Schicht bildet.

11. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, bei welchem die Naßdampferzeugung außerhalb des Reaktorgefäßes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringraum (19) jeweils mit einem Primärkühlmittelkreislauf verbunden ist, über welchen die von der einen Brennstoffmenge auf das Primärkühlmittel übertragene Wärme der außerhalb des Reaktorgefäßes angeordneten Naßdampferzeugungsvorrichtung zugeführt wird, und daß der außerhalb des Reaktors erzeugte Naßdampf über eine Leitung dem inneren Ringraum (20) zugeführt wird.

12. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, mit innerer Dampferzeugung, insbesondere Siedewasserreaktor, bei welchem laufend ein Teil des als Kühlmittel und Moderator dienenden Wassers innerhalb des Reaktorgefäßes verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringraum (19) unmittelbar von dem Moderator- und Kühlwasser durchströmt wird und daß der innere Ringraum (20) einerseits mit einem Naßdampfsammeiraum (32) oberhalb des Moderator- und Kühlwasserspiegels (26) und andererseits mit einer Heißdampfsammelkammer (23) verbunden ist.

13. Kernreaktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der innersten