DE1514955B2 - Vorrichtung und verfahren zum regeln von kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Regeln von Kernreaktoren mit einer epithermischen Neutronenkomponente im Reaktorkern, der neben den mit Brennelementen beschickten Bereichen auch brennstofffreie Bereiche aufweist, die durch thermische Neutronen absorbierendes Material begrenzt und durch Moderatormaterial regelbarer Menge ausgefüllt sind.

Eine solche Vorrichtung ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 049 014 bekannt, wobei aus dieser Druckschrift auch die Verwendung mehrerer brennstofffreier Bereiche hervorgeht.

Es sind viele Versuche gemacht worden, Kernreaktoren von dem Gesichtspunkt der Steuerung eines Uberschußreaktivitätsreaktors zu steuern, ohne auf bewegliche Steuer- oder Regelstäbe mit ihren nachteiligen Auswirkungen auf das Flußmuster im Reaktorkern zurückzugreifen. Beispielsweise ist in der deutschen Patentschrift 1 099 101 ein verdrängbarer flüssiger Absorber im Reaktorkern vorgeschlagen worden, und nach dem Vorschlag gemäß der bereits genannten deutschen Auslegeschrift 1 049 014 wird ein Reaktorkern mit einer zentralen Bohrung versehen, durch die eine Neutronenstreuung stattfinden kann. In der Bohrung sind koaxiale Regelrohre angeordnet, die relativ zueinander bewegbar sind, um ihre Wirksamkeit zu verändern, während ein fester Moderatorstab in die rohrförmige Bohrung hinein und aus dieser heraus bewegbar ist. Dadurch können streuende Neutronen absorbiert, moderiert oder aus der Bohrung herausgelenkt werden, wobei die Reaktivität des Reaktors durch Verändern dieser Auswirkungen gesteuert oder geregelt wird.

Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß, obgleich durch sie ein Satz beweglicher Bauteile (d. h. Regelstäbe) eingespart wird, sie zwei andere einführt (d. h. die Regelabsorberrohre und den bzw. die Moderatorstäbe). Bekanntlich ist es wünschenswert, die Anzahl der beweglichen Teile in einem Reaktorkern wegen der in diesem geltenden strengen Bedingungen zu vermindern anstatt zu erhöhen.

Es ist auch bekannt, die Reaktorregelung über die Standhöhe eines flüssigen Moderators zu bewirken. Dies geht aus der deutschen Auslegeschrift 1 020 417 hervor. Dabei wird der Moderatorgehalt eines Reaktors dadurch verändert, daß der Kern in eine Anzahl von Zellen unterteilt wird und der Moderatorgehalt einer Zelle relativ zu anderen Zellen verändert wird.

Ein anderer Vorschlag (deutsches Gebrauchsmuster 1 800 795) läuft darauf hinaus, den negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität eines Kerns dadurch zu erhöhen, daß ein Gaspolster vorgesehen wird, welches entweder auf einem konstanten Druck gehalten wird, so daß es sich ausdehnt, wenn die Temperatur steigt, wodurch der Moderator verlagert wird, oder auf konstantem Volumen gehalten wird, so daß der Druck auf den Moderator verändert wird, d. h. der Expansionsdruck wirksam wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders wirksame und sichere Regelvorrichtung unter Vermeidung beweglicher Teile im Reaktorkern zu schaffen. Durch die Erfindung wird ferner ein vereinfachtes Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung geschaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung das neutronenabsorbierende Material ortsfest im Reaktorkern eingebaut und eine Einrichtung für die Veränderung der Standhöhe eines flüssigen Moderators vorgesehen. Das neutronenabsorbierende Material kann die Gestalt von Rohren haben.

Bei der Vorrichtung kann die Standhöhe des flüssigen Moderators in den brennstofffreien Bereichen vorteilhaft so eingerichtet werden, daß sich eine gleichmäßige Neutronenfiußverteilung im Reaktorkern ergibt.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird

ίο das neutronenabsorbierende Material auf zu einer vertikalen Symmetrieachse des Kerns konzentrischen Kreisen angeordnet, und die Standhöhe des Moderators wird in allen Bereichen, die auf einem gemeinsamen Kreis liegen, gleichzeitig und unabhängig von den Bereichen auf anderen Kreisen verändert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb solcher Vorrichtungen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kern dadurch über- oder unterkritisch gemacht wird, daß entweder Moderator von einer äußeren Reihe von brennstofffreien Bereichen abgezogen oder Moderator nach den brennstofffreien Bereichen zugelassen wird. Dabei wird der Moderator in mindestens eine innere ringförmige Reihe von brennstofffreien Bereichen gefüllt, um die Leistungsverteilung nahe der Kernmitte durch das Vorhandensein dieses Moderators abzuflachen, und Moderator wird aus der inneren Reihe von brennstofffreien Bereichen entfernt, um den Abbrand zu kompensieren.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Reaktorkern,
F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig.l,

F i g. 3 eine schematische Draufsicht auf eine abgeänderte Ausführungsform des Reaktorkerns,

F i g. 4 ein Diagramm mit vergleichenden Kurven, die die Wirkung des Betriebs eines Reaktors nach F i g. 3 zeigen, wobei die Regelvorrichtung betätigt wird, um den Abbrand von Brennstoff einzuregeln und Leistungsspitzen zu reduzieren,

F i g. 5 einen axialen Querschnitt durch den zylindrischen Druckbehälter, der einen ganzen Reaktor einschließt, während

F i g. 6 ein Leitungsschaubild zur Erläuterung des Betriebs der dargestellten Regelvorrichtung wiedergibt, welche im Reaktor der F i g. 5 eingebaut ist.

Gemäß den F i g. 1 und 2 wird ein Reaktorkern 1 (durch nicht dargestellte Mittel) in einem Reaktor-So Druckbehälter 2 abgestützt, welcher Leichtwasser-Moderatormaterial 3 enthält, das außerdem als Kühlmittel wirksam ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel setzt sich der Kern aus einundzwanzig hohlen Säulen 4 zusammen, die im Querschnitt quadratisch sind. Die Säulen 4 sind oben und unten offen, und jede enthält gleiche Brennstoffgruppen 5. Letztere sind Platten 5 a aus Kernbrennstoffmaterial, welches in einer entsprechenden Umhüllung sitzt und so gehalten wird, daß es der Moderator-Kühlmittel-Strömung axial durch die Säulen hindurch aufrecht dargeboten wird. Die Aufteilung der Platten in den Säulen ist so, daß sich Brennstoff- und Moderatoranteile ergeben, die einem untermoderierten kritischen Aufbau entsprechen.

Die Platten 5 α sind sehr dicht nebeneinander in parallelen Gruppen angeordnet, und die Gruppen sind um ein mittleres Rohr 6 aus Absorbermaterial herum angeordnet. Die Rohre 6 sind im Querschnitt quadratisch, und jedes erstreckt sich koaxial inner-

halb der Säule 4. Die Platten-Baugruppen bilden mit Brennstoff beschickte Bereiche im Reaktorkern, wobei sie als eine Anzahl von Zellen aus solchen mit Brennstoff beschickten Bereichen betrachtet werden können, jeweils um einen brennstofffreien Bereich herum gruppiert, welcher durch das Absorbermaterial des Rohres 6 begrenzt wird. Ein unterer Reflektorbereich? ist am unteren Teilstück jeder Säule angebracht, wobei jedes Rohr 6 so verlängert ist, daß es um ein kleines Stück unterhalb des unteren Endes der Säulen 4 vorsteht und in ein offenes Ende 6 α in der Nähe des Bodens des Druckbehälters 2 ausläuft.

