DE1464740C - Kernreaktor mit in der Spaltzone aufgeschütteten Brennelementen - Google Patents

Description

i 4Ö4 /4U

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.

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 [I960], Heft 3).

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).

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. Aufgabe der Erfindung ist es, diese vorgenannten Mängel bei Kernreaktoren mit zumindest annähernd kugelförmigen Brennelementen zu beseitigen und dadurch zugleich die Sicherheit derartiger Kernreakto ren zu erhöhen.

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.

Durch diese Anordnung wird sichergestellt, daß alle Brennelemente kontinuierlich durch die Spaltzone bewegt werden, wobei eine gleichbleibende Schichthöhe übereinander gelagerter Brennelemente einge halten und die Bildung von toten Winkeln vermieden wird.

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.

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.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 Teil der Spaltzone mit schraubenlinienförmig ausgebildeter Zwischenwand,

»0 F i g. 2 Teil der Spaltzone mit mehreren konzentrischen Rohren.

In der Fig. 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.

Fig. 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.

♦° 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 ♦5 unterschiedlich starker Anreicherung zur Erzielung eines vorbestimmten Flußverlaufes füllen kann.

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 ein-; fachen 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 Δ 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.

1 4Ü4 Y4U

Die Vorteile der Erfindung 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 S solcher Hohlräume möglicherweise auftretenden Reaktivitätsänderungen und die damit verbundene Beeinträchtigung der Betriebssicherheit des Reaktors vermieden wird.

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.

Ferner ist durch die Erfindung möglich, unterschiedliche Kernbrennstoffe voneinander getrennt in kontinuierlichem Fluß durch die Spaltzone zu bewegen.

Claims (4)

Patentansprüche: Μ

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand bzw. die Zwischenwände senkrecht zu den seitliehen 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.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennelementraum durch mehrere konzentrische Rohre mit vertikaler Achse in zylinderförmige Behälter mit Kreisringquerschnitt unterteilt ist, in denen jeweils schraubenlinienförmig ausgebildete Zwischenwände mit vertikaler Schraubenachse angeordnet sind, wobei an die Zwischenwände grenzende Behälterwände mit Durchlässen für Kühlmittel versehen sind.

3. Kernreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennelementraum durch mehrere schraubenlinienförmig ausgebildete, in der Art eines mehrgängen Gewindes angeordnete Zwischenwände unterteilt ist.

4. Kernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer schnellen von Regelelementen freien unterkritischen Spaltzone mit schraubenlinienförmig ausgebildeten Zwischenwänden und einer die Regelelemente aufnehmenden angekoppelten unterkritischen thermischen Spaltzone aufgebaut ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen