DE1514964A1 - Kernreaktor - Google Patents

Description

PATE NT AN WALTE

DIPL-INQ. JOACHIM STRASSE, HANAU ■ DR. INQ. ARNO SCHMIDT, MÜNCHEN

HS HANAU ■ FRANKFURTER LANDSTR. 1 · POSTFACH 79J · TEL 8O8OJ · TELECRAMME: HANAUPATbNT

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P 15 Ik 964.1

UNITED STATES ATOMIC ENERGY COMMISSION 7· November I968 Germantown, Maryland, V. St. A. Str-Zo/Nie - 8125

Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor. Im besonde- g ren bezieht sich die Erfindung auf eine Art eines sehr großen schnellen Leistungsbrut-Kernreaktors, der nach Wunsch so ausgelegt werden kann, daß ein Verlust von Kühlmittel aus irgendeinem Kühlkanal eine Verringerung der Reaktivität zur Folge hat.

Brutreaktoren, insbesondere Versuchsbrutreaktoren, mit geringer thermischer Leistung sind schon seit längerer Zeit in Erprobung. In jüngster Zeit ist man dazu übergegangen, sehr große schnelle Leistungs-Brutreaktoren zu erzeugen, um eine möglichst günstige Ausnutzung des nuklearen Brennstoffes zu erreichen. Im allgemeinen besitzt das Core eines solchen Reaktors axial verlaufende Kühlmittelkanäle, durch die das Kühl- | mittel nach oben fließt. So ist z. B. ein bekannter Reaktor in der Weise konstruiert, daß ein eventuell auftretender Reaktivitntsanstieg nur durch das Einfahren von Kontrollstäben, die aus Absorbermaterial für langsame (thermische) Neutronen bestehen, kompensiert werden kann.

Ein Verlust von Kühlmittel aus irgendeinem Kühlkanal hat keine Abnahme der Reaktivität zur Folge, da aufgrund der physikalischen Auslegung dieses Brutreaktors die Reaktivität nur über die Kontrollstäbe gesteuert werden kann. Bei Ausfall

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des Kühlmittelumlaufes und der Steuerstä'be kann es zu einem überkritischen Zustand des Reaktors kommen.

Verhältnismäßig kleine Reaktoren haben die Eigenschaft, einen negativen¹ Kühlmittelvoidkoeffizienten oder -blasenkoeffizienten zu haben und verlieren an Reaktivität durch einen Verlust von Kühlmittel. Eine Gefahr, welche die Auslegung eines sehr großen schnellen Reaktors schwierig macht, liegt in dem positiven Kühlmittelblasenkoeffizienten, der vielen solchen Reaktorauslegungen eigen ist; bei solchen Reaktoren würde die Reaktivität auf einen Verlust von Kühlmittel hin anwachsen.

Ein Reaktor mit einem großen positiven Blasenkoeffizienten ist nicht praxisgerecht, weil eine Blasenbildung eine sehr große Reaktivitätsänderung bewirken kann und die Bildung von Blasen in der Praxis tatsächlich beispielsweise beim Sieden des Kühlmittels auftreten kann. Wenn das Kühlmittel in einem Kühlmittelkanal einmal zu sieden angefangen hat, wird der Kanal durch den dem Kühlmittelsystem eigenen niedrigen Druck und das hohe spezifische Volumenverhältnis des Kühlmitteldampfes zur Kühlmittelflüssigkeit sehr schnell geleert. So kann die Dampfblasenbildung in einem Kanal dos Einsetzen einer sehr großen Reaktivität zur Folge haben und potentiell zu einem Freiwerden von großen Energien führen. Deshalb wäre das Druckgefäß, das für einen Reaktor mit großem positivem Blasenkoeffizienten erforderlich ist, unerhört teuer.

Der Grund dafür, daß große Reaktoren einen positiven Kühlmittelblasenkoeffizienten haben können, wogegen kleine Reaktoren einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten haben, liegt darin, daß die beobachtete Wirkung das Resultat von zwei gegenläufigen Vorgängen ist: sobald ein schneller Reaktor Kühlmittel verliert, bewirkt ein anwachsender Neu-

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■ tronenverlust eine Verminderung der Reaktivität des Reaktors. Gleichzeitig vergrößert jedoch eine Härtung des Neutronenenergiespektrums, d. h. eine Verschiebung des Maximums des Spektrums zu höheren Energien (Anwachsen der Durchschnittsenergie der im Core anwesenden Neutronen), die Reaktivität. In einem kleinen Reaktor führt dies zu einem Nettoverlust an Reaktivität, weil der Reaktivitätsverlust, der von dem anwachsenden Neutronenverlust herrührt, vorherrscht.

Ein solcher Reaktor hat einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten.

