DE1439794C - Gasgekuhlter Atomkernreaktor - Google Patents
Gasgekuhlter AtomkernreaktorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf gasgekühlte Atomkernreaktoren mit einem Graphitmoderatoraufbau,
der zusammengefügte Graphiteinheiten aufweist.
Es ist lange bekannt, daß für Kernreaktor-Moderatoraufbauten verwendeter Graphit unter Bestrahlung
Dimensionsänderungen unterliegt. Diese Änderung, häufig als Wigner-Wachstum bezeichnet, kann
ein Reißen oder Verbiegen des Moderatoraufbaus zur Folge haben, es sei denn, der Graphit kann sich unter
Bestrahlung frei ausdehnen oder zusammenziehen.
Um ein Ausdehnen und Zusammenziehen bzw. Schrumpfen eines Graphitmoderatoraufbaus über
seine Lebensdauer hinweg zu ermöglichen, sind schon komplizierte Besonderheiten entwickelt worden. Diese
wurden für notwendig angesehen, weil die durch Bestrahlung hervorgerufenen Dimen'sionsänderungen im
Graphit sowohl von Temperaturen als auch vom Neutronenfluß abhängig sind. Folglich können die
Dimensionsänderungen in verschiedenen Bereichen oder Zonen des Moderatoraufbaus merklich unterschiedlich
sein. Es sind daher große Vorteile zu erreichen, wenn die durch Bestrahlung bedingten Dirnensionsänderungen
des Graphits bedeutend reduziert oder, besser noch, völlig aufgehoben werden. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, dies zu erreichen.
Die Erfindung basiert auf dem Herausfinden eines Ausdrucks bzw. einer Formel, die Wärmeausdehnungseigenschaften
und durch Strahlung bedingte Dimensionsänderungen in Beziehung bringt, wobei Messungen verwendet werden, die direkt von Graphitproben
genommen werden, die bei konstanter Temperatur bestrahlt werden. Aus dieser Formel wurde
es möglich, einen Wärmeausdehnungsbeiwert zu bestimmen, der einen hohen Grad von dimensionsmäßiger
Stabilität unter Bestrahlung bei dieser konstanten Temperatur ergibt. Beim Bau eines Graphitaufbaus,
der einer Bestrahlung durch Neutronen in einem Atomkernreaktor während des Betriebs desselben und
einer bestimmten Temperaturverteilung bei Normalbetrieb ausgesetzt wird, kann daher in jeden Bereich
des Aufbaus ein Graphit eingesetzt werden, dessen Wärmeausdehnungsbeiwert in zumindest einer gegebenen
Richtung entsprechend der normalen Betriebstemperatur in diesem Bereich ausgewählt wird,
mit dem Ziel, den Graphit in dieser Richtung unter Neutronenbestrahlung dimensionsmäßig zu stabilisieren.
Zur Lösung der obengenannten Aufgabe ist ein gasgekühlter Atomkernreaktor der eingangs genannten
Gattung dadurch gekennzeichnet, daß solche Teile des Graphits, die eine normale Betriebstemperatur
oberhalb 300° C haben, in zumindest einer gegebenen Richtung einen makroskopisch gemessenen Wärmeausdehnungsbeiwert
aufweisen, der größer als 4,5 χ 10"V°C ist, wobei der Beiwert im Bereich von
— 196 C bis +20'""1C gemessen ist.
Damit eine dimensionsmäßige Stabilität unter Neutronenbestrahlung in allen Richtungen vorherrscht,
ist es vorzuziehen, wenn der für den Aufbau ausgewählte Graphit eine zufällige Kristallorientierung
von hoher kristallografischer Perfektion aufweist und im wesentlichen isotropisch ist, zumindest bis zum
Umfang der Wärmeausdehnungseigenschaften. Es ist daher ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung, daß
der Aufbau mit im wesentlichen isotropischem Graphit hergestellt wird, d. h. mit einem Graphit mit einem
Isotropieverhältnis zu den Wärmeausdehnungseigenschaflen, welches kleiner als etwa 1,3 ist.
