DE1439785C

DE1439785C - Atomic nuclear reactor with a neutron reflector made of moderating material

Info

Publication number: DE1439785C
Authority: DE
Inventors: Arthur Paul Knoxville Tenn. Fraas (V.St.A.)
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Publication date: 1972-02-24

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Atomreaktor mit einem Kern und einem Neutronenreflektor, welcher aus einer Vielzahl von dicht gepackten Stäben aus moderierendem Material besteht, von denen jeder mit einer Stirnfläche an den Reaktorkern angrenzt.The present invention relates to a nuclear reactor with a core and a neutron reflector, which consists of a multitude of tightly packed bars of moderating material, each of which adjoins the reactor core with an end face.

Viele Materialien verändern ihre Abmessungen, wenn sie der Bestrahlung durch schnelle Neutronen ausgesetzt sind. Wenn diese Materialien einer ungleichförmigen Bestrahlung durch schnelle Neutronen unterworfen werden, sind die Dimensionsänderungen ebenfalls ungleichförmig, und deshalb werden innere Spannungen in demselben Maße erzeugt, wie sie durch eine ungleichförmige Temperaturverteilung erhalten werden. Genauso wie Glas Sprünge bekommt, wenn es stark unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt wird, erleiden bestimmte Reaktormaterialien eine ähnliche Beschädigung, wenn sie hinreichend lang einem Strom schneller Neutronen unterschiedlicher Stärke ausgesetzt sind.Many materials change their dimensions when they are irradiated by fast neutrons are exposed. When these materials are exposed to non-uniform radiation by fast neutrons are subjected, the dimensional changes are also non-uniform, and therefore internal Stresses generated to the same extent as obtained by a non-uniform temperature distribution will. Just like glass cracks when exposed to very different temperatures certain reactor materials will suffer similar damage if they are sufficient are exposed to a stream of fast neutrons of different strengths for a long time.

Es wurde erst kürzlich gefunden, daß Graphit schrumpft, wenn er einem Strom schneller Neutronen bei Temperaturen über etwa 232° C ausgesetzt wird. In jedem Reaktor ist die Größe des Flusses schneller Neutronen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung ungleichförmig, wobei die größten Unterschiede in den Reflektorbereichen des Reaktors auftreten. Da das Maß der Schrumpfung der Größe des Flusses schneller Neutronen proportional ist, bewirkt ein ungleichmäßiger Fluß eine ungleichmäßige Schrumpfung in einem Graphitreflektor. Die dadurch bewirkte unterschiedliche Schrumpfung erzeugt Spannungen in dem Graphitmaterial des Reflektors, und diese Spannungen verursachen, wenn sie eine hinreichende Größe erreichen, eine weitgehende Be-Schädigung des Reflektors.It has only recently been found that graphite shrinks when exposed to a stream of fast neutrons exposed to temperatures above approximately 232 ° C. In any reactor, the size of the flow is faster Neutrons are non-uniform in both axial and radial directions, with the greatest differences occur in the reflector areas of the reactor. Since the degree of shrinkage is the size of the If the flow of fast neutrons is proportional, an uneven flow causes an uneven flow Shrinkage in a graphite reflector. The resulting different shrinkage creates stresses in the graphite material of the reflector, and these cause stresses if they are sufficient Reach size, extensive damage to the reflector.

Gasgekühlte graphitmoderierte Reaktorkerne enthalten im allgemeinen gestapelte, gleichförmige, rechteckige Graphitblöcke, die in Schichten angeordnet sind. Jeder Block wird entweder in vertikaler oder in horizontaler Richtung von einem oder mehreren Spaltstoff-Kühlmittelkanälen durchdrungen. Bisher bestanden Reflektoren für Reaktoren dieser Art lediglich aus Ansätzen der Kernblöcke, die nicht mit Brennstoff beschickt waren, die oberen und unteren Reflektoren bestanden lediglich aus keinen Spaltstoff enthaltende Schichten aus Graphitblöcken, und der Seitenreflektor wurde durch vertikale Stapel von Graphitblöcken gebildet, die keinen Spaltstoff enthalten, wobei Kühlmittelkanäle, wenn erforderlich, in diesen Blöcken vorgesehen waren. Da die Kerne dieser Reaktoren gewöhnlich aus rechteckigen, prismatischen Blöcken mit einer Breite, die gleich dem Gitterabstand oder einem Vielfachen dieses Gitterabstands entspricht, gebildet werden, sind mehr oder weniger Blöcke mit rechteckigen Querschnitten von Durchmessern von 10 bis 40 cm üblich.Gas-cooled, graphite-moderated reactor cores generally contain stacked, uniform, rectangular graphite blocks arranged in layers. Each block is either in vertical or penetrated in the horizontal direction by one or more fuel coolant channels. Until now consisted reflectors for reactors of this type only from approaches of the core blocks, which are not with Fuel were loaded, the upper and lower reflectors consisted only of no fissile material containing layers of graphite blocks, and the side reflector was supported by vertical stacks of Graphite blocks are formed that do not contain any fissile material, with coolant channels, if necessary, were provided in these blocks. Because the cores of these reactors are usually rectangular, prismatic Blocks with a width equal to or a multiple of the grid spacing corresponds to are formed, are more or less blocks with rectangular cross-sections of Diameters of 10 to 40 cm are common.

