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GASGEKÜHLTER KERNREAKTOR Die vorliegende Erfindung betrifft
einen gasgekühlten Kernreaktor, dessen Reaktorbehälter eine Anzahl senkrecht
angeordneter, atabföraiger Brennatoffelensnte enthält, die zur zusätzlichen
Kühlung unmittelbar in als Moderator
dienendes Wasser eintauchen, wobei sie
über den Reaktorkern hinaus verlängert
sind und in ihrem aus dem Reaktorkern
herausragenden Teil zur Überhitzung
des sich über dem Wasserspiegel
ansammelnden Dampfes dienen.
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Bekannt ist ein Reaktor mit einem flüssigen Moderator und einer
Einrichtung zur Überhitzung des erzeugten Dampfen, wobei die Brennstoffelemente
zum Teil in die Moderatorflüssigkeit (z.B. Wasser) eintauchen und der
über die Boderatorflüssigkeit hinausragende Teil der Brennstoffelemente zur
Überhitzung des
erzeugten Dampfes dient (brit. PS 922 234). Bei dieser
Bauart ist der Reak-
torbrennstoff fest in den Reaktorkern eingelagert. Das
bringt den Nachteil mit
sich. daß sich ein ungleichmäßiger Abbrand
des Brennstoffen einstellt, und
aachces notwendig, den Betrieb des Kernreaktors
zu unterbrechen und mit Hilfe
einer kostspieligen Auswechselvorrichtung die
Brennstoffelemente auf ihren
Plätzen untereinander zu vertauschen. Ein
weiterer Nachteil der genannten Kern-
reaktoren besteht darin, daß die
durch die Kernspaltung in Reaktorkern erzeugte
Wärme nur in
Reaktorkern abgeführt wird und also nicht restlos ausgenutzt wird.
Ferner
darf der in den Reaktorbehälter herrschende Gasdruck nicht beliebig hoch
sein,
da es wegen der Größe des Behälters sehr schwierig ist, die notwendige
Festigkeit
zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt,
die genannten Schwierigkeiten durch eine besondere Ausbildung und Anordnung
der einzelnen Teile zueinander zu überwinden. Sie macht es sich dabei
zunutze, daß es heute
kein Problem mehr darstellt, mit einem verseuchten
Kühlgaskreislauf umzugehen,
und daß die Brennstoffe in beliebigen
Größen und Formen hergestellt werden
können.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Brennstoffelemente aus einem Graphitaufbau bestehen, in den sich
Kanäls.für die Durch-
leitung von Kühlgas sowie von den Kanälen ausgehende,
teils schräg nach oben,
teils schräg nach unten gerichtete Düsen befinden,
die in freie, für die Auf-
nehme eines Gemisches aus Brennstoff und Moderator
bestimmte Zwischenräume münden, in welchen den Gemisch von den Kühlges in Umlauf
gesetzt wird.
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Der erfindungsgamäße Kernreaktor hat also eine kombinierte
Gas- und Wasserkühlung, wobei der über den lasserspiegel hinausragende
Teil der Brennstoff-
elemente zur Überhitzung des Dampfes dient, der sich
über den Wasserspiegel
ansammelt. Die Umwälzung den Brennstoffes innerhalb
der Brennstoffelemente wird
durch die Ejektorwirkung des aus den Düsen
austretenden Gasen bewerkstelligt;
sie könnte aber auch mechanisch
erfolgen.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind klar erkennbar.
Zunächst kann der Druck den Kühlgases beliebig hoch gewählt werden, da die
gasführen- den Leitungen einen relativ kleinen Durchmesser haben und den Druck
sehr gut aufzunehmen vermögen. Dann wird auch der Wärmetransport
vom Brennstoff zum
Gas hin wesentlich verbessezt,da der Brennstoff
ständig in Bewegung und in
inniger Berührung mit den Kühlgas ist. Die Geschwindigkeit
des Brennstofftrans-
portes läßt sich dabei beliebig regeln. Ferner kann der
Brennstoff in Form
und Größe variiert werden. Durch die Bewegung des Brennstoffes
ist auch eine
bessere Wärmeübertragung von der Umhüllung des Brennstoffelementen
zum Wasser hin möglich, so das man - sofern dies in besonderen
Situationen vorteilhaft
ist - auch mit einer niedrigeren Gastemperatur
auskommen kann.
