DE1514962A1

DE1514962A1 - Atomreaktor

Info

Publication number: DE1514962A1
Application number: DE19651514962
Authority: DE
Inventors: Noderer Lawrence Clemmer
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1964-05-20
Filing date: 1965-05-18
Publication date: 1969-06-12
Also published as: US3271260A; DE1514962C3; JPS5030226B1; DE1514962B2; GB1060999A; BE662701A

Description

Die Erfindung betrifft einen Brutreaktor mit Kühlung duroh flüssiges Metall, insbesondere einen solchen, dessen Aktivität gleichsinnig mit der Dichte des Kühlmittels abnimmt.

Wegen der begrenzten Verwertbarkeit von Uran 235 ist in den letzten Jahren das Interesse an Leistungsreaktoren gestiegen, die zusätzlich spaltbares Material produzieren. Diese sogenannten Brutreaktoren vergrößern die Energieausbeute der Füllung·

Es wurde ein Atomreaktor vorgeschlagen, der gleichzeitig Leistung und spaltbares Material erzeugt und mit Natrium gekühlt ist und schnelle Neutronen von Uran 235 sowie Plutonium 239 als Brennstoff und Uran als angereichertes Material verwendet« Sohnelle Neutronen werden benutzt, weil dies unter sonst gleichen Verhältnissen eine kleinere Füllung ergibt, und Natium als Kühlmittel wird verwendet wegen seines guten Wärmeübergänge, seiner großen Wärmekapazität und seiner verhältnismäßig geringen Neutronenabsorbtion.

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Ein Reaktor dieses bekannten Typs hat den Nachteil eines positiven Reaktionskoeffiizienten der Kühlmitteldichte: Beim Abnehmen der Dichte des Natriums, etwa infolge von Temperaturerhöhung, steigt die Reaktionsfähigkeit etwas an. Im äußersten Fall, bei Kühlmittelverlust, könnte dadurch ein unterkritischer oder leicht

bzw.
kritischer Kern kritisch/überkritisch werden. In einem bekannten Reaktor dieses Typs kann daher auch nicht eine Stillsetzung der Spaltungsreaktionen durch Abziehen des Kühlmittels erfolgen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile bei einem mit schnellen Neutronen und Natriumkühlung arbeitenden Brutreaktor zu vermeiden. Dies geschieht erfindungsgemäß vor allem durch den Einbau von Taschen im Kern, welche mit inertem Gas gefüllt sind und so bei abnehmender Kühlmitteldichte den Neutronenaustausch zwischen den aktiven Kernzonen begrenzen und dadurch dem Reaktor den erfindungsgemäß angestrebten negativen Temperaturkoeffizienten des Natriums in Bezug auf die Kernaktivität geben.

Die Erfindung möge anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 in Parallelprojektion eine Seitenansicht auf den teilweise geschnittenen Reaktor,

Figur 2 eine Stirnansicht der Kernzone,

Figur 3 eine Teilseitenansicht, teilweise

im Axialschnitt, auf ein Füllelement des Kerns,

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mm 3 *"·

Figur 4 einen Radialschnitt in der Ebene IV-IV aus Figur 3,

Figur 5 in TeilSeitenansicht, teilweise im Axialschnitt, einen Einsatzstab des Füllelements,

Figur 6 in Teilseitenansicht, teilweise

axial geschnitten, ein Füllelement für angereichertes Material,

Figur 7 einen Radialschnitt in der Ebene VII-VII der Figur 6,

Figur 8 eine Teilseitenansicht, teilweise im Axialschnitt, eines Füllelements nach der Erfindung, mit eingebautem Hohlraum,

Figur 9 einen Radialschnitt in der Ebene U-IX aus Figur 8·

Es wurde bereits versucht, einem ao-e Reaktor einen negativen IKbeffizienten (des Kühlmittels bezüglich seiner Reaktionsfähigkeit zu geben, aber all diese Versuche haben nur neue Schwierigkeiten gebracht. Zwar kann man Material mit Neutronen absorbierender und streuender Eigenschaft im Kern einbauen, aber dadurch wird die Brutausbeute des Reaktors verringert, der Aufwand für Herstellung und Betrieb wird vergrößert.

