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Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit in der Spaltzone innerhalb.
seitlicher Begrenzungswände aufgeschütteten Brennelementen von zumindest annähernd
kugelförmiger Gestalt, wobei die Aufschüttung durch mindestens eine Zwischenwand
abgeteilt ist, die gemeinsam mit den seitlichen Begrenzungswänden als Führung für
die Brennelemente bei deren Durchgang durch die Spaltzone dient.
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Es sind Kernreaktoren bekannt, bei denen Brennelemente von Kugelform
in einem Behälter lose aufgeschüttet werden, wobei von oben laufend Brennelemente
zugeführt und am Tiefstpunkt des Behälters die verbrauchten Brennelemente abgezogen
werden. Dabei ist es auch bekannt, die Aufschüttung der Brennelemente in der Spaltzone
in vorzugsweise gleichartige Einheiten aufzuteilen (Atomkernenergie, 5. Jahrgang
[1960], Heft 3).
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Ferner ist ein Kernreaktor bekannt, bei dem der Behälter die Form
eines Ringzylinders hat und bei dem das Kühlmittel in einem zentralen Hohlzylinder
zugeführt wird, so daß es den Brennelementbehälter radial nach außen strömend durchsetzen
kann (Report BNL 713 [T-250], Brookhaven National Laboratory, Upto, New York, January
20, 1962).
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Nachteilig ist bei diesen bekannten Anordnungen, daß unterschiedliche
Brennstoffdichten in der Spaltzone auftreten können, wenn sich die Kugeln unterschiedlich
dicht aneinander lagern. Vor allem beim Zusammenfallen von Hohlräumen in der Kugelschüttung
kann die damit verbundene Verdichtung im Reaktionsvolumen zu unerwünschten und gefährlichen
Erhöhungen der Reaktivität führen. Außerdem ist es schwierig, bei diesen bekannten
Kernreaktoren zu erreichen, daß alle Brennelemente möglichst nur die gleiche Zeit
in der Spaltzone verbleiben, da sich leicht tote Winkel ergeben können, in denen
unter Umständen Brennelemente die mehrfache Zeit als an anderen günstiger gelegenen
Abschnitten verweilen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese vorgenannten Mängel bei Kernreaktoren
mit zumindest annähernd kugelförmigen Brennelementen zu beseitigen und dadurch zugleich
die Sicherheit derartiger Kernreaktoren zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zwischenwand
bzw. die Zwischenwände senkrecht zu den seitlichen Begrenzungswänden angeordnet
und schraubenlinienförmig mit vertikaler Schraubenachse ausgebildet ist bzw. sind
und daß die Zuführung des Kühlmittels durch einen zentralen, zur Schraubenachse
parallelen Raum erfolgt, in dessen seitlichen Begrenzungswänden zur weiteren Führung
des Kühlmittels Durchlässe angeordnet sind und die Abführung des Kühlmittels durch
einen zur Schraubenachse koaxialen und alle seitlichen Begrenzungswände umgebenden
Sammelraum erfolgt, dessen innere Begrenzungswand Durchlässe zum Abführen des Kühlmittels
aufweist.
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Durch diese Anordnung wird sichergestellt, daß alle Brennelemente
kontinuierlich durch die Spaltzone bewegt werden, wobei eine gleichbleibende Schichthöhe
übereinander gelagerter Brennelemente eingehalten und die Bildung von toten Winkeln
vermieden wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Brennelementraum durch
mehrere konzentrische Rohre mit vertikaler Achse in zylinderförmige Behälter mit
Kreisringquerschnitt unterteilt, in denen jeweils schraubenlinienförmig ausgebildete
Zwischenwände mit vertikaler Schraubenachse angeordnet sind, wobei an die Zwischenwände
grenzende Behälterwände mit Durchlässen für Kühlmittel versehen sind.
