DE1439839C - Fast nuclear reactor - Google Patents
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Description
darauf beruhende Möglichkeit des sicheren Ausbleibens einer Reaktivitätszunahme beim Auftreten eines Kühlmittelverlustes ist besonders dann von Bedeutung, wenn das Kühlmittel ein über den kritischen Punkt hinaus unter Druck gesetztes wässriges Medium ist. Bei solchen Kühlmitteln besteht in schnellen Reaktoren, insbesondere bei großen Anlagen wo das Entweichen von Neutronen im Normalbetrieb wenig in Erscheinung tritt, eine ausgesprochene Neigung zur Reaktivitätszunahme bei Kühlmittelverlust. Wenn man berücksichtigt, daß der Reaktorkern die Kühlmitteltemperatur im allgemeinen weit über die kritische Temperatur von 374° C ansteigen läßt und daß oberhalb dieser Temperatur die Dichte des überkritischen Dampfes rasch abnimmt, so wird man es vorziehen, das Kühlmittel, das durch die Trennzone, die sozusagen einen Kühlmittelspalt darstellt, strömt, bei unterkritischen Temperaturen zu halten, um so die Kontrolle der Größe des Neutronenverlustes zu begünstigen. Es ist zweckmäßig, für die Trennzone einen besonderen Strömungsweg vorzusehen, über den ein Teil der Kühlmittelzufuhr abgeleitet wird; dieser Teil wird dann zweckmäßig mit der Strömung durch den schnellen Brennstoffbereich wieder vereinigt, d. h. der Strömungsweg ist durch den schnellen Brennstoffbereich in Reihe oder parallel geschaltet.based on the possibility of a certain absence of an increase in reactivity when it occurs Loss of coolant is particularly important when the coolant is above the critical Point is pressurized aqueous medium. Such coolants consist of fast reactors, especially in large systems where neutrons escape during normal operation hardly appears, a pronounced tendency to increase reactivity in the event of a loss of coolant. If one takes into account that the reactor core, the coolant temperature is generally far Above the critical temperature of 374 ° C can rise and that above this temperature the Density of supercritical vapor decreases rapidly so one will prefer the coolant that passes through the separation zone, which represents a coolant gap, so to speak, flows at subcritical temperatures so as to favor the control of the magnitude of the neutron loss. It is appropriate to provide a special flow path for the separation zone through which part of the coolant supply is derived; this part then becomes convenient with the flow through the fast fuel area reunited, d. H. the flow path is in series or through the fast fuel area connected in parallel.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigen dieThe invention will now be explained in more detail on the basis of the drawing showing it, for example, namely they show
Fig. 1 und 2 natriumgekühlte Schnellreaktoren, währendFig. 1 and 2 sodium-cooled rapid reactors, while
Fig. 3 einen Schnellreaktor darstellt, der mit einem wässrigen Kühlmittel von überkritischem Druck gekühlt ist.Fig. 3 illustrates a high speed reactor operated with an aqueous coolant of supercritical Pressure is cooled.
Zur Erläuterung der allgemeinen Bauweise dieser Reaktoren mögen folgende Angaben dienen: In jedem Fall ist der Kern aus Brennstoff-Bauteilgruppen in dichter Packung zusammengesetzt; diese Bauteilgruppen haben langestreckte sechskantige Gehäuse oder Schutzhüllen 1, in denen Stifte aus umhülltem spaltbaren bzw. brütbarem Material in Parallelanordnung in Gestalt eines Raumgitters untergebracht sind. Die Gehäuse sind oben offen und setzen sich an ihren unteren Enden als hohlzylindrische Ansätze 2 fort, die in einen gitterförmigen Tragebauteil 3 hineinpassen. Dieser Tragebauteil 3 weist eine Kühlmitteleinlaßkammer 4 auf, mit der die Innenräume der Brennstoffgehäuse über Längsschlitze 5 in den Fortsätzen 2 in Verbindung stehen. 5« Der Einlaßkammer 4 über eine Zuführleitung 6 zugeführtes Kühlmittel strömt somit aufwärts durch die Brennstoff-Bauteilgruppen und dabei über die darin untergebrachten Stifte zu einer Abführleitung 7. Regelelemente zur Regelung der Reaktivität sind mit 8 bezeichnet. Sie sind zweckmäßig ähnlich aufgebaut wie die vorstehend beschriebenen Brennstoff-Bauteilgruppen, haben aber mit einem Neutronenabsorber gefüllte Stifte. Stifte von gleichem Inhalt sind mit.Hilfe der Bauteilgruppen zu verschiedenen Bereichen von verschiedener Zusammensetzung gruppiert, und hinsichtlich dieser Bereiche sollen nun die verschiedenen Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben werden.The following information may serve to explain the general design of these reactors: In each In this case, the core is composed of fuel assemblies in close packing; these component groups have elongated hexagonal housings or protective sheaths 1 in which pins are encased Fissile or incubable material housed in a parallel arrangement in the form of a space lattice are. The housings are open at the top and are hollow-cylindrical at their lower ends Approaches 2 that fit into a lattice-shaped supporting component 3. This supporting component 3 has a coolant inlet chamber 4, with which the interiors of the fuel housing via longitudinal slots 5 in the extensions 2 are in connection. 5 «The inlet chamber 4 is supplied via a supply line 6 Coolant thus flows upwards through the fuel assemblies and over the ones therein housed pins to a discharge line 7. Control elements for regulating the reactivity are denoted by 8. They are expediently structured in a similar way to the fuel component groups described above, but have pens filled with a neutron absorber. Pens with the same content are with the help of the component groups to different areas of different composition grouped, and with regard to these areas, the various exemplary embodiments will now be discussed in detail to be discribed.
In Fig. 1 ist ein schneller Brennstoffbereich 10 in Form eines geraden Zylinders vorgesehen, und ein ihn umgebender eigentlicher Brütbereich 11 besteht aus einem radialen Brütmantel 12 und einer Deckschicht 13. Diese Deckschicht 13 hat ein Brütstoff-Spaltstoff-Verhältnis, das zwischen dem des schnellen Brennstoffbereichs und dem des übrigen eigentlichen Brütbereichs liegt, und bildet einen Unterbereich, der sich — in Richtung der Vertikalachse gesehen — höchsten ebensoweit erstreckt wie ein oberer Teil des schnellen Brennstoffbereichs, der gleich α L ist, wobei α der Kühlmittelvolumenteil des schnellen Brennstoffbereichs ist und L die durchschnittliche Länge des schnellen Brennstoffbereichs bedeutet. Der Reaktor hängt bezüglich seiner Kritikalität von den Spaltprozessen in dem Deckschicht-Unterbereich ab, und auf diese Weise ergibt sich ein negativer Reaktivitätseffekt, falls der schnelle Brennstoffbereich von dem Unterbereich entkoppelt wird. Als Folge der vorstehend wiedergegebenen Anordnung des Unterbereichs bezüglich des schnellen Brennstoffbereichs wird die Entkopplung eintreten, sobald in dem schnellen Brennstoffbereich unter Abwärtsverdichtung ein Zusammenbruch eintritt. Die Entkopplung wird spätestens zu dem Zeitpunkt beendet sein, wo der schnelle Brennstoffbereich völlig verdichtet ist. Man kann vernünftigerweise annehmen, daß der Unterbereich unter diesen Umständen nicht zusammenbrechen wird, weil seine Wärmeabgabe wegen des verhältnismäßig geringeren Spaltstoffgehaltes viel kleiner sein wird als die des schnellen Brennstoffbereichs.In Fig. 1, a fast fuel area 10 is provided in the form of a straight cylinder, and an actual breeding area 11 surrounding it consists of a radial breeding jacket 12 and one Cover layer 13. This cover layer 13 has a breeding material to fissile material ratio that is between that of the fast fuel area and that of the rest of the actual breeding area, and forms one Sub-area which - viewed in the direction of the vertical axis - extends as far as the highest an upper part of the fast fuel range equal to α L, where α is the coolant volume fraction of the is the fast fuel area and L is the average length of the fast fuel area means. With regard to its criticality, the reactor depends on the fission processes in the cover layer sub-area and in this way there is a negative reactivity effect if the fast fuel range is decoupled from the sub-area. As a result of the arrangement shown above of the sub-area with respect to the fast fuel area, the decoupling will occur, as soon as a breakdown occurs in the fast fuel area with downward compression. The decoupling will end at the latest when the fast fuel range is completely is condensed. One can reasonably assume that under these circumstances the sub-area will not collapse, because its heat release due to the relatively lower content of fissile material will be much smaller than that of the fast fuel range.
Beim vorliegenden Beispiel ist der Anteil des Kühlmittels am Volumen des schnellen Brennstoffbereichs zu einem Drittel angenommen, und somit erstreckt sich die Deckschicht 13 so weit wie das obere Drittel des schnellen Brennstoffbereichs.In the present example, the proportion of coolant in the volume of the fast fuel area is assumed to be a third, and thus the cover layer 13 extends as far as that upper third of the fast fuel range.
Zwischen dem schnellen Brennstoffbereich und dem ihn umgebenden Bereich liegt ein mit Kühlmittel gefüllter Ringspalt 14. Die Dicke des Spaltes 14 zwischen dem schnellen Brennstoffbereich und dem radialen Mantel beträgt beispielsweise etwa 10 cm; sie kann etwas geringer sein zwischen dem schnellen Brennstoffbereich und der Deckschicht. Die oben und unten axial angeordneten Brütschichten 15 und 16 werden ebenfalls von dem Spalt 14 durchsetzt, und hier kann die Dicke sogar noch geringer sein. Obwohl das Kühlmittel flüssiges Natrium ist, könnte es auch eine Legierung auf Natriumbasis mit niedrigem Schmelzpunkt sein. ζ. Β Natrium-Kalium. A coolant is located between the fast fuel area and the area surrounding it filled annular gap 14. The thickness of the gap 14 between the fast fuel area and the radial jacket is, for example, about 10 cm; it can be a little less between that fast fuel area and the top layer. The breeding layers axially arranged above and below 15 and 16 are also penetrated by the gap 14, and here the thickness can be even smaller being. Although the coolant is liquid sodium, it could also be a sodium-based alloy be with a low melting point. ζ. Β sodium-potassium.
Die Deckschicht 13 kann so eingerichtet sein, daß sie als Unterbereich für thermische Spaltung dient. Für diesen Fall muß Moderatormaterial in die Stifte dieses Unterbereichs eingebracht werden, um die Neutronen thermisch zu machen. Wenn der Kühlmittelstrom aufwärts durch den Reaktorkern gerichtet ist, kann es erwünscht sein, in dem peripheren Bereich eine zweite Deckschicht vorzusehen, ähnlich der Deckschicht 13, aber von gleicher Erstreckung wie die äquivalente untere Länge des schnellen Brennstoffbereichs. Diese Maßnahme würde die Entkopplung bewirken, wenn die Verfestigung des schnellen Brennstoffs in Aufwärtsrichtung eintreten sollte.The cover layer 13 can be designed so that it serves as a sub-area for thermal cleavage. In this case, moderator material must be introduced into the pins of this sub-area in order to to make the neutrons thermal. When the coolant flow is directed upwards through the reactor core it may be desirable to provide a second cover layer in the peripheral area, similarly of the top layer 13, but of the same extent as the equivalent lower length of the fast fuel range. This measure would cause the decoupling when the solidification of fast fuel should occur in the upward direction.
In typischen Fällen können 1 bis 2% Reaktivität in der Deckschicht untergebracht werden, wobei noch ein hinreichend geringer langsamer Spaltungsanteil in der Deckschicht verbleibt. Die Hinzunahme der Kühlmittelringschicht mit Hilfe des Spaltes 14 kann den Reaktivitätsrückgang beim Ausfall des Natriums noch um etwa 3 °/o vergrößern.In typical cases, 1 to 2% reactivity can be accommodated in the top layer, whereby a sufficiently low, slow fraction of cleavage still remains in the top layer. The addition the coolant ring layer with the help of the gap 14 can reduce the reactivity if the sodium fails increase by about 3 per cent.
Durch geeignete Wahl der Parameter des Reaktorkerns können die Natriumverlust- und Entkopplungseffekte so eingestellt werden, daß sie beim Zusammenbruch die Reaktivitätsausbeute übertreffen. In einem besonderen Fall mit einer Deckschicht, einem Verhältnis der Länge zum Durchmesser des Reaktorkerns von 0,67 und einem Kühlmittelanteil von einem Drittel im schnellen Brennstoffbereich ist der Reaktorkern beim Zusammenbruch und bei Natriumverlust gerade unterkritisch, aber wegen der Hinzunahme der Natriumringschicht kann eine ausgesprochene negative Nettoreaktivität desselben erwarten werden.By suitable choice of the parameters of the reactor core, the sodium loss and decoupling effects can be adjusted in such a way that they occur in the event of a breakdown exceed the reactivity yield. In a special case with a top layer, a Ratio of the length to the diameter of the reactor core of 0.67 and a coolant content of a third in the fast fuel range is the reactor core in the event of a breakdown and loss of sodium just subcritical, but because of the addition of the sodium ring layer, a pronounced negative net reactivity of the same will be expected.
Die Trennzone ermöglicht es in Kombination mit dem Deckschicht-Unterbereich für den Fall des Kühlmittelmangels und des dadurch ausgelösten Schmelzvorgangs im schnellen Brennstoffbereich, eine insgesamt negative Reaktivitätsänderueng für einen weiten Bereich der Geometrie des Reaktorkerns vorherzusagen. So kann insbesondere bei einem schnellen Brennstoffbereich von der Gestalt eines senkrecht ausgerichteten geraden Zylinders das Verhältnis zwischen der senkrechten Länge und dem Durchmesser Werte über 0,5 annehmen, und zwar ohne starke Konzentration des investierten Spaltmaterials in dem Unterbereich der Deckschicht. Bisher wurden für den in Frage stehenden Fall Werte dieses Verhältnisses unter 0,5 in Betracht gezogen; bei einer Bauweise des schnellen Brennstoffbereichs, bei der Stifte Verwendung finden, bedeutet jedoch ein kleines Verhältnis die Notwendigkeit einer Erhöhung der Anzahl der Stifte und damit höherer Kosten.The separation zone makes it possible in combination with the top layer sub-area in the event of the Lack of coolant and the resulting melting process in the fast fuel range, an overall negative change in reactivity for a wide range of reactor core geometry to predict. So, especially with a fast fuel range of the shape of a perpendicular straight cylinder is the ratio between the perpendicular length and assume values of more than 0.5 for the diameter, without a strong concentration of the invested Gap material in the sub-area of the cover layer. So far have been for the case in question Values of this ratio below 0.5 considered; in the case of a construction of the fast fuel area, however, when pens are used, a small ratio means the necessity an increase in the number of pens and thus higher costs.
Wenn, wie nach Fig. 2, eine Trennzone an einer axialen Umfangsfläche vorgesehen ist, wird sie vorzugsweise durch das eigentliche Brutmaterial an der radialen Umfangsfläche hindurchgeführt, so wie sich die Trennzone an der radialen Umfangsfläche durch das eigentliche Brutmaterial an den axialen Umfangsflächen hindurcherstreckt.If, as shown in FIG. 2, a separation zone at one axial circumferential surface is provided, it is preferably through the actual breeding material on the Radial circumferential surface passed through, as the separation zone on the radial circumferential surface through the actual breeding material on the axial circumferential surfaces extends through.
Im einzelnen stellt Fig. 2 insofern eine Abwandlung von Fig. 1 dar, als die Deckschicht weggelassen ist und der mit Kühlmittel gefüllte Spalt bei 14 a und 14 b zwischen dem schnellen Brennstoffbereich 10 und den oberen und unteren axialen Brütmänteln 15 und 16, d. h. über den axialen Umfangsflächen des schnellen Brennstoffbereichs in Erscheinung tritt.In detail, Fig. 2 represents a modification of Fig. 1 in that the cover layer is omitted and the coolant-filled gap at 14 a and 14 b between the fast fuel area 10 and the upper and lower axial brood shells 15 and 16, ie over the axial peripheral surfaces of the fast fuel area appears.
In Fig 3, wo der Reaktor durch ein wässriges Kühlmittel von überkritischem Druck gekühlt wird, ist die Deckschicht ebenfalls weggelassen, obgleich im übrigen die Anordnung der Bereiche 10, 12, 15 und 16 sowie des Kühlmittelspalts 14 dieselbe ist wie in Fig. 1. Hierzu ist jedoch von Bedeutung, daß das Kühlmittel im Spalt auf unterkntischer Temperatur bleibt, und zu diesem Zweck ist ein auch den Kühlmittelspalt bestreichender Kühlmittelströmungsweg vorgesehen, der in Reihe zu dem den schnellen Brennstoffbereich durchsetzenden Strömungsweg geschaltet ist, aber vor diesem liegt. Wie dargestellt, ergibt sich eine solche Anordnung bei Verwendung einer Manschette bzw. eines Kragenteils 17, die bzw. der oberhalb der die Stifte des schnellen Brennstoffbereichs enthaltenden Bauteilgruppen 1 eine heiße Kammer 18 umgrenzt, wobei die Auslaßleitung 7 in diese heiße Kammer mündet, während eine Hilfs- oder Nebeneinlaßleitung 19 in ein ringförmiges Kopfstück 20 mündet, das um die Manschette 17 herum angeordnet ist. In dieses Kopfstück 20 wird ein Teil der Kühlmittelzufuhr hineingepumpt, der somit abwärts durch den Kühlmittelspalt verläuft und parallel dazu durch den radialen Brütmantel, um sich dann mit dem Kühlmittelhauptstrom in der Einlaßkammer 4 wieder zu vereinigen.In Fig 3, where the reactor is cooled by an aqueous coolant of supercritical pressure, the cover layer is also omitted, although the rest of the arrangement of the areas 10, 12, 15 and 16 and the coolant gap 14 is the same as in Fig. 1. However, it is important that the The coolant in the gap remains at below normal temperature, and for this purpose there is also a coolant gap A wipe coolant flow path is provided which is in series with that of the fast Fuel area penetrating flow path is switched, but is in front of this. As shown, such an arrangement results when using a cuff or a collar part 17, which or the one above the component groups 1 containing the pins of the fast fuel area a hot one Chamber 18 bounded, the outlet line 7 opens into this hot chamber, while an auxiliary or secondary inlet line 19 opens into an annular head piece 20 which is arranged around the cuff 17 is. Part of the coolant supply is pumped into this head piece 20, which is thus downwards runs through the coolant gap and parallel to it through the radial breeding jacket, then around itself with to reunite the main coolant flow in the inlet chamber 4.
Falls die Entrittstemperatur des Kühlmittelhauptstroms die kritische Temperatur überschreitet, muß der zu der Nebeneinlaßleitung 19 abgeleitete Kühlmittelteil zuvor durch einen zusätzlichen Kühler geleitet werden. Mit aller Wahrscheinlichkeit ist aber die beste Verwendungsweise der in Frage stehenden Reaktorart bei direktem Umlauf gegeben, wobei das heiß austretende Kühlmittel unmittelbar als Arbeitsmedium (Energieübertragungsmittel) in ein Direkt-Antriebssystem eingespeist wird. Ein solcher Kreislauf stellt zwischen der Speisepumpe und den Erhitzern eine Entnahmestelle für ein unter Druck befindliches Kühlmittel zur Verfügung, das sich auf verhältnismäßig niedriger Temperatur befindet, z. B. typisch auf so niedriger Temperatur, daß die Kühlmitteldichte bis zu 0,95 g/cm3 beträgt. Vorzugsweise wird aber gerade diese Entnahmestelle für den Durchlauf durch den Kühlmittelspalt und den radialen Brütmantel angezapft.If the entry temperature of the main coolant flow exceeds the critical temperature, the coolant part diverted to the secondary inlet line 19 must first be passed through an additional cooler. In all probability, however, the best way of using the type of reactor in question is given with direct circulation, with the coolant escaping hot being fed directly into a direct drive system as a working medium (energy transfer medium). Such a circuit provides an extraction point for a pressurized coolant between the feed pump and the heaters, which is at a relatively low temperature, e.g. B. typically at such a low temperature that the coolant density is up to 0.95 g / cm 3. Preferably, however, it is precisely this extraction point that is tapped for passage through the coolant gap and the radial breeding jacket.
Der Kühlmittelspalt ist etwa 42 mm dick, und bei dieser Dicke ist festzustellen, daß bei einem Kühlmittelausfall eine negative Reaktivitätsänderung auch unter solchen Umständen erzielt werden kann, unter denen ein epithermischer Neutronenabsorber, wie z. B. Hafnium, zusammen mit dem Brennstoff in dem schnellen Brennstoffbereich eingeschlossen ist, um einem Reaktivitätsanstieg auch für den Fall einer »Überflutung« oder »Stauung«, d. h. einer Zunahme der Kühimitteldichte bis auf den Maximalwert von 1,0 g/cm3, entgegenzuwirken. Im übrigen erlaubt diese Spaltdicke auch noch einen Brutgewinn. The coolant gap is about 42 mm thick, and at this thickness it can be seen that in the event of a coolant failure, a negative change in reactivity can be achieved even under circumstances under which an epithermal neutron absorber, such as e.g. B. Hafnium, is included together with the fuel in the fast fuel area to counteract an increase in reactivity even in the event of "flooding" or "stagnation", ie an increase in the coolant density up to the maximum value of 1.0 g / cm 3 . In addition, this gap thickness also allows a breeding gain.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (6)
Stoffbereich, welcher von Bereichen umgeben 6. Schneller Atomkernreaktor nach Anist, die ein größeres Verhältnis von brütbarem sprach 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zu spaltbarem Material als das des schnellen Strömungsweg so eingerichtet ist, daß sich das Brennstoffbereichs aufweisen, wobei die Be- darin geführte Kühlmittel mit dem durch den reiche durch ein strömendes Kühlmittel gekühlt io schnellen Brennstoffbereich (10) strömenden werden und wobei zwischen diesen beiden Be- Kühlmittel wieder vereinigt.1. Fast atomic nuclear reactor with a substantially cylindrical fast fuel 5 coolant stream separated in the (10) flowing coolant stream.
Substance area, which is surrounded by areas 6. Fast atomic nuclear reactor according to Anist, which spoke a greater ratio of breeding 5, characterized in that this to fissile material than that of the fast flow path is set up so that the fuel area have, the bees therein guided coolant with the flowing through the rich by a flowing coolant io fast fuel area (10) and with the coolant reunited between these two loading.
brütbarem und spaltbarem Material ist, die nahethere is a zone that is free from rich
breeding and fissile material that is close
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