Wie oben erwähnt, tritt der größte Intensitätsabfall des Stroms schneller Neutronen im Reflektor auf. Deshalb werden die Reflektorblöcke eines Reaktors der oben bezeichneten Art einem sehr stark unterschiedlichen Neutronenfluß und aus diesem Grund auch einer sehr unterschiedlichen Schrumpfung ausgesetzt. In Blöcken, die mit ihren längeren Achsen senkrecht zu der Reflektor-Kerngrenzfläche orientiert sind — z. B. in den oberen und in unteren Reflektoren, wenn die größeren Achsen der Blöcke vertikal orientiert sind —, führt die unterschiedliche Schrumpfung quer zu diesen Achsen dazu, daß jeder dieser Blöcke eine konische Form annimmt, deren dünneres Ende der Reflektor-Kerngrenzfläche zugekehrt ist. Diese Schrumpfung erzeugt Zugspannungen in den langen Oberflächen der Blöcke, welche mit dem Maß der Neutronenbestrahlung zunehmen, bis ein Bruch erfolgt. In gleicher Weise verursacht die unterschiedliche Schrumpfung in Blöcken, die mit ihrer größeren Achse parallel zu der Reflektor-Kerngrenzfläche orientiert sind — z. B. im seitlichen Reflektor, wenn die Hauptachsen der Blöcke vertikal orientiert sind —, das Auftreten von Biegespannungen, die letztlich zu einem Bruch der Blöcke an den Flächen führen, die am weitesten vom Kern entfernt sind.As mentioned above, the greatest decrease in the intensity of the flow of fast neutrons occurs in the reflector. Therefore, the reflector blocks of a reactor of the type described above become very different Neutron flux and for this reason also exposed to very different shrinkage. In blocks with their longer axes oriented perpendicular to the reflector-core interface are - z. B. in the upper and lower reflectors when the major axes of the blocks are vertical are oriented -, the different shrinkage across these axes leads to the fact that each of these Blocks assume a conical shape with the thinner end facing the reflector-core interface. This shrinkage creates tensile stresses in the long surfaces of the blocks which go along with the measure the neutron irradiation increase until a break occurs. In the same way the different causes Shrinkage in blocks with their major axis parallel to the reflector-core interface are oriented - e.g. B. in the side reflector when the main axes of the blocks are oriented vertically are -, the occurrence of bending stresses that ultimately lead to breakage of the blocks on the faces that are furthest from the core.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neutronenreflektor für einen Kernreaktor zu schaffen, in dem die durch die unterschiedliche Schrumpfung in den Reflektorstäben hervorgerufenen Spannungen wesentlich verringert sind.The present invention is based on the object of a neutron reflector for a nuclear reactor to create, in which caused by the different shrinkage in the reflector rods Stresses are significantly reduced.

Es ist bereits bekannt, bei Kernreaktoren einen an den Kern angrenzenden Neutronenreflektor aus einer Vielzahl dicht gepackter Stäbe aufzubauen (britische Patentschrift 784 292 und USA.-Patentschrift 2 879 216), und ferner, zwecks Verringerung dei im Graphit auftretenden Spannungen infolge des schnellen Abfalls des schnellen Neutronenflusses mit zunehmendem Abstand von der Grenzfläche zwischen Kern und Reflektor, die Längsachsen dieser Stäbe so zur Kern-Reflektor-Grenze zu orientieren, daß diese Stäbe mit einer Stirnfläche an den Reaktorkern angrenzen (deutsche Auslegeschriften 1095 959, 1057 699 und 1059 582). Weiterhin wurden die Stäbe bereits mit randseitigen, zur Kühlung dienenden Kanälen versehen (deutsche Auslegeschrift 1 059 682).It is already known to have a neutron reflector adjoining the core from a nuclear reactor Build a variety of densely packed bars (British Patent 784 292 and U.S. Patent 2,879,216), and further, for the purpose of reducing the stresses occurring in graphite as a result of the rapid Decrease in the fast neutron flux with increasing distance from the interface between Core and reflector, to orient the longitudinal axes of these rods to the core-reflector boundary so that these Rods adjoin the reactor core with one end face (German Auslegeschriften 1095 959, 1057 699 and 1059 582). Furthermore, the bars were already provided with edge-side cooling elements Provided with channels (German Auslegeschrift 1 059 682).

Eine noch weitergehende Verringerung der im Reflektor auftretenden Spannungen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeder Stab an seinem dem Reaktorkern zugekehrten Ende einen abgerundeten Querschnitt aufweist und an diesem Ende mit einem zur Längsachse des Stabes koaxialen, sich in Achsrichtung mit zunehmendem Abstand vom Reaktorkern verjüngenden Loch versehen ist.A further reduction in the stresses occurring in the reflector is achieved according to the invention achieved in that each rod has a rounded end at its end facing the reactor core Has cross section and at this end with a coaxial to the longitudinal axis of the rod, in Axial direction with increasing distance from the reactor core is provided tapering hole.

Durch die Ausbildung gemäß der Erfindung wird die Konzentration des Moderators in umgekehrtem Verhältnis mit der Größe des schnellen Neutronenflusses verändert. Die größte Schrumpfung tritt nahe der Grenzfläche zwischen Kern und Reflektor auf, wo die Erfindung einen minimalen Reflektorquerschnitt vorsieht, wodurch die Spannungen im Graphit so klein wie möglich gemacht werden. Durch die Abflachung des Flußprofils der schnellen Neutronen wird die unterschiedliche Schrumpfung längs der Stabachse möglichst klein gemacht. Der Fluß der schnellen Neutronen im Reflektor fällt von der Grenzfläche zwischen Kern und Reflektor weg außerordentlich schnell ab. Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung wird die Steilheit dieses anfänglichen Abfalles vermindert, indem nahe der Grenzfläche eine geringere Konzentration des Reflektormaterials durch die Anbringung von sich nach innen verjüngenden, koaxialen Löchern an den Stabenden vorgesehen wird. Die Schrumpfung des Graphits, welche sich im wesentlichen in gleicher Weise ändert wie der Fluß der schnellen Neutronen, bewirkt daher einen weniger scharfen unterschiedlichen Abfall nahe der Grenzfläche zwischen Kern und Reflektor. Die Verwendung von im wesentlichen runden Stabquer-By training according to the invention, the moderator's concentration is reversed Ratio changes with the size of the fast neutron flux. The greatest shrinkage is approaching the interface between core and reflector, where the invention has a minimum reflector cross-section provides, whereby the stresses in the graphite are made as small as possible. Through the The flattening of the flux profile of the fast neutrons will result in the differential shrinkage along the Bar axis made as small as possible. The flux of fast neutrons in the reflector falls from the The interface between core and reflector goes away extremely quickly. By the measures according to According to the invention, the steepness of this initial drop is reduced by being close to the interface a lower concentration of the reflector material due to the attachment of inwardly tapering, coaxial holes is provided on the rod ends. The shrinkage of graphite, which changes essentially in the same way as the flux of fast neutrons, therefore causes a less sharp differential drop near the core-reflector interface. the Use of essentially round rod transverse

schnitten im Abschnitt höchster Beanspruchung der Graphitstäbe beseitigt das Auftreten von-Spannungen, welche in Querschnitten mit schnell die Richtung wechselnden Peripherien, beispielsweise quadratisehen oder rechtwinkligen Querschnitten, auftreten.cut in the highest stress section of the Graphite rods eliminates the occurrence of stresses, which see in cross-sections with rapidly changing peripheries, for example squares or right-angled cross-sections.