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Die unterschiedlichen mittleren Radien der gewendelten Zwischenwände
bedingen unterschiedliche Durchlaufzeiten der Brennstoffkugeln durch den Reaktorkern,
wobei größeren Radien größere Durchlaufzeiten zugeordnet sind. Im Zentrum des Reaktorkerns,
also im Bereich hoher Neutronenflußdichte, tritt demzufolge eine Herabsetzung der
Durchlaufzeit der Brennstoffkugeln in bezug auf die Randzonen mit geringer Neutronenflußdichte
ein, so daß ein gleichförmiger Abbrand des Kernbrennstoffs erzielt wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 Teil der Spaltzone mit schraubenlinienförmig
ausgebildeter Zwischenwand, F i g. 2 Teil der Spaltzone mit mehreren konzentrischen
Rohren.
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In der F i g. 1 ist schematisch ein Ausschnitt einer Spaltzone nach
der Erfindung dargestellt. In einem Ringzylinder 1 verläuft eine schraubenlinienförmig
ausgebildete Zwischenwand 2 und unterteilt damit die Aufschüttung der Brennelemente
3. Durch ein axiales Rohr 4 wird das Kühlmittel zugeführt, das im wesentlichen
radial zwischen den Brennelementen 3 hindurch in den Kühlmantel 5 eintritt und von
hier aus abgeführt wird.
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Fi g. 2 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, bei der der Hohlzylinderringraum
11 durch ein konzentrisches Rohr 16 unterteilt wird. Damit kann man die Brennelemente
in den beiden unterschiedlichen Wendeln 12 bzw. 22 mit unterschiedlicher Geschwindigkeit
durchlaufen lassen. Auch hat man hierdurch ein einfaches Mittel in der Hand, zwei
Zonen unterschiedlicher Zusammensetzung der Brennelemente zu schaffen.
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Die Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind nicht auf die dargestellten
Beispiele beschränkt. Unter Umständen kann-es auch zweckmäßig sein, mehrgängige
schraubenlinienförmig ausgebildete Zwischenwände zu verwenden, so daß man Spaltmaterial
unterschiedlich starker Anreicherung zur Erzielung eines vorbestimmten Flußverlaufes
füllen kann.
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Eine besonders interessante Ausführungsform ergibt sich bei Anwendung
der Konstruktion nach der Erfindung bei schnellen Reaktoren. Um hierbei nicht den
Vorteil des mechanisch und konstruktiv einfachen und robusten Aufbaues der schnellen
Spaltzone zu verlieren, werden in Weiterbildung der Erfindung in der schnellen Spaltzone
keine Abschaltstäbe und ähnliche Regeleinrichtungen vorgesehen. Statt dessen wird
die schnelle Spaltzone in an sich bekannter Weise unterkritisch gehalten und mit
einer für sich ebenfalls unterkritischen thermischen Spaltzone gekoppelt. Der Ankopplungsgrad
wird dabei so gewählt, daß der Anteil d k zur Kritikalität durch die thermische
Komponente beigetragen wird, der dem durch Eindringen von Abschaltstäben in die
schnelle Spaltzone überstrichenen Reaktivitätshub entspricht. Bei einer derartigen
Konstruktion können dann in der thermischen Spaltzone ohne Schwierigkeiten Regeleinrichtungen
wie Abschaltstäbe u. dgl. vorgesehen werden, ohne daß die schnelle Spaltzone konstruktiv
beeinflußt wird. Die Sicherheit bleibt in vollem Umfange erhalten.
Die
Vorteile der Erfindun; bestehen insbesondere darin, daß ein kontinuierlicher Durchlauf
kugelförmiger Brennelemente durch die Spaltzone sichergestellt wird und dabei die
Bildung von Hohlräumen in der Kugelschüttung und die beim Zusammenfallen solcher
Hohlräume möglicherweise auftretenden Reaktivitätsänderungen und die damit verbundene
Beeinträchtigung der Betriebssicherheit des Reaktors vermieden wird.
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Ein anderer Vorteil ergibt sich daraus, daß sich die Durchlaufzeiten
kugelförmiger Brennelemente auf einfache Weise so einstellen lassen, daß entsprechend
der radialen Flußverteilung ein gleichmäßiger Abbrand des Kernbrennstoffes ermöglicht
wird.
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Ferner ist durch die Erfindung möglich, unterschiedliche Kernbrennstoffe
voneinander getrennt in kontinuierlichem Fluß durch die Spaltzone zu bewegen.