DE1273712B - Fluessigkeitsmoderierter, heterogener Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WJWW* PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

P 12 73 712.1-33 (S 58402)

29. Mai 1958

25. Juli 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft einen flüssigkeitsmoderierten, heterogenen Kernreaktor, in dem die Moderatorflüssigkeit auch als Kühlflüssigkeit Verwendung findet und teilweise getrennte Kreisläufe für die die Brennstoffelemente in entsprechenden Kühlrohren unmittelbar umströmende Flüssigkeit und die den Raum zwischen den Kühlrohren ausfüllende, im wesentlichen als Moderator dienende Flüssigkeit vorgesehen sind. Solche Reaktoren sind in üblicher Weise mit einem sogenannten Moderatorkessel ausgerüstet, der von den die Brennelemente enthaltenden Kühlrohren durchdrungen wird. Einen derartigen Aufbau zeigt beispielsweise der Schwerwasserreaktor, wie er aus der Buchreihe »Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1955, Bd. 3, S. 161, zu entnehmen ist. Hier wird das Kühlwasser für die Kühlkanäle und das Moderatorwasser getrennt voneinander dem Reaktorkern zugeführt. Das Moderatorwasser durchströmt den Moderatorkessel, tritt an der Oberseite desselben aus, vermischt sich dort mit dem bereits aufgeheizten Kühlwasser und verläßt mit diesem gemeinsam den Reaktorkessel.

Eine weitere Ausführangsform eines derartigen Kernreaktors zeigt die britische Patentschrift 753 130. Dort durchströmt das Kühlwasser (gemäß F i g. 1 und 2) zunächst die Kühlkanäle, tritt im aufgeheizten Zustand durch den Moderatorraum hindurch und verläßt anschließend wieder den Reaktorbehälter. Gemäß F i g. 3 und 4 dieser Patentschrift wird die Möglichkeit aufgezeigt, Kühlwasser und Moderatorwasser auf getrennten Bahnen durch die entsprechenden Bereiche des Reaktorkerns hindurchzuleiten. Besondere Einbauten sind im Moderatorkessel nicht vorgesehen.

Zum Stande der Technik ist weiterhin die britische Patentschrift 793 919 zu nennen, die einen Kernreaktor zeigt, bei dem das Kühlmittel einer zentralen Zone des Reaktorkerns zugeführt wird und über eine radiale äußere Zone im Gegenstrom zur zentralen Zone den Reaktor wieder verläßt. Eine Unterteilung hinsichtlich der Funktion als Kühlmittel und als Moderator ist für das Betriebsmittel hier nicht möglich, es handelt sich um einen Leichtwasserreaktor, während die übrigen vorgenannten Reaktoren mit schwerem Wasser als Kühl- und Moderatormittel betrieben werden.

Bei diesen bekannten Reaktorkonstruktionen wird die Moderatorflüssigkeit — soweit eine solche überhaupt vorgesehen ist— durch besondere Einrichtungen auf einem Temperaturniveau gehalten, das niedriger ist als jenes der Kühlflüssigkeit. Da die Aufwärmung der Moderatorflüssigkeit nur durch Flüssigkeitsmoderierter,
heterogener Kernreaktor

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Hermann Kumpf, 8520 Erlangen

Wärmeleitung über die Kühlmitteltrennrohre sowie durch die Absorption von Gamma-Strahlen und die Abbremsung von Neutronen erfolgt, beträgt sie nur einen Bruchteil derjenigen des Kühlwassers, das durch die Brennelemente direkt aufgeheizt wird. Die Durchflußgeschwindigkeit des Moderators durch den Moderatorkessel ist daher nur sehr gering und läßt sich überhaupt nicht vergleichen mit jener des Kühlmittels durch die Kühlkanäle. Innerhalb des Moderatorbehälters bildet sich dabei eine langsame Naturumlaufströmung aus, die sich jener des Moderatorkreislaufes überlagert.

Bei derartigen Reaktorkonzepten besteht die Gefahr, daß es in den einzelnen Kühlmittelführungsrohren zu örtlich konzentrierten Überhitzungen oder Unterkühlungen kommt, etwa durch eine Über- oder Unterspeisung eines Kühlmittelführungsrohres oder durch den Einfluß der Regelorgane. Durch diese Unregelmäßigkeiten in der Temperaturverteilung ergeben sich Änderungen in der Dichteverteilung des Moderators, die unter Umständen zu einem instabilen Verhalten des Reaktors führen können.

Die Erkenntnis dieser Gefahr weckte das Bedürfnis, eine Reaktorkonzeption auf der Basis des genannten Standes der Technik zu finden, bei der solche Instabilitäten mit Sicherheit nicht auftreten können.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Aufnahme der Moderatorflüssigkeit ein Kessel vorgesehen ist, in dem Einbauten z. B. nach Art von Leitblechen derart angebracht sind, daß diese Flüssigkeit, getrennt von dem Zufluß für die Kühlflüssigkeit in die Zentralzone des Reaktors eintretend, zunächst diese, dann nacheinander die jeweils in radialer Richtung angrenzenden Zonen durchläuft und aus der Randzone durch besondere Öffnungen der Kesselwand hindurch austritt, wobei der Kessel und diese Austrittsöffnungen so angeordnet sind, daß die Moderatorflüssigkeit an-

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schließend, mit der zulaufenden Kühlflüssigkeit vermischt, den Kühlkreislauf durchströmt. Die Leitbleche können dabei als koaxial ineinandergeschachtelte Zylinder ausgebildet sein, die zur Bildung eines labyrinthartigen Durchflußkanals abwechselnd an der oberen oder unteren Kesselwand befestigt sind und eine Länge aufweisen, die kleiner ist als der Abstand der oberen von der unteren Kesselwand. Es ist jedoch auch möglich, das Leitblech in Gestalt einer spiralig um die Kesselachse gewickelten, an den oberen und unteren Begrenzungswänden des Kessels dicht anliegenden Blechwand anzuordnen. Dabei ist es dann allgemein zweckmäßig, die Leitbleche zur leichteren Einfügung in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Kühlkanälen als Wellbleche mit parallel zur Längsrichtung der Brennelemente verlaufenden Wellenbergen und -tälern auszubilden.

Durch die durch die Leitbleche erzwungene Ausbildung eines besonderen Strömungsweges ergibt sich eine Moderatorströmung mit wesentlich höherer Geschwindigkeit im Vergleich zu jener bisher üblichen in einem Moderatorkessel ohne Einbauten, so daß dadurch die möglicherweise in einzelnen Kühlkanälen auftretenden örtlichen Überhitzungen oder Unterkühlungen keine Auswirkungen mehr auf die Dichte des Moderators haben und somit die befürchteten Instabilitäten nicht mehr auftreten können. Gleichzeitig damit ist aber auch ein weiterer Vorteil verbunden: Je dichter und, was gleichbedeutend ist, je kälter die Moderatorflüssigkeit ist, desto besser ist ihre Moderatorwirkung und damit das Spaltvermögen der auf thermische Geschwindigkeiten abgebremsten Neutronen. Dadurch, daß der kalte Moderator zunächst der zentralen Zone des Reaktorkerns zugeführt wird, also jener Zone, die den größten Anteil an der Wärmeerzeugung hat, wird somit die Neutronenökonomie des Reaktors verbessert, die mit einem höheren Abbrand des Kernbrennstoffs verbunden ist. Dies aber ist ein Ziel, dem in der Reaktortechnik ganz allgemein, vor allen Dingen auch aus wirtschaftlichen Gründen, zugestrebt wird.

Durch die besondere Art der Strömungsführung, nämlich, daß die im Moderatorraum aufgewärmte Moderatorflüssigkeit zusammen mit der in den Reaktor eintretenden, noch nicht aufgeheizten Kühlflüssigkeit den Kühlkanälen zugeführt wird, wird erreicht, daß die in der Moderatorflüssigkeit entstehende Wärme zusammen mit jener aus den Brennelementen abgeführten Hauptwärmemenge des Reaktors technisch genutzt werden kann. Da das Temperaturniveau am Austritt des Moderatorkessels verhältnismäßig niedrig ist, wäre eine Nutzung dieser Wärmemenge für sich allein praktisch nicht möglich, sie müßte vielmehr, wie es aus dem Stand der Technik her bekannt ist, durch besondere Kühleinrichtungen abgeführt und damit vernichtet werden.