Eine der Anordnung gemäß der Erfindung gleichartige Anordnung ist auch durch die Anordnung gemäß der bereits genannten USA.-Patentschrift 2 879 21$ nicht bekannt, in welcher die Brennstoffelemente Reflektorteile enthalten, welche an der Decke und am Boden des aktiven Brennstoffbereiches angeordnet sind. Beide Reflektorteile haben kreisförmige Querschnitte, um einen Neutronenstrom durch die kreisförmigen Kühlkanäle zu verhindern. Sie weh sen jedoch zwei wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung nicht auf, nämlich einen minimalen Quer·^ schnitt im Bereich des höchsten Flusses schneller Neutronen, woraus sich eine Verminderung der Spannung in diesem Bereich ergibt, und sinkende Moderatorkonzentration bei steigenden Werten des Flusses der schnellen Neutronen, wodurch ein flacheres Profil des Flusses der schnellen Neutronen bewirkt wird. Beide Merkmale ergeben sich aus den sich nach innen verjüngenden, koaxialen Löchern gemäß der Erfindung, An arrangement similar to the arrangement according to the invention is also provided by the arrangement according to FIG US Pat. No. 2,879,21 already mentioned, in which the fuel elements Contain reflector parts, which are on the ceiling and on the floor of the active fuel area are arranged. Both reflector parts have circular cross-sections to allow a flow of neutrons through to prevent the circular cooling channels. Hurt you However, they do not have two important features of the present invention, namely a minimal cross-section cut fast neutrons in the area of the highest flux, resulting in a reduction in voltage results in this area, and decreasing moderator concentration with increasing values of the flow of the fast neutrons, causing a flatter profile of the flow of the fast neutrons. Both features result from the inwardly tapering, coaxial holes according to the invention,

Auch die in der Anordnung gemäß der deutschen Auslegeschrift 1 059 582 in den Reflektorblöcken vorgesehenen Kühlkanäle sind in den Reflektorstäben vorgesehenen Löchern gemäß der Erfindung nicht gleichwertig. Die in den Reflektorblöcken angeordneten bekannten Löcher sind weder koaxial angeordnet, noch verjüngen sie sich nach innen zu mit zunehmendem Abstand von der genannten Grenzfläche. Die Löcher stellen lediglich Kühlkanäle dar und haben keine spannungsvermindernde Wirkung wie die koaxialen und sich nach innen zu verjüngenden Löcher gemäß der Erfindung.Also those provided in the arrangement according to German Auslegeschrift 1 059 582 in the reflector blocks According to the invention, there are no cooling channels provided in the reflector rods equivalent to. The known holes arranged in the reflector blocks are not arranged coaxially, nor do they taper inwardly with increasing distance from said interface. The holes are only cooling channels and have no stress-relieving effect like that coaxial and inwardly tapered holes according to the invention.

. Insbesondere wird durch die bekannte Anordnung keine runde Querschnittsform in dem Bereich des Reflektorstabes angegeben, in dem die Schrumpfung am größten ist.. In particular, the known arrangement does not result in a round cross-sectional shape in the area of the reflector rod in which the shrinkage is greatest.

Die Erfindung wird anschließend an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigtThe invention will then be described using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings explained. It shows

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Reaktor, der einen Reflektor gemäß der Erfindung aufweist,F i g. 1 shows a longitudinal section through a reactor having a reflector according to the invention,

F i g. 2 einen Grundriß der oberen und unteren Reflektoren dieses Reaktors,F i g. 2 is a plan view of the upper and lower reflectors of this reactor,

F i g. 3 einen perspektivischen Auschnitt einer Gruppe von Stäben des Reflektors von oben,F i g. 3 shows a perspective detail of a group of rods of the reflector from above,

F i g. 4 einen Vertikalschnitt durch zwei Stäbe aus der Stabgruppe,F i g. 4 a vertical section through two rods from the rod group,

F i g. 5 in perspektivischer Ansicht zwei angrenzende Stäbe aus dem seitlichen Reflektor des Reaktors, F i g. 5 a perspective view of two adjacent rods from the side reflector of the reactor,

F i g. 6 eine typische Abhängigkeit des Flusses der schnellen Neutronen von dem Abstand von der Reflektor-Kern-Grenzfläche im Diagramm.F i g. 6 shows a typical dependence of the fast neutron flux on the distance from the reflector-core interface in the diagram.

Wenn in dem Reflektor ein Kühlmittelweg frei bleiben muß, weisen die Stäbe gemäß der Erfindung einen runden Querschnitt (vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt) über ihre gesamte Länge auf. Der Raum zwischen den dicht gepackten runden Stäben ergibt die Leitungen für den Kühlmittelstrom. Wenn in dem Reflektor keine Kühlmittelleitung erforderlich ist, weist nur der innere Teil jedes Stabes, der der Kern-Reflektor-Grenzfläche zugekehrt ist, einen runden Querschnitt auf. Das äußere Ende des Stabes hat einen rechteckigen Querschnitt, um den Neutronenverlust zu verringern und um einen Kühlmittelverlust zu verhindern. Allgemein ausgedrückt, die runde Ausbildung der Stäbe und die Anordnung der Löcher sollen sich wenigstens so. weit in den Reflektor hineinerstrecken, als dem steil ansteigenden Teil der Kurve entspricht, die die Abhängigkeit des Flusses der schnellen Neutronen von dem Ort im Reflektor wiedergibt. If a coolant path must remain free in the reflector, the rods according to the invention a round cross-section (preferably circular cross-section) over its entire length. the Space between the tightly packed round rods provides the lines for the coolant flow. When in the reflector no coolant line is required, only the inner part of each rod, the Core-reflector interface faces, a round cross-section. The outer end of the rod has a rectangular cross-section to reduce neutron loss and coolant loss to prevent. In general terms, the round shape of the rods and the arrangement of the holes should at least look like that. Extend far into the reflector than the steeply sloping part of the curve which represents the dependence of the flow of the fast neutrons on the location in the reflector.

Der Reflektor gemäß der Erfindung ist jedem bekannten Reflektor überlegen (d. h., die induzierten Spannungen sind kleiner), wenn gleiche Reflektorgrößen verglichen werden. Bezüglich der Größe der Stäbe weisen diese vorzugsweise eine größere Abmessung von weniger als etwa 10 cm auf.The reflector according to the invention is superior to any known reflector (i.e., the induced Voltages are smaller) if equal reflector sizes are compared. Regarding the size of the Rods these preferably have a larger dimension of less than about 10 cm.

Die Verringerung der Spannungen gegenüber bekannten Reflektorblöcken von gleicher Größe, die gemäß der Erfindung erreicht wird, resultiert aus dem runden Querschnitt des dieser Grenzschicht zugekehrten Endes und dem sich in Achsrichtung verjüngenden Loch in Verbindung mit der an sich bekannten Anordnung der Stäbe mit an den Reaktorkern angrenzenden Stabstirnfläche. Diese Merkmale werden gemäß der Erfindung in dem Bereich erfüllt, in welchem der Unterschied des Flusses der schnellen Neutronen mit der Entfernung vom Reaktorkern am größten ist.The reduction in stresses compared to known reflector blocks of the same size, the is achieved according to the invention, results from the round cross section of this boundary layer facing End and the axially tapering hole in connection with the known per se Arrangement of the rods with the rod end face adjacent to the reactor core. These characteristics are met according to the invention in the range in which the difference in the flow of fast neutrons is greatest with the distance from the reactor core.

Bezüglich der Spannungen, die durch gleiche Gradienten des Flusses der schnellen Neutronen erzeugt werden, ist ein runder Querschnitt einem rechteckigen unbedingt überlegen. Das nach innen sich verjüngende Loch weist eine zweifache Wirkung auf, nämlich eine Verringerung der Spannungen in dem Reflektorbereich großer Flußunterschiede, die aus einem schwächeren Querschnitt resultieren, und zweitens ein flacheres Profil des Flusses der schnellen Neutronen, das aus der geringeren Moderatorkonzentration resultiert, die durch die Entfernung des Moderatormaterials aus dem Reflektor durch das Einbringen des Lochs bewirkt wird.Regarding the voltages created by equal gradients of the flow of fast neutrons a round cross-section is definitely superior to a rectangular one. That inside yourself tapering hole has a twofold effect, namely reducing stresses in the Reflector area of large flux differences resulting from a weaker cross-section, and secondly a flatter profile of the fast neutron flux resulting from the lower moderator concentration resulting from the removal of the moderator material from the reflector by introducing it of the hole is effected.

Reflektoren, die nach den der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien gebaut werden, sind den bekannten Reflektoren aus verschiedenen Gründen überlegen. Erstens, die mit einem Bohrloch versehene runde Konfiguration ist im Vergleich zur rechteckigen oder viereckigen Konfiguration unter dem Einfluß eines gleichmäßigen ungleichförmigen Flusses schneller Neutronen wesentlich kleineren Spannungen ausgesetzt. Zweitens, die Anordnung von runden Stäben ermöglicht eine Verringerung der Größe der Graphitblöcke, ohne daß damit eine unerwünschte Verringerung des dem Kühlmittelstrom zur Verfügung stehenden Durchflußquerschnitts verbunden ist. Drittens ist, wie aus der Figurenbeschreibung noch hervorgehen wird, der Reflektor gemäß der Erfindung besonders für Pebble-Reaktoren geeignet, obgleich er auch in allen gasgekühlten Reaktoren mit großem Erfolg verwendet werden kann. Viertens kann, wie ebenfalls unten ausgeführt werden wird, die dicht gepackte Konfiguration von einem Metallgitter gestützt werden, wodurch es möglich ist, den Reflektor in auswechselbaren Abschnitten zu installieren und wodurch der Reflektor sich einheitlich, entsprechend den thermischen Änderungen, ausdehnen und zusammenziehen kann, so, als ob er aus dem Metall, das für das Trägergitter verwendet wird, bestehen würde. Auf diese Weise kann ein Reflektor geschaffen werden, der bezüglich der Temperaturänderungen dasReflectors that are built according to the principles underlying the invention are known Consider reflectors for several reasons. First, the drilled one round configuration is under the compared to rectangular or square configuration Influence of a steady, irregular flow of fast neutrons with much lower voltages exposed. Second, the arrangement of round bars enables the size of the rods to be reduced Graphite blocks without an undesirable reduction in the coolant flow available standing flow cross-section is connected. Thirdly, as can be seen from the description of the figures it will appear, the reflector according to the invention is particularly suitable for pebble reactors, although he can also be used with great success in all gas-cooled reactors. Fourth, how can also set out below, the close-packed configuration supported by a metal grid making it possible to install the reflector in interchangeable sections and whereby the reflector expands and contracts uniformly according to the thermal changes as if it were made of the metal used for the support grid. In this way, a reflector can be created that, with respect to temperature changes, the

gleiche Verhalten zeigt wie die Baumaterialien, die sonstwo im Reaktor verwendet werden.shows the same behavior as the building materials that are used elsewhere in the reactor.

Zu irgendeiner bestimmten Zeit während der Betriebsdauer eines Reflektors, der nach der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, und eines Reflektors, der lediglich eine nicht mit Spaltstoff beschickte Fortsetzung des Kerns darstellt, sind die Spannungen in dem Reflektor gemäß der Erfindung weniger als 25 % der Spannungen in den Reflektoren gemäß dem Stande der Technik. Auf diese Weise wird in den bekannten Reaktoren die Spannung, bei der ein Bruch stattfindet, wesentlich früher erreicht als in den gemäß der Erfindung gebauten Reaktoren.At any particular time during the service life of a reflector made according to the present invention Invention is constructed, and a reflector, which is only a continuation not loaded with fissile material of the core, the stresses in the reflector according to the invention are less than 25% of the voltages in the reflectors according to the prior art. In this way it is known in the Reactors, the voltage at which a rupture takes place is reached much earlier than in those according to reactors built according to the invention.

In F i g. 1 ist ein Vertikalschnitt durch einen Reaktor dargestellt, der einen Reflektor gemäß der Erfindung aufweist. Ein im wesentlichen zylindrischer Reaktorkern 1 ist in einem sphärischen Druckbehälter 2 eingeschlossen, der einen Kühlgaseinlaß 3, der einem nicht dargestellten Gebläse nachgeschaltet ist, und einen Heißgasauslaß 4 aufweist, um, wie schematisch dargestellt, einen Dampfgenerator 44 zu beaufschlagen. Weiter ist ein konzentrischer Kühlgasrückstromkanal 5 und ein Kühlgasauslaß 6 vorgesehen, der zur Ansaugseite des Gebläses führt. Der Kern 1 besteht aus einer Vielzahl von Graphitkugeln mit kleinem Durchmesser, die spaltbares Material, wie z. B. U²³⁵, enthalten und von denen ein Teil mit dem Bezugszeichen 7 angedeutet ist. Ein unterer Reflektor 8, ein oberer Reflektor 9, ein ringförmiger Seitenreflektor 10 und keilförmige Eckreflektoren 50 stellen die äußeren Begrenzungen des Kernes dar. Der untere Reflektor 8 dient zusätzlich als Träger für die Spaltstoffkugeln 7. Der Spaltstoff wird in den Kern durch eine Vielzahl von den oberen Reflektor durchdringenden Rohren 11 eingefüllt und durch Auslaßrohre 12 entfernt, die den unteren Reflektor 8 durchdringen. Durch den Druckbehälter 2 und den oberen Reflektor 9 ist eine Vielzahl von Graphitrohren 13 geführt, deren untere Enden 14 geschlossen sind. Diese Rohre dienen als Führungen für übliche Regelstäbe. In Fig. 1 shows a vertical section through a reactor having a reflector according to the invention. A substantially cylindrical reactor core 1 is enclosed in a spherical pressure vessel 2 which has a cooling gas inlet 3, which is connected downstream of a fan (not shown), and a hot gas outlet 4 in order to act on a steam generator 44, as shown schematically. Furthermore, a concentric cooling gas return flow channel 5 and a cooling gas outlet 6 are provided, which leads to the suction side of the fan. The core 1 consists of a plurality of graphite spheres with a small diameter, the fissile material, such as. B. U ²³⁵ , and a part of which is indicated by the reference numeral 7. A lower reflector 8, an upper reflector 9, an annular side reflector 10 and wedge-shaped corner reflectors 50 represent the outer boundaries of the core The upper reflector-penetrating tubes 11 are filled and removed through outlet tubes 12 which penetrate the lower reflector 8. A plurality of graphite tubes 13, the lower ends 14 of which are closed, are guided through the pressure vessel 2 and the upper reflector 9. These tubes serve as guides for common control rods.

Der untere Reflektor 8 weist eine Vielzahl von dicht gepackten zylindrischen Graphitstäben 15 auf, die einen Durchmesser von 5,08 cm aufweisen und die mit ihren unteren Enden auf einem Stahlgitter 16 befestigt sind. Das Gitter 16 wird seinerseits von einem Stützgitter 17 gehalten, das von Rohren 18 gestützt wird. Die Stützgitter 18 sind mit einer Vielzahl von Öffnungen 19 versehen, um Kühlgas zu den Bereichen überhalb der Innenräume dieser Rohre zu leiten. Das Innere jedes der Stützrohre 18 kommuniziert mit dem Inneren eines Rohres 20, das mit einem auswechselbaren Abschirmstopfen 21 verschlossen ist. Auf diese Weise ist das Innere des Druckkessels 1 zugänglich, um den Ersatz und/oder die Reparatur des Kerns oder irgendeines Bestandteils desselben zu erleichtern.The lower reflector 8 has a plurality of closely packed cylindrical graphite rods 15, which have a diameter of 5.08 cm and those with their lower ends on a steel grid 16 are attached. The grid 16 is in turn held by a support grid 17, which is made of tubes 18 is supported. The support grids 18 are provided with a plurality of openings 19 to the cooling gas Areas above the interiors of these pipes. The interior of each of the support tubes 18 communicates with the interior of a tube 20 which is closed with an exchangeable shielding plug 21 is. In this way, the interior of the pressure vessel 1 is accessible for replacement and / or repair of the core or any part thereof.

In Fig. 2 ist, bezogen auf Fig. 1, eine Draufsicht auf den unteren Reflektor 8 dargestellt. Es kann ersehen werden, daß der untere Reflektor in sieben Abschnitte — sechs Randabschnitte 22 und ein Mittelabschnitt 23 — unterteilt ist, von denen jeder von einem Stützrohr 18 getragen und bedient wird. Ein Rohr 20 für den Zugang in den Reaktor ist unter der Mitte 24 jedes Abschnittes angeordnet. Wie in F i g. 1 zu sehen, fällt der Reflektor 8 von der Mitte 24 a des Mittelabschnitts 23 und von der Pheripherie 26 des Kernes aus zu einer tiefsten Stelle in der Mitte 24 jedes der Randabschnitte 22 längs in radialer Richtung orientierter Täler 25 ab. Die Reflektoroberfläche fällt ebenfalls — obgleich nicht so steil wie die Senken 25 — von der Reflektorperipherie 26 und der Mitte 24 α zu den tiefen Stellen 27 ab, die auf den radialen Graten 28 gelegen sind. Auf diese Weise fällt die Oberfläche jedes der Randabschnitte 22 in allen Richtungen gegen die Mitte 24 nach unten ab, wodurch der Abzug und die Entfernung der Spaltstoffkugeln 7 durch die Rohre 12 erleichtert wird.In FIG. 2, based on FIG. 1, a plan view of the lower reflector 8 is shown. It can be seen that the lower reflector is divided into seven sections - six rim sections 22 and one central section 23 - each of which is supported and operated by a support tube 18. A tube 20 for access to the reactor is positioned under the center 24 of each section. As in Fig. 1, the reflector 8 falls from the center 24 a of the central section 23 and from the periphery 26 of the core to a deepest point in the center 24 of each of the edge sections 22 along valleys 25 oriented in the radial direction. The reflector surface also drops - although not as steeply as the depressions 25 - from the reflector periphery 26 and the center 24 α to the deep points 27 which are located on the radial ridges 28. In this way, the surface of each of the edge sections 22 slopes downwards in all directions towards the center 24, as a result of which the withdrawal and removal of the fissile material balls 7 through the tubes 12 is facilitated.

Obgleich für den Betrieb des Reaktors nicht erforderlich, können die sieben Abschnitte des unteren Reflektors 8 in kleinere eigene Abschnitte 29 unterteilt werden, von denen jeder ein Bündel eng gepackter Reflektorstäbe aufweist, die an einem Abschnitt des Gitters befestigt sind. Eine solche Anordnung weist sehr große Vorteile auf, da jeder der kleinen Abschnitte 29 mittels einer geeigneten Vorrichtung aus seiner Stellung in dem Reflektor durch die Rohre 18 und 20 entfernt werden kann.Although not required for the operation of the reactor, the seven sections of the lower Reflector 8 can be divided into smaller separate sections 29, each of which is a tightly packed bundle Has reflector rods attached to a portion of the grating. Such an arrangement has very great advantages, since each of the small sections 29 by means of a suitable device can be removed from its position in the reflector through tubes 18 and 20.

Wie in F i g. 1 dargestellt, ist der obere Reflektor 9 ähnlich wie der untere Reflektor 8 ausgebildet und weist eine Vielzahl von dicht gepackten, zylindrischen Graphitstäben mit einem Durchmesser von 5,08 cm auf, die mit ihren oberen Enden an einem Stahlgitter 30 befestigt sind, welches seinerseits an der Decke des Druckkessels 1 mit Hängevorrichtungen 31 aufgehängt ist. Der obere Reflektor 9 weist einen gleichen Grundriß wie der untere Reflektor 8 auf. Aus diesem Grund wird auf den Grundriß des unteren Reflektors 8, der in F i g. 2 dargestellt ist, Bezug genommen. Der obere Reflektor 9 ist ebenfalls in sieben Abschnitte — sechs Randabschnitte 22 und einen Mittelabschnitt 23 — unterteilt. Im Aufriß unterscheidet sich jedoch der obere Reflektor 9 etwas von dem unteren Reflektor 8, indem die Reflektoroberfläche jedes Abschnitts einen Mittelteil 23 enthält, der bis zu einem höchsten Punkt an der Mitte 24 des Abschnitts zu aufsteigt, wo die Spaltstoffzuführungsrohre 11 den Reflektor durchdringt.As in Fig. 1, the upper reflector 9 is designed and constructed similarly to the lower reflector 8 has a multitude of closely packed, cylindrical graphite rods with a diameter of two inches on, which are attached with their upper ends to a steel grid 30, which in turn on the ceiling of the pressure vessel 1 is suspended with hanging devices 31. The upper reflector 9 has the same Plan like the lower reflector 8 on. For this reason, the ground plan of the lower Reflector 8, which in F i g. 2 is referred to. The upper reflector 9 is also in seven Sections - six edge sections 22 and a central section 23 - divided. Differentiates in the elevation However, the upper reflector 9 is slightly different from the lower reflector 8 by the reflector surface each section includes a central portion 23 extending to a highest point at the center 24 of the Section to rises where the fuel supply pipes 11 penetrates the reflector.

Wie bei dem unteren Reflektor 8 kann der obere Reflektor 9 ebenfalls in weitere kleinere Abschnitte 29 unterteilt sein, von denen jeder an einer Hängevorrichtung 31 aufgehängt ist, die eine Bajonettverbindung 51 aufweist, um den Ersatz des Abschnitts zu ermöglichen. Der Zugang zu dem oberen Reflektor kann ebenfalls durch die Tragrohre 18 und die Rohre 20 erfolgen.As with the lower reflector 8, the upper reflector 9 can also be divided into further smaller sections 29, each of which is suspended from a hanger 31 having a bayonet connection 51 to enable the replacement of the section. Access to the upper reflector can also take place through the support tubes 18 and the tubes 20.

In den F i g. 3 und 4 ist einerseits eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des oberen Reflektors und andererseits ein Längsschnitt durch zwei Stäbe dieses Abschnitts dargestellt. Eine Vielzahl von dicht gepackten, zylindrischen Graphitstäben 25 hängt von einem Stahlgitter 30 herab und ist an dieses mit Gewindebolzen 32 angeschraubt. Jeder Stab 15 ist an seinem freien Ende 52 ■— demjenigen Ende, das dem Reaktorkern am nächsten gelegen ist — mit einem zentralen, nach innen sich verjüngenden Loch 33 versehen. Die Stäbe des unteren Reflektors 8 sind mit denen des oberen Reflektors 9 identisch, mit Ausnahme, daß sie von einem unteren Gitter 1 (s. Fig. 1) getragen werden und nach oben stehen.In the F i g. Figures 3 and 4 are, on the one hand, a perspective view of a portion of the upper reflector and on the other hand, a longitudinal section through two rods of this section is shown. A variety of tight packed, cylindrical graphite rods 25 hangs down from a steel grid 30 and is with this Threaded bolt 32 screwed on. Each rod 15 is at its free end 52 ■ - that end that is closest to the reactor core - with a central, inwardly tapering hole 33 provided. The rods of the lower reflector 8 are identical to those of the upper reflector 9, with the exception that they are supported by a lower grid 1 (see Fig. 1) and stand up.

In F i g. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Reflektorstabes des ringförmigen Seitenreflektors 10 dargestellt. Wie in Fig. 1 zu sehen, weist der seitliche Reflektor 10 eine Vielzahl von dicht gepackten Graphitstäben 34 auf, die an einem Ende an einem Stahlgitter 35 befestigt sind. Die freien Enden 36 dieserIn Fig. 5 is a perspective view of a reflector rod of the annular side reflector 10 shown. As seen in Figure 1, the side reflector 10 includes a plurality of densely packed graphite rods 34, which are attached at one end to a steel grid 35. The free ends 36 of this

Stäbe sind in radialer Richtung auf die Mitte des Reaktorkerns zu orientiert. Jeder Stab 34 weist einen kreisförmigen Querschnitt an seinem inneren Ende 36 (der Durchmesser beträgt 5,08 cm) auf. Die horizontale Mittelebene des Stabes weist die Form eines Trapezes auf, dessen Seiten in den Radialebenen des zylindrischen Reaktorkerns liegen. Der Querschnitt durch die vertikale Mittelebene des Stabes ist rechteckig, wobei die Höhe von dem Ende 36 bis zu dem Ende 40 gleich ist. Zwischen dem Ende 36 und einer Vertikalebene, die durch die Stelle 37 gelegt ist, weist der Stab einen elliptischen Querschnitt auf, dessen kleine Achse (d. h. die vertikale Achse) konstant den Wert aufweist, der gleich dem Durchmesser des Kreises am Ende 36 ist. Die größere Achse (d. h. die horizontale Achse) nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen den in radialer Richtung orientierten Seiten des Schnittes in der horizontalen Mittelebene zu. Zwischen der quer zur Achse verlaufenden Vertikalebene bei 37 und einer entsprechenden Vertikalebene bei 38 geht der Querschnitt des Stabes von einer Ellipse in ein Rechteck über, um einen vollständig geschlossenen, gasdichten Reflektor zu ergeben. Die Seiten 39 des Stabes divergieren weiter in radialer Richtung von der Ebene 37 bis zum Ende 40. Wie bei den Stäben des oberen und des unteren Reflektors ist ein in Achsrichtung mit zunehmendem Abstand vom Reaktorkern sich verjüngendes Loch 41 in dem der Kern-Reflektor-Grenze zugekehrten Ende 36 vorgesehen. Rods are to be oriented in the radial direction towards the center of the reactor core. Each rod 34 has one circular cross-section at its inner end 36 (the diameter is 5.08 cm). The horizontal The central plane of the rod has the shape of a trapezoid, the sides of which in the radial planes of the cylindrical reactor core. The cross-section through the vertical median plane of the rod is rectangular, the height from end 36 to end 40 being the same. Between the end 36 and one Vertical plane, which is laid through the point 37, the rod has an elliptical cross-section, the minor axis (i.e., the vertical axis) constantly has the value equal to the diameter of the circle at the end is 36. The major axis (i.e., the horizontal axis) decreases with increasing distance between the sides of the section oriented in the radial direction in the horizontal center plane. Between the vertical plane running transversely to the axis at 37 and a corresponding vertical plane at 38 the cross-section of the rod changes from an ellipse to a rectangle, one complete to give closed, gas-tight reflector. The sides 39 of the rod diverge further radially Direction from level 37 to end 40. As for the rods of the upper and lower reflector is a hole 41 in which tapers in the axial direction with increasing distance from the reactor core the end 36 facing the core-reflector boundary is provided.

Die Kantenrefiektoren 50 weisen eine Vielzahl von Graphitkeilen auf, die an einem Rand des Gitters 35 befestigt sind. Alternativ können die Reflektoren an den Kanten eine Fortsetzung des ringförmigen Seitenreflektors 10 sein. Die keilförmige Ausbildung, welche dargestellt ist, wird jedoch wegen des kleinen Querschnitts der Keile in dem Bereich, der an den Kern anschließt, bevorzugt, da dadurch in diesem Bereich des großen Flußunterschiedes der schnellen Neutronen die unterschiedliche Schrumpfung verringert wird.The edge reflectors 50 have a multiplicity of graphite wedges which are attached to one edge of the grating 35 are attached. Alternatively, the reflectors at the edges can be a continuation of the annular side reflector Be 10. The wedge-shaped configuration which is shown is, however, because of the small size Cross-section of the wedges in the area that adjoins the core, because it is in this area the large flux difference of the fast neutrons reduces the differential shrinkage will.

Allgemein ausgedrückt, soll mit den obigen Ausführungen gesagt werden, daß der rund ausgebildete Teil eines Stabes gemäß der Erfindung von der Kern-Reflektor-Grenze aus sich wenigstens so weit in den Reflektor hineinerstrecken soll, als dem steilen Teil der Kurve entspricht, die die Abhängigkeit des Neutronenflusses vom Ort im Reflektor wiedergibt. Im allgemeinen ist diese Stelle erreicht, wenn der Fluß der schnellen Neutronen auf 10% oder weniger seines Werts an der Reflektor-Kern-Grenze abgefallen ist. Natürlich muß, wenn ein Kühlmittelstrom durch den Reflektor zu dem Kern zirkulieren soll, der gesamte Reflektor mit abgerundeten Stäben, vorzugsweise zylindrischen, ausgerüstet sein, wie es bei dem oberen und dem unteren Reflektor des beschriebenen Reaktors dargestellt ist.In general terms, it should be said with the above statements that the round formed part of a rod according to the invention from the core-reflector boundary out at least as far into the reflector should extend into it than corresponds to the steep part of the curve that the dependence of the neutron flux from the location in the reflector. In general, this point is reached when the flow of the fast neutrons has dropped to 10% or less of its value at the reflector-core boundary. Of course, if a flow of coolant is to circulate through the reflector to the core, it must all The reflector can be equipped with rounded rods, preferably cylindrical, as in the case of the upper one and the lower reflector of the reactor described is shown.

Ebenfalls ist es, obgleich das nach innen sich verjüngende Loch, welches an dem der Grenzfläche zugekehrten Ende des Stabes eine Verbesserung unabhängig von der Tiefe dieses Loches bewirkt, im allgemeinen erwünscht, daß bei runder Ausbildung des Stabes dieses Loch sich bis zu einer Tiefe erstreckt, in der der unterschiedliche Neutronenfluß im wesentlichen ausgeglichen ist. Andere Betrachtungen, wie z. B. die der Moderatordichte, können die Forderung zur Folge haben, daß das sich verjüngende Loch weniger tief in den Stab hineinreicht. Nichtsdestoweniger wird trotzdem eine Verringerung der Spannungskonzentration im Vergleich zu einem ganz kompakten Stab durch ein solches Loch erreicht.It is also, although the inwardly tapering hole, the one on the one facing the interface End of the rod causes an improvement regardless of the depth of this hole, in general it is desirable that with a round design of the rod this hole extends to a depth, in which the different neutron flux is essentially balanced. Other considerations like z. B. that of the moderator density, the requirement may result that the tapered hole reaches less deep into the rod. Nonetheless, there is a decrease in stress concentration achieved through such a hole compared to a very compact rod.

F i g. 6 zeigt an Hand einer Kurve, die die Abhängigkeit des Flusses schneller Neutronen von dem Ort im Reflektor wiedergibt, das oben diskutierte Prinzip. Die Distanz im Inneren des Reflektors von der Reflektor-Kern-Grenze ist in willkürlichen Einheiten auf der Abzisse aufgetragen. Ebenfalls ist derF i g. 6 shows a curve showing the dependence of the flow of fast neutrons on the Place in the reflector reproduces the principle discussed above. The distance inside the reflector from the reflector-core boundary is plotted in arbitrary units on the abscissa. Also is the

ίο Fluß der schnellen Neutronen (d. h. Neutronen mit einer Energie größer als 0,1 MeV) in willkürlichen Einheiten auf der Ordinate eingetragen. In einem Stab, der gemäß der Erfindung konstruiert ist, reicht der abgerundete Teil über den steilen Teil der Kurve bis wenigstens zu einer Tiefe, die durch die gestrichelte Linie A angedeutet ist. Das nach innen sich verjüngende Loch soll ebenfalls bis nahe zu dieser Tiefe, wenn möglich und wenn andere Faktoren, wie z. B. die Moeratordichte, es zulassen, reichen.ίο Flow of fast neutrons (ie neutrons with an energy greater than 0.1 MeV) entered in arbitrary units on the ordinate. In a rod constructed in accordance with the invention, the rounded part extends over the steep part of the curve to at least a depth indicated by the dashed line A. The inwardly tapered hole should also be close to this depth if possible and if other factors, such as e.g. B. the Moerator density, allow it, range.

Bezugnehmend auf Fig. 1 fördert, wenn der Reaktor in Betrieb ist, ein außerhalb angeordnetes Gebläse ein Kühlgas durch die Leitung 3 in einen Einlaßraum 42, der durch den unteren Reflektor 8, den unteren Teil 43 des Druckbehälter 2 und ein rundes Leitblech 44 bestimmt ist. Auf diese Weise wird der Gaseinlaßstrom nach oben durch den Reflektor 8, den Kern 1 und den oberen Reflektor 9 geleitet, wie durch die Pfeile angedeutet wird. Nachdem das Kühlgas den unteren Reflektor 9 durchquert hat, tritt es in einen Heißgasraum 45 ein, der von einem thermisch isolierten Leitblech 46 umgeben ist, und wird dadurch zu dem Dampfgenerator 49 durch den Auslaß 4 geleitet. Nachdem es in dem Dampfgenerator 49 abgekühlt ist, wird das Kühlgas in das Innere des Reaktors durch den konzentrischen Ringeinlaß 5 zurückgeleitet. Das zurückgeleitete Gas strömt durch den Raum 47 rund um die Peripherie des seitlichen Reflektors 10 und über den oberen Heißgasraum 45 durch den Raum 48 zu dem Auslaß 6, der mit der Saugseite des Gebläses kommuniziert.Referring to Fig. 1, when the reactor is in operation, an externally located fan promotes a cooling gas through line 3 into an inlet space 42, which passes through the lower reflector 8, the lower part 43 of the pressure vessel 2 and a round baffle 44 is intended. In this way, the Inlet gas flow passed upward through reflector 8, core 1 and top reflector 9 as indicated by the arrows. After the cooling gas has passed through the lower reflector 9, it occurs into a hot gas space 45 which is surrounded by a thermally insulated baffle 46, and is thereby passed to the steam generator 49 through outlet 4. After it is in the steam generator 49 is cooled, the cooling gas is returned to the interior of the reactor through the concentric ring inlet 5. The returned gas flows through the space 47 around the periphery of the side Reflector 10 and through the upper hot gas space 45 through the space 48 to the outlet 6, which is connected to the Communicates suction side of the fan.

Das Ausführungsbeispiel soll die Erfindung erläutern, ohne sie zu beschränken. Es ist klar, daß Reflektoren gemäß der Erfindung auch aus anderem geeignetem Material hergestellt und in anderen Reaktortypen verwendet werden können.The exemplary embodiment is intended to explain the invention without restricting it. It is clear that reflectors according to the invention also made of other suitable material and in other types of reactors can be used.

Claims

Patent claims:

1. Atomic nuclear reactor with a core and a neutron reflector, which can be selected from a large number consists of densely packed rods of moderating material, each of which has an end face adjoins the reactor core, characterized in that each rod on its the end facing the reactor core has a rounded cross-section and at this End with a coaxial to the longitudinal axis of the rod, increasing in the axial direction Distance from the reactor core tapering hole is provided.

2. Reactor according to claim 1, characterized in that the depth of the in the axial direction with increasing distance from the reactor core tapering hole and / or the rounded one Formation of the reactor rods extends from the boundary between reactor and reflector so far, until the flux of fast neutrons falls to a tenth of the value it has at this limit, has decreased.

009 540/106

3. Reactor according to claim 1 and 2, characterized in that the rods have a length of less than about 10 cm.

4. Nuclear reactor according to claim 1 to 3, characterized in that the rods have an upper one

lower and form an annular side reflector.

5. Reactor according to claim 4, characterized in that the upper and the lower reflector are constructed from cylindrical rods.

1 sheet of drawings