DE1439331A1 - Heterogener Atomreaktor mit zirkulierendem Brennstoff - Google Patents

Description

PAT ENTANWÄLTE

Dr. D. Thomsen

Dipl.-Chem.

H. Tiedtke

Dipl.-Ing.

jüai..=- ^-:·

G. Bühling

Dipl.-Chem.

Leonard Seltorp Enskede / Schweden

8000 MÜNCHEN 2

TAL 33

TELEFON 0811/22 68 94 TELEGRAMMADRESSE: THOPATENT

München 9. Januar 1969

P at ent anraeldung P 14 39 331.8
T 2560

Heterogener Atomreaktor mit zirkulierendem Brennstoff

Bei der Konstruktion von Atomreaktoren, insbesondere solchen zur Krafterzeugung, sind es vier Begriffe, von denen man sagen kann, daß sie den Gütecharalcter des Reaktors bestimmen, nämlich die thermische Leistung, die Abbrenn-Charakteristik, der spezifische Wärmeeffekt und die Materialkosten des Reaktors. Daneben sind noch einige weitere Faktoren in Betracht zu ziehen, jedoch werden diese gewöhnlich als zweitrangig betrachtet.

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Von den bisher bekannten Reaktoren kann gesagt v/erden, daß keine Bauart alle die vier oben.erwähnten Voraussetzungen erfüllt. Als ein zu erwähnendes Beispiel sei auf die wohlbekannten Schwierigkeiten hingewiesen, die sich ergeben, wo Wasser einen wesentlichen Teil ausmacht, um irgendeine höhere Charakteristik der V/ärmeleistung des Reaktors zu erreichen, bei keramisch gebremsten Reaktoren sei hingewiesen auf die Nachteile des langsamen Aufbrennens usw. usw.

Die Erfindung bezweckt, einen Atomreaktor mit hoher thermischer Leistung, mit hohem und weichem Aufbrennen, mit automatischem Wechsel des Brennstoffes und mit einem in Bezug auf das Reaktor-Volumen hohen spezifischen Wärmeeffekt zu · schaffen. Insbesondere bezweckt die Erfindung einen hohen Abbrenn-Grad dadurch zu erleichtern, daß die Materialdeformation des Brennstoffes infolge der eingeschlossenen Spaltungsgase verhindert wird, was bisher der begrenzende bzw. einengende Faktor war.

Der Atomreaktor nach der Erfindung, der vorzugsweise mit einem sphärischen Behälter versehen ist, in dem teils Brennstoff-Elemente enthalten sind, angeordnet in Form von besonderen Körpern solcher Dimensionen, daß der Reaktor zum hetero-

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genen Typ zählt, und teilweise ein Kühlmittel enthalten ist, in welchem die Brennstoff-Elemente schwimmend liegen, zeichnet sich zur Erreichung der angegebenen Zwecke hauptsächlich dadurch aus, daß die Brennstoff-Elemente im wesentlichen die Form von sphärischen Hohlgehäusen haben, die den hautpsächlich im flüssigen Zustand befindlicrien Brennstoff enthalten und aus einem Brennstoff-Behälter bestehen, der mit etwas Zwischenraum von einem äußeren Gehäuse umgeben . ist, das mit Öffnungen versehen ist, um dem Kühlmittel zu ermöglichen, durch die Außenseite des Brennstoff-Behälters in den „^wähnten Zwischenraum zu fließen, und ferner dadurch, daß der Kühlmittel-Umlauf in dem Reaktor-Behälter und einem hierzu zusätzlichen äußeren Umlauf so ausgebildet ist, daß' zwecks Erreichen einer Brennstoff-Umstellung (Erneuerung) die Brennstoff-Elemente in einem Kreislauf vom äußeren Umfang des Behälters zu seinem Mittelteil und umgekehrt gefördert werden und außerdem aus dem Behälter genommen bzw. in den Behälter zugeführt werden, vorzugsweise an den gleichen Platz.

Um die vorstehend erläuterten Prinzipien wirksam auszuführen, kommt naturgemäß eine Anzahl von verschiedenen Ausführungen in Betracht, jedoch soll die Erfindung im folgenden weiter erläutert werden in Bezug auf eine Verbindung ausgewählter Beispiele verschiedener Ausgestaltung, die in den

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Zeichnungen dargestellt sind.

Pig. I zeigt einen Querschnitt eines Brennstoff-Elements für einen Reaktor nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt des Brennstoff-Behälters in dem Brennstoff-Element nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt, schematisch den Reaktor-Behälter und zusätzliche Anschlußrohre für einen als thermischen Reaktor bestimmten Atomreaktor nach der Erfindung;

Fig. 4 zeigt ein Kühlmittel- und Brennstoffauswechsel-System für den Reaktor nach Fig. 3;

Fig. 5 zeigt einen Reaktor-Behälter für eine andere Ausführung des Reaktors nach der Erfindung, die mit intermittierender Brennstoff-Umstellung arbeitet und gegebenenfalls auch als sogenannter "Brutreaktor"¹;

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch ein Brennstoff-Element für einen Brutreaktor;

Fig. 7 zeigt eine Ansieht auf eine Durchlaßöffnung für das Kühlmittel in dem Brennstoff-Element nach Fig. 6;
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Fig. 8 zeigt einen Zwischenkörper für den Brutreaktor;

Fig. 9 zeigt eine Einrichtung eines elektromechanischen Separators für den Reaktor nach Fig. 5;

Fig. Io zeigt eine Alternative zu der Einrichtung nach Fig. 9;

Fig. 11 zeigt ein wesentliches Detail des Systems nach Fig. 9;

Fig. 12 zeigt einen vertikalen Querschnitt entlang der Linie XIII-XIII in Fig. 11;

Fig. 13 zeigt eine abgewandelte Ausführung der Brennstoff-Kugel;

Fig. 14 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführung der Brennstoff-Kugel;

Fig. 15 zeigt in Verbindung mit Fig. 5 die Ausgestaltung der Steuerketten;

Fig. 16 zeigt in Verbindung mit Fig. 5 ein Beispiel' dafür, wie der Reaktor-Behälter innenseitig aussehen kann.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Brennstoff-Elementes in Form einer Kugel. Der Außendurchmesser dieser Brennstoff-Ele-

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menten-Kugel beträgt etwa 5oo mm, kann jedoch verschiedenen Abwandlungen unterliegen in Bezug auf die. Reaktivität, die Herstellung, die Relationen des spezifischen Gewichts zwischen dem fließenden Mittel und der äußeren bzw. inneren Kugel, der Größe des Reaktors usw.