Die Erfindung jedoch leistet die Umkehrung des Reaktionskoeffizienten über die Kühlmitteltamptra tur, unter Vermeidung der vorerwähnten Mangel, lies geschieht erfindungsgemäß durch Einfügung einer ringförmigen Zone von Hohlräumen zwischen Kern und Mantel des Rmktoreinsatzes·

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Diese Hohlräume enthalten Luft oder inertes (Jas, worin Neutronen sogar nooh weniger absorbiert werden als im kühlenden Natrium. Ferner werden die vom Kern zur Mantelzone passierenden schnellen Neutronen in den Grasblasen weniger gebremst. Die Anordnung der erfindungsgemäßen Hohlräume führt also nicht zu einem Nedronenverlust· Jedoch haben die einmal aus der Kernzone in die Mantelzone gelangten Neutronen eine geringere Wahrschtieinlichkeit der Rückkehr in den Kern, als wenn Kern- und Mantelzonen nicht durch die erfindungsgemäßen Hohlräume getrennt wären. Dieser Effekt entsteht durch den unterschiedlichen Umfang und das teilweise Auseinanderrücken von Kern- und Mantelzone. Wenn Natrium aus dem Kern abgezogen wird oder sich die Natriumdichte dort vermindert, treten mehr Neutronen aus der Kernzone in den Mantelbereich, und dieser Verlust wird infolge der erfindüngsgemäß zwischengesclaLteten Hohlräume nicht vollständig durch Reflexion der ausgetretenen Neutronen in den Kern kompensiert, wodurch eben der negative ■fwnperettaÄcoeffizient des Hatriums bezüglich der Reaktoraktivität erhalten wird.

Nachfolgelfi wird zunächst auf Figur 1 des gezeichneten Ausführungsbeispiels Bezug genommen, welche einen Kernreaktor 10 zeigt, mit einem senkrechten zylindrischen Druckgefäß 12, unten geschlossen und oben übergehend in einen Flansch Ein Deckel 16 sitzt mit Flansch 18 auf diesem Flansch und dichtet gegenüber dem Druckgefäß 12« Der Deckel 16 ist mit einem Gehäuse 22 versehen, welches den Regelstangenan-

die trieb trägt, sowie die Kachfülleinrichtung, eh nicht dargestellt ist und nicht zur Erfindung gehört. Der Deckel hat ferner einen ineren Ringfortsatz 24, welcher in das Druckgefäß 12 ragt und die Isolierblöcke 26 mitträgt, den oberen Innenraum des Druckgefäßes 12 ausfüllen. Wie

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später im einzelnen beschrieben wird, ist die Anordnung so, daß mit dem Deckel 16 auch, die Isolierblöcke 26 abgehoben werden, wodurch der untere Bereich des Druckgefäßes 12 für Wartung und Inspektion offen liegt. Die Flansohe 14 und 18 werden dunch Schraubbolzen zusammengehalten.

Das Druckgefäß 12 ist mit mehreren Anschlüssen für das kühlende flüssige Metall versehen, nämlich den Einlaßstutzen 28 und den Auslaßstutzen 32, Für die betriebliche Stillsetzung wie auch für die Unterdrückung des Spaltungsprozesses in Gefahrenfällen können weitere Aaschlußstutzen in an sich bekannter Weise zur zusätzlichen Überschwemmung der Reaktionszone mit Kühlmittel und zur Abkühlung unter die Betriebstemeperatur vorgesehen sein.

Unten im Druckgefäß 12 sind die Gitter 34,36 eingebaut, deren Öffnung*idas Kühlmittel durchtreten lassen. Gitter ist auf dem ^oden des Druckgefäßes 12 durch nicht dargestellte Befestigungsmittel abgestützt, und es trägt seinerseits über radiale und zylindrische Loohplatten bzw. 42,44 das obere Gitter 36. Mehrere konzentrische, zylindrische Wärmeschilde 46 reichen vom oberen Gitter bis dicht unter die Isolierblöcke 26, oberhalb der Einlaßstutzen 28· Die Auslaßstutzen 32 reichen durch die Wärmeschilde 46, die Einlaßstutzen 28 dagegen nicht. Der innerste Wärmeschild 46? bildet nach oben und außen eine Ringschulter 48,die bis zur Innenwand des Druckgefäßes reicht und dort verschweißt oder sonst-wie dichtend befestigt ist. Die übirgen Wärmesohilde 46 reichen nicht bis zur Ringschulter 48, so daß das Kühlmittel aus den Einlaßstutaen 28 in den Ringräumen zwischen den Wärmeschilden 46 fließt, wie durch die Pfeile angedeutet.

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Auf dem oberen Gitter 36 ruht die wabenförmige Halterung 52 aus rostfreiem Stahl für das spaltbare Material. Der Gesamtaufbau dieser Halterung in Form eines sechskantigen Prismas geht aus Figur 2 hervor. Die in dieser wabenförmigen Halterung gebildeten Räume sind mit verschiedenem spaltbaren und Brutmaterial in später zu beschreibender Anordnung gefüllt.

Oben auf der wabenförmigen Halterung 52 ist ein Niederhaltegitter 54 aus Radialstegen und ringförmigen Platten abgestützt. Darin sind Rohrstücke 58 eingebaut für den Durchtritt je einer Regelstange 62. Das Niederhaltegitter 54 ist durch das Andrückrohr 64 auf die Halterung 52 gedrückt,, um Verschiebung und Vibration zu verhindern. Das Andrückrohr 64 bildet Durchlaßöffnungen 65 für das Kühlmittel.

Ein Zylinderstutzen 66 reicht vom Gehäuse 22 in das Druckgefäß 12 bis unterhalb der Isolierblöcke 26. Regelstangen 62, Andrückrohr 64 und der nicht dargestellte Manipulator für die Füllung können im Zylinderstutzen 66 in an sich bekannter Weise absenkbar untergebracht sein.

Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß der Reaktorkern aus den innersten konzentrischen unterschiedlich mit Spaltmaterial angereicherten Zonen A und B besteht. Im Kern sind die Regelstangen R angeordnet· Die umgebende Mantel- oder

ring Brutzone D ist von der Kernzone durch die nergraförmige Hohlraumzone O getrennt, welche aus Hohlräume bildenden Füllelementen aufgebaut ist. Die Wirkung dieser Hohlraum zone, Bowie die Einzelheiten der verschiedenen Anordnungen werden nachfolgenden beschriebe».

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Wie aus den Figuren 5 und 4 ersichtlich»bildet jedes Füllrohr 72 einen Kanal zwisohen den Zonen A und B aus Figur 2 und besteht aus einem hexagonalen Rohr 74» enthalten* Füllstangen 75, auslaufend unten in einen EaIsL 76, auf dem ein Tragrohr 78 gleitbar gelagert ist, das am Unterrand 82 eine innere Ringschulter 84 bildet, worauf eine Andrückfeder 86 gegen den Unterrand des Halses 76 abgestützt ist.

Eine untere Gitterplatte 88 auf dem Hals 76 bildet Fassungsöffnungen 92 für das Fußteil der Füllstangen 75, wie dargestellt. Im Mantel 74 des Füllrohres 7/5, über den größten Teil seiner Länge, sitzen die Füllstangen 75· Diese werden festgehalten durch die obere Gitterplatte Bin Schaft 96 ist mit radial ansetzenden Armen 98 im Mantel 74 befestigt und läuft aus in einen Knopf 99, womit das Füllrohr 72 im ganzen ausgehoben werden kann. Mehrere Abstandsbänder 102 sind über die Länge des Mantels 74 verteilt und sichern die gegenseitige Position der Füllstangen 75· Die Abstandsbänder 102 können Jede geeignete Form ae*n- und in besonders einfacher Weise unter Bildung von Abstandsstegen um die Füllstangen 75 gewickelt sein, wie aus Figur ersichtlich.

Figur 5 läßt erkennen, daß jede Füllstange 75 aus einem zylindrischem Rohr 104 mit eingefüllten Tabletten 106 aus spaltbaren Material besteht, sowie unten durch einen Stecker 108 abgeschlossen ist, der in eine Fassungsbohrung 92 der Gitterplatte 88 paßt, während der obere AbschltTß durch einen Stopfen 110 erfolgt, welcher die eingefüllten reaktionsfähigen Tabletten 106 über eine Wendeldruckfeder 112 festhält. Die Tabletten können bestehen aus UOp oder Mischungen von UC und PuG, Bei Anwendung der letzteren Materialien

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kommt im wesentlichen Uran 238 in Betracht, so daß L der Spaltungsprozeß vom Plutonium abgeleitet wird. Die Anwendung einer abbaufähigen Uraniumisotope vergrößert die lebensdauer des Kerns. Dessen tragendere, vorstehend beschriebene Teile bestehen sämtlich aus rostfreiem Stahl.

In Zone D der Halterung 52, also dem Mantelbereioh des Reaktors K^sind die aus Figuren 6 und 7 ersiohtliohen Typen von Füllrohren 114 benutzt, die thnlioh den Füllrohren 72 gebaut sind und aus einem hexagonalen Mantel 116 mit zylindrischem Hals 118 und darauf gleitbarem Tragrohr 122 mit zwisohengeschalteter Druckfeder 124 bestehen. Eine Bodenplatte 126 mit Blendenöffnung 128 be stimmt den Kühlmitteldurchtritt in den Mantel 116. Mehrere Füllstangen 132 sitzen im Mantel 116 und enthalten die Tabletten mit Reaktionsmaterial, welches in diesem Fall spaltbar ist, beispielsweise Uran 238. Das obere Ende 134 des Mantels 116 ist wiederum mit einem Schaft 136 und einem Aushebeknopf 137 für die ganze Füllrohreinheit 114 versehen.

In der Zwischenzone C des Reaktors 10 sind mehrere Füllrohre 138 entsprechend den Figuren 8 und 9 eingebaut. Jedes dieser Füllrohre enthält einen oberen und einen unteren liexagonalen Abschnitt 142 bzw. 144, dazwischen eine zylindrische Verbindungshüle 146 von kleinerem Durchmesser. Die Abschnitte 142,144 sind ähnlich den hexagonalen Mänteln der vorher beschriebenen Füllrohre, jedoch zur Aufnahme kürzerer Füllstangen 148 bzw. 152 eingerichtet. Diese Füllstangen enthalten wiederum Tabletten von Reaktionsmaterial identisch mit denjenigen in der Zone D. In der Verbindungshülse 146 ist eine abgedichtete Kammer 154 mit oberen und unteren Dichtungskappen 156 bzw. 158 untergebracht,

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Die Kammer 154 enthält ein inertes Gras wie Helium unter geringem oder mittlerem Druck. Ober der Kammer 154 sind Auslaßbohrungen 162,unter der Kammer Einlaßbohrungen 164 in der Yerbindungshülse 146, für die Zirkulation des Kühlmittels.

Im Betrieb des Bsaktors 10 strömt flüssiges Natrium durch die Einlaßstutzen 28 in das Druckgefäß 12. Das Kühlmittel fließt entlang den Wärmeschilden 46 nach unten und dann durch die Halterung 52 mit dem Reaktionsmaterial. Das nunmehr erhitzte Kühlmittel verläßt die Halterung und tritt durch die Auslaßstutzen 32 in einen Wärmeverbraucher, beispielsweise einen Dampferzeuger, und sodann wieder durch die Einlaßstutzen 28 in den Reaktor 10.

