DE1489852A1 - Heterogener Kernreaktor,vorzugsweise fuer Raumfahrzeuge - Google Patents

Description

• Heterogener Kernreaktor, vorzugsweise für Raumfahrzeuge (Zusatz zu Patent ooooooo(Patentanmeldung E 29 944 YIIIc/21g)) Gegenstand des Hauptpatentesosooooo(Patentanmeldung ( 29 944 YIIIc/21g) ist ein heterogener Kernreaktor, dessen Reaktorkern in ein gasdichtes und druckfestes Gefäss eingebaut ist, wobei das Reaktorgefäss als Wärmeröhre ausgebildet und betrieben wird, und der Reaktorkern als Verdampfer des im Gefäss eingebrachten Wärmeträgers gestaltet und betrieben wird.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform des Reaktors ist das Reaktorgefäss allseitig geschlossen, an der Innenwand ganz oder teilweise mit von oben nach unten verlaufenden Kapillaren aus-- gestattet und unmittelbar als Wärmetauscher geschaltet. Auch die Kernbrennstoff- und gegebenenfalls die Moderator- und Re#-flektorelemente des Reaktorkernes sowie die Kontroll- und Regelstäbe sind an der Außenseite ganz oder teilweise mit von oben nach unten verlaufenden Kapillaren ausgestattet. Alle Kapillaren sind mit einer Kapillarstruktur i* unteren Teil des Reaktorgefäßes verbunden oderkund tauchen in einen Kondensat- stand am Boden des Gefäßes ein.
• Der Kernreaktor der vorliegenden Erfindung entspricht baulich- und betrieblich der geschilderten Reaktorkonzeption. Unter- schiedlich ist jedoch, daß durch besondere Maßnahmen eine Ma- ximierung der Kapillarleistung und eine Reduzierung der Strö- mungswiderstände für Kondensat und Dampf im Reaktorkern er- reicht ist, und daß weiter eine Umsetzung der vom Reaktorgefäß abgestrahlten Wärme in elektrische Energiv für die Zwecke der Eigenversorgung bei Betrieb im Raumfahrzeug vorgesehen ist. Der Reaktor ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die kühl- technische Unterteilung des Reaktorkernes quer zur Kernachse in zwei getrennte Hälften und durch eine entsprechend spiegel- symmetrische Ausbildung des Reaktorgefäßes zu beiden Seiten der Teilungsfuge, wobei in die Fuge die kapillare Kondensat- vernorgungsstruktur eingefügt ist, sodaß das Kühlmittel die Kernhälften getrennt beaufschlagt.
• Wenn also bei einem einteiligen Kern die übertragbare Lei- stungsdichte insofern beschränkt ist, als durch die Kapillaren pro Zeiteinheit infolge Druckabfalles mehr als eine bestimmte Grenzmenge nicht gefördert werden kann, so halbiert sich durch die Aufteilung des Kernes in zwei Hälften die Kapillarlänge, mit der Folge, daß sich nun die zu dieser Länge gehörende Grenzmehge beträchtlich erhöht. Das bedeutet, daß die Leistungs- dichte im gesamten Reaktorkern entsprechend heraufgesetzt werden kann. Es ergibt sich also eine wesentlich bessere Brennstoff- ausnutzung.
• Die Zeichnung veranschaulicht scherihatisch ein Auaführungsbeispiel des Reaktors gemäg der Erfindung; es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch den als thermionischen Koneerterreaktor ausgebildeten Reaktor und seine Halte-struktur für das Raumfahrzeug; Fig. 2 einen Waagrechtschnitt durch den Reaktorkern entlang der Linie II - II in Fig. 1; Fig. 3 ein einzelnes Kernbrennstoffelement in perspektivischer Ansicht; Fig. 4 die Anordnung der thermionischen Konverter am Reaktor- gefäß gemäß Feld IV in Fig. 1, und Fig. 5 eine Variante zu Fig. 2 für den Fall, daß Regelstäbe vorgesehen sind und in den Reaktorkern eindringen.