Am oberen Ende steht jedes der Rohre 6 mit einem Rohr 8 in Verbindung, welches nach einem von einer Reihe von Sammelrohren 9 führt. Die Sammelrohre 9 sind je mit einer Druckgasquelle (nicht dargestellt) über ein Steuerventil verbunden, welches betätigt wird, um den Rohren 8 und von dort den Rohren 6 einen veränderlichen Druck zuzuführen. Der Druck des Gases ist über einen solchen Bereich veränderlich, daß die Rohre 6 bis zu jeder gewünschten Höhe mit flüssigem Moderator gefüllt werden können, oder sie können so eingeregelt werden, daß sich jeweils einer von zwei vorbestimmten Drücken ergibt, um auf diese Weise der Flüssigkeit in den Rohren 6 die Möglichkeit zu geben, eine Höhe A oder eine Höhe B einzunehmen. Diese Höhen entsprechen jeweils der Normalbetriebshöhe oder einem Abschaltzustand, wie im nachfolgenden erläutert.

Es kann jede beliebige Brennstoffzusammensetzung verwendet werden, jedoch ist die Erfindung insbesondere bei solchen von höherer Neutronenabsorption geeignet. Ein Beispiel ist das Gemisch von Plutoniumisotopen, welches aus einem Brennstoff erhalten werden kann, der in Kernkraftwerken bestrahlt ist und nach Abtrennung von Spaltprodukten etwa 80% Pu239, 16 »/ο Pu240 und 4«/o Pu241 enthält. Das Material für die Absorberrohre 6 kann bohrhaltiger Stahl sein. Da jedoch dieses Material einen epithermischen Querschnitt hat, der die Ursache für einen höheren Anteil der Oberflächenabsorption auf den Außenflächen der Rohre 6 ist, als ein wirtschaftlicher Betrieb gestatten würde, wird es vorgezogen, eine entsprechende Kadmiumlegierung zu verwenden.

Da der Einfangsquerschnitt dieses Metalls scharf oberhalb 0,18 eV abfällt, so ist sein dauerndes Vorhandensein in einem mit Plutonium beschickten Kern, insbesondere einem solchen, der untermoderiert ist, von relativ geringer Bedeutung für den Neutronenhaushalt. Sobald aber der Gasdruck in den Sammelrohren so eingeregelt wird, daß das Wasser in den Rohren 6 die Möglichkeit hat, von der Höhe A auf die Höhe B anzusteigen, werden schnelle Neutronen, die normalerweise durch die Rohre 6 hindurchgehen würden, durch den darin enthaltenen Moderator thermalisiert und in dem Absorberrohr absorbiert. Somit kann der Reaktorkern dadurch unterkritisch gemacht werden, daß man den Moderatorpegel auf die Höhe B in allen Rohren 6 ansteigen läßt.

Natürlich kann die Höhe, falls erwünscht, auf jede beliebige Stellung zwischen A und B willkürlich eingeregelt werden, um so eine Reaktivitätsregelung in einer Weise zu bewirken, die mit einem herkömmlichen Regelstab, der teilweise in den Kern eingeführt wird, vergleichbar ist, natürlich ohne die Nachteile solcher Mechanismen und auch ohne äquivalente Flußstörungen heraufzubeschwören.

Das Regelungssystem kann auch in einer solchen Weise betätigt werden, daß eine ausgewählte Anzahl von brennstofffreien Bereichen mit Moderator gefüllt gehalten werden kann, während aus anderen Bereichen Moderator entfernt wird, wobei dadurch die Reaktivität unter Kontrolle freigegeben wird, während Flußstörungen auf einem Minimum gehalten werden.

Bei der als Draufsicht in F i g. 3 dargestellten Anordnung sind Säulen 10 einander benachbart in zwei

ίο Gruppen angeordnet, die zwei ringförmige Innen- und Außenreihen 11,12 bilden.

Der Brennstoff in Form von Plutonium tragenden Platten 13 wird hochkant in der flüssigen Kühlmittel-Moderator-Strömung durch den Kern in einer Richtung senkrecht zur Zeichenblattebene gehalten. Wie vorher schließen Rohre 14 a, 14 b aus Kadmium, welches z. B. in Edelstahl eingehüllt ist, brennstofffreie Bereiche innerhalb von mit Brennstoff beschichteten Bereichen im Kern ein, wobei die Rohre in der Außenreihe 12 der Säulen mit 14 a und die in der Innenreihe 11 mit 14 b bezeichnet sind. Das Brennstoff-Moderator-Verhältnis ist so, daß der Kern untermoderiert ist.

Die Rohre 14 a_b 14 b sind jeweils mit getrennten Sammelrohren 15 a, 15 b verbunden, wobei jedes Sammelrohr mit Druckgas über Rohre 16 a, 16 b in Verbindung gebracht werden kann.

Während der Reaktorkern beschickt wird, werden alle Rohre 14 a, 14 & mit Leichtwasser-Kühlmittel-Moderator gefüllt. In diesem Zustand ist der Kern unterkritisch, weil diejenigen Neutronen, die ihren Ursprung dicht an den Rohren 14 a, 14 b haben und in die Rohre gelangen, in dem Leichtwassermoderator thermalisiert werden und, wenn sie auf thermische Energien verlangsamt worden sind, an der Innenfläche der Rohre 14 a, 14 b absorbiert werden.

Dann wird der Reaktor durch Entleeren der Außenreihe 14 α der Rohre, indem Druckgas in die Sammelrohre 15 α eingelassen wird, überkritisch gemacht, wobei die Innenreihe im überfluteten Zustand gehalten wird. Es kann mit einem Verhältnis von maximaler zur mittleren Leistungsverteilung um etwa 1,6 oder weniger gerechnet werden, denn die Leistungsverteilung ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Kernen, nahe der Mitte des Kerns durch das Vorhandensein von Moderator in den Rohren 14 b abgeflacht, um eine Verteilung zu erreichen, wie sie durch die Kurve B in F i g. 4 dargestellt ist.

Der Reaktor wird mit Leistung gefahren, der Brennstoff wird abgebrannt, und im Mittelbereich des Kerns findet ein stärkerer Abbrand statt, der in diesem Bereich den Brennstoff zurückläßt, der an spaltbarem Material relativ zu den äußeren Bereichen des Kernes leicht abgereichert ist. Die ungleiche Verteilung von Spaltmaterial, die sich über den Kern hinweg entwickelt, ist in F i g. 4 durch die Kurve C angedeutet.

Zu einem passenden Zeitpunkt, wenn eine weitere Reaktivitätsregelung erforderlich ist, werden die Rohre 14 b entleert.

Dieser Vorgang wird jedoch nicht, wie man erwartet haben könnte, ein Verteilungsprofil mit steilem Gipfel (wie Kurve A) hervorbringen, denn die Abreicherung an Spaltstoff in der Mitte des Kerns trägt dazu bei, die Leistungsverteilung in der Kernmitte dichter bei der Kurve B zu halten.

Der in F i g. 5 dargestellte Reaktor ist von der integralen Bauart, die zur Zeit mit Vorliebe für den

Schiffsantrieb verwendet wird, jedoch in gleicher Weise auch auf landgebundene Dampferzeugungsanlagen anwendbar ist, bei welchem ein Druckbehälter 50 sowohl einen Reaktorkern 51 als auch einen Wärmeaustauscher 52 enthält. Der Kern 51 wird von einem stabilen Ring 53 innerhalb einer Wärmeabschirmung 54 getragen, die wiederum von Vorsprüngen 55 abgestützt und an diesen befestigt ist, welche von der Innenfläche der Druckbehälterwand vorstehen. Vom Ring 53 hängt ein Kernmantel 51 α herab, der im allgemeinen zylindrisch und am Ende offen ist. Der Kern wird durch unter Druck stehendes Wasser gekühlt und moderiert, welches unter Betriebsbedingungen das Behältervolumen bis zu einer Höhe L füllt, wobei das Wasser durch das Gas-Dampf-Gemisch unter Druck gesetzt wird, das in dem Raum 5 oberhalb des Wasserspiegels eingeschlossen ist. Um zu verhindern, daß irgendein Teilstück des Kerns nicht bedeckt wird — sollte ein ungewöhnlich großer Verlust von Wasser aus dem Primärkreislauf eintreten —, ist ein Moderatorbehälter 56 in unmittelbarer Nähe des Kerns angeordnet.

Das Umlaufen des unter Druck stehenden Wassers wird durch drei Kreiselpumpen 57 bewirkt, die in Durchbrüchen im Boden des Druckbehälters untergebracht sind, wobei sich die Pumpenräder 57 α durch Löcher 58 in der Wärmeabschirmung so erstrecken, daß Wasser nach oben durch die Löcher und zwischen der Wärmeabschirmung und dem Moderatorbehälter 56 gepumpt wird. Das Wasser gelangt dann über den Rand des Behälters 56 und strömt über die Außenfläche des Mantels 51 α zum Boden des Kerns. Von dort gelangt das durch den Kern erwärmte Wasser durch die Rohrreihen des Wärmeaustauschers, der Sekundärkühlmittel führt, wobei es Wärme an das Sekundärkühlmittel abgibt. Die Rohrreihen sind in inneren und äußeren ringförmigen Zonen 52 a, 52 b angeordnet. Ein ringförmiger Strömungsspalter 59, der zusammen mit einer Ringplatte 59 α einen Strömungsteiler bildet, dient dazu, das aufwärts strömende Wasser über die Innenzone 52 a der Rohre zu führen, damit es dann über das obere Ende des Strömungsspaltes am oberen Ende der Reihe strömt, und dann die volle Höhe des Druckbehälters abwärts, wobei es zunächst über die Außenzone 52 b der Wärmeaustauscher-Rohrreihen und dann über die Außenseite der Wärmeabschirmung 54 zu den Pumpen 57 am Grund des Behälters gelangt. Von dort aus wird das Primärkühlmittel wieder in Umlauf gesetzt.

Die Sekundärkreis-Sammelrohre 60 sind so dargestellt, daß sie jeweils mit Einlaß- und Auslaßrohren 61, 62 in Verbindung stehen, die durch Durchbrüche im oberen Ende des Druckbehälters hindurch verlaufen. Die letzteren Durchbrüche sind in einer ringförmigen Reihe um einen Mitteldurchlaß angeordnet, um welchen auf leckdichte Weise eine Leitung 64 befestigt ist, die den Nachschub zum Zwecke der Reaktorsteuerung und -abschaltung führt, welche in der beschriebenen Weise arbeiten. Die Leitung 64 steht innerhalb des Druckbehälters mit einer Steuerleitung 63 (die einen Wärmeausdehnungskompensator 63 a aufweist) in Verbindung, die sich durch den Wärmeaustauscher 52 hindurch erstreckt.

In Übereinstimmung mit dieser Regelmethode wird der aktive Bereich des Kerns in eine Reihe von Zellen unterteilt, von denen jede einen mit Brennstoff beschickten Bereich 65 aufweist, durch welche sich ein brennstofffreier Bereich oder ein Hohlraum 66 erstreckt, wobei der letztere durch eine Schicht 67 eines Neutronenabsorbermaterials mit Neutroneneinfangeigenschaften hauptsächlich im thermischen Bereich begrenzt wird. Der Gesamtaufbau der Zellen bildet zusammen eine kritische Masse, wenn durch unten beschriebene Einrichtungen Moderator aus den Hohlräumen 66 ferngehalten wird. Der Absorber befindet sich in einem solchen Zustand, daß er durch Oberflächenabsorption die Absorption von thermischen Neutronen bewirkt, hat jedoch eine geringe Einwirkung auf das Haupt-Epithermalspektrum. Dadurch, daß man dem Moderator die Möglichkeit gibt, in die Hohlräume zu gelangen, werden epithermische Neutronen, die in die Hohlräume eindringen, thermalisiert und dann eingefangen, d. h., es findet eine Einfangabsorption von Neutronen statt.

Zu diesem Zweck ist das untere Ende jedes Hohlraums mittels eines Rohres 68 a bzw. 68 b mit einem am Boden offenen Prallkörper oder einer Kammer 69 verbunden, innerhalb welcher eine freie Oberfläche des Moderators durch ein geringes Volumen von eingefangenem Gas gehalten werden kann. Der Moderatorpegel wird durch ein Rohr 71 aufrechterhalten, welches überschüssiges Gas nach dem Druckraum S zurückführt.

Die oberen Enden der Hohlräume 66 stehen separat mit Einlaßrohren 70 in Verbindung, die ebenfalls vom Behälter aus über die zentrale Leitung 63 verlaufen.

Es ergibt sich, daß durch Zuführen von Gasdruck in irgendwelche ausgewählten oder in alle der Einlaßrohre 70 flüssiger Moderator aus dem entsprechenden Hohlraum ausgeschlossen werden kann, um einen gewünschten Regelungseffekt zu erzielen.

Im Leitungsschaubild nach F i g. 6, welches zur Erläuterung des Betriebs der Regelanlage nach F i g. 5 dient, haben diejenigen Teile, die denen in F i g. 5 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen, und der Übersichtlichkeit halber ist im Kern nur der Raum dargestellt, der von den Regelhohlräumen 66 eingenommen wird. Der Prallkörper 69 ist um 90° um die Druckbehälterachse gedreht worden, um seine längliche Form zu zeigen.

Bei der in F i g. 6 dargestellten Anlage sind die Regelhohlräume in zwei Gruppen 66 a, 666 unterteilt worden, d. h., die in Gruppe 66 a, welche der Mitte des Kerns näher liegen (von denen in Wirklichkeit nur zwei dargestellt sind), werden als Regelhohlräume und diejenigen, die in den Zwischen- und Außenbereichen des Kerns liegen, als Abschalthohlräume bezeichnet und sind mit den Bezugszeichen 66 b versehen. Gemäß dieser Terminologie dient die Gruppe 66 α einer Regelungsfunktion, d. h., sie dient zur Reaktivitätsregelung, zum Ausgleich des Abbrandes oder der Belastung, während die Gruppe 66 b dazu dient, das Reaktorabschalten auszuführen oder zu bewirken. In beiden Fällen arbeiten die Hohlräume durch Zuführen von Moderator in die Hohlräume, wodurch die Absorptionsleistung des Absorbermaterials, welches den Hohlraum begrenzt, erhöht wird. Aus Gründen, die später noch erläutert werden, enden die Hohlräume in den Auslaß rohren der Gruppe 66 a in einem U-förmigen Siphon unterhalb des Wasserspiegels innerhalb der Kammer, während diejenigen der Gruppe

66 b sich unmittelbar in die Kammer unterhalb der freien Oberflächenhöhe F erstrecken.

Der obere Bereich jedes der Regelhohlräume in der Gruppe 66 a ist getrennt durch eines der Rohre

70 α über ein Steuerventil Vl mit einer Druckgasleitung 72 verbunden, die Strömungsmittel vom Druckraum her enthält, welches auf einen Druck oberhalb demjenigen in den Raum durch Verdrängerpumpen

73 gebracht wird. Zwei solcher Pumpen werden in Parallelschaltung verwendet, wobei sie über Rohre

74 mit dem Raum S verbunden sind und die Druckleitung 72 beliefern, so daß sie abwechselnd verwendet werden können. Der obere Bereich der Hohlräume in der Gruppe 66 b ist in ähnlicher Weise durch Einlaßrohre 70 b verbunden, die diese Hohlräume mit der Druckleitung 72 mittels einer zentralen Leitung 63 und ein gemeinsames Auslaßrohr 75 mit parallelen ventilgesteuerten Rohren 77, die Ventile V 3 aufweisen, verbinden. Das Rohr 75 kann mit dem Druckraum S über ventilgesteuerte Zweigrohre 76 in Verbindung gebracht werden, die Ventile V 2 aufweisen und nach einem gemeinsamen Rohr 78 führen, welches mit dem Raum S in Verbindung steht.