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Erfindungsgemäß besteht das Gemisch aus kleinen Partikeln von Brennstoff
und
Moderator. Als Kühlmittel kann z.B. Halium und als Moderator Graphit
verwendet
werden. Das Gemisch ist so gewählt-, daß es durch Naturkonvektion
innerhalb der
Brennstoffel mants in Umlauf gesetzt worden
kann, die noch durch dis Ejaktor-Wirkung der vorgesehenen
Dösen verstärkt wird. Der Energiebedarf für den
Transport des
Kühlmittels wird dabei kleiner sein als bei gasgekühlten Hochtsnparaturrsaktoran
der bisher üblichen Bauart. Die Brannstoffalaaanta können
auch so
ausgebildet sein, daß nur ein Teil den Gemisches oder auch nur ein
Gemisch
aus Graphit und Hsliua transportiert wird. In diesem Fall erhalten
die
Brennstoffpartikel eine solche Form, daß der Brennstoff bei
einen bestimmten Druck durch min großes Eigengewicht gegenüber
den Graphitstaub lisgenblsibt. Ein sehr großer Vorteil, den
der Transport den Brennstoffes durch den Brannatoffalsaant mit
sich bringt, besteht darin, daß ein gleichmäßiger Abbrand
den
Brennstoffas erzielt wird.
Erfindungsgemäß wird den Gemisch
oder ein Teil davon über eine Brannstoffkontrollanlags geführt,
in der der Brennstoff auf seinen Abbrandzustand ge-
prüft
wird. Dabei ergibt sich die #öglichkait, den Brennstoff aus den
Kreislauf
abzuziehen und neuen Brennstoff hinzuzugeben.
Der pneumatische Transport das
Brennstoffes .wirkt sich vor
allem dann sehr günstig aus, wenn der Brennstoff
wiadaraufbaraitat
werden soll.
Vorteilhaft ist in den Kreislauf des Gemisches eine Gasrsinigungsanlags
ge-
schaltet, durch die das gesamte Gemisch oder ein Teil davon
geleitet worden kann. Sie hat die Aufgabe, unliabsaaa Verunreinigungen
aus den Kühlgas abzu-
ziehen und dafür zu sorgen, daß der Aktivitätspagal
den Kühlgssss eine bestimmto Höhe nicht überschreitet.
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Erfindungsgemäß ist in den Reaktor ein Gabläas zur Druckerhöhung
vorgesehen, über das den Gemisch oder ein Teil davon geführt wird.
Diese Druckerhöhungsainrichtung hat dis zum Transport des Gemisches erforderliche
Energie aufzu-
bringen und gestattet es ferner. den in den Brennstoffelementen
herrschenden Gasdruck auf den Druck einzuregelnz den- das in
Reaktorkern befindliche Wasser
besitzt. Das hat den Vorteil,
daß die Umhüllung der Brennstoffelemente
während den Betriebes völlig
druckentlastet ist.
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Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung weisen die
Brennstoffaleaente in
ihrem Inneren einen spiralsrtigen Aufbau auf
der- in seiner Witte den freien
Zwischenraum zur Aufnahme von Brennstoff
und loderator enthält, in welchen
von den Köhlgaskanälen,ausgehende
nach oben gerichtete Dünen eintreten. Bei
dieser Ausführung des erfindungegeaäßsn
Kernreaktors wird der Brennstoff wie
auf einer "stufenlosen Wendeltreppe"
in den Brannstoffeleaent nach unten trans-
portiert und in den freien
Raum in der Witte durch das aus den Düsen austreten-
de Kühlges nach
oben befördert.
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Vorteilhaft liegt dabei den Gemisch von Brennstoff und Roderator
-in Form von
Kugeln vor, die auf der "stufenlosen Wendeltreppe" hinabrollen
und im Innen-
raum von dem Kühlgas angehoben worden. Auch für diese besondere
Ausbildung
den Kernreaktors gelten die gleichen Vorzüge, die bereits weiter
oben aufge-
führt worden sind.
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In der Zeichnung sind der erfindungsgemäße Kernreaktor und
zwei Ausführungebeiapiele von Brannstoffeleaenten schematisch dargestellt,
und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen
Kernreaktor,
Fig. 2 ein erstes Ausföhrungebeispiel eines Brennstoffelementes,
Fig.
3 einen Schnitt nach der Linie 11I- III der Fig. 2 und
Fig.
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Brennstoffelementes gemäß
der Erfindung.
Ein Reaktorbehälter 1 (fig. 1) enthält eine Anzahl
von senkrecht angeordneten,
atabähniichen Brennstoffelementen 2, die bis zu
einer bestimmten Höhe in einen
Wasserspiegel 3 eintauchen. Das Wasser
dient gleichzeitig als Moderator und
zur zusätzlichen Kühlung
der Brennstoffelemente 2. Die Zuführung das Wassers
erfolgt über eine Leitung
4, während der sich über den Wasserspiegel bildende
Dampf durch eine Leitung
5 aus-dem Reaktorbehälter abgezogen wird. Das Kühaias, z.B.
