DE1464632C - Atomkernreaktor mit einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten, Spaltstoff tragenden Rohrabschnitten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Atomkernreaktor mit einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten, Spaltstoff tragenden Rohrabschnitten, durch die eine als Kühlmittel dienende und zwischen dem Reaktorkern und einein Wärmeaustauscher unter Druck umgewälzte Moderatorflüssigkeit fließt, wobei die Rohrabschnitte getrennt voneinander angeordnet und die zwischen den Rohrabschnitten vorhandenen zusammenhängenden Hohlräume mit einem Medium ausgefüllt sind (britische Patentschrift 754 559).

Die in tier Reaktortechnik bekannten, unter Druck betriebenen, llüssigkeitsnioderierten Reaktoren können in Reaktoren mit und ohne Druckgefäß eingeteilt werden.

Die Reaktoren mit Druckgefäß haben unter anderem den Vorteil, daß sie nur einen Modcralorkühlkreislauf benötigen, wenn die mit Flüssigkeit gefüllten Hohlräume zwischen den Brennelementen untereinander zu einem zusammenhängenden Kühlsystem verbunden sind. Diese Gruppe umfaßt außer Reaktoren mit stabförmigen Brennelementen, diejenigen Reaktoren mit rohrförmigen Brennelementen, in denen — /. B. über offene Rohrenden —-ein Druckausgleich zwischen Innen- und Außenzone stattfindet (britische Patentschrift 754 550,S. 3, französisehePatentschrift 1257 368). Zu dieser Gruppe gehört auch ein Reaktor, der beiderseits bespülte rohrförmige Brennelemente enthält, zwischen denen hohle Verdrängereinbaiiten vorgesehen sind (deutsche Auslegeschrift 1 033 80S). Schließlich kann auch ein Reaktor zu dieser Gruppe gezählt werden, der stabförmige Brennelemente enthält, die mit Bohrungen versehen sind, aus denen die Spaltedelgase über ein System von Saugleitungen abgeführt werden (USA.-Patentschrift 2 851 409).

Die Reaktoren ohne Druckgefäß enthalten im allgemeinen eine Vielzahl von Druckrohren, die mit Spaltsloff belegt sind oder stabförmige Brennstoffstäbe umschließen. Der größte Vorteil dieser Druckröhrenreaktoien ist die Gewichts- und Kostenersparnis, die durch den Fortfall des dickwandigen Druckgefäßes mit seiner schwer abzudichtenden Trennfuge erzielt wird.

Zu dieser Gruppe gehört ein Reaktor, der zwischen den zur Kühlung verwendeten Moderatorrohren Hohlräume enthält, die mit schüttfähigem Brennstoff ausgefüllt sind (deutsches Gebrauchsmuster 1830 495). Dieser Reaktor benötigt wie die Reaktoren der ersten Gruppe nur einen Kühlkreislauf, hat jedoch eine Reihe von Mängeln, durch (.lic seine praktische Ausführung in Frage, gestellt i.st. Der Wärmeübergang zwischen Brennstoff und Kühlmittel ist schlecht, weil die einzelnen Körner ties schüllfähigen Brennstoffs nicht unmittelbar vom Kühlmittel bespült werden. Da die aus feinkörnigem Material bestehende Brennsloffzone nicht unterteilt ist, kann ein Riß in der Brennstoffbchälterwandungziir Fieiset/ung einer sehr großen Menge von Spaltpnuliiklen führen. Andererseits ist auch das Absaugen der Spaltedelgase während des Betriebs mit Schwierigkeiten verbunden, weil hierfür keine zusammenhängenden Kanäle vorgesehen sind.

Aul'erdein kann in diese Gruppe eine Kernkoniigüration eingeordnet werden, die durch hohle hexagonale Brennelemente gekennzeichnet ist, die sich mit ihren Außenflächen gegenseitig berühren (britische Patentschrift 754 184). Die innen gelegenen, hexagonalen Brennelemente dieser Konfiguration, die an und für sich nicht für einen Reaktor mit geschlossenem Kühlkreislauf vorgesehen ist, sind keine Druckrohre im eigentlichen Sinne, da die Druckkräfte benachbarter Zellen sich gegenseitig aufheben. Die hexagonalen Brennelemente könnten jedoch zu einem Reaktor zusammengefügt werden, der kein Druckgefäß benötigt, wenn alle Einzelelemente so kräftig ausgeführt sind, daß sie für sich allein dem Kühlmitteldruck standhalten. Auch diese Anordnung weist ernste Mängel auf, die die praktische Ausführbarkeit in Frage stellen. Die hexagonalen Brennelemente sind teurer in der Herstellung als zylindrische Brennelemente, da die Fertigung einer fest haftenden hexagonalen Umhüllung, die dem Druck der Spaltedelgase standzuhalten vermag, mit Schwierigkeiten verbunden ist. In diesem Zusammenhang muß auch beachtet werden, daß zwischen den aneinanderliegenden hexagonalen Elementen keine Kanäle für das Absaugen entweichender Spaltedelgase vorgesehen sind. Ein weiterer Mangel ist darin zu erblicken, daß in dem hexagonalen Gitter kein Platz für Wärmedehnungen und abbrandbedingtes Schwellen tier einzelnen Brennelemente vorhanden ist. Jedes einzelne Brennelement neigt dazu, sich als Folge der ungleichmäßig über das Gitter verteilten Wännebelastung zu verziehen, ein Umstand, der zu gefährlichen Wärme- und Schwellspannungen führen muß.