Der Druck des Gassystems oberhalb des Druckraumes S wird durch die Tiefe bestimmt, bis zu welcher die Hohlräume vom Moderator zu entleeren sind. Druckgas wird mittels Verdrängerpumpen 73 in das Hohlraumsystem über Rohre 70 α, 70 δ kontinuierlich gepumpt, wobei das Gas fortlaufend aus dem unteren Ende der Hohlräume über Rohre 68 a, 68 b in die Kammer 69 entweicht, von der es über die Leiutng 71 in den Druckraum S zurückgeführt wird. Dadurch werden Veränderungen des Wasserspiegels infolge von Druck- und Temperaturänderungen und kleinen Leckstellen vermieden. Die Kammer 69, wie oben erwähnt, hat Lüftungsrohre 86, über die überschüssiges Gas in den Druckraum zurückströmen kann. Es ist noch zu bemerken, daß die Ventile V 2 und V 3 an den Rohren, die mit den Abschalthohlräumen in Verbindung stehen, aus Sicherheitsgründen verdreifacht sind.

Anfänglich werden alle Hohlräume geflutet und, um den Reaktor anzufahren, werden die dazwischenliegenden und äußeren Hohlräume 66 a durch öffnen der Steuerventile V 3 und durch Zuführen von Druckgas nach den oberen Enden aller Abschalthohlräume heruntergeblasen. Jede ausgewählte Anzahl von Regelhohlräumen kann durch öffnen der zugehörigen Steuerventile Vl heruntergeblasen werden, jedoch müssen zunächst die Abschalt-Steuerventile V 3 geschlossen werden, da sonst ein Fluktuieren der Reaktorleistung verursacht werden kann. Andere Regelhohlräume können nach Wunsch heruntergeblasen werden, um die Reaktivität in einer gewünschten Weise zu beeinflussen. Wenn die Regelhohlräume 66 a unmittelbar mit der Kammer 69 verbunden wären, könnte möglicherweise das eingeschlossene Gas in jene Hohlräume hochsteigen, die man im gefluteten Zustand halten wollte, und dann die Reaktivität ungewollt erhöhen. Um dem vorzubeugen, laufen die Regelhohlraum-Auslaßrohre 68 b in Siphons oder gebogenen Enden unterhalb der normalen freien Oberfläche in der Kammer aus, so daß sie nur Gas in diese einbringen und kein Gas aus dieser aufnehmen können.

Im Notfall, wenn ein Abschalten geboten ist, werden die Steuerventile Vl und die Abschalt-Steuerventile V 2 und V 3 geöffnet, und die Hohlräume fallen sofort auf den Druck im Raum S ab und füllen sich mit Wasser, während das verdrängte Gas in den Druckraum oberhalb des Wärmetauschers zurückströmt. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Wasserspiegel in den Hohlräumen 66 ansteigt, wird in erster Linie bestimmt durch die Differenz zwischen dem Pegel im Hohlraum und dem Pegel der Grenzschicht zwischen Druckgas und Wasser wie auch durch jegliche Reibungsverluste an Rohrbogen beim ausströmenden Gas und einströmenden Wasser.

Die Flutungsgeschwindigkeit kann dadurch erhöht werden, daß ein geschlossener Behälter an der Auslaßseite der Abschalt-Ventile V 2 und V 3 angebracht wird, wobei der Druck innerhalb dieses Behälters auf einem niedrigeren Wert gehalten wird als demjenigen, der im Druckraum S vorherrscht. Auf diese Weise steht eine größere Druckdifferenz als diejenige des Wasserspiegels im Druckbehälter zur Verfügung, um das Primärkühlmittel in die Hohlräume zu drücken.

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Reaktorsteuerung und -abschaltung, welche die Möglichkeit gibt, das Absorbermaterial im Kern ortsfest zu halten, wobei das Material durch die Zufuhr oder Wegnahme von Primärkühhnittel wirksam oder unwirksam gemacht wird, stellt eine beträchtliche Vereinfachung dar, verglichen mit herkömmlichen Systemen, die ausschließlich auf Regelstäben basieren.

Für die Anwendung auf oder in Schiffen erfolgt das Vorsehen der Kammer, welche den gepumpten Überschuß des Druckgases enthält, in der in F i g. 6 dargestellten Form, d. h. in Form eines langen Troges, und der Reaktor wird so ausgerichtet, daß die Längsseiten des Troges in Längsrichtung des Schiffes verlaufen. Dadurch beeinträchtigt nur die Nickbewegung des Behälters den Wasserstand in den Hohlräumen, aber in keiner Weise die Roll- oder Schlingerbewegung. Die Nickbewegung, die niemals mehr als wenige Grad beträgt, wird nicht die Ursache dafür sein, daß sich der Wasserspiegel in den Hohlräumen um irgendeinen bedeutenden Betrag ändert.

Es verdient hervorgehoben zu werden, daß bei der beschriebenen Regelvorrichtung, wie sie bei dem in F i g. 5 dargestellten Reaktor verwendet wird, keinerlei bewegliche feste Bauteile im Kern verwendet zu werden brauchen, mit der Folge, daß keine Lauftoleranzen berücksichtigt zu werden brauchen und somit die Fertigungstoleranzen beträchtlich vereinfacht und erleichtert werden. Da darüber hinaus die Neutronenabsorber für die Regelung ein fester Teil des Kernaufbaus sind, so können sie nicht vom Kern weg verschoben werden, es sei denn, der Kern selbst sei in Bruchstücke zerfallen. Alle Mechanismen, einschließlich derjenigen, die für den Grad der durch die Regelabsorber ausgeübten Regelung maßgebend sind, befinden sich außerhalb des Druckbehälters und sind somit zugänglich.

Wenn erwünscht, können brennbare Gifte bzw. Neutronenfänger im Kern eingebaut werden, um die von den Absorbern hervorgebrachte Reaktivitätsregelung zu ergänzen.

Der für das Erreichen dieser Vorteile zu zahlende Preis sind der Verlust von Neutronen durch Oberflächenabsorption in den dauernd im Kern vorhandenen Absorbern und die Erhöhung des Neutronenverlustes, wenn die brennstofffreien Bereiche von Moderator leer sind. Dieser Preis wird in erster Linie durch die Verwendung von Kadmium als Absorbermaterial beträchtlich herabgesetzt, wobei die Untermoderierung des Kerns eine hohe Absorption in den Brennstoffisotopen ergibt, und in zweiter Linie durch Beschränkung der Breite der brennstofffreien Bereiche,

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um das Auslecken durch Neutronenströmung auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

Jede beliebigen anderen Mittel zum Einführen des Moderators in die durch den Absorber umgrenzten Hohlräume können verwendet werden, so kann z. B. auch ein flüssiger Moderator in die Hohlräume über deren oberen Enden von Sammeltanks her eingebracht werden und dadurch abgezogen werden, daß er aus deren unteren Enden abgelassen oder herausgepumpt wird. In gleicher Weise ist das System auch ebensogut auf gas- oder wassergekühlte Reaktoren anzuwenden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Regeln von Kernreaktoren mit einer epithermischen Neutronenkomponente im Reaktorkern, der neben den mit Brennelementen beschickten Bereichen auch brennstofffreie Bereiche aufweist, die durch thermische Neutronen absorbierendes Material begrenzt und durch Moderatormaterial regelbarer Menge ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material ortsfest im Reaktorkern eingebaut und eine Einrichtung für die Veränderung der Standhöhe eines flüssigen Moderators vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material die Gestalt von Röhren hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Standhöhe des flüssigen Moderators in den brennstofffreien Bereichen so eingerichtet ist, daß sich eine gleichmäßige Neutronenflußverteilung im Reaktorkern ergibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material auf zu einer vertikalen Symmetrieachse des Kerns konzentrischen Kreisen angeordnet ist und die Standhöhe des Moderators in allen Bereichen, die auf einem gemeinsamen Kreis liegen, gleichzeitig und unabhängig von den Bereichen auf anderen Kreisen verändert wird.

5. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern dadurch über- oder unterkritisch gemacht wird, daß entweder Moderator von einer äußeren Reihe von brennstofffreien Bereichen abgezogen oder Moderator nach den brennstofffreien Bereichen zugelassen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Moderator in mindestens eine innere ringförmige Reihe von brennstofffreien Bereichen gefüllt wird, um die Leistungsverteilung nahe der Kernmitte durch das Vorhandensein dieses Moderators abzuflachen, und daß Moderator aus der inneren Reihe von brennstofffreien Bereichen entfernt wird, um den Abbrand zu kompensieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen