DE1276829B - Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21d

Deutsche Kl.: 21g-21/31

Nummer: 1276 829

Aktenzeichen: P 12 76 829.5-33 (E 32198)

Anmeldetag: 3. August 1966

Auslegetag: 5. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor, Kernreaktor

dessen Reaktivitätssteuerung durch Veränderung der gegenseitigen Brennelementsstababstände erfolgt und

dessen Kern aus Brennelementstäben besteht, die ein-

seitig mit ihren Stirnflächen in einem Haltegitter mit veränderlicher Gitterkonstanten gelagert sind, das aus einer Vielzahl von Gitterelementen zusammengesetzt ist, die senkrecht zu den Stabachsen der Brennelementstäbe beweglich sind.

Viele Probleme bestehen beim Studium schneller Reaktoren in der Aufgabe, schnelle Reaktivitätserhöhungen zu vermeiden oder zu begrenzen. Diese Erhöhungen müssen, wenn sie unbeabsichtigt auftreten, in wenigen Millisekunden oder Mikrosekunden beherrscht werden. Auf der anderen Seite sind Kontrollstäbe, die auf Grund von Neutronenperiodenmessungen, von Messungen des Flusses oder der Temperatur gesteuert werden, nicht schneller als in Größenordnungen von etwa 100 Millisekunden einstellbar. Weiterhin hat man versucht, natürliche Reaktivitätseffekte wie z. B. den Dopplereffekt oder einen negativen Temperatur-Koeffizienten bei thermischer Ausdehnung zur Reaktorkontrolle zu verwenden. Doch für schnelle Reaktoren sind diese Effekte oft nicht ausreichend groß. Schließlich versuchte man, die Gefahr von Reaktivitätserhöhungen dadurch zu verringern, daß man den zulässigen Schwankungsbereich der Reaktivität sehr eng begrenzte, so daß kritische Zustände gar nicht eintreten können.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Reaktivität eines Reaktors, insbesondere eines schnellen Reaktors, sich stark mit dem seitlichen Abstand der Brennelemente zueinander ändert (schweizerischePatentschrift233278; J.R.Dietrich in T. J. Tompson und J. G. Beckerley: The Technology of Nuclear Reactor Safety, Bd. 1, MIT-Press Cambridge, Mass., 1964, S. 41, Absatz4). Diese Erkenntnis hat bereits früher zu Kernkonstruktionen geführt, bei denen die Abstandsänderung mittels beweglicher Haltegitterelemente und mittels Scherenarmen zur Regelung des Reaktors ausgenutzt wurde (deutsche Auslegeschrift 1 071 858). Jedoch ist mit solchen Regelmechanismen keine wesentlich höhere Regelgeschwindigkeit zu erreichen als mit klassischen Regelstäben, und sie lösen damit das vorliegende Problem nicht.

Die Erfindung besteht darin, daß zur Vergrößerung des negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität die Brennelementstäbe an beiden Enden mit kegel- oder pyramidenförmig zugespitzten Stirnflächen in Ausnehmungen von Haltegittern einge-Anmelder:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM),
Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, Patentanwälte,

1000 Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Dr. Carlo Rinaldini, Varese (Italien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 26. August 1965 (36 752)

preßt sind, von denen mindestens eines aus einer Vielzahl von die Brennelementstäbe beabstandenden Gitterelementen zusammengesetzt ist, deren an die Brennelementstäbe angrenzende Kanten Führungen für die Stirnfläche der Brennelementstäbe aufweisen, die ein um die Gesamtheit der Gitterelemente herumgeführter elastischer Gürtel gegen die Stirnflächen der Brennelementstäbe preßt und die ein Anpreßelement, das die Bewegung der Gitterelemente in der Gitterebene zuläßt, während des Betriebes auf einem vorgegebenen konstanten Abstand von dem gegenüberliegenden Haltegitter hält.

Gepfeilte Brennstäbe sind an sich bekannt (deutsche Auslegeschriften 1167458, 1195 877).

