DE1489852C3 - Heterogener Siedekernreaktor - Google Patents

Description

Regelstäbe vorgesehen sind und in den Reaktorkern wird z. B. dadurch erreicht, daß Brennstoffelemente

eindringen. von der Länge des Gesamtkernes in die entspre-

In F i g. 1 bezeichnet 1 das Reaktorgefäß aus chend mit Durchbrüchen versehene Kapillarstrukeiner Ta-Legierung, 2 die Kapillaren an der Innen- tür 6 bis zur Hälfte eingefügt werden, oder daß zwei wand des Gefäßes, 3 thermionische Konverter an der 5 Kerne mit Elementen der halben Gesamtkernhöhe Außenwand des Gefäßes, 4 die eine Hälfte des Reak- vorgefertigt auf die Kapillarstruktur aufgepaßt wertorkernes, 5 die andere Hälfte des Reaktorkernes, 6 den. Die Halterung des Kernes im Reaktorgefäß gedie kapillare Kondensatversorgungsstruktur im Spalt- schieht durch eine von der Gefäßwand aus an den zwischen den Kernhälften, 7 Ringe zur Halterung Halterungen? angreifende Verankerung, welche der und Bündelung der Elemente des gesamten Kernes, 8 io Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt wurde. In einen Stopfen, der nach Einstellung des Betriebs- jedem Falle muß dafür gesorgt werden, daß sich der druckes im Reaktorgefäß mit diesem verschweißt Kern nach einer Stirnseite hin frei ausdehnen kann, wird, 9 den äußeren Reaktorreflektor, 10 Wärmeröh- Die Kapillarstruktur besteht aus übereinander geren zur Reflektorkühlung, 11, 12 ringförmig um den schichteten Sieben aus legiertem Tantal und reicht Kondensationsteil jeder Gefäßhälfte montierte Kam- 15 bis an die Wandung des Reaktorgefäßes. Sie teilt das mern, welche als Wärmeröhren betrieben werden Reaktorgefäß in zwei symmetrische Hälften. Die Ab- und der Wärmeabfuhr dienen und 13, 14 Strahlungs- messungen der aktiven Kernzone betragen etwa berippungen, abgestimmt auf die abzuführenden 30 cm Durchmesser und 34 cm Höhe. Der Kern umWärmemengen, faßt 72 Elemente. Als Kernbrennstoff dient angerei-

Die rückwärtigen Flächen der Wärmetransport- ao chertes UCZrC; als Wärmeträgerflüssigkeit im Gefäß

kammern bilden in ihrer Gesamtheit Kugelschalen 15 dient Blei; der Betriebsdruck liegt bei 100 Torr bis

aus, deren freier Rand an den Halteplatten 16 ver- 1 ata. Die Betriebstemperatur liegt zwischen 1400 und

schweißt ist. Der Innenrand dieser Platten ist mit 1740° C.

dem Reaktorgefäß verschweißt, so daß eine in sich Als Wärmeträgerflüssigkeit in den Wärmetrans-

zusammenhängende Konstruktion entsteht. Ebenso 25 portkammern dient Lithium; die Betriebstemperatur

ist der äußere Reflektor mit beiden Stirnseiten an beträgt etwa 1000° C, der Betriebsdruck etwa

den Halteplatten befestigt. 100 Torr. Die Kammern bestehen aus NbZr.

Der Einfachheit halber wurden die Regelelemente Wie eingangs gesagt, soll die elektrische Eigenver-

des Reaktors nicht dargestellt. Der Reaktor kann sorgung des Reaktors und des Raumfahrzeuges aus

z.B. durch Verstellen des Reflektors geregelt wer- 30 thermionischen Konvertern gewonnen werden, die

den, der zu diesem Zweck in beweglich an den Hai- auf den Kondensationsaußenflächen des Reaktörge-

teplatten gelagerte Blöcke zu unterteilen wäre. f äßes angebracht sind. Für die Konverter wird eine

Die im Reaktorkern gestrichelt eingezeichneten Li- Wärmefiußbeauf schlagung von 45 bis 55 W/cm² ange-

nien 17 bezeichnen die Konturen einer Struktur, mit nommen. Wird die in F i g. 1 dargestellte Reaktor-

der der Reaktor am Raumfahrzeug befestigt ist. Die 35 konfiguration für etwa 400 kW_in ausgelegt, was den

Struktur greift also in der Reflektorzone an den bei- obigen Zahlenangaben zugrunde gelegt ist, so liefern

den genannten Halteplatten 16 an. der Konverter insgesamt etwa 30 bis 60 kW_ei.

Wie Fig.2 deutlicher zeigt, ist jede Hälfte des Gemäß Fig.4 bestehen die Konverter aus den Reaktorkernes aus tortenstückartigen Brennstoffele- sektorartigen Emitterschichten 26 aus Rhenium und menten 18 aufgebaut, zwischen denen Radialspalte 19 40 den entsprechenden Kollektorsegmenten 27 aus als Dampfräume frei gelassen sind. Die obenerwähn- NbZr. Beide Elektroden sind durch die Isolierschichten Halteringe 7 fixieren die Elemente so, daß sie un- ten 28, 29 gegen das Reaktorgefäß 1 und die Wantereinander Abstand halten. In der Achse des Reak- dung der Wärmetransportkammern 11 elektrisch-isotorkernes ist ein zylindrischer Raum 20 frei gelassen. liert. Der Elektrodenabstand (etwa 0,5 mm) wird Er könnte einen Sicherheitsstab aufnehmen. Er hat 45 durch Distanzhalter erzeugt. Die Konverter sind aber zusammen mit der Konzentration an absorbie- elektrisch in Reihe geschaltet.

rendem Material im Kernzentrum auch die Wirkung, Schließlich ist in F i g. 5 noch gezeigt, wie bei

die horizontale Neutronflußverteilung abzuflachen, einem Reaktorkern der Bauart nach F i g. 3 Platz für

was erwünscht ist. Regelstäbe gewonnen wird, wenn diese innerhalb der

Im einzelnen bestehen die Brennstoffelemente 50 Gefäßzone liegen sollen. Es werden hierzu die Plätze nach F i g. 3 aus einer geschlossenen Hülle 21 aus 30 im Reaktorkern frei gelassen. Die durch die Linie einer Tantal-Legierung, mit Längsrillen 22 als Kapil- 31 umrandete Zone stellt die Brennstoffzone dar, die laren und mit zwei Füllstücken: nämlich dem Kern- darumgeführte Zone bildet den Reflektormantel,
brennstoff 23 und dem Reflektoreinsatz 24. Letztere Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der bilden mit dem äußeren Reflektor einen geschlosse- 55 Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnen Reflektionsmantel; vgl. die gestrichelten Linien nung dargestellt ist, einschließlich dessen, was abwei-25inFig. 1. chend von den konkreten Ausführungsbeispielen für

Die Teilung des Reaktorkernes in zwei Hälften den Fachmann naheliegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 gefäßes vertikal verlaufende, von der Kuppel in den Patentansprüche: unteren Teil des Reaktorgefäßes reichende Kapilla ren angeordnet sind, die entweder mit einem am Bo-

1. Heterogener Siedekemreaktor, dessen Reak- den des Reaktorgefäßes befindlichen Kapillarstrukturtorkern im unteren Teil eines gasdichten, druck- 5 einsatz in Verbindung stehen oder auf ihren unteren festen, allseitig geschlossenen und an seinem obe- Enden in das am Boden des Reaktorgefäßes sich anren Ende kuppelartig ausgebildeten Gefäßes an- sammelnde Kondensat eintauchen, und wobei die geordnet ist, dessen Kühlmittel den Reaktorkern Kuppel des Reaktorgefäßes außen von einer Kühlvon unten nach oben durchströmt, in diesem ver- einrichtung umgeben ist.

dampft, im oberen Teil des Reaktorgefäßes kon- to Bei der bevorzugten Ausführungsform des Reakdensiert und von dort innerhalb des Reaktorgefä- tors ist das Reaktorgefäß allseitig geschlossen, an der ßes zur Unterseite des Reaktorkerns zurück- Innenwand ganz oder teilweise mit von oben nach strömt und bei dem innerhalb des Reaktorgefä- unten verlaufenden Kapillaren ausgestattet und unßes Mittel zum Erzwingen des Kühlmittelumlau- mittelbar als Wärmetauscher geschaltet. Auch die fes vorgesehen sind, wobei an der Innenwand des 15 Kernbrennstoff- und gegebenenfalls die Moderator-Reaktorgefäßes vertikal verlaufende, von der und Reflektorelemente des Reaktorkernes sowie die Kuppel in den unteren Teil des Reaktorgefäßes Kontroll- und Regelstäbe sind an der Außenseite reichende Kapillaren angeordnet sind, die entwe- ganz oder teilweise mit von oben nach unten verlauder mit einem am Boden des Reaktorgefäßes be- fenden Kapillaren ausgestattet. Alle Kapillaren sind findlichen Kapillarstruktureinsatz in Verbindung 20 mit einer Kapillarstruktur im unteren Teil des Reakstehen oder mit ihren unteren Enden in das am torgefäßes verbunden oder/und tauchen in einen Boden des Reaktorgefäßes sich ansammelnde Kondensatstand am Boden des Gefäßes ein.
Kondensat eintauchen, und wobei die Kuppel des Der Kernreaktor der vorliegenden Erfindung ent-

Reaktorgefäßes außen von einer Kühleinrichtung spricht baulich und betrieblich der geschilderten umgeben ist, nach Patent 1281594, dadurch 25 Reaktorkonzeption. Unterschiedlich ist jedoch, daß gekennzeichnet, daß der Reaktorkern durch besondere Maßnahmen eine Maximierung der quer zur Kernlängsachse in zwei getrennte Half- Kapillarleistung und eine Reduzierung der Ströten (4, 5) und durch eine entsprechend spiegel- mungswiderstände für Kondensat und Dampf im symmetrische Ausbildung des Reaktorgefäßes (1) Reaktorkern erreicht ist, und daß weiter eine Umsetzu beiden Seiten der Teilungsfuge, unterteilt ist, 30 zung der vom Reaktorgefäß abgestrahlten Wärme in wobei in die Fuge die kapillare Kondensatversor- elektrische Energie z. B. für die Zwecke der Eigengungsstruktur (6) derart eingefügt ist, daß das Versorgung bei Betrieb im Raumfahrzeug vorgesehen Kühlmittel die Kernhälften getrennt beaufschlagt. ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch ge- Der Reaktor ist erfindungsgemäß dadurch gekennkennzeichnet, daß jede Kernhälfte (4, 5) aus tor- 35 zeichnet, daß der Reaktorkern quer zur Kernlängstenstückartigen Kernelementen (18) aufgebaut achse in zwei getrennte Hälften und durch eine entist, die entsprechend radialsymmetrisch um die sprechend spiegelsymmetrische Ausbildung des Kernachse herum verteilt angeordnet sind und Reaktorgefäßes zu beiden Seiten der Teilungsfuge auf der Kapillarstruktur (6) befestigt sind, wobei unterteilt ist, wobei in die Fuge die kapillare Konsie untereinander auf Zwischenabstand gehalten 40 densatversorgungsstruktur derart eingefügt ist, daß werden. das Kühlmittel die Kernhälften getrennt beauf-

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 mit thermio- schlagt.

nischen Konvertern, dadurch gekennzeichnet, Wenn also bei einem einteiligen Kern die übertragdaß die Außenflächen des Reaktorgefäßes (1) im bare Leistungsdichte insofern beschränkt ist, als Bereich der Kondensationszonen sektorartig mit 45 durch die Kapillaren pro Zeiteinheit infolge Druck-Emittermaterial beschichtet ist, daß den sektor- abfalles mehr als eine bestimmte Grenzmenge nicht artigen Emitterschichten (26) entsprechende KoI- gefördert werden kann, so halbiert sich durch die lektorelektroden (27) mit Abstand gegenüber- Aufteilung des Kemes in zwei Hälften die Kapillarstehen und daß die Kollektorelektroden (27) das länge, mit der Folge, daß sich nun die zu. dieser verdampferseitige Ende der als Wärmeröhren 50 Länge gehörende Grenzmenge beträchtlich erhöht, ausgebildeten Wännetransportkammern (11) bil- Das bedeutet, daß die Leistungsdichte im gesamten den. Reaktorkern entsprechend heraufgesetzt werden - ....... . . - kann. Es ergibt sich also eine wesentlich bessere

—_: Brennstoffausnutzung.

55 Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel des Reaktors gemäß der Erfin-

Gegenstand des Hauptpatentes ist ein heterogener dung. Es zeigt

Siedekemreaktor, dessen Reaktorkern im unteren F i g. 1 einen Längsschnitt durch den als thermio-

Teil eines gasdichten, druckfesten, allseitig geschlos- nischen Konverterreaktor ausgebildeten Reaktor und

senen und an seinem oberen Ende kuppelartig ausge- 60 seine Haltestruktur für das Raumfahrzeug,

bildeten Gefäßes angeordnet ist, dessen Kühlmittel Fig.2 einen Waagerechtschnitt durch den Reak-

den Reaktorkern von unten nach oben durchströmt, torkern entlang der Linie II-II in F i g. 1,

in diesem verdampft, im oberen Teil des Reaktorge- F i g. 3 ein einzelnes Kernbrennstoffelement in per-

fäßes kondensiert und von dort innerhalb des Reak- spektivischer Ansicht,

torgefäßes zur Unterseite des Reaktorkerns zurück- 65 F i g. 4 die Anordnung der thermionischen Konströmt und bei dem innerhalb des Reaktorgefäßes verter am Reaktorgefäß gemäß Feld IV in Fig. 1, Mittel zum Erzwingen des Kühlmittelumlaufes vor- und
gesehen sind, wobei an der Innenwand des Reaktor- F i g. 5 eine Variante zu F i g. 2 für den Fall, daß