DE1282801B - Heterogener Hochleistungskernreaktor mit Wasser als Kuehl- und Moderatormittel - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G 21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 82 801.2-33 (A 37355)

4. Mai 1961

14. November 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen heterogenen Hochleistungskernreaktor mit einem natürlichen oder schwach angereicherten spaltbaren Material als Brennstoff und mit Wasser gleichzeitig als Kühlmittel und Moderator, wobei der Reaktor bei einer höheren Wassertemperatur als 100° C, vorzugsweise höher als 200° C, arbeitet und der Brennstoff in Form von Stangen, die gruppenweise zu Säuleneinheiten zusammengefaßt sind, gleichmäßig in dem Reaktorkern angeordnet ist und in unmittelbarer Berührung mit dem Wasser steht, wobei die Säuleneinheiten der Brennstoffstangen an den in Längsrichtung verlaufenden Seiten offen sind, so daß das gesamte Wasservolumen die Brennstoffstangen auch senkrecht zur Hauptströmungsrichtung durchfließen kann.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1055 140, den belgischen Patentschriften 559 766 und 566 406 und der USA.-Patentschrift 2 778 792 sind heterogene Kernreaktoren bekannt, welche ein natürliches oder schwach angereichertes spaltbares Material als Brennstoff und schweres Wasser als Kühlmittel und Moderator verwenden. Diese bekannten Reaktoren arbeiten gewöhnlich bei Temperaturen oberhalb 100° C. Der Brennstoff wird in Form von parallel angeordneten Stangen verwendet, welche in unmittelbarer Berührung mit dem Wasser stehen. Aus der belgischen Patentschrift 564 208 ist es auch bekannt, die Brennstoffstangen an den Enden sowie an einer oder mehreren Stellen ihrer Längserstreckung zu befestigen. Ein derartiger Kernreaktor ist auch aus der britischen Patentschrift 829 165 bekannt.

Weiter ist es aus »The Shippingport Pressurized Water Reactor«, Addison-Wesley Publishing Comp., Sept. 1958, S. 77 bis 79, und aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 769 065 bekannt, mehrere Brennstoffstangen zu einer Einheit als Säule gruppenweise zusammenzufassen und Stangen in den Säulen an ihren Enden und an mehreren Stellen ihrer Länge zu befestigen und die Säulen dicht nebeneinander zur Bildung des Kerns anzuordnen.

Bei allen diesen bekannten Kernreaktoren wird zwar das gleiche Medium, meist schweres Wasser, sowohl als Moderator als auch als Kühlmittel verwendet. Diese doppelte Funktion wird aber nicht gleichzeitig, sondern nacheinander ausgeübt. Die Brennstoffelemente sind daher durchwegs von Leitrohren umgeben, die in den Moderatorbehälter eintauchen und in die das schwere Wasser, nachdem es als Moderator gedient hat, an einem Ende einströmt. Beim darauf erfolgenden Durchströmen der Leitrohre dient das Medium nunmehr ausschließlich als Heterogener Hochleistungskernreaktor mit
Wasser als Kühl- und Moderatormittel

Anmelder:
5

Aktiebolaget Atomenergie, Stockholm

Vertreter:

Dr. H.-H. Willrath, Patentanwalt,
ίο 6200 Wiesbaden, Hildastr. 18

Als Erfinder benannt:
Bernt Torsten Allan Hargö, Solna;
Dick Gilbert Dahlgren, Gustavsberg (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 11. Mai 1960 (4676)

Kühlmittel und verläßt als solches das andere Ende des Leitrohres. Dies bedeutet aber, daß das schwere Wasser in seinem Kreislauf zuerst als Moderator und

»5 dann als Kühlmittel wirkt, nicht jedoch beide Funktionen gleichzeitig ausübt.