Ergänzend dazu sei noch erwähnt, daß die Ausdrücke Kühlflüssigkeit und Moderatorflüssigkeit auf die Funktion dieses Mediums, das ja in beiden Fällen das gleiche, nämlich vorzugsweise schweres Wasser, ist, hinweisen. Diese Funktion hängt aber mit der räumlichen Anordnung dieses Mediums zusammen, da z. B. eine ausreichende Moderatorwirkung nur durch eine entsprechende Schichtdicke dieser Flüssigkeit erreicht werden kann. In den Kühlkanälen, wo es zum Zwecke der Wärmeabfuhr notwendig ist, möglichst große Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen, ist diese Schichtdicke sehr klein, so daß die Moderatorwirkung dieser Flüssigkeit — zusätzlich infolge der geringeren Dichte wegen ihrer höheren Temperatur — vernachlässigbar klein ist.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei nun auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel verwiesen. Der dort im Schnitt dargestellte Reaktor ist stark schematisiert, alle nicht für das Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendigen Einzelheiten sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Das Kernreaktordruckgefäß 1 enthält in seinem Inneren den Moderatorkessel 2, der seinerseits mit Einbauten zur Erzielung des definierten Strömungsweges in Gestalt koaxial ineinandergeschachtelter Leitzylinder 3 ausgerüstet ist. Diese sind unter Bildung eines labyrinthartigen Durchflußkanals als definiertem Strömungsweg abwechselnd an der oberen oder unteren Kesselwand 4,5 unter Belassung der Ringräume 6 und der Durchflußöffnungen 7 befestigt. Die zentrale Moderatorkesselzone ist in ihrem unteren Teil als Eintrittszone für den durch die Leitung 8 eintretenden kühlen Moderator vorgesehen. Es wird also gerade die kernphysikalisch wirksame Innenzone, wie bereits beschrieben, mit kaltem, d. h. dichterem Moderator beaufschlagt. Dementsprechend mündet die Leitung 8 in den perforierten Ringkanalverteiler 9 ein. Der Moderator strömt gemäß den eingezeichneten Pfeilen vom Ringkanalverteiler 9 zu den Austrittsöffnungen 10 des Moderatorkessels. Dort vereinigt er sich mit dem durch die Stutzenil in das Reaktorgefäß eintretenden Kühlmittel, durchläuft mit diesem zusammen die KüMmittelführungsrohre 12, in denen die Brennstoffelemente 13 angeordnet sind, und verläßt den Reaktorkessel durch den Stutzen 14. Wie bereits erwähnt, ist es zweckmäßig, die Leitbleche nicht als glatte Zylinder auszuführen, sondern mit einem wellblechartigen Profil zu versehen, damit sie leichter in den Zwischenräumen der Kühhnittelführungsrohre 12 untergebracht werden können.

Das gleiche kernphysikalische Ziel wird auch dadurch erreicht, daß an Stelle der koaxialen Zylinder ein spiralig um die Kesselachse gewickeltes, an den oberen und unteren Begrenzungswänden des Kessels dicht anliegendes Leitblech vorgesehen wird. Auch hier ist wiederum, in Übereinstimmung mit der vorher beschriebenen Ausführungsform, die Innenzone des Reaktorkerns am Anfang des spiralförmigen Strömungskanals die Einspeisezone für die noch kühle Moderatorflüssigkeit.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsmoderierter, heterogener Kernreaktor, in dem die Moderatorflüssigkeit auch als Kühlflüssigkeit Verwendung findet und teilweise getrennte Kreisläufe für die die Brennstoffelemente in entsprechenden Kühlrohren unmittelbar umströmende Flüssigkeit und die den Raum zwischen den Kühlrohren ausfüllende, im wesentlichen als Moderator dienende Flüssigkeit vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Moderatorflüssigkeit ein Kessel vorgesehen ist, in dem Einbauten z.B. nach Art von Leitblechen derart angebracht sind, daß diese Flüssigkeit, getrennt von dem Zufluß für die Kühlflüssigkeit in die Zentralzone des

Reaktors eintretend, zunächst diese, dann nacheinander die jeweils in radialer Richtung angrenzenden Zonen durchläuft und aus der Randzone durch besondere öffnungen der Kesselwand hindurch austritt, wobei der Kessel und die Austrittsöffnungen so angeordnet sind, daß die Moderatorflüssigkeit anschließend, mit der zulaufenden Kühlflüssigkeit vermischt, den Kühlkreislauf durchströmt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die Leitbleche als koaxial ineinandergeschachtelte Zylinder ausgebildet sind, die zur Bildung eines labyrinthartigen Durchflußkanals abwechselnd an der oberen oder unteren Kesselwand befestigt sind und eine Länge aufweisen, die kleiner ist als der Abstand der oberen von der unteren Kesselwand.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech die Gestalt einer spiralig um die Kesselachse gewickelten, an den oberen und unteren Begrenzungswänden des Kessels dicht anliegenden Blechwand hat.

4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche als Wellbleche mit parallel zur Längsrichtung der Brennelemente verlaufenden Wellenbergen bzw. -tälern ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschriften Nr. 753 130, 793 919;

Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Vol. 3, 1955, S. 118,137,138,157 bis 168, 251 bis 255, 300.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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