Graphitkristalle sind wie Plättchen. Die Richtung senkrecht zu der Ebene dieser plättchenartigen Kristalle
ist als die Richtung in der c-Achse bekannt. Die Richtung parallel zu dieser Ebene ist als die Richtung
in der α-Achse bekannt. Die Wärmeausdehnungsbeiwerte dieser Kristalle sind konstant in jeder Richtung,
obwohl sie bei extremen Temperaturen bis zu einem gewissen Ausmaß variieren. Unterschiedliche
Graphite haben jedoch unterschiedliche makroskopisch gemessene Wärmeausdehnungsbeiwerte wegen
der Unterschiede in der Kristallorientierung und Mikroporosität in der Graphitmasse. Trotzdem besteht
für einen gegebenen Graphit eine feste Beziehung zwischen dem makroskopisch gemessenen Wärmeausdehnungsbeiwert
und den Kristall-Wärmeausdehnungsbeiwerten, unabhängig von der Temperatur. Es wurde nunmehr festgestellt, daß die gleiche
feste Beziehung für Dimensionsänderungen existiert, und die Auswahl des notwendigen Wärmeausdehnungsbeiwertes
gemäß der Erfindung hängt von den folgenden Gleichungen ab, durch welche der makroskopisch
gemessene Wärmeausdehnungsbeiwert ux in
einer gegebenen Richtung χ zur Rate der Dimensionsänderung Xx der Masse in der gleichen Richtung in
Beziehung gebracht wird:
ax = Axac + (1 - Ax)aa (1)
Xx = Axxc + (1 - 1 Ax)xa (2)
worin
der Wärmeausdehnungsbeiwert eines Graphitkristalls in Richtung der c-Achse ist,
der Wärmeausdehnungsbeiwert eines Graphitkristalls in Richtung der α-Achse ist,
die Rate der Dimensionsänderung eines Graphitkristalls in Richtung der c-Achse ist,
die Rate der Dimensionsänderung eines Graphitkristalls in Richtung der α-Achse ist und
in bezug auf die Richtung χ eine Konstante für eine besonderes Qualität von kristallinem Graphit ist.
der Wärmeausdehnungsbeiwert eines Graphitkristalls in Richtung der α-Achse ist,
die Rate der Dimensionsänderung eines Graphitkristalls in Richtung der c-Achse ist,
die Rate der Dimensionsänderung eines Graphitkristalls in Richtung der α-Achse ist und
in bezug auf die Richtung χ eine Konstante für eine besonderes Qualität von kristallinem Graphit ist.
Die Bedingung Xx gleich Null bestimmt den Wert Ax
für Stabilität in Ausdrücken von xc und xa. Mit diesem
Wert von Ax ist es dann durch Substitution in Gleichung
(1) möglich, den makroskopischen Wärmeausdehnungsbeiwert zu bestimmen, genommen über
einen gegebenen Temperaturbereich vor der Bestrahlung, der eine dimensionsmäßige Stabilität ergibt,
d. h.
ax (für Stabilität) =
ο — 1
wobei ö das Verhältnis von xa zu xc ist.
ac und aa sind bekannte Werte, und für den Bereich
— 196°Cbis + 200C wird diese Gleichung reduziert zu
ax (für Stabilität) =
246+1,1
Λ-1
Λ-1
15
10~6 pro 0C (3)
Die Werte für das Verhältnis ό, die in dieser Gleichung
zu verwenden sind, müssen nun durch Berechnung aus den Messungen der makroskopischen Wärmeausdehnungsbeiwerte
und makroskopischen Dimensionsänderungen, angezeigt durch ausgewählte Bestrahlungsdaten, ermittelt werden, wobei für diesen
Zweck wieder Gleichungen (1) und (2) verwendet werden. Es erscheint bisher aus Bestrahlungen, daß
sich das Verhältnis mit der Bestrahlungsdosis nicht wesentlich ändert, und es wird daher zweckmäßig als
eine Konstante für jede bestimmte Temperatur betrachtet.
Der Ursprung der ausgewählten Daten ist eine Reihe von Bestrahlungen von Proben des Graphits
von der sogenannten Reaktorqualität »Güteklasse A« bei unterschiedlichen konstanten Temperaturen in
einem Hochfluß-Materialprüfreaktor vom schwer- 35 — wassermoderierten und -gekühlten Typ. Die Neutronenaktivität
von Nickel durch die Reaktion 58Ni (n, p) 58Co stellt — bei Fehlen eines gut ausgebauten
Verfahrens zum Messen von Neutronenernergiespektren — einen guten Monitor für den Fluß in dem
Energiebereich dar, der für Graphit zerstörend ist, und eine Umwandlung der resultierenden Aktivität
in den »Nickel-Fluß« Φ Ni wird bei Verwendung eines Querschnitts von 0,107 Barn durchgeführt. Die folgende
Tabelle 1 zeigt Ergebnisse, die aus den Messungen von Dimensionsänderungen der Masse und von
Wärmeausdehnungsbeiwerten unter Verwendung der Gleichungen (1) und (2) errechnet wurden. Gleichung
(1) ergibt Ax für Gleichung (2).
reaktors (s. Tabelle 2) erforderlich ist, aber aller Wahrscheinlichkeit nach gibt es Differenzen zwischen
dem Neutronenenergiespektrum, das während der Bestrahlung der Proben vorherrscht, und demjenigen,
das für den in Frage stehenden Graphitaufbau bestimmt ist. Solche Spektrumsdifferenzen in Verteilung
und Intensität bedingen eine gewisse Differenz in der Rate der Erzeugung von Beschädigungen im
Graphit. Eine wesentliche Differenz zwischen den jeweiligen Neutronenspektren kann daher eine direkte
Anwendung der makroskopischen Wärmeausdehnungsbeiwerte für dimensionsmäßige Stabilität auf
der Basis von wahren bzw. Ist-Temperaturen ausschließen, wenn der Maximalgrad von Dimensions-Stabilität
gesucht wird.
Der gleiche Netto-Beschädigungseffekt kann jedoch in Graphit mit zwei Differenzflußspektren vorausgesetzt
werden, wenn die jeweiligen Bestrahlungstemperaturen durch eine aus der Glühkinetik abgeleitete
Formel in Beziehung gebracht werden.
Als erster Schritt sind daher die vorher angegebenen Prüfreaktor-Ergebnisse (Tabelle 1) zu einem Bezugspunkt
in einem Calder-Hall-Reaktor bei 3,12 MW/Ate
wie folgt in Beziehung gebracht worden. Der entsprechende Wert von ax für dimensionsmäßige Stabilität
bei äquivalenten Temperaturen für beide Reaktoren wurden ebenfalls errechnet.
Temperatur in 0C | -0,15 |
200 | -0,16 |
225 | -0,17 |
250 | -0,31 |
350 | -0,35 |
450 | -0,12 |
650 | |
Die angegebenen Werte für <5 ermöglichen durch Gleichung (3) eine Bestimmung des makroskopischen
Wärmeausdehnungsbeiwertes, der im Graphit für dimensionsmäßige Stabilität bei jeder Temperatur
im Flußspektrum des verwendeten besonderen Prüf-
Prüfreaklor- temperatur in C |
Äquivalente Temperatur des Bezugspunktes in "C |
ux · 107"C für dimensionsmäßige Stabilität [Gleichung (3) und Tabelle 1] |
200 | 129 | 2,3 |
225 | 173 | 2,4 |
250 | 216 | 2,5 |
350 | 300 | 4,9 |
450 | 378 | 5,4 |
650 | 540 | 1,6 |
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Kurve, bei der ax gegen diese äquivalente Temperatur angetragen ist.
Das besondere Beispiel, welches nunmehr betrachtet werden soll, ist ein Kernreaktor-Graphitmoderatoraufbau,
welcher insgesamt der Form eines aufrechten, geraden Zylinders entspricht und von oben bis
unten mit runden Kanälen von konstantem Querschnitt durchsetzt ist, die vertikal parallel zueinander
in quadratischer Aufteilung angeordnet sind. Für die vorliegenden Zwecke wird angenommen, daß Kernbrennstoff,
der zentral in den Kanälen angeordnet ist, sich kontinuierlich ohne Veränderung des Querschnitts
von oben bis unten im Moderatoraufbau erstreckt. Durch den Ringraum zwischen dem Brennstoff
und den Kanalwänden strömt ein gasförmiges Kühlmittel, welches im vorliegenden Beispiel Kohlendioxyd
sein soll, nach oben. Demzufolge besteht ein vertikaler Temperaturgradient, der mit der Höhe zunimmt;
die Änderung der Temperatur infolge dieses Gradienten ist es, die im vorliegenden Beispiel berück sichtigt
werden soll.
Eine Temperaturverteilung für den Normalbetrieb, basierend auf 300° C in der mittleren Horizontalebene,
ist in der folgenden Tabelle 3 für elf eleichweit von-
einander entfernte Pegel bzw. Höhen gezeigt, die mit — 5 bis +5 numeriert sind, und zwei Zwischenhöhen
bzw.-pegel —4,5 und +4,5 auf halbem Wege zwischen dem Pegel —4 und —5 bzw. dem Pegel 4 und 5:
Moderatorhöhe | Kanalwandtemperalur in "C |
5 | 400 |
4,5 | 399 |
4 | 395 |
3 | 381 |
2 | 356 |
1 | 331 |
0 | 300 |
-1 | 269 |
-2 | 244 |
-3 | 219 |
-4 | 205 |
-4,5 | 201 |
-5 | 200 |
zu äquivalenten Temperaturen korrigiert, und die Wärmeausdehnungsbeiwerte für dimensionsmäßige
Stabilität werden aus der Kurve der Fig. 1 herausgelesen. Die folgende Tabelle 4 zeigt Ergebnisse für den
in Frage stehenden Moderatoraufbau.
Die in vorstehender Tabelle 3 angegebenen Temperaturen werden durch die folgende Gleichung (4)
Moderatorhölle | Äquivalente Temperatur in 0C |
ux- 10-"/"C für die Stabilität |
5 | ||
4,5 | 442 | 4,35 |
4 | 414 | 4,90 |
3 | 378 | 5,45 |
2 | 343 | 5,40 |
1 | 316 | 5,15 |
0 | 285 | 4,50 |
-1 | 257 | 3,60 |
2 | 236 | 2,90 |
-3 | 217 | 2,50 |
-4 | 213 | 2,50 |
-4,5 | 221 | 2,60 |
/J 1_\ _ -K
\Te T) ~ E ge
(atomare Verschiebungsrate am fraglichen Punkt) K , (Pe) (atomare Verschiebungsrate am Bezugspunkt) E (3,12)
worin
T die wahre absolute Temperatur,
Te die äquivalente absolute Temperatur,
K die Boltzmann-Konstante (8,61 · 10~5 eV/°K) und
Pe die äquivalente spezifische Leistung bedeutet.
Atomare Verschiebungsraten können aus bekannten Neutronenflußspektren und bekannten spezifischen
Reaktorleistungen errechnet werden. Reaktorgeometrien und Brennstoffe ändern sich jedoch, und
die spezifische Leistung im einen Reaktor wird nicht unbedingt im gleichen Verhältnis zur Graphitzerstörung
stehen wie in einem anderen Reaktor. Es gibt daher für die spezifische Leistung an einem Punkt in
einem zu bauenden Reaktor — die »örtliche spezifische Leistung« — eine äquivalente spezifische Leistung
an einem Bezugspunkt in einem Standard-Reaktor, an welchem die Zerstörungsrate die gleiche
sein wird. Gleichung (4) fordert die äquivalente spezifische Leistung. Die Ergebnisse in Tabelle 4 wurden
erzielt bei Verwendung der Werte aus der nachfolgenden.Tabelle 5 und einer Aktivierungsenergie von 1,2 ev.
Für die vorliegenden Zwecke wird davon ausgegangen, daß die Aktivierungsenergie einen einzigen Wert auf
der Grundlage hat, daß ein Glühen oder Anlassen in einer Folge von Prozessen stattfindet, die durch anfängliches
Verhalten gesteuert werden. Der angenommene Wert ist daher für die anfänglichen Stufen des
Glühens oder Anlassens anwendbar und wird experimentell bestimmt. Experimentelle Ergebnisse haben
variiert bzw. geschwankt, aber die Variation bzw. Schwankung liegt innerhalb der Grenzen, die mit dem
Grad von Genauigkeit in Einklang stehen, welcher für diese Prozedur von Moderalorkonstruktion zu
erwarten ist.
Moderatorhöhe | Tabelle 5 | Äquivalente spez. Leistung MW/Ate |
|
35 | 5 | 0 | |
4,5 | Urtl. spez. Leistung MW/Ate |
0,93 | |
40 | 4 | 0 | 1,86 |
3 | 0,97 | 3,52 | |
2 | 1,98 | 4,96 | |
1 | 3,68 | 5,60 | |
45 | 0 | 5,19 | 6,0 |
-1 | 5,88 | 5,60 | |
_9 | 6,30 | 4,96 | |
-3 | 5,88 | 3,52 | |
50 | -4 | 5,19 | 1,86 |
-4,5 | 3,68 | 0,93 | |
-5 | 1,98 | 0 | |
0,97 | |||
55 | 0 | ||
Folgt man den Ergebnissen der Tabelle 4 beim Bau des Moderatoraufbaus von Tabelle 3 von unten bis
zu einer Höhe zwischen der Zwischenhöhe -4,5 und der Höhe —4, so haben die Graphitblöcke einen
Wärmeausdehnungsbeiwert von 2,6 · 10"6/°C, in den
nächsten Schichten bis zwischen die Höhen - 3 und -2 haben die Blöcke einen Wärmeausdehnungsbeiwert
von 2,50 · 10~7°C, usw. Die Qualität des ver-
wendeten Graphits soll polykristallin von hoher krislallografischer Perfektion und im wesentlichen
isotropisch sein, wobei der spezifizierte Wärmeausdehnungsbeiwert in diesem Fall der Durchschnittswert
über den Temperaturbereich von -190°C bis +200C
hinweg ist.
Als Alternative zur Verarbeitung in Schichten von gleichförmiger Dicke können die Schichten auch unterschiedliche
Dicke haben, insbesondere für den Fall, wo eine beträchtliche Veränderung des äquivalenten
Temperaturgradienten besteht und Graphitarten mit einer großen Vielfalt von Wärmeausdehnungsbeiwerten
verfügbar sind, die den erforderlichen Bereich in kleinen Stufen überdecken. Im allgemeinen ist der
Moderatoraufbau in Zonen unterteilt, die jeweils durch Isotherme definiert sind, die den Grenzen der
vorher ausgewählten Temperaturbereiche entsprechen, welche die volle Spanne der Temperaturverteilung
decken, und ein besonderer Wärmeausdehnungsbeiwert zum Herabsetzen der durch Bestrahlung bedingten
dimensionalen Änderung auf ein Minimum ist bestimmt für isotropischen Graphit, der in jeder Zone
vorzusehen ist; bei niedrigen Temperaturen ist ein niedriger Ausdehnungsbeiwert erforderlich, und bei
höheren Temperaturen (bis zu einer bestimmten Grenze) sind höhere Ausdehnungsbeiwerte erforderlich.
So nehmen die Wärmeausdehnungsbeiwerte in den verschiedenen Zonen mit ansteigender Reihenfolge
der Temperaturbereiche zu.
Es ist vorherzusehen, daß bei einem so konstruierten Graphitmoderatoraufbau, jede dimensionale Änderung,
die durch Bestrahlung bedingt ist, über die ganze Betriebsdauer des Reaktors so gering sein wird,
daß die Graphitblöcke so angeordnet werden können, daß sie bei der Temperatur des Normalbetriebs alle
Flächen berühren und daß eine derartige Kontiguität während des Betriebs andauert. Infolgedessen besteht
gegenüber früheren Anordnungen, bei denen die Kontiguität auf der Basis der Temperatur zur Anwendung
kommt, die für die Dimensionsänderung genügend hoch ist, damit lediglich eine Einschrumpfung
eintritt, der Vorteil, daß kein Spiel zwischen den Blöcken entsteht; ein Verlust an Starrheit in der
Struktur und ein Leckaustreten zwischen den Kanälen werden daher vermieden.
Weitere bedeutende Vorteile ergeben sich aus den Unterschieden des Neutronenflusses an verschiedenen
Punkten in einem Graphitblock während des Reaktorbetriebs. In der Regel gibt es ein gewisses Anwachsen
der Intensität des Flusses in Richtung auf die Mitte eines Reaktors, und daher wird in mindestens einigen
der Blöcke ein Flußgefälle vorhanden sein, das von der Auswärtsseite zur Einwärtsseite hin zunimmt. Ein
nicht stabiler Graphit wird infolge dieser Flußänderung einer unterschiedlichen Dimensionsänderung
unterworfen sein, die das Bestreben hat, ein Verbiegen des Blocks hervorzurufen. Eine andere Art von
Flußänderung, die im Graphit auftritt, ist das progressive Erweichen des Neutronenspektrums mit zunehmender
Entfernung von einem durch den Block führenden Brennstoffkanal. Die in nicht stabilem
Graphit auftretende unterschiedliche Dimensionsänderung hat in diesem Falle das Bestreben, einen
Bruch des Graphits zu verursachen. Die durch die vorliegende Erfindung erzielbare dimensionale bzw.
räumliche Stabilität beseitigt diese Biege- und Bruchtendenzen.
Es versteht sich natürlich, daß die Spezifizierung von unterschiedlichen Wärmeausdehnungsbeiwerten in
verschiedenen Zonen eine Konstruktion in Form von Baueinheiten erfordert wie die bereits erwähnten
Blöcke. Da nicht erwartet werden kann, daß die Formgebung für solche Einheiten zu den Kontouren der
Isothermen, welche die Zonen bestimmen, paßt, sollte sich der Beiwert, der für jede besondere Einheit zu
verwenden ist, nach der Zone richten, in welcher der größte Teil der Einheit liegt.
Wenn auch das Vorhergehende eine Hilfe bei exakten Bestimmungen bzw. Entscheidungen für Stabilität
ist, gibt es doch verschiedene Faktoren, die es erschweren, diese in der Praxis zu erreichen. Zusätzlich
zu dem Umstand, der aus dem vorangehenden Absatz hervorgeht, daß eine stufenlose Änderung des
Beiwertes nicht vorgesehen werden kann, wird wohl für neue Graphitsorten kaum mit Sicherheit vorausgesagt
werden können, daß Stabilität noch vorherrscht, wenn die Dosis sich einem solch hohen Wert, wie beispielsweise
100 000 MWD/AteU (Megawattage pro benachbarte Tonne Uran), nähert, den man für den
Graphitmoderator von thermischen Atomkernreaktoren für geeignet hält. Insbesondere besteht die Möglichkeit,
daß das Verhältnis δ eine Funktion der Dosis bei hohen Dosiswerten sein kann. Es besteht ferner
die Möglichkeit, daß große Ausdehnungen des Graphits in der c-Achse bei hohen Bestrahlungsdosen die
Porosität schließen, die normalerweise für die Reduzierung des makroskopisch gemessenen Wärmeausdehnungsbeiwertes
des Graphits bis unter denjenigen eines einzelnen Kristalls verantwortlich ist; dieser
Effekt kann eine Änderung der Konstante A zur Folge haben. Es sind jedoch Verfahren entwickelt worden,
die eine Prüfung der Änderung von A ohne Neutronenbestrahlung ermöglichen, so daß die Eignung
von neuen Graphitsorten in dieser Hinsicht leicht festgestellt werden kann.
Im Hinblick auf diese praktischen Beschränkungen kann es ausreichend sein, Annäherungen an die grafische
Darstellung nach F i g. 1 direkt Tür den Moderatorgraphit von gasgekühlten graphitmoderierten
Atomkernreaktoren derjenigen Gattung anzuwenden, bei welcher stabförmige Brennelemente in parallelen,
den Moderator durchdringenden Kanälen angeordnet sind. Als Hilfe bei der dimensionsmäßigen Stabilisierung
dieses Graphits sollten daher solche Teile, die während des Normalbetriebs einer Temperatur oberhalb
325° C ausgesetzt sind, einen makroskopisch gemessenen Wärmeausdehnungsbeiwert in zumindest
einer gegebenen Richtung haben, welcher größer als 4,5 · 10~6/°C, gemessen über den Bereich von -196°C
bis +200C, ist. Das Wesen dieser Annäherung tendiert dahingehend, mögliche Abweichungen von der
dimensionsmäßigen Stabilität bei hohen Bestrahlungsdosen abzuwenden. Einer praktischen Einschränkung
unterliegt natürlich das Ausmaß, bis zu welchem der angegebene Wert überschritten werden kann,
nämlich der Bedingung, daß der makroskopisch gemessene Beiwert nicht größer als ein Drittel des
Wärmeausdehnungsbeiwertes des Kristalls in Richtung der c-Achse sein kann. Diese Isotopie-Einschränkung
macht etwa 7,3 · 10~6/°C im vorerwähnten
Temperaturbereich aus. So kann ein makroskopisch gemessener Beiwert bedeutend oberhalb des angegebenen
Wertes für eine gegebene Normalbetriebstemperatur, insbesondere eine solche, die ein wenig über
3250C liegt, während früher Stadien der Graphit-Lebensdauer
zu einer Ausdehnung unter Bestrahlung führen, wobei dieser Effekt der Alternative vorzuziehen
ist, daß bei anfänglicher Stabilität später eine Änderung im Verhalten folgt, wodurch ein Zusammenziehen
eintritl. Das Zusammenziehen bzw.
209 582/5?
Schrumpfen neigt zur Erzeugung von Zugkräften, gegenüber denen der Graphit schwach ist, so daß es
zu einem Bruch kommen kann.
Die Möglichkeit des Schrumpfens wird mit größerer Sicherheit vermieden, wenn, wie vorgezogen, derjenige
Graphit, der während des Normalbetriebes einer Temperatur oberhalb 3000C ausgesetzt ist, einen makroskopisch
gemessenen Wärmeausdehnungsbeiwert in mindestens einer gegebenen Richtung aufweist, der im
vorerwähnten Temperaturbereich größer als 5,0 10-6/°Cist.
Für jeden Graphit in dem Reaktor, der eine normale Betriebstemperatur von weniger als 325°C hat,
sorgt die Erfindung aus Gründen der Stabilität dafür, ■daß er einen makroskopisch gemessenen Wärmeausdehnungsbeiwert
hat, der für normale Betriebstemperaturen zwischen 130 und 2400C gleich oder
größer als
und für normale Betriebstemperaturen zwischen 240 und 325° C gleich oder größer als
· 10'70C
ist, wobei T die Temperatur in 0C ist und die Beiwerte
im Bereich von — 196°C bis + 200C gemessen werden.
Die bevorzugte Regel ist, daß zwischen 130 und 2300C
der Wärmeausdehnungsbeiwert wie vorher angegeben ist, nämlich gleich oder größer als
(wo + >'95) · 10"6/°C'
aber zwischen 230 und 3000C dieser Beiwert gleich
oder größer als
J^ - 6,io) ■ 10-6/°C
Wie im vorstehenden hat der Graphit vorzugsweise eine zufällige Kristallorientierung, damit er zu einem
hohen Grade isotropisch ist, mindestens in dem Ausmaß der Wärmedehnungseigenschaften. Der Graphit
sollte außerdem gut graphitisiert sein, und zwar zu einer hochgradigen kristallographischen Perfektion.
Die unteren Grenzen des im vorstehenden aufge
10
führten Wärmedehnungsbeiwertes (einschließlich derjenigen, welche als bevorzugt bezeichnet werden) für
die verschiedenen Bereiche der Betriebstemperatur werden aus F i g. 1 abgeleitet, und in der Zeichnung
ist in F i g. 2 ein Diagramm dieser unteren Grenzen, angetragen gegen die Temperatur, gezeigt. Die Linie,
welche mit 1 bezeichnet ist, gibt das Minimum für die vorliegenden Zwecke an, während die Linie 2 die
bevorzugte untere Grenze und die mit 3 bezeichnete Linie eine praktische obere Grenze wiedergibt, wobei
diese zuletzt genannte Linie durch
'95) · I0"6/°
V400
zwischen 130 und 2300C, durch
T
T
—- - 735) ·
zwischen 230 und etwa 3000C und durch 6,0 · 10"V0C
oberhalb etwa 3000C definiert ist und der Beiwert, wie im vorstehenden, mit Bezug auf den Bereich von
-196°C bis +20°Cgilt.
Es ist zu beachten, daß in F i g. 2 der Auslauf bei hohen Temperaturen, wie in Fig. 1 gezeigt, weggelassen
ist. Zur Rechtfertigung dieser Weglassung stehen Bestrahlungsdaten zur Verfügung, und auf dieser
Basis sollten die Beiwerte einheitlich hoch für alle Temperaturen oberhalb beispielsweise 3500C gehalten
werden.
Fig. 2 kann für weitere Reaktorarten verwendet werden, die einer Temperaturberichtigung unterliegen,
um die Differenz des Beschädigungsflusses zu erklären.
Wenn auch in der vorhergehenden Beschreibung Wärmeausdehnungsbeiwerte für den Bereich von
— 196° C bis +200C spezifiziert wurden, so können
diese Beiwerte gegebenenfalls in die Äquivalente für andere Temperaturbereiche umgewandelt bzw. umgerechnet
werden. Gleichung (1) wird für diese Umwandlung bzw. Umrechnung verwendet.
Die folgende Tabelle 6 gibt bestimmte Umrechnungen zur Veranschaulichung wieder:
- 196°C bis +200C pro 0C |
+ 20 bis + )20°C pro 0C |
+ 100 bis + 7000C pro °C |
5,0· 10"6 2,0 · 10"6 |
5,3 · ΙΟ"6 2,0- 10~6 |
6,7 ■ 10'6 3,3 · 10~6 |
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Gasgekühlter Atomkernreaktor mit einem Graphitmoderatoraufbau, der zusammengefügte
Graphiteinheiten aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß solche Teile des Graphits, die eine normale Betriebstemperatur oberhalb 3000C
haben, in zumindest einer gegebenen Richtung einen makroskopisch gemessenen Wärmeausdehnungsbeiwert
aufweisen, der größer als 4,5 x 10~6/°C ist, wobei der Beiwert im Bereich von
-196° C bis +200C gemessen ist.
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in verschiedenen Bereichen, die
durch Isothermen definiert sind, weiche den Grenzen ausgewählter Temperaturbereiche entsprechen,
der Graphit unterschiedliche Wärmeausdehungsbeiwerte aufweist, deren Werte in aufsteigender
Reihenfolge der Temperaturbereiche zunehmen.
3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Graphit
im wesentlichen isotropisch ist.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB121262 | 1962-01-12 | ||
GB1212/62A GB1021452A (en) | 1965-04-02 | 1962-01-12 | Improvements relating to graphite structures in nuclear reactors |
GB480662 | 1962-02-07 | ||
GB480662 | 1962-02-07 | ||
DEU0009504 | 1963-01-11 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1439794A1 DE1439794A1 (de) | 1968-10-31 |
DE1439794B2 DE1439794B2 (de) | 1973-01-11 |
DE1439794C true DE1439794C (de) | 1973-08-23 |
Family
ID=
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