Mittels einer solchen Anordnung wird zwar der als Selbstregulierung bezeichnete günstige Effekt erzielt. Andererseits bestehen aber die Nachteile solcher Kernreaktoren darin, daß die genannte Selbstregulierung nur nach einer gewissen Verzögerung auftritt, die durch die Tatsache verursacht wird, daß das Wasser zunächst durch die langen Leitungen bzw. Leitrohre und dann durch die Moderatorkammer fließen muß. Das gleiche gilt natürlich, wenn umgekehrt die Flüssigkeit zuerst durch die Moderatorkammer und dann durch die Leitrohre strömt. Außerdem ist das große Volumen des Moderators in kritischen Situationen nicht zum Gebrauch für eine Wärmeakkumulierung, d. h. als Kühlmittel, verfügbar, da nur der durch die Leitrohre strömende Teil des Mediums als Kühlmittel wirkt.
Ähnliche Kernreaktoren, welche schweres Wasser als Kühlmittel und Moderator gleichzeitig verwenden und bei einer höheren Wassertemperatur als 100° C arbeiten, sind aus den USA.-Patentschriften 2 796 398 und 2787 593 bekannt. Bei diesen Kernreaktoren handelt es sich um frühe, lediglich für Forschungszwecke geeignete Reaktoren und nicht um Hochleistungsreaktoren wie beim Erfindungsgegenstand. Ähnliche Kernreaktoren, bei welchen die einzelnen

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Brennstoffstangen zu einer einzigen den Kern bilden- Platten haben. Die Dicke der Stangen bestimmt in den Säule zusammengefaßt sind, sind aus der deut- bekannter Weise die Möglichkeit zur Abführung der sehen Auslegeschrift 1045 563 und aus »Progress in Wärme, die sich in den Stangen entwickelt. In dem Nuclear Energy«, Series II, VoLI, Reactors, Perga- Hochleistungskernreaktor gemäß der Erfindung sollen mon Press (1956), Fig. 10.2 und 10.3, bekannt. 5 die Stangen vorzugsweise dünn gehalten werden. Im

Schließlich ist aus »Proceedings of the Second Falle zylindrischer Stangen soll der Durchmesser International Conference on the Peaceful Uses of daher weniger als 20 mm, vorzugsweise weniger als Atomic Energy«, 1958, Bd. 8, S. 40 bis 46, sowie 15 mm, betragen. Es sind auch Dicken von nur aus »Directory of Nuclear Reactors«, Vol. I, 1959, 5 bis 7 mm möglich. Die Stangen sollen sich vor-S. 39 bis 44, ein Hochleistungsreaktor bekannt, io zugsweise durch den ganzen Reaktorkern entweder welcher mit gewöhnlichem leichtem Wasser gekühlt in der Längsrichtung oder in der Querrichtung er- und moderiert wird. Bei einem solchen Reaktor be- strecken. Zwei oder mehr Stangen können unter trägt das Verhältnis des Wasservolumens zum Brenn- Bildung einer langen Stange miteinander verbunden Stoffvolumen weniger als 2:1, in einem der beiden sein. Die Stangen sollen an beiden Enden festgelegt Fälle beträgt dieses Verhältnis sogar 1:35. Wenn die 15 sein. Vorzugsweise sind außerdem schlanke Stangen Wärmeentwicklung im Reaktor momentan zu groß noch an einer oder mehreren Stellen über ihre Länge wird, führt diese Wärmeentwicklung zu einer großen in bekannter Weise abgestützt. Drucksteigerung, und die Sicherheitsventile des Wegen der verhältnismäßig großen Abstände

Reaktors müssen sich öffnen. zwischen den Brennstoffstäben ist der Widerstand

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ao für die Wasserströmung gering. Die Strömungseinen mit demselben Wasser gekühlten und moderier- · geschwindigkeit kann beträchtlich kleiner als in den ten, selbst regulierten, heterogenen Hochleistungs- Leitungen eines bekannten Kernreaktors gehalten kernreaktor zu schaffen, bei dem das Wasser in einer werden, und zwar infolge der Tatsache, daß das gederartigen Menge vorhanden ist und bei dem die samte Wasser im Reaktor als Kühlmittel wirkt. Da gleichmäßig über den Querschnitt des Reaktorskerns 25 sich die Brennstoffstangen in guter Berührung mit verteilten Brennstoffstangen für das Wasser so zugang- einem großen Wasservolumen befinden, ist die Gelich sind, daß eine unerwartete Wärmeentwicklung fahr des Trockenkochens durch Überhitzung sehr in den Brennstoffstangen nicht zu einem unzulässigen klein.· Die Brennstoffstäbe können mit einem geTemperatur- oder Druckanstieg in dem Gesamtkühl- ringeren Genauigkeitsgrad hergestellt und montiert volumen führt. 30 werden, als dies bei den genau passenden Brennstoff-

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten ·■ stangen bei der obenerwähnten Reaktorart der Kernreaktor dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß in Fall ist.

an sich bekannter Weise als Kühlmittel und *Modera- Die Erfindung wird nachstehend unter Bezügtor schweres Wasser.dient und daß die Brennstoff- nähme auf die Zeichnung näher beschrieben., stangen voneinander in solehem Abstand angebracht 35 ,Fi g. 1 erläutert eine Ausführungsform des Reaksind, daß das Verhältnis des im Reaktorkern vor- tors nach der Erfindung, wobei ein Teil der Reaktorhandenen Wasservolumens zum Brennstoffvolumen wand und einige Brennstoffsäulen weggebrochen mehr als 5:1 beträgt' - · sind;

Dadurch werden-, die besonders vorteilhaften Fig. 2 zeigt eine Brennstoffsäule;

Merkmale eines mit leichtem Wasser gekühlten 40 Fig. 3 erläutert in größerem Maßstab den Kopf- und moderierten Hochleistungsreaktors der ein- teil der Säule nach F i g. 2.

gangs genannten Art auf einem mit schwerem Der Reaktor der F i g. 1 besteht aus einem Druck-

Wasser gekühlten moderierten Reaktor übertragen gefäß 1 mit einem Deckel 2, Einlaßrohren 3 für und, da ■ eine unmittelbare Übertragung nicht Kühlwasser und Auslaßrohren 4 für das im Reaktor möglich ist, das Verhältnis des Wasservolumens 45 erwärmte Wasser. Das Reaktorgefäß enthält eine zum Brennstoffvolumen größer als 5:1 gemacht. waagerechte Trennwand 5, die einen unteren Raum Dieses Verhältnis von 5:1 ist erstens aus neu- für den spaltbaren Brennstoff und einen oberen tronenphysikalischen Gründen wichtig, da nur Raum ohne Brennstoff oder Wasser voneinander abbei Einhaltung dieser Bedingung das schwere grenzt. Vom oberen Raum kann Wasserdampf durch Wasser seine moderierende Wirkung in optimaler 50 ein Rohr 7 abgezogen werden, und in diesen Raum Weise ausüben kann. Durch Einhaltung dieser Be- kann Wasser durch ein Rohrsystem 6 eingesprüht dingung folgt aber der weitere Vorteil, daß das werden.

Wasservolumen als Speicher dient. Wenn nämlich die Im unteren Raum des Reaktors sind mehrere

Wärmeentwicklung im Reaktor momentan zu groß Brennstoffsäulen 8 von quadratischem Querschnitt wird, kann das Wasservolumen die Wärme ohne 55 angeordnet. Die Säulen ruhen auf geeigneten, nicht Drucksteigerung aufnehmen. Dies stellt einen wesent- dargestellten Trägern, und ihre Kopfenden sind an liehen Vorzug gegenüber den bekannten Leicht- der Trennwand 5 durch pyramidenförmige Halter 9 wasserreaktoren und auch gegenüber den bekannten gesichert. Die Säulen sind in einem Quadratmuster Schwerwasserreaktoren dar, welche nicht die Merk- angeordnet und liegen dicht aneinander, so daß sie male der vorliegenden Erfindung aufweisen. 60 sich gegenseitig unter Bildung eines starren Reaktor-

Die Brennstoffstangen sind dabei in bekannter kerns abstützen. An einigen Stellen ist zwischen vier Weise in einem geeigneten Material, wie einer benachbarten Säulen ein enger Raum vorhanden, um Zirkonlegierung, eingeschlossen. Die Stangen können so die Einführung eines Kontrollstabes 10 zu gekreisförmigen Querschnitt, jedoch auch jede andere statten, der aus einem Neutronen absorbierenden gewünschte Querschnittsform, z. B. die eines Recht- 65 Material besteht. Die Kontrollstäbe ragen durch ecks, besitzen, dessen eine Seite beträchtlich länger Rohre 11 unter den Boden des Reaktorgefäßes und ist als die andere. In diesem Fall werden die Stangen können in an sich bekannter Weise angehoben und also eher die Form von Streifen oder länglichen abgesenkt werden.

Die Säulen sind aus einem Rahmen gefertigt, der aus Längsbalken 12 und Querstangen 13 besteht. In geeigneten Abständen befinden sich in dem Rahmenwerk Halter 14 für die Brennstoffstäbe 15. Diese Halter sind gelocht, so daß sie die Wasserströmung nicht merklich behindern. In F i g. 3 sind die Enden einiger Brennstoffstäbe abgebrochen, um so besser die Öffnungen und Lochungen in den plattenförmigen Haltern 14 zu zeigen. Der Abstand zwischen je zwei Haltern hängt von der Steifigkeit der Brennstoffstäbe 15 ab. Die Brennstoffstäbe, die im dargestellten Beispiel kreisförmigen Querschnitt besitzen, werden so an den Enden dicht gehalten und sind an einer oder mehreren Stellen auf ihrer Länge abgestützt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Brennstoffstäbe so angeordnet, daß drei benachbarte Stäbe sich an den Ecken eines gleichseitigen Dreieckes befinden.

Es ist zu bemerken, daß die Brennstoffstäbe 15 gleichförmig und ebenmäßig über die Querschnitts- ao fläche des Reaktorkerns verteilt sind, wenn die Säulen 8 dicht aneinander liegen. Es sind also nicht mehrere Brennstoffstäbe zu Bündeln zusammengefaßt.

Die Säulen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel im Kern des Reaktors senkrecht angeordnet, und das Wasser fließt parallel zu den Brennstoffstäben aufwärts. Da die Säulen offene Seiten haben, kann ein Seitwärtsfluß des Wassers eintreten. Wenn der Brennstoff ausgetauscht werden soll, kann gewünschtenfalls eine einzige Säule aus dem Kern herausgenommen werden, nachdem die Trennwand 5 abgehoben worden ist, und eine neue Säule kann an ihre Stelle abgesenkt werden.

Claims (2)

Patentansprüche: 35

1. Heterogener Hochleistungskernreaktor mit einem natürlichen oder schwach angereicherten spaltbaren Material als Brennstoff und mit Wasser gleichzeitig als Kühlmittel und Moderator, wobei der Reaktor bei einer höheren Wassertemperatur als 100⁰C, vorzugsweise höher als 200⁰C, arbeitet und der Brennstoff in Form von Stangen, die gruppenweise zu Säuleneinheiten zusammengefaßt sind, gleichmäßig in dem Reaktorkern angeordnet ist und in unmittelbarer Berührung mit dem Wasser steht, wobei die Säuleneinheiten der Brennstoffstangen an den in Längsrichtung verlaufenden Seiten offen sind, so daß das gesamte Wasservolumen die Brennstoffstangen auch senkrecht zur Hauptströmungsrichtung durchfließen kann, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise als Kühlmittel und Moderator schweres Wasser dient und daß die Brennstoffstangen voneinander in solchem Abstand angebracht sind, daß das Verhältnis des im Reaktorkern vorhandenen Wasservolumens zum Brennstoffvolumen mehr als 5 :1 beträgt.

2. Hochleistungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffstangen einen Durchmesser von höchstens 20 mm, vorzugsweise höchstens 15 mm, aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1045 563,
1055140;

deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1769 065;

belgische Patentschriften Nr. 559 766, 564 208,
566406;

britische Patentschrift Nr. 829165;

USA.-Patentschriften Nr. 2778792, 2796 398,
593;

The Shippingpost Pressurized Water Reactor,
Addison-Wesley Publishing Comp., Sept. 1958, S. 77 bis 79;

Progress in Nuclear Energy, Series II, Vol. I, Reactors, Pergamon Press (1956) Fig. 10.2 und 10.3 gegenüber S. 319;

Proceedings of the Second International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, 1958, Bd. 8, S. 40 bis 46;

Directory of Nuclear Reactors, Vol. I, 1959, S. 39 bis 44.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 637/1108 11.68 © Bundesdruckerei Berlin