Das Außengehäuse hat ein geringeres spezifisches Gewicht als das umgebende Kühlmittel und ein beträchtlich geringeres spezifisches Gewicht als der Innenteil 22. Die verschiedenen Teile des Brennstoff-Elements sind einander in . Bezug auf das spezifische Gewicht und die Abmessungen so angepaßt, daß die ganze Kugel im Kühlmittel schwimmt oder fast schwimmt. Außerdem kann das Außengehäuse 21 aus etwas .bremsendem Material bestehen, so z.B. aus mit Silicium-Karbid überzogenem Graphit, das ein spezifisches Gewicht von etwa 1,3 hat, und ferner kann das Außengehäuse 21 in zwei Hälften geteilt sein, so daß die Innenkugel 22 leicht ersetzt werden kann, wenn dies notwendig ist. Darüberhinaus ist die Innenkugel als Behälter für den Brennstoff bestimmt, und durch eine Anzahl von Stützen 23 in einem gewissen Abstand vom Außengehäuse gehalten, so daß ein sphärischer Zwischenraum 24 entsteht.

Das umgebende Kühlmittel fließt von einer Seite her durch in das Außengehäuse eingearbeitete Kanäle in die Kugel und'

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fließt nach dem Vorbeistreichen am Brennstoff-Behälter 22 durch die an der gegenüberliegenden Seite vorhandenen Kanäle wieder heraus. Die beiden äußeren Teile des Gehäuses 21 können durch V-förmige Keile 26 vereinigt sein, die in ihrer Lage durch am Umfang umlaufende Drähte 27 gehalten sind.

Um zu erreichen, daß der leere Raum 28 stets in der gleichen Stellung in Bezug auf die Innenseite des Behälter-Gehäuses gehalten wird, ist der Schwerpunkt des inneren Behälters gegenüber dem des Außengehäusesetwas versetzt. Der sich hieraus ergebende Vorteil wird später noch in Verbindung mit der Beschreibung des Brennstoffbehälters 22 nach Fig. 2 näher erläutert.

Die in dem Mittelteil erzeugte Spaltungshitze hat natürlich etwas schlechtere Möglichkeiten, in das umgebende Kühlmittel abgeleitet zu werden, als die am Umfang gelegenen Teile, wodurch eine Erhöhung der Temperatur im Zentrum der Kugel entsteht, was zu Veränderungen des spezifischen Gewichts des Brennstoffs führt. Aus diesem Grund ergibt sich eine Strömung, wie sie in Pig. 2 durch die Pfeile 29 dargestellt ist.

Der in dem dargestellten Beispiel verwendete Brennstoff 3o besteht aus natürlichem oder etwas angereichertem Uran mit

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einem Gewichtsprozent Silicium. Das Silicium hat hierbei die Aufgabe, die Schmelztemperatur des Urans auf etwa 95o°C zu vermindern, da bei diesen Verhältnissen sich ein Eutek-.tikum bildet, ferner den Korrosionsangriff des Urans auf das Behältermaterial herabzusetzen und auch die inneren Reibungskräfte in der Schmelze zu vermindern, wodurch die Zirkulation erleichtert wird. Der Brennstoff kann auch teilweise aus Plutonium und Thorium bestehen. Das Hinzufügen von Plutonium zu dem Uran läßt sich leicht ausführen, da der Schmelzpunkt von Plutonium nur bei etwa 650⁰C liegt. Thorium wird zweckmäßigerweise in Form von kleinen Stückchen oder Körnchen zugefügt da dessen -Schmelzpunkt (etwa 1 75o°C) zu hoch ist für die in dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel gewählten Temperaturen» Während des Betriebs des Reaktors liegen die Temperaturen bei etwa 1 2oo°C.

Von der Außenseite der Wand des Behälters 22 wird die Hitze aus dem Reaktor durch das vorbeistörmende Kühlmittel abtransportiert, das in diesem Fall aus 95 Gewichtsprozent Magnesium und 5% Blei besteht, was ein spezifisches Gewicht von etwa 2,ο gibt. Die durchschnittliche Temperatur des Kühlmittels liegt um etwa 800⁰C.

Die im Brennstoff erzeugten, die Reaktivität einschränkenden Spaltungsgase steigen zur Oberfläche und werden in dem leeren Raum 28 gesammelt, von wo sie - infolge Überdrucks in

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Bezug auf die Umgebung - die Möglichkeit haben, aus dem Behälter durch den aus gasdurchlässigem Material, z.B. Tonerde, bestehenden oberen Verschluß 31 auszuströmen. Die Spaltungsgase begleiten das Kühlmittel und werden dann aus demselben an der Außenseite des Reaktorbehälters heraussepariert. Da die Schwerpunkte des Brennstoff-Behälters und der Brennstoff-Elementen-Kugel nicht zusammenfallen, befindet sich der poröse obere Verschluß 31 stets oberhalb des geschmolzenen Brennstoffes 3o. Andernfalls würde bei überdruck im Brennstoffbehälter der Brennstoff durch den porösen Verschluß nach außen gepreßt werden.

Um die Korrosions-Widerstandsfähigkeit in Bezug auf den Brennstoff mit einer guten Hitzetransport-Fähigkeit zu verbinden, kann die z.B. aus GEaphit bestehende Behälterwand in geeigneter Weise mit Lagen 32 und 33 versehen sein, die solche Eigenschaften haben. Die Innenlage 32 kann z.B. zusammengesetzt sein aus Zirkonium-Karbid oder Tonerde und die Außenlage 33 aus Silicium-Karbid, metallkeramischem Silicium-Karbid-Silicium oder Beryllium. Ganz außen ist mittels Flamm-Spritz-Verfahrens eine dünne Lage 3¹* aus Molybdän aufgebracht, um die mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhöhen.

Die Neutronen absorbierende Menge des Kühlmittels, das

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gleichzeigt als Tragmittel für die Brennstoff-Elemente verwendet wird, kann um etwa 5o# vermindert'.werden durch Ausfüllen des Zwischenraums zwischen den Brennstoff-Elementen 2o mit kleinen homogenen Kugeln, die einen Durchmesser von etwa l/lo des Durchmessers der Brennstoff-Elementen-Kugeln haben. Diese kleinen Kugeln bestehen geeigneterweise aus etwas Moderator-Material (Bremsmaterial), wie z.B. aus mit Silicium-Karbid überzogenem Graphit, so daß sie das gleiche spezifische Gewicht wie das Kühlmittel haben. Um den hierdurch erzielten Effekt noch weiter zu erhöhen, kann der Zwischenraum zwischen diesen Moderator-Kugeln zu etwa 1/3 mit Körnchen aus ähnlichem Material und mit ähnlichem spezifischen Gewicht angefüllt sein. Diese Körnchen sind dann in das Kühlmittel eingeschlossen und bilden einen Teil desselben und zirkulieren mit dem Kühlmittel zum Austragen der Hitze aus dem Reaktor-Behälter, während die Brennstoff-Elemente und die Moderator-Kugeln lediglich innerhalb des Behälters zirkulieren. Bei höherer Anreicherung des Brennstoffes, z.B. zum Antrieb von Schiffen, können die Moderator-Kugeln und die Graphit-Körnchen entfallen.