Im Betrieb wird der Reaktor geregelt durch Eintauchen und Herausziehen der Regelstangen 62« Die Wirkung der Hohlraumzone 0 im Reaktionsbereich ist ein negativer Dichtekoeffizient des Natriums in Bezug auf die Reaktionsfähigkeit des Spaltmaterials, so daß mit steigender Temperatur und/oder abfallender Dichte des Natriums die Reaktionsfähigkeit zurückgeht und im Extremfall eines Kühlmittelverlustes die Kernreaktion aufhört. Würde die erfindungsgemäße Zone 0 vollständig mit Reaktionsmaterial ausgefüllt sein, also ohne die erfindungsgemäßen Hohlräume, so ergäbe sich ein positiver Reaktionskoeffizient· Aus Sicherheitsgründen und zur erleichterten Regelung und Bedienung ist aber ein negativer Reaktionskoeffizient erwünscht. Während das Natrium nioht primär als Moderator im Reaktor 10 dient,, absorbiert es doch bekanntlich einige Neutronen und hat einen gewiesen Moderationseffekt. Der Reaktionskoeffizient ist weniger negativ für einen fcatriumgekühlten Reaktor mit einer Mantelzone im Reaktionsbereich als für einen Reaktor ohne

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eine solche Mantelzone, denn deren Weglassung verhindert die Reflexion der aus dem Kern verlorenen Neutronen» Daher wirkt der größere Neutronenverlust im Kern mit verminderter Dichte des kühlenden Natriums zusammen im Sinne einer Verminderung der Reaktionsfähigkeit, während eine Hantelzone im Reaktionsbereich ungefähr die gleiche Menge von Neutronen in den Kern reflektiert, als von dort verloren geht. Bezüglich des Reaktionskoeffizienten wirkt die erfindungsgemäße Anordnung der trennenden Hohlraumzone zwischen Kern- und Mantelzone wie ein Kern ohne Mantelzone, wobei aber erfindungsgemäß di*se Wirkung erzielt wird, ohne Beeinträchtigung der nuklearen Wirksamkeit des Reaktors, insbesondere ohne Verminderung des BrutVerhältnisses, sofern die Mantelzone genügend dick ist. Wenn die Hohlraumzone größer gemacht wird, wächst der Neutronenverlust im Kern und damit dort auch die Plutonium-Konzentration. Das geringere Brutverhältnis im Kern wird im Ergebnis mehr als ausgeglichen durch die Vergrößerung der Neutronenabsorbtion in der Mantelzone, welche ein größeres Brutverhältnis bei kleinerer Plutonium-Kenzentration dort zur Polge hat.

Vom physikalischen Standpunkt kann die erfindungsgemäße Wirkung so gesehen werden, daß die aus dem Kern verlorenen Neutronen nur zu einem sehr geringen Teil in den Hohlräumen absorbiert werden. Bezogen auf die Mantelzone, also in vereinfachter Betrachtungsweise von einem Kreisring auf einen kleinen Zentrumsbereich blickend/ ist der den reflektierten El^fetionen ausgesetzte Kernbereioh durch die erfindungsgemäße Hohlraumzone verkleinert, so daß die reflektierten Neutronen großenteils in die Mantelzone zurückkehren. Wenn daher die Neutronenabgabe aus dem Kern

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durch geringere Dichte des kühlenden Natriums zunimmt, wächst auch absolut die Zahl der" Elektronen, die von der Hantelzone wieder in die Mantelzone reflektiert werden und dem Kern verloren gehen, also dessen ftaktionsfähigkeit nicht vergrößern können.

Die innere und äußere Kernzone sollte Uran 238 als UC enthalten, so daß Plutonium abgespalten wird und das Uran 238 in eine nochmals spaltbare Plutonium-Isotope übergeführt wird. So erfolgt eine gewisse Brutwirkung im Kern, jedoch benötigt dieser mehr Plutonium als er produ« ziert, mit dem Ergebnis, daß die Lebensdauer des Kernes vergrößert ist. Die äußere Kernzone hat, wie noch gezeigt wird, ein etwas kleines Brutverhältnis, um die abgegebene Wärmeleistung zu vergrößern und -die Energieerzeugung gleichmäßig über den Kern zu verteilen. Im Mantelbereich jedoch ist die Isotopen-Zusammensetzung des Plutoniums so, daß ein überschießendes Brutverhältnis erreicht wird.

die
Ein Beispiel über gä?e««a?« Beschickung der Reaktionszone ist nachfolgend in Tabelle I zahlenmäßig gegeben. Alle Tabletten in den verschiedenen Zonen von Kern und Mantel enthalten Mischungen von UC und PuC in den nachfolgenden Verhältnissen.

!Tabelle I

~ -,„ „,^„, -τ Gleichgewicht

Volumenanteil ⁶ äußerer

Innere Ua Füllung SS g Pu/Kg Füllung (Metall )Radius Hö

^ TO W

Innere Ua Füllg S g /g g ( ) Kernzone ^5 25 TO 137.9 21.6'-'

Äußere Kernzone 65 25 10 206.9 30.6"

Hohlräume 10 — 03 54.6 ^M

Radiale Mantel- 45 50 05 26.6 69»'6«

Axiale Mantel- 65 25, 10 19.5 ' 54.6«

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• . · ©OFY

Pu-Isotopen-Zusammensetzung j» PU-239 HJ-24-0 PU-241 PIJ--242

Kern 68.6 26,2 4·1 1.0

Mantelzone 94.8 5·0 _#. 2 0

So .wird ein mit flüssigem Metall gekühlter schnelle Neutronen benutzender Brutreaktor mit negativem ReaktioiB-koeffizienten bezüglich der Kühlmitteldichte erhalten, ohne Verschlechterung des Brutverhältnisses ödere andere*" wichtiger nuklearer Eigenschaften.

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Claims

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Ansprüche

1«) Mit schnellen Neutronen arbeitender durch flüssiges Metall gekühlter Brutreaktor, gekennzeichnet durch die Kombination:

a) eines Kernes(A B) von spaltbarem Material;

b) einer den Kern konzentrisch umgebenden Mantelzone (D) aus brutfähigem Material}

c) einer Zone (θ) zwischen Kern und Mantelzone ι enthaltend Hohlräume (146), die mit inertem Gas gefüllt sind·

2.) Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kernzone (A B) und Mantelzone (C D) Mischungen von spaltbarem und brutfähigem Material in solcher Zusammensetzung enthalten, daß die Kernzone (AB) mehr spaltbares Material aufnimmt als sie produziert, während die Mantelzone mehr spaltbares Material produziert als sie' aufnimmt.

3.) Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit inertem Gas gefüllten Hohlräume (154) stirnseitig von reaktionsfähigem Material (148, 152) umgeben sind.

4.) Heaktor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüohe, gekennzeichnet durch eine Zwangsführung des Kühlmittels durch Kern, Mantelzone und über die Wandungen der Hohlräume (154)·

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5o) Reaktor nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß Kern und Mantelzone mit Mischungen aus PuC und UO gefüllt sind, wobei das Uranium im wesentlichen als brutfähige Isotope und das Plutonium spaltbar im Kern und brutfähig in der Mantelzone vorliegen.

6,) Reaktor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüohe, gekennzeichnet durch die Anwendung von flüssigem Natrium als Kühlmittel.

7.) Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeiohnet, daß der Kern aus zwei Füllzonen (AD) besteht, wobei die äußere Zone (B) so viel spaltbares Plutonium enthält, daß eine gleichmäßige Energieverteilung über den Kern erhalten wird.

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