Helium, wird durch eine Zuführung 6 in den Reaktor und von dort in die
einzelnen
Brennstoffelemente 2 geleitet, wo an sich mit Moderatormaase, z.B.
Graphit, und den Brennstoff zu einen Gemisch vereinigt. Diesen Gemisch wird
innerhalb
der einzelnen Brannstoffelenente in Umlauf gesetzt, wodurch eine
gute
Wärmeübertragung an die Umhüllung der Brennstoffelemente und an den Kühl-
gas
bewirkt wird. Der Umlauf des Brennstoffes hat außerdem zur Folge, daß sich
ein
gleichmäßiger Abbrand einstellt. Des aus Moderator Brennstoff und Kühlgas
bestehende
Gemisch wird über eine Leitung 7 und einer Gasreinigungsanlage
8 und
einer Brennstoffkontrollanlage 9 zugeführt. In der ersteren
werden den Kühlgas
Verunreinigungen entzogen, und es sind Mittel vorgesehen,
die den Aktivitätepegel den Kühlgasen auf einer bestimmten Höhe halten. Die
Brannstoffkontrollanlage 9 bietet die Möglichkeit, den Abbrand
das Brennstoffes zu messen und je
nach den Maßergebnis einen Teil
den Brennstoffes auszuscheiden und neuen
Brennstoff hinzuzugeben. Den Abziehen
des verbrauchten Brennstoffes erfolgt
über eine Leitung 11. Ein in die Leitung
6 eingebautes Gebläse 12 dient der
Druckerhöhung und Einregulierung des
Gssdruckes auf den Druck das in den Reak-
torbehälter befindlichen Wassers.
Der über den Wasserspiegel 3 hinausragende
Teil der Brennstoffelemente
2 fungiert als Wärnaaustauscher und überhitzt den
Dampf, bevor er durch
die Leitung 5 abgezogen wird. Auf diese Weise wird die
in Reaktorkern
erzeugte Wärme fast restlos abgeführt.
In den Fig. 2 und 3 ist
ein einzelnes Brennstoffelement gezeigt, den von einer
Umhüllung 13 umgeben
ist. An die Umhüllung 13 schließt sich innen ein Graphitnufbau
14 an, in den mehrere Kanäle 15 für das Kühlgas eingelassen sind. Die
Zuführung
den Kühlgases erfolgt durch die Leitung 6. Die Kanäle 15 weisen eine
Anzahl
Düsen 16 auf, die teile nach oben, teils nach unten gerichtet sind.
Durch
sie wird bei den austretenden Kühlgas eine Ejektoreirkung erzielt.
Zwischen
den einzelnen Teilen den Graphitaufbaues 14 befinden sich freie
Räume
17, die äoderatorstaub und kleine Brennstoffpartikel enthalten. Sie bil-
den
mit den aus den äußeren Düsen 16 austretenden Kühlgas ein Gemisch, das
innerhalb
den Brennstoffelementes in Umlauf gesetzt wird. Dabei wird es in
den freien
Mittelraum-18 nach oben transportiert. Bei geeigneter Zusammen-
setzung
den Brennstoff-Graphit-Gas-Genieches kann der Umlauf durch Natur-
konvektion
erreicht werden, die durch die Wirkung der Düsen 16 noch unter-
stützt wird.
Durch die Leitung 7 kann das Gemisch aus den Reaktorbehälter
abgezogen und den Anlagen 8 und 9 zugeführt werden, wie bereits bei Fig.
1
beschrieben.
Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung des
Brennstoffelementes gemäß der Er-
findung. Das Brennstoffelement ist ebenfalls
von einer Umhüllung 13 umgeben,
an die sich ein Graphitmantel
19 anschließt. Im Innern des Brennstoffele-
mentes befindet sich ein
spiralartiger Aufbau 20, der etwa mit einer "stufen-
losen Wendeltreppe
" verglichen werden kann. In dem Aufbau 20 sind wieder
Kanäle 15 für das Kühlgas
vorgesehen, den durch die Leitung 6 in das Brennetoffelement eintritt. Die
Kanäle 15 weisen nach oben gerichtete Düsen 16
auf, die in einen freien
Innenraum 21 münden. Der Brennstoff liegt in Form
von Kugeln 22 vor, die auf
den spiralartigen Aufbau 20 infolge ihrer Schwere
nach unten rollen
und von hier durch den aus den Düsen 16 strömende Gas in
den Raum 21 oben
befördert werden. Auch hier wird ein gleichmäßiger Abbrand der Brennstoffkugeln
und ein guter Wärneübergang an den Kühlgas erreicht.