Eine Verbesserung des kritischen Zustande des Reaktors kann dadurch erreicht werden, daß ein Zentral-Körper innerhalb des Brennstoff—Behälters der Brennstoff-Elementen-Kugeln angebracht wird, der zweckmäßig aus dem gleichen Material wie

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der gewählte Moderator besteht. Ein Beispiel für eine derartige Ausgestaltung ist in Fig. 13 dargestellt.

In den Pig. 3 und 4 ist ein Beispiel eines Reaktors nach der Erfindung dargestellt. Der Reaktor-Be hälter ist aus hochwarmfestern Material hergestellt, das einen niedrigen Absorptions-Querschnitt für thermische Neutronen hat, z.B. aus Zirkonium, und ist inwendig durch Flamm-Spritzen " mit Molybdän als Korrosionsschutz überzogen. An der Außenseite der Molybdän-Lage befindet sich ein Reflektor 36» z.B. aus Graphit oder Beryllium. Die Behälterwände können verhältnismäßig dünn sein, da es ihre Aufgabe ist, zu verhindern, daß das Kühlmittel den Reflektor erreicht. Der Außenteil des Reaktors, wo auf die Neutronenabsorption keine Rücksicht genommen zu werden braucht, ist ein druckaufnehmendes Gehäuse 37 aus hochhitzebeständigem Stahl.

Die notwendige Kontroll- und Sicherheitsausrüstung für

den Betrieb des Reaktors kann aus Ketten oder Streifen 36 bestehen, die in mit Metall bedeckten Kanälen 39 in dem Reflektor 36 laufen.

Da der Schmelzpunkt des Kühlmittels bei etwa 650⁰C liegt, ißt es notwendig, daß alle Rohre so ausgerüstet sind, daß das Kühlmittel in geschmolzener Form in anderer Weise als durch

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Spaltungshitze gebracht werden kann. Mit Ausnahme des im Reaktor-Behälte'r vorhandenen Mittels "kann dies durch eine um die Rohre gelegte elektrische Widerstandsspirale erreicht werden. Für den Teil des Rohres, der sich in dem weiter unten noch beschriebenen Wärmeaustauscher befindet, kann die Erhitzung dadurch vorgenommen werden, daß ein darin befindliches zweites Kühlmittel zuerst erhitzt wird und dieses dann seinerseits das erste Kühlmittel in dem Rohr zum Schmelzen bringt. Das Kühlmittel in dem Reaktor-Behälter wird geeigneterweise durch die Spaltungshitze geschmolzen, wenn die Brennstoff-Elementen-Kugeln 2o in den Tank gelangt sind.

Um den Behälter im geeigneten Verhältnis zwischen den verschiedenen Ingredienzien zu füllen, besonders beim ersten Inbetriebsetzen des Reaktors, kann die nachfolgend beschriebene Methode angewendet werden. Der Einlaß 4o des Hauptrohrs ist durch einen SchmelzVerschluß aus der gleichen Legierung wie das Kühlmittel blockiert. Da der Reaktor noch nicht in Betrieb gewesen ist, kann das Abdichten von Hand durch eine Person ausgeführt werden, die durch das Rohranschlußstück *J1 · nach unten herabgelassen wird. In gleicher Weise werden die Brennstoff-Elementen-Kugeln, die Moderator-Kugeln, die Graphit-Körner und das Kühlmittel, dies sogar in körniger Form, nach unten herabgelassen. Der Vorzug dieser Methode liegt darin»

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die richtige Anzahl der Brennstoff-Elementen-Kugeln und die Menge der Moderator-Kugeln, für die Raum im Behälter vorhanden ist, in einfacher Weise bestimmt.werden kann. Nachdem das Packen des Behälters beendet ist, wird eine perforierte Sperrplatte 42 an ihren Platz gebracht. Der Reaktor ist nunmehr fertig, um in Betrieb gesetzt zu werden. Nach und nach schmelzen die Kühlmittel-Körnchen und sammeln sich in dem unteren Teil des Reaktors. Durch das oben

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erwähnte Rohranschlußstück 41 werden weitere Körnchen in den Reaktor eingegeben, bis das Eichmaß 42 A, durch Erreichen einer Ebene 43, abweicht. Die Bedeutung des Erreichens dieser Ebene 43 wird später noch erklärt. Der Rest des Rohrsysfcems wird mit Kühlmittel durch ein Rohr 44 aufgefüllt, Fig. 4.

Wenn diese Stufe abgeschlossen ist, können die Hauptpurape 45 und die Pumpe 46 im Rohrsystem 47 in Betrieb genommen werden. D^e Pumpen sind zweckmäßig elektro-magnetischer Bauart. Da die Pumprichtung im Normalbetrieb entsprechend den ausgezogenen Pfeilen verläuft, geht das im Reaktor-Behälter erhitzte Kühlmittel durch das Hauptrohr 48 nach unten durch die Rohrspirale 49, wo die Spaltungshitze abgegeben wird, und kehrt dann in den Behälter durch das Rohr 5o zurück. Diese Strömung bringt dem Reaktorinhalt eine bewegte Zirkulation in Richtung der Pfeile 51. Um diesen

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Effekt der bewegten Zirkulation zu verstärken, läßt man das Kühlmedium zweckmäßigerweise durch das Rohrsystem 47 tangential in den Behälter einströmen. In Abhängigkeit von der Größe des Reaktors kann die Zahl der vorhandenen tangentialen Rohre z.B. bei 8 bis 12 liegen," vorzugsweise sogar oben und unten verteilt und in Verbindungsringen verbunden sein. Diese Zirkulation zwischen dem starken Neutronenfluß im Mittelteil und dem weniger starken Neutronenfluß an der Peripherie bewirkt ein weiches Aufbrennnen allen enthaltenen Brennstoffes.

Um zu verhindern, daß die Brennstoff-Elemente und die Moderator-Kugeln das Kühlmittel nach außen aus dem Reaktor-Behälter bei Normalbetrieb begleiten, sind alle Auslaßöffnungen mit perforierten Platten 42, z.B. aus Graphit, abgesperrt .

Beim Brennstoffwechsel wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels umgekehrt, so daß der Reaktorinhalt nach außen durch das Rohr 5o ausströmt, in Richtung des gestrichelten Pfeils, und durch die Rohrspirale 49 auf eine oberhalb der Ebene 43 gelegen Ebene transportiert wird, welche Ebene das Kühlmittel erreicht, wenn die Pumpen ausgeschaltet sind. In dem Separator 52 werden das Kühlmittel, die Moderator-Kugeln und die Körnchen hierdurch von den Brennstoff-

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Elementen-Kugeln 2o separiert und kehren durch das Rohr 53 in den Behälter ssurüek. Es ist möglich, daß Separieren durch Anwendung des Zentrifugal-Prinzips durchzuführen. Die Brennstoff -Elementen-Kugeln laufen weiter durch das Rohr 54, passieren einen Zähler 55 zur Kontrolle, daß alle Kugeln den Reaktor-Behälter verlassen haben, und rollen dann durch das Rohr 56 auf einen Förderer zum weiteren Transport in den Abfall-Speicher. I

Neue Brennstoff-Elementen-Kugeln 2o werden durch ein Rohr 57 eingegeben und passieren ebenfalls einen Zähler 58, damit geprüft werden kann, daß .die Zahl dieser eintretenden Kugeln dieselbe ist wie die der zum Abfall-Sepeicher transportierten Kugeln, und gehen dann durch das Rohr 44 und laufen in das System hinein.

Aus einem Rohrauslaß 59 im Reaktor-Behälter, der sich a unter der gestrichelten Linie 60 befindet, die die Ebene des Reaktorinhalts angibt, wenn der Behälter ohne Brennstoff-Elementen-Kugeln ist, wird das Transportmittel, das lediglich aus dem Kühlmittel besteht, mittels der Pumpe 6l durch das Rohr 62 gepumpt und trägt neue Brennstoff-Elementen-Kugeln in der normalen Strömungsrichtung des Kühlmediums in den Reaktor-Behälter.

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Die Rohrspirale 49» zum Transport der Brennstoff- . Elementen-KugeIn nach unten und obenj kann wie schon erwähnt, vorzugsweise auch als Wärmeaustauscher verwendet werden. Das zweite Kühlmittel, das z.B. aus M,5% Blei und 55i5% Wismut besteht und einen Schmelzpunkt von 125⁰C hat> kann darin· durch' das Rohr 63 (Fig. 4) eintreten und durch das Rohr 61 wieder austreten, Wenn dieses zweite Kühlmittel etwa Has gleiche spezifische Gewicht wie die oben er« wähnte Rohrspirale hat, kann die letztere als gewichtslos in-Bezug auf den Aufhängungepunkt angesehen werden, was in hohem Maße dazu beiträgt, die Materialbeanspruehungen in

" 2üm gJMt&eh^^eck käfth die Röhröpiiaiö frei iswiScheh dem Boden des umgebenden Behälters Und der Decke aufgehängt ssiri, d.h. ijßde Windung der Röhrspirale ist mit beweglichen Gliedern bzw. Laschen 65 verbundenj die ein gewisses Maß Von Freiheit in vertikaler wie auch in horizontaler Richtung haben. Das zweite Kühlmittel gibt in diesem Beispiel, durch die Relation des spezifischen Gewichts, der Rohrspirale eine geringe aufwärts gerichtete Kraft, was eine Neigung der Rohrspirale zum Schweben nach oben zur Folge hätte, wenn sie nicht in ihrer Lage durch die oben erwähnten Laschen gehalten würde. Infolge des Kühleffekts und damit folgend dem ziemlich starken Temperaturgefälle in Strömungsrichtung, führt die

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thermische Beanspruchung zu einer Veränderung der Durchmesser in den verschiedenen Rohrwindungen. Durch das oben erwähnte System, bei dem bewegliche Rohrwindungen vorgesehen sind, lassen sich die gefährlichen Beanspruchungen ausschalten. Als Alternative zu dieser als Kombination von Transportvorrichtung und Wärmeaustauscher ausgebildeten Spirale könnten selbstverständlich auch gesonderte Vorrichtungen für die genannten Zwecke vorgesehen sein und ein konventioneller Wärmeaustauscher verwendet werden.

Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, sind in diesem System keine Ventile notwendig, was als großer Vorteil anzusehen ist, da es mit Sicherheit erhebliche Schwierigkeiten mit sich bringen würde, um deren Funktionsfähigkeit beim Arbeiten mit Temperaturen von 800⁰C und mehr au erhalten. V/enn jedoch das System zwecks Inspektion oder aus anderem Grund entleert werden soll, so kann dies durch Sprengen des Diafragmas 65 A im untersten Punkt des Systems erreicht werden, jedoch erst nachdem der Reaktor-Behälter von den Brennstoff-Elementen-Kugeln entleert worden ist. Die Spaltungsgase, welche durch den porösen oberen Verschluß 31 in Fig. 2 nach außen in das Kühlmittel gelangt sind, folgen demselben auf seinem Weg aus dem Reaktor-Behälter hinaus. In dem Separator 66 werden sie separiert und durch das Rohr 67 in besonders vorgesehene Sammelbehälter geleitet.

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Der oben beschriebene Atomreaktor wird als zum thermischen Typus gehörig angesehen und kann, wie beschrieben, für einen kontinuierlichen Umlauf zwischen den Brennstoffwechseln ausgebildet und bestimmt sein. Vom Standpunkt der Sicherheit aus ist jedoch der Reaktor zuverlässiger, wenn er für intermittierenden Betrieb nach den gleichen wesentlichen Grundsätzen ausgebildet ist.

Ein Reaktor mit intermittierender Umstellung der Brennstoff-Elemente wird nachstehend weiter beschrieben in Bezug auf die Fig. 5 bis 12, wobei jedoch hier zur Erläuterung als Beispiel ein Reaktor der sogenannten Schnellbrut-Bauart gewählt wurde. Die intermittierende Version wird geeigneterweise dann gewählt, wenn z.B. die spezifische Kraftausbeute (power output) aus dem Brennstoff stärker zunimmt als dies bei der Version mit kontinuierlicher Zirkulation möglich ist. Diese Zirkulations-Ausführung wird wahrscheinlich etwas komplizierter sein, bietet jedoch auf der anderen Seite bestimmte Vorteile. Außer dem bereits erwähnten, namentlich den Möglichkeiten der höheren spezifischen Kraftausbeute, ist folgendes zu beachten: Wenn das Kühlmittel während des normalen Betriebs keine irgendwie geartete Umkehrbewegung in dem Reaktor ausführt, sondern lediglich in gerader Richtung hindurchfließt, lassen sich verbesserte Kontrollmöglichkeiten dadurch erreichen, daß der Brennstoff während der Ausbeute-Periode

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still liegt. Dies ist besonders wesentlich für diese Version.

Die Begrenzung der Brennstoff-Zirkulation zwischen dem Mittelteil und den perlpherischen Teilen des Reaktors kann ohne grMereö Maß ^ran Schwierigkeiten durch das Reaktor-3ysteÄ Irrlicht Werden. Wenn die Abbrenn-Differenz im Brennstoff^ tischten den erwähnten Teilen einen solchen Wert erreicht hat, daß man den Brennstoff im Mittelteil gegen Brennstoff von der Peripherie ersetzeri möchte, kann die Zirkulation laicht Wieder in Gang gesetzt würden. Die hier erwähnte ö 8eaKt;örs wird nachstehend in Verbindung init ■■■'■ .'' 5^ctjiöohrieben_t die ^eineft Querschnitt 'durch den üeäktör

ira ang^höflimün, ^JdäÄ ä«r Reaktor mit' seinem^ ßieöhrieben, gefüllt ist, '

'Während des Betriebs bei KraftäusstoÄ gelangt das Kühlmittel^ wie öbön beschrieben, durch das zentrale Hauptrohr 7ö A iri den Behälter. Außerdem gelangt das Kühlmittel in den Reaktor^Behälter durch eine Anzahl von seitlich angebrachten, über den ganssen Boden des Reaktor-Behälters verteilten Rohren. In der beispielsweise dargestellten Ausführung sind diese mit den konzentrischen Einlaßringen 73, 7^ und 75 verbunden. Die Verteilung der Rohre ist des weiteren in Fig. 15 dargestellt. Um ein Blockieren der Rohröffnungen durch einige der Brenn-

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stoff-Elementen-Kugeln zu verhindern und um eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels zu erleichtern, ist die Innenseite des Reaktors tnit einer Distanghaltesehicht 68 A versehen. Die Rohre führen lediglich bis zur Außenseite dieser Schicht. Die Verbindung mit dem Behälter ist über Schlitze oder Öffnungen in der Schicht hergestellt. Ein Beispiel für das Aussehen der von der Innenseite des'Behälters gesehenen Schicht, in Blickrichtung A-A in Pig. 5» ist in Pig. 16 dargestellt und zeigt Schlitze ebenso wie zwei Rohrauslässe* ■'■'■." \ - ' ■'-'■■■ '""■■ ^:

Während des Vorganges der Kraft«'bzw. Leistung^verteilung geht das Kühlmittel, wie Vorstehend erwähnt, sowohl durch das Hauptröhr 72, wie auch durch die Rohre 75, 74 und 75»die ihre Wärme in den Wärmeaustauscher 49 abgegeben haben. Das Kühlmittel ist nach dem Einfließen in den Reaktor-Behälter nahezu gleichmäßig über den Querschnitt verteilt und durchläuft den Behälter in Richtung der ausgezogenen Pfeile. An der Außenseite tritt das Kühlmittel durch das Hauptrohr 71 und teilweise über die Schlitze in der Schicht durch zu den an der Einlaßseite entsprechenden Auslässe in die konzentrischen Sammelringe 73, 74 und 75 über, um durch die Rohre 74 A und 75 A weiter zu dem Wärmeaustauscher 49 gefördert zu werden. Wenn das Abbrennen die Stufe erreicht,

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in der wünschenswert ist, den mittleren Brennstoff gegen Brennstoff von der Peripherie zu ersetzen, wird der Reaktor abgeschaltet. Die Strömungsrichtung in den Rohren 73, Jk wird mittels der elektromagnetischen Pumpe umgekehrt.

Die Strömungsrichtung in dem Hauptrohr 72 bleibt aufrechterhalten und wird in dem Rohr 78 unterbrochen. Der Brennstoff und der Reaktorinhalt beginnen dann durch den eingeleiteten Strom sich in der von den gestrichelten Pfeilen dargestellten Weise zu bewegen.

Nach einer Weile ist 'der Brennstoff in dem Mittelteil durch Brennstoff aus der Peripherie ersetzt worden. Die geeignete Strömungszeit kann experimentell erhalten werden, da bei erneutem Anlassen des Reaktors beobachtet werden kann, wie durch die Brennstoffumordnung die Reaktivität gewechselt hat. (

Das Ersetzen der ausgebrannten Brennstoff-Elemente wird wie vorstehend beschrieben durch Umkehrung der Strömungsrichtung in dem Hauptrohr 72 herbeigeführt, wodurch der Strom des Kühlmittels die ausgebrannten Elemente austrägt und in gleicher Weise neue Elemente in das System einfuhrt.

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Wie in Pig. 5 dargestellt können die Kontrollketten vorzugsweise in der Weise aufgeteilt werden, daß jede Kettedurch einen Quadranten in der Querschnittsfläche gleitet. Auf diese Weise kann die Oberfläche des Reaktors wirksamer bedeckt werden, wodurch eine bessere Kontrolle erzielt wird. Die allgemeine Anordnung der Ketten ist aus Fig. 15 ersichtlich. ■ ' .

Dieser in Fig. 5 als Beispiel dargelegte Schnell-Brutreaktor besteht aus einem Reaktor-Behälter 68, dem in diesem Beispiel eine sphärische Form gegeben wurde. Der Reaktor-Behälter besteht aus einem hochhitzebeständigen Stahl, der korrosionsfest gegenüber dem Kühlmittel sein kann. Es kann jedoch irgendein beliebiger anderer Stahl zur Verwendung in Betracht kommen, wenn die Innenseite des Behälters mit einem gegenüber dem Kühlmittel korrosionsfesten überzug versehen wird. Rund um den Reaktor-Behälter 68 ist ein Neutronen-Reflektor 69 angeordnet, der gleichzeitig für Wärmeisolationszwecke vorgesehen ist, wenn die Isolation als eine Versteifung dienen soll, die einer Verformung des Reaktor-Behälters infolge Einfluß der hohen Temperaturen begegnet und die Reaktorstärke (bzw. -dicke) herabsetzt.

Der Reflektor ist in geeigneter Weise durch gesonderte eingebaute Rohre gekühlt. Unmittelbar an der Außenseite des

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eigentlichen Reaktor-Behälters 68 sind Kontrollvorrichtungen in Form von Streifen oder Ketten 7o vorgesehen.

Der Reaktor ist mit mittig, oben und unten angeordneten Anschlüssen 71 und 72 ausgerüstet, um eine Verteilung bzw. Anordnung des Kühlmittels und ebenso einen Austausch der Brennstoffe-Elemente zu ermöglichen, wie das nachfolgend näher beschritben werden wird, f

Konzentrisch rund um die Anschlüsse 71 und 72 sind weitere Rohranschlüsse 73»'Τ** und 75 angeordnet, die.ihrerseits mit kreisförmigen Verbindungsrohren 76, 77 und 78 -verbunden sind, wobei die weiteren Anschlüsse zur Erleichterung der . Zirkulation des Kühlmittels vorgesehen sind. Diese Zirkulation ist in Fig. 5 durch ausgezogene Pfeile dargestellt, die die Zirkulation in normalen Ablauf darstellen, während gestrichelte Pfeile die Zirkulation während der Umordnung der * Brennstoff-Elemente veranschaulichen. Der Reaktor-Behälter 68 ist fast ganz mit Brennstoff-Elementen 79 der in Fig. 6 im einzelnen dargestellten Art gefüllt. An den Anschluß 7ο Α ist ein Hauptzirkulationsrohr 72 A angeschlossen, das mit einer Hauptzirkulationspumpe '8o beaufschlag; wird. Diese Hauptpumpe kann infolge der Tatsache, daß das Kühlmittel, wie später beschrieben wird, vorzugsweise elektrisch leitend ist, geeigneterweise in elektromechanischer Bauart ausgebildet sein, was hinsichtlich zu der ziemlich hohen Temperatur des

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Kühlmittels während des Betriebs vorteilhaft ist. Das Hauptzirkulationsrohr 72 A hat geeigneterweise einen Sprengdeckel 81 am untersten Teil des Systems, um ein schnelles und vollständiges Entleeren des Systems zu erleichtern.

Jedes der Brennstoff-Elemente 79 besteht aus einem vorzugsweise sphärischen Behälter 82, der eine Anzahl von unterschiedlichen Anforderungen erfüllen muß. So muß der Behälter an der Innenseite korrosionsfest gegenüber dem Brennstoff 83 und an der Außenseite korrosionsfest gegenüber dem Kühlmittel sein, was beides des näheren unten beschrieben wird. Ferner muß der Brennstoff-Behälter in mechanischer Hinsicht bei den herrschenden Temperaturen stabil sein und daneben eine gute thermische Leitfähigkeit auf v/eisen. Vorzugsweise sollte der Brennstoff-Behälter 82 einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, um die thermischen Spannungen im Material herabzusetzen. Für diese Zwecke kann eine Herstellung des Brennstoff-Behälters 82 z.B. aus Graphit in Betracht kommen, wobei er an der Innenseite mit einem Überzug aus Zirkonium-Karbid bedeckt ist ι Für den gleichen Zweck kann der Brennstoff-Behälter auch an der Außenseite mit einem Überzug aus einem Material versehen sein, das der Art des Kühlmittels entsprechend gewählt ist. Wie in Fig. 6 dargestellt, ist der Brennstoff-Behälter ,

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82 nicht vollständig mit Brennstoff 83 gefüllt, sondern es ist ein freier Raum 84 an der Oberseite zum Sammeln von Spaltungsgasen und außerdem zur Ermöglichung von Brennst off Volumenänderungen bei Temperaturänderungen belassen. Im oberen Teil des Brennstoff-Behälters 82 ist ein Verschluß 85 aus gasdurchlässigem Material vorgesehen, so daß die erzeugten Spaltungsgase das Brennstoff-Element verlassen und in das Kühlmedium zum weiteren Transport aus dem Reaktor hinaus übertreten können.

Der Brennstoff-Behälter 82 ist von einem Außengehäuse 86 umgeben, das in einem bestimmten Abstand von der Außenseite des Brennstoff-Behälters mit Zapfen bzw. Ansätzen 87 gehalten ist, die geeigneterweise mit dem Brennstoff-Behälter aus einem Stück gebildet sind. Das Gehäuse 86 ist mit einer Anzahl von öffnungen 88 versehen, die es ermöglichen, daß das Kühlmittel in den von den Ansätzen 87 an der Außen- i seite des Brennstoff-Behälters 82 geschaffenen Zwischenräumen fließt. Um zu vermeiden, daß die des weiteren beschriebenen Zwischenkörper die öffnungen 88 blockieren, sind diese öffnungen zumindest radial außen länglich gestaltet, z.B. im Querschnitt oval, wie das in Fig. 7 dargestellt ist.

Das umgebende Außengehäuse 86 hat, wie in Fig. 6 dargestellt, die Form eines vollständig unabhängigen, in sich abge-

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schlossenen doppelvrandigen Hohlkörpers, dessen Hohlräume

89 mit einem gasförmigen Medium gefüllt öder aber evakuiert sind. Dieses gasförmige Medium kann aus Argon oder irgendeinem anderen Gas bestehen, das weder mit dem Wandungsmaterial reagiert noch die Neutronen bremst. Das Außengehäuse 86 der Brennstoff-Elemente besteht aus zwei halbsphärischen Teilen 86 A und 86 B, von denen jedes vollständig abgeschlossen und im wesentlichen entlang einer Verbindung

90 am Außenumfang verbunden ist und zentriert zueinander mittels Zapfen 91 am Teil 86 B gehalten sind, die in entsprechende Bohrungen in dem anderen Teil 86 A eingreifen.

Wie oben beschrieben, liegt der Schwerpunkt des Brennstoffs unter dem Schwerpunkt für das Brennstoff-Element als Ganzes, was dadurch erzielt ist, daß die Ansätze 87 am unteren Teil des Brennstoff-Behälters kürzer sind als an seinem oberen Teil. Dadurch ist sichergestellt _s daß der gasdurchlässige Stopfen 85 immer an der Oberseite gelegen ist und die Spaltungsgase auftreten läßt. Die Ansätze tragen ebenfalls beträchtlich zum Abführen von Wärme von dem gespaltenen Brennstoff in das Kühlmittel bei.

Die Brennstoff-Elemente 79 haben in der Praxis einen Durchmesser in der Größenordnung von loo bis 500 Millimeter_s

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so daß deshalb verhältnismäßig große Zwischenräume zwischen ihnen vorhanden sind. Obgleich das in Fig. 5 nicht dargestellt ist, ist es ratsam, diese Zwischenräume mit Neutronen absorbierenden Zwischenkörpern 92 zu füllen, z.B. in der in Fig. 8 dargestellten Art. Diese Zwischenkörper 92 haben ein beträchtlich geringeres Volumen als die Brennstoff-Elemente und bestehen hauptsächlich aus Brutmaterial (fertile Material), z.B. Thorium. Zweck der Verwendung dieser Zwischenkörper 92 ist zu sichern, daß eine größtmögliche Menge von Brutmaterial im Reaktorkern enthalten wird, wodurch die Reaktivitätsbedingungen günstig beeinflußt werden. Die Zwischenkörper 92 haben geeigneterweise die Form sphärischer Hohlkörper, so daß ihr Volumengewicht fast dem spezifischen Gewicht des verwendeten Kühlmittels entspricht, und sind des weiteren in gleicher Weise wie bei den Brennstoff-Elementen an der Außenseite mit einem überzug bedeckt, der gegenüber dem Kühlmittel korrosionsfest ist.

In dem dargestellten Beispiel besteht der Brennstoff 83 aus einer Schmelze, sowohl aus Spalt wie auch aus Brut material. Das spaltbare Material besteht geeigneterweise aus U*", p_{u O}d_er υ ". Das Brutmaterial besteht geeigneterweise aus ü" oder Th . Das'Verhältnis zwischen derartigen Materialien ist natürlich bestimmt durch die Größe dee Reak-

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-acund der der einzelnen Brennstoff-Elemente und läßt sich vom Fachmann leicht ermitteln.

Eine der Grundideen der Erfindung liegt darin, daß soviel Brennmaterial wie möglich, in dem Reaktor-Volumen konzentriert sein sollte, ohne jedoch das Entfernen der Spaltungswärme zu gefährden. Es ist außerordentlich bedeutsam, daß das Material in dem Reaktorkern·so wenig wie möglich überflüssige Neutronenabsorptionskapazität aufweist, wobei dies von besonderer Bedeutung für das Kühlmittel ist, da in diesem Fall nur Kühlmittel rund um die Brennstoff-Elemente vorhanden ist. Daneben ist es wünschenswert, daß das Kühlmittel eine hohe spezifische Wärme aufweist. Im Hinblick auf das oben Gesagte ist in diesem Fall eine Metallschmelze als Kühlmittel gewählt worden, die aus einer Mischung von Natrium und Blei besteht. Es wurde herausgefunden, daß durch eine Mischung dieser zwei Materialien in dem Verhältnis von etwa 65 Volumenprozent Blei und 35 Volumenprozent Natrium ein eutektischer Punkt bei ungefähr 3oo° vorhanden ist, wobei der ziemlich niedrige Schmelzpunkt hinsichtlich des Anlaufens des Reaktors und hinsichtlich der Umstände beim Aus-* tausch der Brennstoff-Elemente wesentlich ist. Es ist zu erwähnen, daß das spezifische Gewicht dieses Kühlmittels in der Größenordnung von etwa 6,6 liegt. Es ist ferner zu erwähnen, daß der ziemlich hohe Prozentsatz von Blei den Siedepunkt beträchtlich erhöht, wodurch ein guter Spielraum gegen

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Sieden im Falle einer evtl. örtlichen überhitzung gegeben ist. Ferner hat das gewählte Kühlmittel geringere Bremseigenschaften als das üblicherweise verwendete Kühlmittel Natrium oder Natrium-Kalium, wodurch ein härteres Neutronenspektrum und dadurch ein höheres Brutverhältnis erreicht wird.

Im Hinblick auf den kritischen Bereich bzw. Verhältnis des Reaktors ist es wichtig, die Reaktivität in einem stark unter dem kritischen Bereich gelegenen Bereich, insbesondere durch die Umordnung der Brennstoff-Elements, zu halten. Zu diesem Zweck ist es zumindest während der Brennstoffumordnung Vorteilhaft, stark Neutronen absorbierende Teilchen oder Körper dem Kühlmittel zuzusetzen. Diese Körper, die geeigneterweise körnig oder kugelförmig sind, können z.B. aus Boreiseii oder Bor-Kobalt bzw. Mischungen hiervon bestehen. Da diese Körper selbst nicht korrosionsfest gegenüber dem Kühl- ( mittel sind, müssen sie ebenfalls mit einem korrosionsfesten überzug überzogen werden, wie das bereits für die Brennstoff- Elemente 79 und die Zwischenkörper 92 aufgezeigt wurde. Die in dein Kühlmittel enthaltene Menge der genannten Körper kann ih geeigneter Weise auf megne'tischein Weg mittels elektromagnetischer Separatoren, Pig. 9 bl» 12, oder gegebenenfalls b,e<· weglichen permanent-magnetischen Separatoren kontrolliert Bfcw. geitiuert werden. Eb kann fernfei· in Betracht kommen,

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die Menge der Neutronen absorbierenden Körper in dem Strom des Kühlmittels durch Filtern und erneutes Eingeben von Körpern zu kontrollieren«,

In Fig. 9 ist ein Teil des Kühlmittels-Zirkulationssystems dargestellt, in dem das Kühlmittel mittels elektromagnetischer Pumpen 35 in Zirkulation gehalten wird, wobei gleichzeitig eine Anzahl elektromagnetischer Separatoren 36 erkennbar ist₅ die in diesem Fall in Reihe geschaltet sind. In Fig.. Io ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, in der " elektromagnetische Separatoren 36 an parallel gelegenen Kühlmittelrohren angeordnet sind, In Fig_o Ii und 12 ist dargestellt, daß die elektromagnetischen Separatoren aus Lamellen 37 bestehen, die mit einem Teil radial in die Kühlmittelrohre vorstehen und mit einem Teil außerhalb dieser Rohre angeordnet sind. Der außen gelegene Teil ist mit einer elektrischen Wicklung oder einer Spule versehen₈ die, wenn Strom angelegt wirdj ein starkes magnetisches Feld rund um die innen gelegenen Lamellenteile bewirkt, wodurch diese bis zu einem gewünschten Ausmaß in die Lage fersetat werden, die Neutronen absorbierenden Kdrper aus magnetisch beeinflußbarem Material, z.B. Bor-Sisen oder Bor-Kobalt, zu halten bzw. freizugeben.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.) Heterogener Atomreaktor mit vorzugsweise sphärischem Reaktorgehäuse, das während des Normalbetriebs von einem im Kreislauf eine außerhalb des Reaktorgehäuses befind- \ liehe Wärmeaustauscheinrichtung passierenden Kühlmittel im wesentlichen in einem Zentralstrom von unten nach oben durchströmt ist und in diesem Strömungsmittel als gesonderte Körper schwimmend Brennstoffelemente, sowie gegebenenfalls Moderatoren bzw. Reaktionsbremsen enthält, wobei die Brennstoffelemente bei normalem Reaktorbetrieb unter der Wirkung des Kühlmittelstroms, in einem Kreislauf von der Behältermitte zum Behälterrand und zurück wandern, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente (2o; 79) im wesentlichen sphärische, den Brennstoff im wesentlichen in flüssiger Form enthaltende und vorzugsweise

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   nur teilweise mit dem Brennstoff gefüllte Hohlelemente mit nahezu gleichem spezifischem Gewicht wie das Kühlmittel sind und ihre Wanderung im Reaktorbehälter zur Brennstoffelement-Umgruppierung über im Abstand vom Zentralstrom des Kühlmittels in -den Reaktorbehälter einleitbare Kühlmittelnebenströ::;e beeinflußbar ist, wobei die Brennstoffelemente zusammen mit dem Kühlmittel über das Kühlmittelleitungssystem austauschbar sind.

   2.) Atomreaktor nach Anspruch eins, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlelemente aus einem Brennstoffbehälter ( 32, 33, 34; 82, 87) bestehen, der· unter Belassung eines Zwischenraums von einem Gehäuse (21;. 86) mit den Zwischenraum mit der Gehäuseaußenseite, verbindenden Öffnungen (25; 88) für den Durchstrom des ggf. aus Körnchen eines Modorators oder eines Neutronen absorbierenden Materials bestehenden Kühlmittels umgehen ist.

   3.) Atomreaktor nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, .daß das Gehäuse (21; 8.6) der Brennstoffelemente ein geringeres spezifisches Gewicht besitzt als der Brennstoff.

   4.) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das de η Brennstoffbehälter (82) umgebende Gehäuse (86) eine Hohlräume besitzende Doppelwand ist.

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   5.) Atomreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume mit einem mit dem Wandungsnaterial nicht reagierenden und Neutronen nicht abbremsenden gasförmigem Medium, vorzugsweise Argon gefüllt sind.

   6.) Atomreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume evakuiert sind.

   7.) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn_ zeichnet, daß das Gehäuse (21; 86) der Brennstoffelemente aus Bremsmaterial (Moderatormaterial) besteht. "

   8.) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffbehälter (22; 82) und das ihn umgebende Gehäuse(21; 86) durch Abstandshalter (23; 87) im Abstand voneinander gehalten sind.

   9·) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis.8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffbehälter (22; 82) in bezug auf das Auftriebszentrum des Brennstoffelements (2o; 79) 'exzent- i risch angeordnet ist, wobei ein Teil der Brennstoffbehälterwand oberhalb des Brennstoffspiegels für üpaltungsgase durchlässig ist.

   1o.) Atomreaktor nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffbehälter (22; 82) oberhalb des Brennstoffspiegels mit einer durch einen Verschluß (31; 85) aus

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   Aluminiumoxyd oder dgl. gasdurchlässigem Material verschossenen öffnung versehen ist. . -

   11) Atomreaktor nach Anspruch 2 .bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumengewicht der Brennstoffelemente (2Of^-~' 79) dem spezifischen Gewicht des Kühlmittels durch entsprechende Dimensionierung der Hohlräume angepaßt ist.

   12) Atomreaktor nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (25; 88) in den Gehäusen (21; 86) der Brennstoffelemente (20; 79) mindestens radial aussen einen ovalen oder ähnlichen länglichen Querschnitt besitzen.

   13) Atomreaktor nach Anspruch 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse (21; 86) der Brennstoffelemente (20; 79) aus zwei halbsphärischen, jeweils geschlossenen Hohlschalen (86a; 86b) bestehen, die im wesentlichen entlang einer Stoßstelle (90) am äusseren Umfang verbunden und durch an einer Schale vorgesehene, in Löcher der anderen Schale eingreifende Zapfen (90) zentriert sind.

   14) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente von einem gegenüber dem Kühlmittel korrosionsfesten Material umgeben sind.

   15) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Brennstoffbehälter ein massiver, vorzugsweise aus Moderatormaterial bestehender Mittelkörper enthalten ist.

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   16) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dai3 die Brennstoffbehälter (22; 82) in an sich bekannter V/eise sowohl spaltbares Material wie TJ , Pu, U oder dgl. sowie Brutmaterial wie TJ²⁵⁸, Th²⁵² oder dgl. enthalten.

   17) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Brennstoffelementen (20; 79) mit Zwischenkörpern ausgefüllt ist, die ein geringeres Volumen als die Brennstoffelemente haben und iin wesentlichen aus Brutmaterial, vorzugsweise Thorium bestehen und schwimmend im Kühlmittel angeord- ™ net sind ^ wobei das Kühlmittel aus einer Metallschmelze besteht, die körnchen- oder kugelförmige Neutronen absorbierende, schwimmend im Kühlmittel angeordnete Körper enthält.-

   18) Atomreaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel aus einer Mischung von Magnesium und Blei besteht und vorzugsweise 95 Gew.-^ Magnesium und 5 Gew.-^ Blei enthält.

   19) Atomreaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel aus einer Mischung von Natrium und Blei besteht und vorzugsweise 65 Vol.-# Blei und 35 Vol.-# Natrium enthält.

   20) Atomreaktor nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkörper aus einem Bremsmaterial (Moderatormaterial) wie Graphit oder dgl. bestehen.

   21) Atomreaktor nach Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkörper hohl sind und eine derartige V/and-

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   stärke besitzen, daß ihr Volumengewicht annähernd mit dem spezifischen Gewicht des Kühlmittels übereinstimmt.

   22) Atomreaktor nach Anspruch 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Aussendurchmesser der Zwischenkörper ein Fünftel bis ein Pünfzehntel des Aussendurchmessers der Brennstoffelemente beträgt.

   23) Atomreaktor nach Anspruch 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen absorbierenden Körper neben dem Neutronen absorbierenden Material magnetisch beeinflußbares Material enthalten.

   24) Atomreaktor nach Anspruch 23» dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen absorbierenden Körper aus Bor-Eisen bestehen.

   25) Atomreaktor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen absorbierenden Körper aus Bor-Kobalt bestehen.

   26) Atomreaktor nach Anspruch 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkörper und die Neutronen absorbierenden Körper von einem gegenüber dem Kühlmittel korrosionsfesten Material umgeben sind.

   27) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in den Reaktorbehälter (36; 69) an zwei diametral übereinander liegenden Seiten jeweils zwei Gruppen von Kühlmittel-

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   •leitungen (48, 50; 47 bzw. 71, 72; 73, 74, 75) einmünden und zwar eine Mittelgruppe (48, 50; 71, 72) mit bei normalem Reaktorbetrieb gleichbleibender Strömungsrichtung und eine im Abstand um die Mittelgruppe angeordnete Aussengruppe (47; 73, 74, 75),über die Kühlmittel entgegen der Strömungsrichtung der Mittelgruppe in den Reaktorbehälter einleitbar ist.

   28) Atomreaktor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aussengruppe (73, 74, 75) die Strömungsrichtung

   während des normalen Reaktorbetriebs umkehrbar ist. f

   29) Atomreaktor nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel und die Brennstoffelemente (20, 79) über die untere Mittelgruppe (50; 72) der Kühlmittelleitungen bei Strömungsumkehr nach unten aus dem Reakto.rbehälter entnehmbar und in normaler Strömungsrichtung in den Reaktorbehälter einführbar sind.

   30) Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 29» dadurch gekenn- i zeichnet, daß im Kühlmittelleitungssystem ausserhalb des Reaktorbehälters eine Trenn- oder Filtereinrichtung (52; 54) zum Trennen der Brennstoffelemente vom Kühlmittel vorgesehen ist, wobei am. Einlaß in bzw. am Auslaß aus dem Reaktorbehälter Zähleinrichtungen (58; 55) für die Brennstoffelemente vorgesehen sind.

   31) Atomreaktor nach Anspruch 27,bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente über eine einen Teil des Kühlmittelleitungesystems bildende steigende, 'gegebenenfalls als

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   Wärmetauscher dienende Rohrspirale (49) austauschbar sind, die vorzugsweise von einem Medium umgeben ist, das nahezu das gleiche spezifische Gewicht wie das resultierende spezifische Gewicht des Kühlmittels und des Materials der Rohrspirale besitzt.

   32) Atomreaktor nach Anspruch 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlmittelleitungssystem ausserhalb des Reaktorbehälters magnetische Separatoren zur Kontrolle der mit dem Strom des Kühlmittels transportierten Menge von Neutronen ab-

   =sorbierendem Material angeordnet sind.

   33) Atomreaktor nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet, daß die magnetsichen Separatoren elektromagnetisch betrieben sind.

   34) Atomreaktor nach Anspruch 32.oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Separatoren von automatischer Steuerung bei normalem Betrieb auf Handsteuerung bei der Brennstoffelementenumgruppierung umschaltbar sind.

   35) Atomreaktor nach Anspruch 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Separatoren aus in Bezug auf den Primärkreis verstellbaren Permanentmagneten bestehen.

   36) Atomreaktor nach Anspruch 17 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen absorbierenden Materialien mit Hilfe einer mechanischen E^aratoreinriohtung aus dem Strom des " Kühlmittels trennbar sind.

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   37) Atomreaktor nach. Anspruch 1 "bis 36, dadurch gekennzeichnet., daß das Reaktorgehäuse mit Kontroll- und Sicherheitsvorrichtungen in Form, von Ketten und/oder Drähten (39) versehen ist-, in denen absorbierendes Material enthalten ist und die in Kanälen an der Aussenseite des Plüssigkeitsinhalts in den Reaktorbehälter gleiten.

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