Diese Überlegungen führen zu dem Schluß, daß in der Gruppe der Druckröhrenreaktoren diejenigen Konstruktionen vorteilhaft sind, die den Brennstoff in Gestalt fester Bauelemente enthalten und in denen benachbarte Brennelementllächen sich nicht gegenseitig berühren. Reaktoren, die diese beiden Bedingungen erfüllen, können in zwei Untergruppen eingeteilt werden. Typ I besteht aus einer Mehrzahl von mit D₂O gefüllten Moderatorflaschen, zwischen denen netzartig dampfgekühlte Rohre verteilt sind, die Bündel stabförmiger Brennelemente enthalten. Die Spaltenergie wird vorn dampfförmigen Kühlmittel abgeführt, während die kleinere Neutronenenergie durch Umwälzen der Flüssigkeit in den Moderatorflaschen entfernt wird. Typ II besteht aus einem großen, dünnwandigen Moderatorgefäß, über dessen Querschnitt eine Mehrzahl von Druckrohren verteilt ist, die den Brennstoff enthalten. Die Druckrohre, die durch einen Kühlspalt oder eine Isolierschicht von den Brennstoffflächen getrennt sind, werden von einem Gas, einem Flüssigkeitsmetall oder einer Moc'eratorflüssigkeit gekühlt. Für die Hauptmasse des Moderators, die unter atmosphärischem Druck steht, ist ein Hilfskühlkreislauf vorgesehen, der die in ihr absorbierte Neutronen- und Strahlungsenergie abführt (britische Patentschrift 754 183, »Directory of Nuclear Reactors«, Vol. L, 1959, S. 91, 92, 97 bis 99; »Engineering«, November 1958, S. 699).

Typ I hat den Nachteil, daß der Moderatorquerschnitt durch die mit Brennelementen gefüllten Rohre zwischen den Moderatorflaschen verkleinert wird. Es ist nicht ohne weiteres möglich, genügend Brennelemente mit ausreichender Kühlfläche gleichmäßig zwischen den Moderatorflaschen zu verteilen.

Typ II hat den Nachteil, daß große Mengen radioaktiv verseuchten Wassers außerhalb der Druckrohre angeordnet sind. Umfangreiche Vorkehrungen gegen Leckagen sind erforderlich.

Schwerwiegender als die vorerwähnten Fehler ist der Umstand, daß in beiden Reaktortypen höchstens ein kleiner Teil des eingesetzten Moderatorvolumens unmittelbar vom Brennstoff gekühlt wird. Hierdurch wird der Reaktorbetrieb in mehr als einer Weise beeinträchtigt. Die Temperatur der relativ großen kalten Zone folgt nur mit großer Verzögerung und in unge-

nügendem Maße den betrieblichen Schwankungen der Reaktorleistung. Es sind immer zwei Kühlkreisläufe vorhanden, ein einigen Fällen sogar zwei getrennte Moderatorkühlkreisläufe. Die nicht nutzbringend zu verwendende Wärme, die im Hilfskühlkreislauf erzeugt wird, verschlechtert den thermischen Wirkungsgrad der Anlage.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Reaktors der einleitend genannten Art, der eine gleichmäßige Moderatorverteilung und eine hohe Moderatorkonzentration aufweist und in dem das gesamte eingesetzte Moderatorvolumen in einem einzigen Moderatorkühlkreislauf unmittelbar die Kühlflächen der Brennelemente bespült.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Moderatorflüssigkeit ausschließlich die Innenwände der Rohrabschnitte bespült, während die zusammenhängenden Hohlräume zwischen den Rohrabschnitten vollständig von einem Gas ausgefüllt sind. Die Rohre sind vorzugsweise im Bereich des Reaktorkerns erweitert. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann eine Absaugevorrichtung vorgesehen sein, welche die sich in den Hohlräumen ansammelnden Spaltedelgase aus diesen Hohlräumen absaugt.

Diese Anorpnung hat den Vorteil, daß die Temperatür des gesamten eingesetzten Moderatorvolumens nahezu verzögerungsfrei den Leistungs- und Belastungsschwankungen des Reaktors folgt. Die hiermit verbundene Erhöhung des Moderatortemperaturkoeffizienten und die elastischere Anpassung der Moderatortemperatur an veränderte Betriebsbedingungen verbessern das kinetische Verhalten der Anlage auf einen Wert, der wegen der relativ kleinen eingesetzten Moderatormenge und dem guten Wärmeübergang zwischen Brennstoff und Kühlmittel über den Werten liegt, die in vergleichbaren Reaktoren mit Druckgefäß und in dem obenerwähnten Reaktor mit schüttfähigem Brennstoff erreicht werden.