Vorzugsweise besitzt der elastische Gürtel eine definierte Bruchstelle, an der der Gürtel bei einem bestimmten Spannungswert aufbricht, so daß die Gitterelemente, die durch Feder oder Gewicht gegen die Brennstäbe gedrückt werden, zwischen die Brennstäbe gelangen, wenn der Gürtel aufreißt. Dabei wird der Reaktor sofort unterkritisch.

809 599/431

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der F i g. 1 bis 5 näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Reaktorkern;

F i g. 2 zeigt einen waagerechten Schnitt durch denselben Kern;

F i g. 3 und 4 zeigen mögliche Ausführungsformen der Gitterelemente, und

Fig. 5 zeigt einen weiteren waagerechten Schnitt durch den Reaktor nach F i g. 1.

Ein Reaktorkern, wie er in F i g. 1 schematisch angedeutet ist, enthält eine Vielzahl von Brennelementen 1, die zwischen einem oberen und einem unteren Haltegitter 2 bzw. 3 vertikal gehalten werden. Das untere Gitter 3 ist im Reaktorkernbehälter 4 befestigt und erlaubt KübJmitteLfluß durch den Kern. Die beiden Brennelementsstirnseiten sind pfeilförmig ausgebildet, wobei die unteren Stirnseiten in entsprechende Aushöhlungen oder Lücken des Haltegitters 3 eingreifen.

Das obere Gitter 2 besteht aus einer Vielzahl von Einzelgitterelementen 6, die unabhängig voneinander senkrecht zur Achse der Brennelemente beweglich sind und nur durch einen elastischen Gürtel 5 von außen zusammengehalten werden. F i g. 2 zeigt an ihrem linken Teil einen Schnitt durch die Gitter- ■ elemente 6 und an ihrem rechten Teil einen Schnitt durch die Brennstäbe gemäß der Linie A-A in F i g. 1. Die Gitterelemente 6 sind im wesentlichen parallelepipedonförmig. Ihre Kanten 7 sind abgeschrägt, und zentral ist ein Loch 8 vorgesehen für den Kühlmittelfluß. Fig. 3 und 4 zeigen im einzelnen zwei solche Gitterelemente. Sie unterscheiden sich lediglich durch die Formen der Abschrägung an den Kanten 7, die der Pfeilform der Brennstäbe angepaßt sind. Je nachdem, ob die Pfeile die Form eines Kegels oder einer Pyramide aufweisen, sind die Abschrägungen glatt oder gewölbt.

Die Brennstabstirnseiten sind zwischen mehreren Gitterelementen angeordnet, vorzugsweise zwischen vier solchen Elementen (F i g. 1 und 2). Im Falle einer Längsausdehnung der Brennstäbe, bedingt durch die Erhöhung der Kerntemperatur, dringen die Pfeile zwischen die Gitterelemente ein und vergroßem somit den seitlichen Abstand der Brennelemente. Die Gitterelemente werden dabei in ihrer vertikalen Stellung durch ein Anpreßelement 9 gehalten, das oberhalb des Gitters angeordnet ist. Dieses besteht in der hier beschriebenen Anordnung aus einem weiteren Gitter, das sich nach oben gegen einen einstellbaren Anschlag 10 abstützt. Die Gitter-Öffnungen gewährleisten den KüMrnittelfluß, wobei jedoch die Maschenweite dieses Gitters geringer als der normale Abstand der Brermstäbe gewählt ist, um die Elemente des Haltegitters horizontal zu fixieren. Ein Querschnitt durch dieses Druckgitter gemäß Linie B-B aus F i g. 1 ist in F i g. 5 gezeigt.

Der beschriebene Kernreaktor besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität, der genügend groß für eine automatische Begrenzung der Reaktivität durch einen geeigneten Pfeilungswinkel der Brennelementstirnseiten gemacht werden kann. In der Kernreaktoranordnung gemäß F i g. 2 kann die größte waagerechte Auslenkung bei einer Brennelementlänge von 25 cm und einer relativen Längenzunahme von 15 · 10~⁶ pro Grad sowie einer Temperaturerhöhung von 100° C sechsmal so groß wie die Längsausdehnung sein. Der Pfeilungswinkel beträgt 90°. Die seitliche Verbiegung der Brennstäbe wird durch geeignete Einstellung des Anschlags 10 und durch entsprechende Auswahl der elastischen Eigenschaften des Gürtels 5 beherrscht.

Das oben beschriebene System für die automatische Kontrolle eines schnellen Reaktors kann mit einem Schnellschlußsystem kombiniert werden, welches den Reaktor im Notfall schnell völlig abschaltet. Wie man aus Fig. 2 ersieht, besitzt der Gürtel 5 eine Stellschraube 11, an der die Gürtelspannung einstellbar ist. Diese Stellschraube wird in einer Form und aus einem Material hergestellt, daß sie bei einer bestimmten definierten Spannung bricht. In diesem Fall fallen die Gitterelemente unter dem Druck des Eigengewichts der Druckmittel 9 zwischen die Pfeile und vergrößern so gleichmäßig alle Zwischenräume zwischen den Brennelementen. Diese Bewegung endet erst, wenn die äußersten Brermstäbe sich gegen einen Anschlagring 13 legen, der an der Innenwand des Kerngehäuses 4 befestigt ist. Auf diese Weise wird die Kernspaltung unterbrochen. Die Anpreßelemente 9 werden vorzugsweise durch Federn 12 gegen die Haltegitterelemente gedrückt.

Die Ansprechzeit für einen Schnellschluß ist wesentlich kürzer als die eines klassischen Systems mit Temperaturmessung, Überwachungslogik und Regelstab-Beschleunigungseinheit. Sie beträgt etwa 10 Millisekunden.

An beiden Enden der Brermstäbe können elastische Gitter vorgesehen sein; die Gitterelemente können jeder gewünschten Kerngeometrie angepaßt werden; sie können dreieckig oder schiefwinklig sein. Schließlich ist es nicht unbedingt notwendig, daß das automatische Regelsystem mit dem Schnellschlußsystem kombiniert wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor, dessen Reaktivitätssteuerung durch Veränderung der gegenseitigen Brennelementstababstände erfolgt und dessen Kern aus Brennelementstäben besteht, die einseitig mit ihren Stirnflächen in einem Haltegitter mit veränderlicher Gitterkonstanten gelagert sind, das aus einer Vielzahl von Gitterelementen zusammengesetzt ist, die senkrecht zu den Stabachsen der Brennelementstäbe beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität die Brennelementstäbe (1) an beiden Enden mit kegel- oder pyramidenförmig zugespitzten Stirnflächen in Ausnehmungen von Haltegittern (2, 3) eingepreßt sind, von denen mindestens eines aus einer Vielzahl von die Brennelementstäbe beabstandenden Gitterelementen (6) zusammengesetzt ist, deren an die Brennelementstäbe angrenzende Kanten Führungen (7) für die Stirnfläche der Brennelementstäbe aufweisen, die ein um die Gesamtheit der Gitterelemente herumgeführter elastischer Gürtel (S) gegen die Stirnflächen der Brennelementstäbe preßt und die ein Anpreßelement (9, 10), das die Bewegung der Gitterelemente in der Gitterebene zuläßt, während des Betriebes auf einem vorgegebenen konstanten Abstand von dem gegenüberliegenden Haltegitter (3) hält.

2. Kernreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Gürtel eine definierte Bruchstelle besitzt, an der sich der Gürtel öffnet, wenn eine definierte Spannung erreicht wird, und daß das Anpreßelement die Gitterelemente (6) zwischen die Brennelementstäbe drückt und damit den Schnellschluß des Reaktors bewirkt, wenn der Gürtel reißt. In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1071858, 877,1167458;

schweizerische Patentschrift Nr. 233 278;

T. J. Tompson und J. G. Berley, »The Technology of Nuclear Reactor Safety«, Bd. 1, 1964, Mass., S. 41.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen