DE1464577A1 - Kernreaktor - Google Patents

Description

MÜNCHEN. DKK 10.10.1963 KKINX ΛΚΤ.-ΝΒ.: 6949 - K/vM

The Englieh Eleotrio Company Limited, London, England. Kernreaktor Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor.

Gemäß der Erfindung ist ein Kernreaktor derart ausgebildet, daß er ein die Reaktivität steuerndes System aufweist, das eine geschlossene Gras enthaltende Einrichtung enthält, von der wenigstens ein Teil innerhalb des Moderatorkerns des Reaktors liegt, und daß innerhalb der Gas enthaltenden Einrichtung ein Neutronen absorbierendes Steuergas vorgesehen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Steuersystem für die Reaktivität eine Einrichtung aufweist, welche bewirkt, daß die Dichte des Steuergases in jenem Abschnitt der Gas enthaltenden Einrichtung, der innerhalb des Moderatorkerns liegt, sich gemäß den schwankenden Bedingungen innerhalb des Reaktors derart ändert, daß entsprechende Änderungen in der Geschwindigkeit der Absorption der Neutronen durch das Steuergas bewirkt werden, wodurch die Änderungen der Reaktorbetriebsbedingungen rückgängig gemacht werden.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einrichtung, welche eine Steuerung der Diohte des Steuergases bewirkt, zwei Vorratsbehälter außerhalb des Kernes aufweist, die Steuergas unter sehr unterschiedlichen Drücken enthalten, daß ein Ventil vorgesehen ist, dueh welches die beiden Vorratsbehälter getrennt mit einem Abschnitt der Gas enthaltenden Einrichtung innerhalb des Kernes verbindbar sind und daß eine Ventilbetätigungseinrichtung vorgesehen ist, durch welche die Stellung des Ventile gemäß Änderungen der Reaktorbetriebsbedingungen betätigt wird, wodurch entweder Steuergas nach jenem Abschnitt der Gas enthaltenden Einrichtung gefördert oder von dieser entnommen wird, um die Dichte des Gases in vorbestimmter Weise zu ändern.

Die Einrichtung zur Ventilbetätigung kann auf Änderungen des Neutronenflusses oder der Temperatur oder irgendeines anderen geeigneten Parameters des Reaktors anspreohen. Wenn der Reaktor von der Siedewasserbauart und derart ausgebildet ist, daß er einer Dampfturbine Dampf durch ein Absperrventil liefert, kann die Ventilbetätigungseinrichtung Mittel zur Abgabe elektrischer Ausgangssignale aufweisen, die auf den Dampfdruck am Abschlußventil anspreohen, und ferner Änderungen in dem Ausgange signal ansprechende Ventilbetätigungsmittel.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die geschlossene Gas enthaltende Einrichtung ein erstes innerhalb des Moderator» kernes angebrachtes Gefäß und ein zweites, aus wärmeleitendem Material bestehendes Gefäß auf, welches nahe am Reaktorkühl-

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flüeeigkeitsauelafi yob Kern angeordnet 1st. Ferner sind Leitungen sur Verbindung der sswei Gefäße derart vorgesehen, dal eine Temperaturänderung des Reaktorkühlmittels in der Nähe des Auslasses des Kühlmittels aus den Moderatorkern eine entsprechende Xnderung der Temperatur des Steuergases in de» «reiten Gefäß but folge hat, wodurch die Dichte des Steuergases in den zweiten Befaß in den Verbindungsleitungen und im ersten Oefäfl verändert wird.

Weitere Vorteile und Einselheiten der Erfindung ergeben sich auβ der nun folgenden Beschreibung Bweier Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung. In dieser Beigent Fig. 1 einen schematieohen Teilsohnitt eines Teiles des Moderatorkernes eines gasgekühlten Reaktors; und Fig. 2 einen eohamatisohen Teilsohnitt eines Teiles des Moderatorkerne β eines gasgekühlten Kernreaktors in einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß Fig.1 hat der Reaktor einen Kern mit einem festen Moderator 10, in welchem eine Aneahl vertikaler Brennstoffkanäle 11 ausgebildet ist, in denen sich (nioht-geBeigte) Brennstoffelemente befinden. Wenn der Reaktor sioh in Betrieb befindet, wird, wie mit den Pfeilen in Fig.1 angedeutet ist, Kühlgas aufwärts · durch die Kanäle getrieben. Im Moderatorkern 10 befindet sioh eine Ansahl von Kanälen 13. In jedem Kanal 13 ist ein Steuergasrohr 14 eingeführt, das an seinem unteren Ende 14a verschlossen 1st. Das obere Ende jedes Rohres 14 steht mit einer Leitung 15 in Verbindung, die durch eine biologische Abschirmung 16 des Reaktors führt, und ist durch ein Steuerventil 17

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■it einer Vakuumkammer 18 und einer Druckkammer 19 verbunden. Das Ventil 17. hat drei Stellungen, in denen die Leitung 15

/ mit der Vakuumkammer 18, zweitens mit der Druckkammer 19, oder drittens mit keiner der Kammern verbunden ist. Die Verbindungen EU den Kammern 18 und 19 im Ventil 17 enthalten Mittel sur Veränderung der Einschnürung des Flusses. Die Kammern 18 und 19 sind susammen mit der Leitung 15 und dem Steuergasrohr 14 mit einem Steuergas und zwar Bor-Trifluorid verschiedener Dichte angefüllt. Das Ventil 17 wird beispielsweise γοη einem (nicht-

■ gezeigten) Servogerät betätigt, das mit einem Thermoelement 20, auf dessen Signale es anspricht, verbunden ist, das im Kühlgasauslaß-Bnde eines Brennstoffkanaleβ 11 im Kern angeordnet ist.

j Im Betrieb bewirkt ein von dem Thermoelement 20 ermitteltes Ansteigen der Temperatur T₂ am Ktihlgasauslaß, daß das Ventil 17 das Rohr nach der Druckkammer 19 öffnet, in der der Gasdruck duroh einen in der Zeichnung nioht-dargestellten Kompressor auf einem Wert gehalten wird, der höher liegt, als der Druckwert des Gases in dem Hohr 15. Als Folge eines Druckanstieges innerhalb des Rohres 15 und demgemäß innerhalb des Steuergasrohres 14 steigt die Geschwindigkeit der Absorption von Neutronen duroh das Steuergas an und hierdurch wird die Temperatur T₂ des Kühlgaaauslasses vermindert. Wenn diese Temperatur absinkt, bewirkt ein Signal, das von dem Thermoelement 20 herrührt, dal das Ventil 17 die Verbindung zwischen dem Rohr 15 und der Druckkammer 19 absperrt und dann die Verbindung zwischen dem Rohr 15 und der evakuierten Kammer 18 öffnet. Der Gasdruck in der Kammer 18 wird auf einem niedrigeren Wert gehalten als der Druck des Gases in dem Rohr 15. Der Betrag der öffnung des Ventilββ 17. und demgemäß

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die Inderungsgesohwindigkeit des Druckes in den Bohr 15 ist vorzugsweise τοη der Inderungegeschwindigkeit der Temperatur Tg aa Kühlgasauslafl abhängig) wenn der Druok des Steuergases in de« Bohr 15 und dem Bohr 14 absinkt, fällt auch die Geschwindigkeit der Neutronenabsorption und das Absinken der Temperatur T₂ hört dann auf.

Wie bereits erwähnt, ändert sich die Dichte (und demgemäß die Reaktionsfähigkeit) des Steuergases in dem Reaktorkern automatisch beim Auftreten Irgendwelcher Änderungen der Temperatur Tg in der Weise, daS diese Änderungen der Temperatur Tg rückgängig gemacht werden.

Das Ventil 17 kann auoh dasu benutet werden, die erwünschte Änderung der Bedingungen innerhalb des Reaktors einzuleiten. Wenn z.B. ein Ansteigen der Temperatur T₂ am Kühlgaeäuelaß bei der Inbetriebnahme des Reaktors erforderlich ist, kann das Ventil 17 entweder manuell oder automatisch derart betätigt werden, daS die Dichte des Steuergases in dem Kern absinkt, bis die erforderliche Temperatur erlangt ist. In gleicher Weise kann das Ventil 17, falls erforderlich, mit dem Reaktorsioherheitskreis in der Weise verbunden werden, daß zum Schütze des Reaktors bei Beschädigung oder Ausfall eines Bauteiles oder beim Aufhören der Steuerung einer Größe des Reaktors das Ventil voll gaffnet wird, bo daß der Reaktor so schnell als möglich aufler Betrieb gesetzt wird, indem der Moderatorkern mit neutronen absorbierendem Gas überflutet wird. Sbenao wie bei einem herkömmlichen Verfahren können Stahlkugeln aulerdem duroh geeignete Einrichtungen in das Steuer-

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gassystem gesohüttet werden, um die Masse des neutronen absorbierenden Materials ssu erhöhen.

Gemäß Pig.2 weist der Reaktor wiederum einen, aus einem festen Moderator 10 bestehenden Kern auf, in dem mehrere vertikale Brennstoffkanäle 11 ausgeformt sind, die die in der Zeichnung nioht-dargeeteilten Brennstoffelemente enthalten. Wenn sich der Reaktor im Betrieb befindet, strömt ein Kühlgas in den Kanälen 11 in Richtung der Pfeile gemäß Fig.2 naoh oben. Milk Mehrere Steuergasrohre,von denen eines bei 21 dargestellt ist, sind in die obere Hälfte des Kernes eingefügt. Das obere Ende eines jeden Rohres 21 führt durch einen Kanal des Kerns und steht mit einem S|ahlgefäß 22 in Verbindung, das in der Nähe des Auslaßendes der Brennstoffkanäle angeordnet ist. Das untere Ende eines Jeden Rohres 21 steht mit einem anderen Gefäß 23 in der Nähe der horizontalen Mittelebene des Kerns in Verbindung. Das Gefäß 23 weist einen Balg 24 auf, der das Gefäß in zwei Kammern 23a und 23b aufteilt, von denen nur die Kammer 23a mit dem Steuergasrohr 21 in Verbindung steht. Das Gefäß 22, das Rohr 21 und die Kammer 23a enthalten Bor-Trifluorid-Steuergas, dessen Zweck es ist, die Neutronen zu absorbieren und die demgemäß als Mittel zur Steuerung der Reaktivität dienen. Die Kammer 23b enthält Kohlendioxydgas. Jedes Rohr 21 und die beiden ihm zugeordneten Gefäße 22 und 23 sind als Baueinheit abgedichtet*, so daß sie zusammen ein geschlossenes System bilden.

Im Betrieb ist die Temperatur des Steuergases in dem oberen Gefäß 22 im wesentlichen die gleiohe wie die Temperatur T₂ des

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Kühlmittel·, da· am Ausist den Brennstoffkanal 11 verlägt. Di« Temperatur 1 dss 0a··· in den Kammern 25a und 23b ist im we-•entHohen konstant. Sin Ansteigen der Auelaitemperatur f_g bewirkt «in Ansteigen de· Draok·· des Steuergaaes. Infolgedessen steigt die Masse te· Steuergaeee in der Kam«·* 23a esenfalle an. Di·· bewirkt wiederum, dal da· Steuergas leutronen mit lunehmender Geschwindigkeit aseorbiert, wodurch die Reaktivität de· Reaktorβ vermindert wird. Die folg· davon ist, dafi die Auslaltemperatur absinkt und infolgedessen auch die Geschwindigkeit der leutronenabeorftion durch da· Steuergas vermindert wird· Die umgekehrte Irsoheinung tritt auf, wenn die GaeauslaStemperatur Tg abfällt. Di···· Spatem bewirkt ebenfalls einen Ausgleich der Temperatur im Sinne einer Verminderung der Abweichung.

Die Kammer 22 ist vorsugeweise derart angeordnet, daS eiβ im Betrieb kontinuierlich duroh die heilen, duroh die Brennstoffkanäle 11 strömenden 0a·· T»esprüht wird,und ei· kann au· irgendeine» geeigneten wtrmeleitf&higen Material bestehen.

Dse öefäl 23 kann sweokmftSigerweise in einem Kanal de· Reaktorkern· derart angeordnet werden, dalm duroh da· Reaktorgaa gekühlt wird, da· in den Brennstoffkanalen naoh oben strömt, ferner ist da· 0efäi 23 sw«okmiJig«rwel8· derart angeordnet, daS ee leieht im Fall· einer Störung aus dem Kern entfernt werden kann.

Di· im/indUohkeit de· Systems, d.h. die Geschwindigkeit der Inderung der Reaktlritlt des Syst·«· gernftfl der GaeauelaBtemperatur T-, ist Ton dem Yolvmen des Gasse in dsm System abhängig. Je

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größer das Gasvolumen ist, desto größer wird auch die Empfindlichkeit. Es ist deshalb erwünscht, ein so großes Gaifcolumen als möglich in dem Steuersystem zur Verfügung zu haben. Gleichzeitig ist es erforderlich, nur ein begrenztes Volumen des Neutronen absorbierenden Gases im Kern zu haben. Dies ist der Grund dafür, daß Kohlend!oxydgaβ in der Kammer 23 in dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel benutzt wird. Bas Kohlendioxyd kann den gleichen Druck-und Temperaturänderungen wie das Bor-Trifluoridgas in der Kammer 23a unterworfen werden, da sich der Balg 24 dazwischen befindet, aber das Kohlendioxyd absorbiert im Vergleich mit Bor-Trifluoridgas keine wesentlichen Mengen von Neutronen. Deshalb sind auch andere Gase, die eine niedrige Absorptionsgeschwindigkeit haben, zur Benutzung in dieser Kammer 23b geeignet.

Zur Trennung der Kammer 23b und 23a können alle denkbaren flexiblen Einrichtungen innerhalb des Gefäßes 23 benutzt werden. Der Balg 24 ist nur als Beispiel aufzufassen. Es könnte z.B. auch stattdessen eine Membran benutzt werden.

Ein dem Gefäß 23 ähnliches Gefäß, das durch eine flexible Einrichtung in zwei Kammern geteilt ist, kann ebenfalls in Verbindung mit dem System tft gemäß Fig.1 benutzt werden, wobei dann die Leitung 14 mit der kleineren Kammer in Verbindung steht.

Die obenbeschriebenen Systeme zur Steuerung der Reaktivität können im wesentlichen bei allen Bauarten von Kernreaktoren Anwendung finden, z.B. bei flüssigkeitsgebremsten und/oder flüssigkeitsgekühlten Reaktoren. In dem in Fig.1 dargestellten System braucht

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m.B. das Ventil 17 nioht nur auf die Temperatur anzusprechen, sondern das Ventil kann auoh derart ausgebildet werden, daS es auf irgendeine andere öröße innerhalb des Reaktors oder des Steuersystem· anspricht· Z.B. könnte an Stelle des Thermoelementes 20 eine Thermalsäule τοrgesehen werden, die bewirkt, daß das Ventil auf den Heutronenflufi in dem Reaktor ansprioht.

Wenn der Reaktor von der Siedewasserbauart ist und Dampf naoh einer Dampfturbine über ein Absperrventil liefert, kann das Ventil 17 bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel gemäfi elektrischen Auegangssignalen betätigt werden, die von einem Druckschalter oder einer anderen,auf Druck ansprechenden Einrichtung herrühren, um auf Änderungen des Dampfdruckes am Absperrventil ansuspreohen.

Bor-TriUuorid ist nur ein Beispiel eines geeigneten Gases für den Smuerzweok. Es könnte z.B. Helium Heg oder Stickstoff stattdessen benutzt werden.

Patentansprüche t 809813/0755

Claims (1)

1. -40-

   PatentaneprUohe t

   > 1. Kernreaktor« dadurch iikiaoiiiohBit « isi •la dl· Reaktivität steuernd·· Syst·· aufweist« dae eine geschlossene Se· enthaltend· Einrichtung enthält« το» der wenigstens ein Teil innerhalb dee Moderatorkerne dee Reaktor· liegt, und dai Innerhalb der dmrn enthaltenden Einrichtung ein Neutronen absorbierende· steuergae vorgesehen 1st.

   2· Kernreaktor nach Ansprach 1, daduroh gekennseiohn · t ₉ dafi das Steuersystem für dl· Reaktivität eine Einrichtung aufweist« welche bewirkt« dad die Dicht· des Steuer» gaeea In jenes Abschnitt der Gae enthaltenden Einrichtung« der Innerhalb des Modere torkerne liegt« eich geeäJ den schwankenden Bedingungen Innerhalb dee Heaktore derart ändert, daJ entsprechende Änderungen In der Geschwindigkeit der Absorption der Heutronen durch das 3teu«rga· bewirkt werden« wodurch die Änderungen d«r Reaktorbetriebebedindungen rückgängig geaaoht werden·

   3« Kernreaktor naoh Anspruch 2« dadurch gekennaeichn e t , daA die Einrichtung« welche eine Steuerung der Dich-. te des Steuergasee bewirkt« swoi Vorratebehälter aoJerhalb dee Kernes aufweiet, dl· steuergae unter mat ttntereohiedliohen Drücken enthalten, dafl ein Tentll rorgeeehen 1st, durch welohee dl· beiden Vorratabehälter getrennt alt einem Abschnitt der 0·· enthaltenden llnrichtung tnaeraalb 4·· Kanu rerbindber eind und dai eine Yentllbetätlgungseinrtohtung Torgeeehen ist« duroh welche die Stellung dee Tentlls geaäi Änderungen der Reaktorbetriebebedingwngen betätigt wird« wodurch entweder Steuergae naoh jene« Abschnitt der Qmm eat-

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   haltenden Elnrlohtung gifBriirt odtr von dieser entnommen wird, ob dl· Dicht· des da··· la Yorbestiamter V«ist «u ändern.

   4· Kernreaktor nach Anspruah 3, dadurch giki&aiilch* net, iaB Al· Ventilbetätigungeeinrichtung ein· auf Anderunden d·· Seutronenflusse· innerhalb des Reaktor· anapreohend· Slnrlohtung aufweist.

   5· Kernreaktor nach Anepruch 3# dadurch gekennzeichnet, 4«· dl« Ventilbetätieungeeinrichtung eine auf Änderungen der Temperatur der den Moderatorkern Yerlaäsenden lUhinUaaiskeit ansprechende Sinrichtung auTweiat.

   6· Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennaeichn e t , dal dl· Ventilbetätigungseinrichtung ein· temperaturabhängige Einrichtung auTweiet, dl· ein Auagangsaignal liefert, und In der Min« dee Auelaasea der KühliTlueeigkelt au· de« Moderatorkern angeordnet let,und dal eine Ventilbet&tigungMlnrlohtung auf Änderungen des erwihnten Auagange-•igaalea anaprloht.

   7· Kernreaktor naoh Anspruch 9« dadurch gekennaeiohn · t , dal der S«aktor τοη der Siedevaaaer-Bauart 1st und Baayf über «la Absperrventil einer Leepfturbine liefert «and daft dl· Ventllbetätigungseinrlohtung gesUU den Daepfdruok an den Abaperrventll «in Ausgangesignal liefert, auf daa dl· Ventilbetätigungeeinrichtung ansprioht.

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   8. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennseichnet, daß die abgeschlossene Gas enthaltende Einrichtung ein erstes Gefäß aufweist, das in de« Moderatorkern angeord-

   ist
   net/, daß ein zweites Gefäß aue wärmeleitende« »erketoff in der Nähe des KUhlaittelauslssses des Kerns vorgesehen ist und daS eine Leitung die beiden Gefäße derart verbindet, daS eine Minderung der Temperatur der Kühlflüssigkeit in der Nähe des Auslasses der Kühlflüssigkeit vob .'ioderr,torkern entsprechende .Änderungen der Temperatur des "teuergases innerhalb des «weiten Gefäaoeo zur Folge hat, wodurch die Dichte des Jteuergasee innerhalb des «weiten tiefässes, in der Leitung und in des ersten Gefäß geändert wird.

   9· Kernreaktor nach eine« der rorhergehenden /nsprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein 'Ie 11 der das "teuergas enthaltenden Kinrichtung innerhalb des Kerns ein :;teuergaagefäß aufweist, das in eines ein «weites uas wesentlich geringerer Reaktivität als das erste Gas enthaltenden größeren Gefäß angeordnet int, und daß die ..and des teuergasgefässes, die die beiden Gase trennt, aus elastischem Merkstoff besteht, so daß die beiden Gase is wesentlichen unter gleiche« Druck stehen.

   10. Gas gekühlter Kernreaktor n&oh Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß dna «weite Jas ein Heaktorkühlgas ist.

   11. Kernreaktor nach eine« der vorhergehenden Anspruchs, dadurch ge kennsei chne t , daß das Steuergas Bor-Trifluorid let. BAD ORIGINAL

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