Die gefundene Lösung hat im übrigen den Vorteil, daß das Gas in den Hohlräumen zwischen den Druckrohren unter Umständen nicht gekühlt zu werden braucht. Da ein Gas im Zustand der freien Konvektion einen schlechteren Wärmeübergang hat als eine Flüssigkeit mit erzwungener Konvektion, sind die von den Außenflächen der Druckrohre auf das Gas und die vom Gas auf die Innenflächen der Strahlungsabschirmung übertragbaren Wärmemengen sehr klein. Es kann daher in Kauf genommen werden, daß das Gas sich auf einen Wert erhitzt, der in der Nähe der Temperatur der dünnwandigen metallischen Brennstoffrohre liegt. Die Strahlungsabschirmung wirkt als kräftige Wärmeisolierschicht, die die geringen Wärmemengen, die auf das Gas übertragen werden, am Abfließen hindert. Ein Hilfskühlkreislauf für das Gas ist also nicht erforderlich.

Die Absaugevorrichtung für Spaltedelgase hat — im Vergleich zu der obenerwähnten Absaugevorrichtung für Reaktoren mit Druckgefäß — einen einfacheren Aufbau. An die Stelle des weitverzweigten Saugleitungssystems für die verschiedenen Brennelemente tritt ein einzelner Saugstutzen, der für den ganzen Reaktorkern ausreicht.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Verteilung von Strukturmaterial, Brennstoff und Moderator in dem Reaktorkern gemäß der Erfindung und

F i g. 2 die Anordnung des Druckwasserreaktors gemäß der Erfindung in einem Behälter aus Abschirmmaterial.

In dem Reaktorkern, dessen Querschnitt ausschnittsweise in F i g. 1 dargestellt ist, sind die Moderatordruckrohre 1 von einem äußeren Mantel 2 aus Spaltstoff umgeben. Der Moderator 3 füllt etwa 50°/₀ der Gesamtquerschnittsfläche aus. Bei der Berechnung des Kerns ist daher für die Diffusionslänge L₀ das Doppelte des Wertes einzusetzen, der für einen ganz mit Moderator ausgefüllten Querschnitt gilt. Für die Abbremslänge ]/r ist ebenfalls das Doppelte des normalen Wertes einzusetzen.

Der Reaktor gemäß F i g. 2 besteht aus einem Bündel von Rohrschlangen, die zusammen einen quaderförmigen Kern bilden. Die mit Brennstoff belegten Rohre 4 sind im Bereich des Kerns erweitert, damit ein möglichst großer Anteil des Reaktorquerschnitts mit Moderator ausgefüllt ist. Die Umlenkbögen 5 sind schwächer ausgeführt. Da der Reaktor nach dem Druckwasserprinzip betrieben wird, ist eine Dampftrommel nicht erforderlich. Die Kühlwasserzulauf- und Ablaufsammelflaschen 6 und 7 sind in der Zeichnung als Querschnitte zu erkennen.

Die Kühlwasserzulauf- und Ablaufrohre 8 und 9 bilden zugleich die Aufhängung für den Reaktorkern. Der Reaktor wird von einem Behälter 10 aus Abschirmmaterial (Beton) umschlossen. Zwischen den Moderatorrohrschlangen und zwischen Kern und Behälterwandung befindet sich ein gaserfüllter Hohlraum. Die Kühlwasserzulauf- und Ablauf rohre sind im Deckel 11 des Abschirmbehälters fest verankert. Die Regelstäbe 12 werden von unten in den Kern eingeführt. Mit 13 und 14 sind die Zu- und Abflußrohre für das Gas im Behälterhohlraum bezeichnet.

Abschließend wird betont, daß die verschiedenartigsten Ausführungsformen für die Moderatorrohrbündel in Frage kommen. Bei der Auswahl können insbesondere die im Wärmeaustauscher- und Dampfkesselbau bekannten Anordnungen als Anregung dienen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor mit einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten, Spaltstoff tragenden Rohrabschnitten, durch die eine als Kühlmittel dienende und zwischen dem Reaktorkern und einem Wärmeaustauscher unter Druck umgewälzte Moderatorflüssigkeit fließt, wobei die Rohrabschnitte getrennt voneinander angeordnet und die zwischen den Rohrabschnitten vorhandenen zusammenhängenden Hohlräume mit einem Medium ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Moderatorflüssigkeit ausschließlich die Innenwände der Rohrabschnitte bespült und daß die zusammenhängenden Hohlräume zwischen den Rohrabschnitten vollständig von einem Gas ausgefüllt sind.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrabschnitte im Bereich des Reaktorkerns erweitert sind.

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Absaugevorrichtung vorgesehen ist, welche die sich in den Hohlräumen ansammelnden Spaltedelgase aus diesen Hohlräumen entfernt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen