DE1514962B2 - Mit schnellen neutronen arbeitender brutreaktor - Google Patents

Description

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F i g. 5 in Teilseitenansicht, teilweise im Axial- Platten abgestützt. Darin sind Rohrstücke 58 einschnitt, einen Einsatzstab des Füllelements, ' gebaut für den Durchtritt je einer Regelstange 62.

Fig. 6 in Teilseitenansicht, teilweise axial ge- Das Niederhaltegitter 54 ist durch das Andrückrohr 64

schnitten, ein Füllelement für angereichertes Material, auf die Halterung 52 gedrückt, um Verschiebung und

F i g. 7 einen Radialschnitt in der Ebene VII-VII 5 Vibration zu verhindern. Das Andrückrohr 64 bildet

der Fig. 6, Durchlaßöffnungen56 für das Kühlmittel.

F i g. 8 eine Teilseitenansicht, teilweise im Axial- Ein Zylinderstutzen 66 reicht vom Gehäuse 22 in das

schnitt, eines Füllelements nach der Erfindung, mit Druckgefäß 12 bis unterhalb der Isolierblöcke 26.

eingebautem Hohlraum, Regelstangen 62, Andrückrohr 64 und der nicht dar-

F i g. 9 einen Radialschnitt in der Ebene IX-IX io gestellte Manipulator für die Füllung können im

aus F i g. 8. '■ Zylinderstutzen 66 in an sich bekannter Weise ab-

Nachfolgend wird zunächst auf F i g. 1 des ge- senkbar untergebracht sein.

zeichneten Ausführungsbeispiels Bezug genommen,. Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß der Reaktorkern welche einen Kernreaktor 10 zeigt, mit einem senk- aus den innersten konzentrischen unterschiedlich mit rechten zylindrischen Druckgefäß 12, unten geschlossen 15 Spaltmaterial angereicherten Zonen A und B besteht, und oben übergehend in einen Flansch 14. Ein Deckel Im Kern sind die Regelstangen R angeordnet. Die 16 sitzt mit Flansch 18 auf diesem Flansch 14 und umgebende Mantel- oder Brutzone D ist von der dichtet gegenüber dem Druckgefäß 12. Der Deckel 16 Kernzone durch die ringförmige Hohlraumzone C ist mit einem Gehäuse 22 versehen, welches den Regel- getrennt, welche aus Hohlräumen bildenden Füllstangenantrieb trägt sowie die Nachfülleinrichtung, 20 elementen aufgebaut ist. Die Wirkung dieser Hohldie nicht dargestellt ist und nicht zur Erfindung gehört, raumzone sowie die Einzelheiten der verschiedenen Der Deckel 16 hat ferner einen inneren Ringfortsatz 24, Anordnungen werden im nachfolgenden beschrieben, welcher in das Druckgefäß 12 ragt und die Isolier- Wie aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich, bildet jedes blöcke 26 mitträgt, die den oberen Innenraum des Füllrohr 72 einen Kanal zwischen den Zonen A und B Druckgefäßes 12 ausfüllen. Wie später im einzelnen 25 aus F i g. 2 und besteht aus einem hexagonalen Rohr beschrieben wird, ist die Anordnung so, daß mit dem '74, enthaltend Füllstangen 75, auslaufend unten in Deckel 16 auch die Isolierblöcke 26 abgehoben werden, einen Hals 76, auf dem ein Tragrohr 78 gleitbar wodurch der untere Bereich des Druckgefäßes 12 gelagert ist, das am Unterrand 82 eine innere Ringfür Wartung und Inspektion offen liegt. Die Flansche schulter 84 bildet, worauf eine Andrückfeder 86 gegen 14 und 16 werden durch Schraubbolzen zusammen- 30 den Unterrand des Halses 76 abgestützt ist.
gehalten. Eine untere Gitterplatte 88 auf dem Hals 76 bildet