• In Fig. i bezeichnet: 1 das Reaktorgefäß aus einer Ta-Legierang, 2 die Kapillaren an der Innenwand des Gefäßes, 3 thermionische Konverter an der Außenwand des Gefäßes, 4 die eine Hälfte des Reaktorkernes, 5 die andere Hälfte des Reaktorkernes, 6 die kapillare Kondensatversorgungsstruktur im Spalt zwischen den Kernhälften, 7 Ringe zur Halterung und Bünde- lung der Elemente des gesamten Kernes, 8 dpen Stopfen, der nach Einstellung des Betriebsdruckes im Reaktorgefäß mit diesem verschweißt wird, 9 den äußeren Reaktorreflektor, 10 Wärme- röhren zur Reflektorkühlung, 11, 12 ringförmig um den Konden- sationsteil jeder Gefäßhälfte montierte Kammetnt welche als Wärmeröhren betrieben werden und der Wärmeabfuhr dienen ünd 13, 14 Strahlungsberippungen, abgestimmt auf die abzuführen- den Wärmemengen.
• Die rückwärtigen Flächen der Wärmetransportkammern bilden in ihrer Gesamtheit Kugelschalen 15 aus, deren freier Rand an den Halteplatten 16 verschweißt ist. Der Innenrand dieser Platten ist mit dem Reaktorgefäß verschweißt, so daß eine in sich zusammenhängende Konstruktion entsteht. Ebenso ist der äußere Reflektor mit beiden Stirnseiten an den Halteplatten befestigt. . Der Einfachheit halber wurden die Regelelemente des Reaktors nicht dargestellt. Der Reaktor kann z.B. durch Verstellen des Reflektors geregelt werden, der zu diesem Zweck in beweglich an den Halteplatten gelagerte Blöcke zu unterteilen wäre.
• Die im Reaktorkern gestrichelt eingezeichneten Linien 17 bezeich- nen die Konturen einer Struktur, mit der der Reaktor am Raum- fahrzeug befestigt ist. Die Struktur greift also in der Reflek# torzone an den beiden genannten Halteplatten 16 an.
• Wie Fi$ 2 deutlicher zeigt, ist jede Hälfte des Reaktorkernes aus tortenstückartigen Brennstoffelementen 18 aufgebaut, zwi- schen denen Radialspalte 19 als Dampfräume freigelassen sind. Die oben erwähnten Halteringe 7 fixieren die Elemente so, daß sie untereinander Abstand halten. In der Achse des Reaktor- kernes ist ein zylindrischer Raum 20 freigelassen. Er könnte einen Sicherheitsstab aufnehmen. Er hat aber zusammen mit der Konzentration an absorbierendem Material im Kernzentrum auch die Wirkung, die horizontale Neutronflußverteilung abzufla- chen, was erwünscht ist.
• Im einzelnen bestehen die Brennstoffelemente nach Fig., 3 aus einer geschlossenen Hülle 21 aus einer Tantal-Legierung, mit Längsrillen 22 als Kapillaren und mit zwei Füllstücken: näm- lich dem Kernbrennstoff 23 und dem Roflektoreinsatz 24. Letzte- re bilden mit dem äußeren Roflektor einen geschlossenen Reflektionsmantel; vgl. die gestrichelten Linien 25 in Fig. 1. Die Teilung des Reaktorkernes in zwei Hälften wird z.B. da- durch erreicht, daß Brennstoffelemente von der Länge des Ge- samtkernes in die entsprechend mit Durchbrüchen versehene Kapillarstruktur 6 bis zur Hälfte eingefügt werden, oder daß zwei Kerne mit Elementen der halben GAsamtkernhöhe vorgefer- tigt auf die Kapillarstruktur aufgepaßt werden. Die Halterung des Kernes im Reaktorgefäß geschieht durch eine von der Gefäß- wand aus an den Halterungen 7 angreifende Verankerung, welche der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt wurde. In Je- dem Falle muß dafür gesorgt werden,daß sich der Kern nach einer Stirnseite hin frei ausdehnen kann. Die Kapillarstruktur besteht aus übereinander geschichteten Sieben aus legiertem Tantal und reicht bis an die Wandung des Reaktorgefäßes. Sie teilt das Reaktorgefäß in zwei symmetrische Hälften. Die Ab- messungen der aktiven Kernzone betragen etwa 30 cm Durchmesser und 34 cm Höhe. Der Kern umfaßt 72 Elemente. Als Kernbrennstoff dient angereichertos UCZrC; als Wärmeträgerflüssigkeit im Gefäß dient Blei; der Betriebsdruck liegt bei 100 Torr bis 1 ata. Die Botriobstemparatur liegt zwischen 1400 und 1740°C. Als Wäxmƒträgerflüssigkoit in den Wä#rmetransportkammern dient Lithium; die Betriebstornperatur beträgt ea. 1000°C, der Be- triebsdruck ca. 100 Torr. Die Kammern bestehen aus NbZr.
• Wie eingangs gesagt, soll die elektrische Eigenversorgung des Reaktors und des Raumfahrzeuges aus thermionischen Konvertern gewonnen werden, die auf den Kondensationsaußenflächen des Reaktorgefäßes angebracht sind. Für die Konverter wird eine Wärmeflußbeaufschlagung von 45 bis 55 W/cm2 angenommen. Wird die in Fig. 1 dargestellte Reaktorkonfiguration für ca. 400 kWth ausgelegt, was den obigen Zahlenangaben zugrundegelegt ist, so liefern der Konverter insgesamt ca. 30 bis 60 kwe1* Gemäß F_ig. 4 bestehen die Konverter aus den sektorartigen Emitterschichten 26 aus Rhenium und den entsprechenden Kollektorsegmenten 27 aus NbZr. Beide Elektroden sind durch die Iso- lierschichten 28, 29 gegen das Reaktorgefäß 1 und die Wandung der Wärmetransportkammern 11 elektrisch isoliert. Der Elektrodenabstand (ca. 0,5 mm) wird durch Distanzhalter erzeugt. Die Konverter sind elektrisch in Reihe geschaltet.
• Schließlich ist in Fig. 5 noch gezeigt, wie bei einem Reaktor- kern der Bauart nach Fig. 3 Platz für Regelstäbe gewonnen wird, wenn diese innerhalb der Gefäßzone liegen sollen. Es werden hierzu die Plätze 30 im Reaktorkern freigelassen. Die durch die Linie 31 umrandete Zone stellt die Drennstoffzone dar, die darumgeführte Zone bildet den Reflektormantel.
• Zur Erfindung Gehört alles dasjenige, was in der "Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschliesslich dessen, was abweichend von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

Claims (3)

1. Patent a n s p r ü c h es 1. Heterogener Kernreaktor, vorzugsweise für Raumfahrzeuge, nach Patent.......(Patentanmeldung E 29 944 YIIIo/21g», gekennzeichnet durch die kühltechnische Unterteilung des Reaktorkernes quer zur Kernachse in zwei getrennte Hälften und durch eine entsprechend spiegelsymmetrische Ausbildung des Reaktorgefässes zu beiden Seiten der Teilungsfuge, wobei in die Fuge die kapillare Kondensatversorgungestruktur eingefügt ist, so dass das Kühlmittel die Kernhälften getrennt beaufschlagt.
2. 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kernhälfte aus tortenstückartigen Kernelementen aufgebaut ist, die entsprechend radialsymmetrisch um die Kernachse herum verteilt angeordnet sind und auf der Kapillarstruktur befestigt sind, wobei sie untereinander auf Zwischenabstand gehalten werden.
3. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1 mit thermionischen Konvertern, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenflächen des Reaktorgefässes im Bereich der Kondensationszonen sektorartig mit Ermittermaterial beschichtet ist, dass den sektorartigen Ermitterschichten entsprechende Kollektorelektroden mit Abstand gegenüberstehen und dass die Kollektorelektroden das veräarüpferseitige Ende der als Värmeröhren ausgebildeten `I:'rr-netrarisportkamräern bilden.