Das Druckgefäß 12 ist mit mehreren Anschlüssen Fassungsöffnungen 92 für das Fußteil der Füllstangen

für das kühlende flüssige Metall versehen, nämlich 75, wie dargestellt. Im Mantel 74 des Füllrohres 72,

den Einlaßstutzen 28 und den Auslaßstutzen 32. Für über den größten Teil seiner Länge, sitzen die Füll-

die betriebliche Stillsetzung wie auch für die Unter- 35 stangen 75. Diese werden festgehalten durch die obere

drückung des Spaltungsprozesses in Gefahrenfällen Gitterplatte 94. Ein Schaft 96 ist mit radial ansetzenden

können weitere Anschlußstutzen in an sich bekannter Armen 98 im Mantel 74 befestigt und läuft aus in einen

Weise zur zusätzlichen Überschwemmung der Reak- Knopf 99, womit das Füllrohr 72 im ganzen aus-

tionszone mit Kühlmittel und zur Abkühlung unter gehoben werden kann. Mehrere Abstandsbänder 102

die Betriebstemperatur vorgesehen sein. 40 sind über die Länge des Mantels 74 verteilt und

Unten im Druckgefäß 12 sind die Gitter 34, 36 ein- sichern die gegenseitige Position der Füllstangen 75. gebaut, deren Öffnungen das Kühlmittel durchtreten Die Abstandsbänder 102 können jede geeignete Form lassen. Gitter 34 ist auf dem Boden des Druckgefäßes 12 haben und in besonders einfacher Weise unter Bildung durch nicht dargestellte Befestigungsmittel abgestützt, von Abstandsstegen um die Füllstangen 75 gewickelt und es trägt seinerseits über radiale und zylindrische 45 sein, wie aus F i g. 4 ersichtlich.
Lochplatten 38 bzw. 42, 44 das obere Gitter 36. F i g. 5 läßt erkennen, daß jede Füllstange 75 aus Mehrere konzentrische, zylindrische Wärmeschilde 46 einem zylindrischem Rohr 104 mit eingefüllten Tareichen vom oberen Gitter 36 bis dicht unter die Isolier- bletten 106 aus spaltbaren Material· besteht sowie blöcke 26, oberhalb der Einlaßstutzen 28. Die Auslaß- unten durch einen Stecker 108 abgeschlossen ist, der stutzen 32 reichen durch die Wärmeschilde 46, die 50 in eine Fassungsbohrung 92 der Gitterplatte 88 paßt, Einlaßstutzen 28 dagegen nicht. Der innerste Wärme- während der obere Abschluß durch einen Stopfen 110 schild 46 bildet nach oben und außen eine Ring- erfolgt, welcher die eingefüllten reaktionsfähigen schulter 48, die bis zur Innenwand des Druckgefäßes 12 Tabletten 106 über eine Wendeldruckfeder 112 festreicht und dort verschweißt oder sonst wie dichtend hält. Die Tabletten können bestehen aus UO₂ oder befestigt ist. Die übrigen Wärmeschilde 46 reichen nicht 55 Mischungen von UC und PuC. Bei Anwendung der bis zur Ringschulter 48, so daß das Kühlmittel aus letzteren Materialien kommt im wesentlichen Uran 238 den Einlaßstutzen 28 in den Ringräumen zwischen den in Betracht, so daß der Spaltungsprozeß vom Pluto-Wärmeschilden 46 fließt, wie durch die Pfeile angedeutet, nium abgeleitet wird. Die Anwendung einer abbau-

Auf dem oberen Gitter 36 ruht die wabenförmige fähigen Uraniumisotope vergrößert die Lebensdauer

Halterung 52 aus rostfreiem Stahl für das spaltbare 60 des Kerns. Dessen tragende vorstehend beschriebene

Material. Der Gesamtaufbau dieser Halterung in Teile bestehen sämtlich aus rostfreiem Stahl.

Form eines sechskantigen Prismas geht aus F i g. 2 In Zone D der Halterung 52, also dem Mantel-

hervor. Die in dieser wabenförmigen Halterung ge- bereich des Reaktors 10, sind die aus F i g. 6 und 7

bildeten Räume sind mit verschiedenen spaltbaren ersichtlichen Typen von Füllrohren 114 benutzt, die

und Brutmaterial in später zu beschreibender An- 65 ähnlich den Füllrohren 72 gebaut sind und aus einem

Ordnung gefüllt. hexagonalen Mantel 116 mit zylindrischem Hals 118

Oben auf der wabenf örmigen Halterung 52 ist ein und darauf gleitbarem Tragrohr 122 mit zwischen-

Niederhaltegitter 54 aus Radialstegen und ringförmigen geschalteter Druckfeder 124 bestehen. Eine Boden-

platte 126 mit Blendenöffnung 128 bestimmt den Kühlmitteldurchtritt in den Mantel 116. Mehrere Füjlstangen 132 sitzen im Mantel 116 und enthalten die . Tabletten mit Reaktionsmaterial, welches in diesem Fall spaltbar ist. Das obere Ende 124 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 F i g. 8 und 9 eingebaut. Jedes dieser Füllrohre enthält einen oberen und einen unteren hexagonalen Abschnitt 142 bzw. 144, dazwischen eine zylindrische Verbindungshülle 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 FüUstangen 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. Die Kammer 154 enthält ein inertes Gas wie Helium unter geringem oder mittlerem Druck. Über der Kammer 154 sind Auslaßbohrungen 162, unter der Kammer Einlaßbohrungen 164 in der Verbindungshülse 146 für die Zirkulation des Kühlmittels.

Im Betrieb des Reaktors 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 C 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 C 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 nicht primär als Moderator im Reaktor 10 dient, absorbiert es doch bekanntlich einige Neutronen und hat einen gewissen Moderationseffekt. Der Reaktionskoeffizient ist weniger negativ für einen natriumgekühlten Reaktor mit einer Mantelzone im Reaktionsbereich als für einen Reaktor ohne 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 Mantelzone im Reaktionsbereich ungefähr die gleiche Menge von Neutronen in den Kern reflektiert, als von dort verlorengeht. Bezüglich des Reaktionskoeffizienten wirkt die erfindungsgemäße Anordnung

₍ . der trennenden Hohlraumzone zwischen Kern- und ίο Mantelzone wie ein Kern ohne Mantelzone, wobei aber erfindungsgemäß diese 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 Neutronenabsorption in der Mantelzone, welche ein größeres Brutverhältnis bei kleinerer Plutonium-Konzentration dort zur Folge hat.

Vom physikalischen Standpunkt kann die er-.. findungsgemäße 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 Elektronen ausgesetzte Kernbereich durch die erfindungsgemäße Hohlraumzone verkleinert, so daß die reflektierten Neutronen großenteils in die Mantelzone zurückkehren. Wenn daher die Neutronenabgabe aus dem Kern durch geringere Dichte des kühlenden Natriums zunimmt, wächst auch absolut die Zahl der Elektronen, die von der Mantelzone wieder in die Mantelzone reflektiert werden und dem Kern verlorengehen, also dessen Reaktionsfähigkeit 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 produziert, 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.

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

	Na	Volumenanteil Füllung	SS	Gleichgewicht g Pu/Kg Füllung (Metall)	Äußerer Radius	Höhe
Innere Kernzone	65 65 10 45 65	25 25 50 25	10 10 03 05 10	137,9 206,9 26,6 19,5	21,6" 30,6" 54,6" 69,6" 54,6"	60" 60" 60" 84" 18"
Äußere Kernzone
Hohlräume
Radiale Mantelzone Axiale Mantelzonen

7	PU-239	PU-240	8	PU-242
Pu-Isotopen-Zusammensetzung, °/o	68,6 94,8	26,2 5,0	PU-241	1,0 0
Kern		4,1 0,2
Mantelzone

So wird ein mit flüssigem Metall gekühlter, mitteldichte erhalten, ohne Verschlechterung des schnelle Neutronen benutzender Brutreaktor mit nega- Brutverhältnisses oder anderer wichtiger unklearer tivem Reaktionskoeffizienten bezüglich der Kühl- io Eigenschaften.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 Patentansprüche· Dies Sescment erfindungsgemäß dadurch, daß die Zwischenzone aus zur Kernachse parallelen Rohren

1. Mit schnellen Neutronen arbeitender, durch aufgebaut ist, welche brutfähiges Material enthalten, flüssiges, in einem Kühlkreislauf geführtes Metall, wobei diese Rohre im mittleren Bereich ihrer Längsinsbesondere Natrium, gekühlter Brutreaktor, mit 5 erstreckung gegenüber dem benachbarten Kühlkreisprismatischem Reaktorkern, der spaltbares Ma- lauf abgeschlossene Kammern mit Gasfüllung entterial enthält, und mit einer ihn konzentrisch um- halten.

gebenden Mantelzone, die brutfähiges Material DieGasfüllung absorbiert praktisch keine Neutronen, enthält, wobei die Mantelzone vom Kern durch und die vom Kern zur Mantelzone passierenden eine den Kern konzentrisch umgebende Zwischen- io schnellen Neutronen werden in den Gasblasen auch zone getrennt ist, dadurch gekennzeich- kaum gebremst. Die erfindungsgemäße Anordnung net, daß die Zwischenzone (C) aus zur Kernachse der gasgefüllten Hohlräume führt also nicht zu einem parallelen Rohren (138) aufgebaut ist, welche brut- Elektronenverlust und damit auch nicht zu einer Verfähiges Material (148, 152) enthalten, wobei diese minderung der Brüterausbeute im Normalbetrieb. Rohre (138) im mittleren Bereich ihrer Längs- 15 Jedoch haben die einmal aus der Kernzone in die erstreckung gegenüber dem benachbarten Kühl- Mantelzone gelangten Neutronen eine geringere kreislauf abgeschlossene Kammern (154) mit Gas- Wahrscheinlichkeit der Rückkehr in den Kern, als füllung enthalten. wenn Kern und Mantelzonen nicht durch die er-

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- findungsgemäßen Hohlräume getrennt wären. Dieser zeichnet, daß die Kernzone (A, B), die Mantel- 20 Effekt entsteht durch den unterschiedlichen Umfang zone (D) und die Zwischenzone (C) Mischungen und das teilweise Auseinanderrücken von Kern- und von spaltbarem und brutfähigem Material in Mantelzone. Wenn Natrium aus dem Kern abgezogen solcher Zusammensetzung enthalten, daß die Kern- wird oder sich die Natriumdichte dort vermindert, zone (A, B) mehr spaltbares Material enthält als sie treten mehr Neutronen aus der Kernzone in den produziert, während die beiden anderen Zonen 25 Mantelbereich, und dieser Verlust wird infolge der mehr spaltbares Material produzieren als sie ent- erfindungsgemäß zwischengeschalteten Hohlräume halten. nicht vollständig durch Reflexion der ausgetretenen

3. Rekator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Neutronen in den Kern kompensiert. Eine Neutronengekennzeichnet, daß die mit Gas gefüllten Kam- reflexion würde mit maximaler Wahrscheinlichkeit mern (154) stirnseitig von brutfähigem oder brut-^: 30 ganz spitzwinklig zum Brutmantel erfolgen, weil diese und spaltfähigem Material (148,152) umgeben sind. Richtung jeweils ein Maximum an Brutmaterial trifft.

4. Reaktor nach einem oder mehreren der vorher- Gerade in dieser Richtung wird aber durch die ergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine findungsgemäße Anordnung der Hohlräume den Zwangsführung des Kühlmittels durch Kern, reflektierten Neutronen die Möglichkeit eines Ein-Mantelzone und über die Wandungen der Kam- 35 dringens in den Kern genommen, wodurch eben die mern (154). Umkehrung des Temperaturkoeffizienten des kühlenden Natriums bezüglich der Reaktoraktivität erhalten wird.

Zweckmäßig enthält die Kernzone, die Mantelzone

Die Erfindung geht aus von einem mit schnellen 40 und die Zwischenzone Mischungen von spaltbarem

Neutronen arbeitenden, durch flüssiges in einem und brutfähigem Material in solcher Zusammen-

Kühlkreis geführtes Metall, insbesondere Natrium, setzung, daß die Kernzone mehr spaltbares Material

gekühlten Brutreaktor, mit prismatischem Reaktor- aufweist als sie produziert, während die beiden anderen

kern, der spaltbares Material enthält, und mit einer Zonen mehr spaltbares Material produzieren als sie

ihn konzentrisch umgebenden Mantelzone, die brut- .45 enthalten, wobei die mit Gas gefüllten Kammern

fähiges Material enthält, wobei die Mantelzone vom stirnseitig von brutfähigem oder brut- und spalt-

Kern durch eine den Kern konzentrisch umgebende fähigem Material umgeben sein können. Dadurch

Zwischenzone getrennt ist. wird in an sich bekannter Weise eine große Brut-

Ein solcher schneller Brüter ist im Prinzip bekannt ausbeute erzielt, ohne daß die aus Sicherheitsgründen

aus »Kernenergie«,

5. Jahrgang, H. 10/11, 1962, S. 701 50 erwünschte Abnahme der Reaktionsfähigkeit mit

bis 734, und in der Zuordnung von Reaktorkern, der Kühlmittelkonzentration bzw. Kühlmitteltempe-

Mantelzone und Zwischenzone bekannt aus »Physika- ratur in Frage gestellt ist.

lische Blätter«, 10, H. 8, 1954, S. 362, Abb. 3, und Zur noch besseren Stabilisierung kann dabei, an

»Nuclear Engineering«, September 1962, S. 356, 357. sich bekannt aus »directory of nuclear reactors« 4,

Dort besteht die Zwischenzone im wesentlichen aus 55 1962, S. 320, 321, und »nuclear engineering«, September

einem Teil des Kühlkreislaufes. Das hat den Nachteil 1962, S. 356 unten links, eine Zwangsführung des

eines positiven Reaktionskoeffizienten der Kühlmittel- Kühlmittels durch Kern, Mantelzone und über die

dichte: Beim Abnehmender Dichte des Natriums, etwa· Wandungen der Hohlkammern vorgesehen sein,

infolge von Temperaturerhöhung, steigt die Reaktions- Die Erfindung möge an Hand des in den Figuren

fähigkeit etwas an. Im äußersten Fall, bei Kühlmittel- 60 schemaüsch dargestellten Ausführungsbeispiels weiter

verlust, könnte dadurch ein unterkritischer oder leicht erläutert werden. Es zeigt

kritischer Kern kritisch bzw. überkritisch werden. F i g. 1 in Parallelprojektion eine Seitenansicht auf

In einem bekannten Reaktor dieses Typs kann daher den teilweise geschnittenen Reaktor,

auch nicht eine Stillsetzung der Spaltungsreaktionen F i g. 2 eine Stirnansicht der Kernzone,

durch Abziehen des Kühlmittels erfolgen. 65 Fig. 3 eine Teilseitenansicht, teilweise im Axial-

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile bei schnitt, auf ein Füllelement des Kerns,

einem Brutreaktor der eingangs erwähnten Gattung F i g. 4 einen Radialschnitt in der Ebene IV-IV aus

zu vermeiden. F i g. 3,