Wenn die Coregröße anwächst, spielt der Neutronenverlust eine relativ untergeordnete Bedeutung bis zu einer Größe, die von der Materialzusammensetzung des Reaktorcores abhängt, bei der das Anwachsen der Reaktivität infolge der Härtung des N utrtnenspektrums vorherrscht und der Reaktor einen positiven Kühlmittelblasenkoeffizienten aufweist.

Jeder schnelle Reaktor, der einen positiven Kühlmittelblasenkoeffizienten aufweist, kann nach der hier angegebenen Lehre ausgelegt werden, die eine drastische Reduzierung des Koeffizienten ermöglicht. Die Erfindung findet Anwendung in Reaktoren, die mit Leichtmetall gekühlt und mit Plutonium 239 betrieben werden und eine Coregröße von mehr als ungefähr 800 Litern aufweisen. In Reaktoren, die Uran 235 als Brennstoff verwenden, ist die Erfindung nur von Wichtigkeit, wenn sie bei größeren Reaktoren angewandt wird, während sie nur bei wesentlich größeren schvrertnetnllgekühlten Reaktoren Anwendung findet.

Es ist anzumerken, daß die Erfindung im wesentlichen für große Reaktoren gedacht i.= t. Jedoch scheint die Entwicklung der Atomenergie zu großen schnellen Brutreaktoren zu führen, denn nur in diesen Reaktoren können die Tranreserven wirtschaft lich völlig ausgenutzt werden.

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Nachstehend wird die Erfindung im speziellen in bezug auf einen natriumgekühlten, mit Plutonium 239 beschickten Reaktor mit ungefähr 2 500 Megawatt-thermischer Leistung und mit einem Corevolumen von ungefähr 7 800 Litern beschrieben werden.

Es ist nicht für jede praktische Ausführung eines 2 500 Megawatt-thermisch, natriumgekühlten Reaktors möglich, einen negativen Natriumblasenkoeffizienten an jedem Ort im Reaktor zu erreichen. Da ein Sieden an irgendeinem Ort in einem Kühlmittelkanal schnell zu einer Voidbildung oder Dampfblasenbil-' ψ dung in einen großen Teil des K^nales führt, genügt es vollauf, wenn eine Dampfblasenbildung in einem ganzen Kanal eine negative oder keine Änderung der Reaktivität hervorruft, wobei positive Blaseneffekte, die nur örtlich auftreten, zugelassen werden können.

Da der positive Reaktivitätseffekt der Natriumdampfblasenbildung primär von Absorptions- und spektralen Änderungen herrührt, kann eine Veränderung eines oder mehrerer der folgenden Parameter ein Verkleinern des Kühlmittelblasenkoeffizienten bewirken:

1. Volumenanteil an Natrium,

2. Kühlmittelzusammensetzung,

3. Drennstoffmaterißl-Zusammensetzung,

k. Verhältnis der Corelänge zum Coredurchmesser,

5· Volumenanteil des Beryllium-Moderators,

6. ringförmige Abschirm- oder Brutzonen iin Core,

7· Reflekt'orzonen an den Core grenzen.

Eine Analyse zeigt, daß Neutronen-Sickerverluste wesentlich zur Reduzierung des Kühlmittelblasenkoeffizienten beitragen.

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Andere Abänderungen zeigen nicht erwünschte Effekte auf den Koeffizienten oder führen zu einem nicht tolerierbaren niedrigen Brutverhältnis· Es wäre daher ein Core mit hohen Sickerverlusten angebracht· Hohe Sickerverluste treten beispielsweise bei einem kreuzförmigen Core auf, das aber nicht wirtschaftlich in seiner Raumausnutzung ist und ein sehr großes Druckgefäß erfordert. Hohe Sickerverluste werden auch bei einem Core mit einem großen Verhältnis von Durchmesser zur Höhe erhalten; jedoch läßt eine solche Lösung sowohl die Brennstoff- als auch die Kapitalkosten sehr stark anwachsen, und es würden trotzdem noch sehr starke loka le positive Blaseneffekte auftreten.

Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen sehr großen schnellen Reaktor zu entwickeln, dessen Betrieb sicher ist.

Genauer gesagt, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen 2 5oo Megawatt-thermisch, natriumgekühlten, mit Plutonium 239 betriebenen, schnellen Reaktor zu schaffen, dessen Reaktivität aufgrund eines Verlustes von Kühlmittel aus irgend einem Kühlmittelkanal nachläßt.

Ein noch detaillierteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen großen, natriumgekühlten, schnellen Reaktor mit einem niedrigen Natriumblasenkoeffizienten, hohem Brutverhältnis, wirtschaftlicher Verdoppelungszeit, langer Corelebensdauer, niedrigen Brennstoff-Kreislaufkosten und hoher Nntriümaustrittstemperatur aus dem Core zu entwickeln.

Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden in einem natriumgekühlten Kernreaktor erreicht, der ein ringförmiges Core enthält und einen ringförmigen Natriumreflektor unmittelbar über dem Core aufweist, welcher mit den

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Kühlmittelkanälen in Verbindung steht. Als Folge der Sicker- ! Verluste aus dem ringförmigen Core ist der Kühlmittelblasenkoeffizient klein, obgleich noch positiv. Da der obere axiale Reflektor in Verbindung mit den Kühlmittelkanälen steht, ergibt ein Vorlust von Natrium aus den Kühlmittelkanälen ebenso einen Verlust von Natrium aus dem Reflektor, was zu einer negativen Reaktivitätsänderung im Core führt. Ebenso ergibt gemäß der vorliegenden Ausführung eine Dampfblasenbildung des Kühlmittelkanals eine Abnahme der Reaktivität« Anschließend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ρ I der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben, wobei wei-

tere Merkmale und Vorteile deutlich werden. Bs zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Kernreaktors gemäß

der vorliegenden Erfindung mit einem aufgeschnittenen Teil des oberen .Deckels,

Fig. 2 einen vergrößerten horizontalen Teilquerschnitt durch das Core des Reaktors,

Fig. 3 einen weiter vergrößerten Vertikalschnitt durch das Core des Reaktors,

Fig. h einen vertikalen Aufriß eines Brennstoffelements, in welchem ein einzelner Brennstoffstab angedeutet ist,

Fig. 5 einen vergrößerten horizontalen Querschnitt entlang der Linie 5--5 in Fig. 4,

Fig. 6 einen vergrößertet! Vertikalschnitt durch einen Brennstoffstab,

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Fig» 7 einen vertikalen Aufriß eines Brutelements, in welchem ein einzelner Brutstab angedeutet ist, und

Fig. 8 einen vergrößerten horizontalen Schnitt entlang der Linie 8—8 in Fig* 7.

Gemäß Fig* 1 der Zeichnung weist ein Kernreaktor nach der Vorliegenden Erfindung ein ringförmiges Core Io auf, das in einem Druckgefäß 11 eingeschlossen ist. Das Core Io ist radial von einer ringförmigen äußeren Brutzone 12 umgeben und umfaßt eine ringförmige innere Brutzone 13. Eine untere axiale Brutzone lh ist unter und ein Reflektor 15 ist über dem ringförmigen Core Io angeordnet* Der Reflektor 15 bestehtaus dem gleichen Material, das für die Kühlung des Reaktors verwendet wird und ist so ausgelegt, daß er von sich aus entleert wird, wenn aus dem Reaktor Kühlmittel verloren geht.

Eine innere zylindrische Schale 16 erstreckt sich im wesentlichen über dem Oberteil des Cores und wird von einem inneren Stützring 17 an ihrem Oberteil abgestützt und im Abstand vom Druckgefäß Il gehalten. Eine ringförmige Gitterplatte wird durch die zylindrische Schale 16 an ihrem unteren Ende abgestützt und trägt ihrerseits das Reaktor-Core und die damit verbundenen Brutzonen. Ein innerer Core-Stützzylinder 19 mit einem konvexen Boden 2o und Kühlmittelöffnungen 21 ist an der Innenflache der ringförmigen Gitterplatte 18 befestigt. Innere und äußere Platten 22 und 23 schaffen eine seitliche Abstützung für das Core. Die Mitte des Zylinders 19 wird von (nicht gezeigten) Instrumentenkanälen eingenommen.·

Eine oder mehrere Einlaßdüsen 2k durchdringen das Druckgefäß 11 über der Mittellinie des Reaktors-Cores, und eine

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oder mehrere Auelaßdüsen 25 in der inneren Schale 16 durchdringen ebenso das Druckgefäß 11 etwa in der gleichen Höhe. So dient die zylindrische Schale 16 als Schild, der das einströmende Kühlmittel vom ausströmenden Kühlmittel trennt. Auf dem Boden des Druckgefäßes 11 befindet sich eine Mulde 26, die eine unterkritische Anordnung des gesamten Cores gewährleistet, wenn es in die Mulde abschmilzt.

Ein oberer Abschlußdeckel 27 vom selben Durchmesser wie das Druckgefäß wird von einem Schraubring 28 nach unten gehalten, welcher an einem Flansch 29 am Oberteil des Druckgefäßes 11 angebracht ist. Der obere Abschlußdeckel 27 besteht aus einer geschweißten Schale, welche die aus einem Stück bestehenden Deck- und Bodenplatten 3o bzw. 31 umschließt. Die Bodenplatte 31 ist der Behälterabschlußkopf. Das Innere der Schale ist mit Pellets oder Sinterkörpern und/oder pulverartigem Abschirmmaterial 32 angefüllt. Unter der Bodenplatte Jl befindet sich eine lamellenartige Schicht von gasgefüllten thermischen Schilden 33» welche den Abschlußdeckel 27 vor dem hochtemperierten Kühlmittel schützen.

Der obere Abschlußdeckel 27 enthält einen nicht zentrisch angeordneten Durchlaß 3^, der mit einem inneren Abschirmdeckel 35 versehen ist, der in der gleichen Weise aufgebaut ist wie der Abschlußdeckel 27· Der obere Deckel 27 kann in den Lagerstellen 36 gedreht werden, um den Durchlaß Jk über jedes Brennstoff- oder Brutelement einzustellen und so einen direkten Zugang von oben zu dem gesamten Core und den Brutzonen zu ermöglichen. Wenn der Abschlußdeckel 27 gedreht werden soll, werden die Steuerstäbe 37 (^s· Fig. 2) so weit wie möglich eingefahren und anschließend die Steuerstabantriebe 38 ausgeklinkt und in das Oberteil des Abschlußdeckels 27 hineingezogen.

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"Aus der Darstellung von Pig. 1 gehen zwei weiter© Merkmale hervor, die dafür bestimmt sind, Teile des Druckgefäßes vom heißen ausströmenden Kühlmittel abzuschirmen. An erster Stelle ist ein ringförmiger Spalt über der maximalen Kühlmittelhöhe zu nennen, der mit Argongas in nicht gezeigter Weise gefüllt ist. Dieser Spalt isoliert den oberen Teil des Druckgefäßes 11 gegenüber jedem Wärmezugang mit Ausnahme an der Verbindungsstelle mit dem inneren Stützring 1?« Ebenso lassen Öffnungen 4o im inneren Stützring 17 Kühlmittel im Nebenschluß über einen Schild 4l fließen und verhindern dadurch, daß das ausströmende Kühl- λ

mittel hoher Temperatur in Berührung mit dem Druckgefäß kommt.

Gemäß Fig. 2 und 3 weist das Core Io eine Anzahl von langgestreckten hexagonalen Brennstoffelementen 42 auf, während innere und äußere Brutzonen 12 und 13 jeweils eine Anzahl von langgestreckten hexagonalen Brutelementen 43 enthalten. Um diese Brennstoff- und Brutelemente sind Abstandshalter angeordnet, so daß die innere Brutzone, das Core und die äußere Brutzone fest zwischen den inneren und äußeren seitlichen Stützplatten 22 und 23 bei Betriebstemperatur gehalten werden. Die Brennstoffelemente 42 werden von der ringförmigen Gitterplatte 18 abgestützt. Jedes Element paßt mit ( einer Einlaßöffnung 45 in der Gitterplatte 18 zusammen. Für jedes Brennstoffelement 42 ist eine dauerhaft angeordnete, mit einer harten Oberfläche versehene Einlaßausnehmung in der Gitterplatte 18 vorgesehen.

Die Brutelemente 43 werden von Verteilerkopfstücken 46 abgestützt, von welchen jedes Kühlmittel, das in die Kopfstücke durch Öffnungen 47 in der Gitterplatte l8 einströmt,, einer Gruppe von Brutelementen 43 zugeführt wird. Die Verteilerkopfstücke 46 sind entfernbar und enthalten Öffnungen 48,

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die so ausgelegt sind, daß sie eine geeignete Menge Kühlmittel zu jedem Element durchlassen. Der Kühlmittelfluß zu den Brennstoff- und Brutelementen ist ausgelegt, die Reaktorausgangstemperatur bei ca. 650 C(I 2oo F) zu halten, ohne daß die Elemente, in denen radiale Neutronen-Flußspitzen auftreten, zerstört bzw. geschädigt werden.

Steuer- und Sicherheitsstäbe 37 werden nicht im Detail gezeigt, da sie in ihrer Ausführung herkömmlich sind. Sie weisen ein hexagonales Führungsrohr 49 auf, das sich zu annähernd derselben Höhe wie die Brennstoffelemente 42 nach oben erstreckt. Das Führungsrohr 49 hat eine zylindrische Verlängerung 5o, welche durch die Gitterplatte 18 geführt ist und ein konisches Übergangsstück 5I und ein Nasenstück 52 aufweist. Im Übergangsstück 5I sind Kühlmitteleinlaßöffnungen 53 angeordnet.

In den Fig. 4, 5 und 6 wird ein Brennstoffelement 42 im einzelnen gezeigt. Das Brennstoffelement umfaßt einen Reflektor 5'4 an seiner Spitze. Ein Brennstoff teil 55 erstreckt sich über den größten Teil der Länge des Elements. Unterhalb des Brennstoffteiles schließt eine kurze Brutzone 56 an. Die Brennstoffelemente 42 enthalten ein hexagonales Bündel von Brennstoffstäben 57i die innerhalb eines hexagonalen Elementkastens 58 fest angeordnet und von einer Anzahl von Abstandsgittern 59 und drei Verbindungsstangen 60 abgestützt sind, welche Abstandshülsen (nicht dargestellt) tragen und abwechselnd an den Ecken des hexagonalen Bündels angeordnet sind. Eine Stange 6l in der Mitte wird zur Betätigung einer zusätzlichen mechanischen Halteklinke (nicht dargestellt) angewandt.

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Die Einlaßdüse 62 zum Brennstoffelement Λ2 ist besonders atisgeführt, um die sonst oberhalb des Cores angeordneten mechanischen Haltevorrichtungen zu.vermeiden. Wie dargestellt, ist der Querachnittsbereich des Einlaßteiles dieser Düse geringer als der Querschnittsbereich des Brennstoffelementes, was die Niederhaltekraft verringert, die erforderlich ist, um das Element kZ bis zu dem Punkt zu fixieren, ab dem es durch sein eigenes Gewicht nach unten gehalten wird.

Die Brennstoffstäbe 57 bestehen aus einem äußeren Hüllenrohr 63 aus nichtrostendem Stahl, welches eine Anzahl von ausge- ä fluchteten Brennstoffsinterkörpern oder -pellets Gk mit einer axialen Öffnung 65 enthält, und eine Anzahl von (nicht dargestellten) Sinterkörpern aus Brutmaterial am Boden des Brennstoffstabes aufweist, die ebenfalls mit einer axialen Öffnung versehen sind. Die axialen Öffnungen 65 nehmen das Spaltgas auf und gestatten eine Volumenänderung im Falle eines Abschmelzens während verschiedener instationärer Zustände. Die Brennstoff- und Brutsinterkörper enden kurz vor dem Boden des Ilüllrohres. 63, um ein Gasreservoir freizulassen. Das Gasreservoir und die axialen Öffnungen schaffen genügend Raum, um die großen Mengen von Spaltgas, die bei einem Brennstoff mit hohem Abbrand anfallen, aufzunehmen.

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Wolframsegmentscheiben 66 mit einer Öffnung 6? in ihrem Mittelpunkt sind innerhalb des Ilüllrohres 63 befestigt, um die Brennstoffsinterkorper Gk zu trennen und mögliche Unfälle zu verhüten.. Keramische Brennstoffelemente brauchen durch die thermische Wärmeausdehnung des Brennstoffes unter bestimmten Bedingungen keine prompte negative Rückkoppelung aufzuweisen, wie dies metallische Brennstoffe tun. Der zirkulierende Wärmefluß kann horizontale Risse in dem keramischen Material hervorbringen. Wird darauffolgend der Brennstoff erhitzt, dann könnte es möglich sein_t daß der Brennstoff eine zufällige Form

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annimmt, welche den Ausdehnungseffekt nicht reproduzierbar und in einigen Fällen positiv macht. Das Vorhandensein von Rissen bewirkt auch eine Anfälligkeit für die Möglichkeit von Brennstoffabsetzung und schnelle Reaktivitätsänderung. Diese beiden Effekte werden durch die beschriebene Ausführung herabgesetzt.

Wie zuvor beschrieben, stellt die Natriumreflektorzone 5k über dem Core einen sehr wichtigen Teil der vorliegenden Erfindung dar. Diese Zone wird durch Verlängerung des hexagonalen Elementkastens 58 über das obere Ende des Brenn-

f Stoffstabes 57 geschaffen. Dadurch erstreckt sich eine Schicht von Kühlmittel über die Spitze des Cores Io, um den Reflektor I5 zu bilden. Wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt, enthalten die Brutelemente kj ein hexagonales Bündel von Brutstoffstäben 68, die innerhalb eines hexagonalen Abstütz-Elementkastens 69 angeordnet sind. Ein Übergangsstück 7o und eine Stützdüse 71 sind an dem unteren Ende des Stütz-Elementkastens angeordnet. Das Bündel aus Brutstoffstäben 68 weist eine Dreiecks-Teilung auf, die durch vier in gleichem Abstand gehaltene Abstandsgitter 72 zustande kommt. Da die Leistung und der Plutoniumgehalt der Brutelemente gering sind, können alle Auswirkungen einer Brennstoffabsetzung vernachlässigt werden, und Segmentscheiben sind

nicht erforderlich.

Der Reaktor umschließt ein ringförmiges Core, ca. 1,22 m (h Fuß) hoch und ca. o,6l m (2 Fuß) dick mit einem Corevolumen von 7 Ö3o Litern. Am Boden des Cores ist eine axiale Brutzone von o,15 m (6 inch) Dicke, und am Oberteil des Cores befindet sich ein _nx-ialer Natriumreflektor mit einer Dicke von ο, 46 m (18 inch). Die inneren und äußeren Durchmesser des Cores sind durch radiale Brutzonen von ο,46 m (l8 inch) Dicke bestimmt. Der Reaktor erzeugt 2 500 Megawatt-thermisch

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mit einem Brutverhältnis von 1,32 und einer Corelebensdauer von 836 Tagen.

Diese Ausführung verwendet eine Kombination aus einem dünnen Ring, welcher die Auswirkung eines Natriumverlustes im Core gering hält, wenn auch etwas positiv (in dieser Auslegung), und einem Natriumreflektor über dem Gore, welcher den Effekt einer Dampfblasenbildung im Kanal gleich oder negativ macht, sogar im Falle der an und für sich kritischen mittleren Kanüle. Ein Verlust von Natrium aus dem ganzen Core verursacht einen Reaktivitätszuwachs von ungefähr 3o Cents; sobald eine Diimpfblasenbildung des Reflek- * tors berücksichtigt wird, beträgt die Reaktivitätsverminderung 2,8. Dollar. Ein Verlust von Kühlmittel aus dem Core, allein in den Kanälen, die das innere Drittel des Cores ausmachen, bewirkt ein Reaktivitätsanwachsen von ungefähr I₁T Dollar. Eine Reflektordampfblasenbildung verringert dies auf einen vernachlässigbaren Reaktivitätseffekt. Im Gegensatz dazu würde ein zylindrischer Reaktor mit großem Volumen, der etwa die gleiche Leistung entwickelt, bei Entleeren des Kühlmittels aus dem Core einen Reaktivitätszuwachs von über Io Dollar haben. Eine Entleerung des Cores kann entweder als Folge eines Kühlmittelausfa 1 1.« oder wegen Sieden des Kühlmittels auftreten. Ein Unfall, der zum Sieden im oberen Teil des Cores führt, ist im allgemeinen i nicht zu befürchten, ist jedoch nicht völlig auszuschließen. In einem solchen Fall entleert sich der Reflektor ausgiebiger als das Core, und die sich daraus ergebende Reaktivitätsänderung ist negativ. Bei Auftreten des Siedens im axialen Mittelpunkt könnte eine Dampfblasenbildung im Reflektor nicht schnell genug erfolgen, um eine negative Realctivitätsänderung zu erzeugen. Jedoch gibt es andere Möglichkeiten, um einen derartigen Unfall unter Kontrolle zu halten.

BAD ORIQIMAL

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Zum Vorteil eines niedrigen Natriumblasenkoeffizienten kommen die folgenden anderen Vorteile der ringförmigen Ausführung:

I. Das Brutvorini L tnis ist 1,32, und die Verdopplungszeit beträgt deshalb ungefähr 15 Jahre bei einem loo-prozentigen Botriebsfaktor. Dieses Brutverhältnis und diese VirdoppLungszeit sind besser als in einer zylindrischen -Ausführung ähnlicher Zusammensetzung wegen der ansteigenden Sickerverluste zur radialen Brutzone, wo das Brüten wirkungsvoll gestaltet werden kann.

2. Die Unbestimmtheit bzw. Abweichung der Anfangsreaktivität der Ladung von dem berechneten Wert ist für das ring-

•fürmigo Core kleiner wegen der relativ hohen Wirksamkeit des Brennstoffes an den Kanten. Eine Unsicherheit von 5 % in der veranschlagten Reaktivität bedingt eine entsprechende Unsicherheit von 36 % bei der Beladung zum Erreichen des kritischen Zustande eines zylindrischen Cores und nur von 17 % bei einem ringförmigen Core.

3. Die ringförmige Auslegung ergibt eine ausgezeichnete relative Leistungsverteilung, d. h. Verhältnis lokaler Leistung zu mittlerer Leistung. Diese Verteilung gestattet eine hoho durchschnittliche Leistungsabgabe des Cores für die gwählten thermischen Kriterien und kompensiert den Nachteil der höheren kritischen Nasse, die wegen der größeren Sickerverluste in der ringförmigen Ausführung notwendig ist.

Die mechanische Ausführung des Cores ist grundsätzlich einfach mit sich daraus ergebenden geringen Koston der wesentlichen Konstruktionselemente, erleichtert die ferngesteuerte Brennstoffwiederaufarbeitung und die Brennstoffhandhabung. Andere Mechanismen als die Steuerelemente in zylindrischen

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Führungsrohren, die sich festfressen oder festklemmen könnten, sind während des Betriebes vollkommen aus dem Reaktor entfernt. Wegen der hydraulisch günstigen Gestaltung der Brennstoffelemente werden keine oberen Haltevorrichtungen benötigt, und im Core und der Brutzone wird ein paralleler Aufwartsfluß angewandt, um das Oberteil des Reaktors von Strukturmaterial freizuhalten, das bei einer Wiederbeschickung mit Brennstoff stören könnte.

Die folgende Aufstellung enthalt einige der wichtigen Reaktorangaben:

Thermische Reaktorleistung (Mw)

Core*. . ■....■ 2 125

innere radiale Brutzone . . . I85

äußere radiale Brutzone .................. 19o

insgesamt 2 500

in der Mitte des Gleichgewichts-Brennstoffkreislaufes

Reaktor-Ausmaße (m)

Höhe .....' 1,22 m

mittlerer Außendurchmesser 3i9° m mittlerer Innendurchmesser .2.,7'rm

( k ft) ( 13 ft) ( 9 ft)

Innere radiale Brutzono

Höhe 1,03 m

mittlerer Außendurchmesser 2,74 ni

mittlerer Innendurchmesser 1,83 m

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6 ft) 9 ft) 6 ft)

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Äußere radiale Brutzone

Höhe 1,83 m ( 6 ft)

mittlerer Außendurchmesser .... 4,88 m ( 16 ft) mittlerer Innendurchmesser .... 3196 m ( 13 ft)

Axiale Brutzone

Höhe o,15 m ( 0,5 ft)

mittlerer Außendurchmesser .... 3»96 m ( I3 ft) mittlerer Innendurchmesser .... 2,74 m (9 ft)

Corevolumen 7 830 Liter

Zusammensetzung (Volumenprozente)

Core und axiale Brutzone

Brennstoff und Aussparung 29,4

Na tr ium 4o , ο

Struktur- und Hüllenmaterial 3o,6

Innere und äußere radiale Brutzone

Brennstoff und Aussparung 55

Natrium .. . Jo

Struktur- und Hüllenmaterial 15

Kerndaten;

Kritische Masse (Pu 239 + Pu 24l) 2 9I0 kg (U 238 + Pu 24o/ Pu 239 + Pu 241) 4,57

Brutverhältnis:

Core o,52

radiale Brutzone ο, 76

axiale Brutzone ο , o4

insgesamt 1, 32

909820/0682 " ¹⁷ "

Mittlere Spaltenenergie (keV) 19o

Mittlere Neutronenlebensdauer ............... ^ιί. 1 x Io (sec)

Abbau an spaltbaren Pu (Core)

(kg pro Vollastjahr) 1 o4o

Aufbau an spaltbaren Pu (insgesamt)

(kg pro Vollastjahr) ..... 1 37o

Verdoppelungszeit (bei loo %igem Lastfaktor)

Brennstofflebensdauer (Vollast), (Tage). 836

Steuerelemente

Sicherheit (Anzahl) . . 12

Gesamtwirksamkeit (% * k/k) . . 2 . ^t

Temperaturüberschreitung und

Regelung ( \nzahl) . 6

Gesamtwirksamkeit (?ό Δ k/k)

Brennstoffverbrauch (Anzahl) ............ 3o

Gesamtwirksamkeit ("£ Δ k/k) 6

Absorber-Material, 9o Yoxge Dichte

der theoretischen Dichte ^/.^

Core-U'irkungsweise :

Leistungsdichte (kw/l) . 2Ö2

Spezifische Leistung (.kw/kgPu) . 733

durchschnittliche lineare

Wärmeerzeugung (kw/dm) ca . 2,6 (0,6 lcw/f t)

Lo istungsverteilung:

( max/ mittl . ) axial · 1.29

( max/ mittl.) radial ... 1 .

(^Pniax/^Ptnittl. ) ........ . .. 1.52 ■

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15H964 - *r-

Core-Brennstoffdimensionen:

Brennstoffelemente (Anzahl) 498

Stäbe pro Element (Anzahl) 123

Breite eines hexagonalen Elementes

(flach) 11.3 cm (4.45 in)

Stabaußendurchmesser 0.762 cm (0.300 in)

Stablänge:

Core-Brenns toffteil 1.22 m (4. ο ft)

axialer Teil aus Brutmaterial ....... ο.15 m (0.5 ft)

Spaltgasreservoir ο . 1 5 »1 (ο. 5 ft)

insgesamt 1 , 52 m (5.0 ft)

Abstand zwischen den Elementen 0.I3 cm (o._fJr; ±_n)

Sinterkörper-Material, Mischung aus 2o,8 % angereichertem PuO₀ - TJO₀ Sinterkörperdichte in % der tfieore-** tischen ......' 9 5

Hui lrohrma terial 3 l6 SS

Ilüllrohrwandsthrke ο·7 »mi (o.o2o in)

Natriumfluß (im Element an der Stelle ■

der maximalen Flußüberhöhung) ....... (9,7 Χ-Io kg/h)

(2, 15a χ Io^ lb/hr)

Druckabfall durch die S tribe (im Element an der Stelle der maximalen Flußüberhöhung ) . . , . . 2 . h^5 kg/cm'" ( 3&· 5 psi )

Brennstoff-Dimensionen der radialen Brutzone

Bruteleniente :

innere radiale Brutzone (Anzahl) 276

äußere radiale Brutzone (Anzahl) 5^2

insgesamt 8 58

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'41

Stäbe pro Element (Anzahl) ...... 37

Breite des hexagonalen Elements 11.3o cm (4.45 in) Stabaußendurchmesser ............ 1.542 cm (o.6o? in)

Länge der Stäbe 1.83 m (6 ft)

Sinterkörpermaterial,

(3 ?£ angereichertes UO₃)

Sinterkörperdichte in % der theoretischen 95 %

Hüllrohrwandstärke 0.38min (0.0I5 in)

Hüllrohrmaterial . . . . 316 SS

Natriumfluß (im Element an der Stelle

der maximalen Flußüberhöhung in der ·

inneren Brutzone) *..... 3.Io4 χ Io kg/h

(6.9 x Io lb/hr)

Druckabfall durch die Stäbe (im Element an der Stelle der maximalen Fluß- „ überhöhung in der inneren Brutzone) .. (o.455 kg/cm )

. (6-5 psi)

Primär-System;

Gesamter Kiihlmittelumlauf ■

(einschließlich 5 % Nebenstrom) ...... 5.13 x Io -kg/h

(1.14 χ lo⁵- lb/hr)

(lo,64 l/min) (2.Ö χ lo⁵ gpm)

Gesanitkühlmitteltemperaturanstieg ... 121 C (25o F) Kühlmitteltemperaturanstieg beim

Durchströmen des Cores 128,3 ° C (263 ° F)

Kühlmitteltemperaturanstieg durch

die radiale Brutzone 128,3 C (263 ° F)

Kühlmitteleintrittstemperatur ....... 5I0 ° C (050 ° F)

2 Ge s am t-C oredrucMifal1, ungefähr ..... 3 · 15 kg/cm (45 psi)

Kühlmittelkreise (Anzahl) 6

primäre Wärmeaustaus eher (Anzahl) ... 6

primäre Pumpen (Anzahl).............. 6

Material des Primärsystems 316 SS

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Reaktorgefäß:

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Außendurchmeiser 6.Io m (2o ft) Höhe über alles < 7.62 m (25 ft) Material Jl6 SS

Ea ist zu bemerken, daß die vorstehend angegebenen Abmessungen und die Corezusammensetzung nicht notwendigerweise ein Optimum darstellen. Zum Beispiel können die Void-Eigenechaften bzw. Kühlmittelblasenkoeffizienten des Gores durch .Verringern der Dicke des Coreririges noch verbessert werden und die Abmessungen der ringförmigen Brutzonen abgeändert werden, um die Bluteigenschaften des Reaktors zu verbessern.

Dartiber hinaus kann, obgleich die bevorzugte Ausführung eine Anreicherung von 2o.8 % erfordert, eine Änderung der Corezusammensetzung (Volumenanteile von Brennstoff, Aufbau und Kühlmittel) erwünscht sein, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen; wozu die erforderliche Anreicherung geändert werden müßte«

Abschließend kann festgestellt werden, daß

1. der hier beschriebene Reaktor einen-niedrigen Natriumblasenkoeffizienten aufweist und sich deshalb in den üblichen Situationen, wie z. B» beim Ausfahren der Steuerstäbe oder bei Kühlmittelverlust, ohne Einfahren der Steuerstäbe, selbst reguliert,

2. der niedrige Natriumblasenkoeffizient einen abnorm großen Anstieg der Reaktivität während ungewöhnlicher aber möglicher Ereignisse verhindert, die ein Sieden oder weitere Natriumdampfblasenbildung (Void) im Core verursachen,

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3. die ringförmige Coreausbildung sich trotz ihres mittleren Loches auf den Aufbau nicht ungünstig auswirkt, sondern eine Verbesserung ist,

4. die Brennstqffkosten gering sind und daß ·

5. ein hoher Abbrand erreicht wird, wie er den keramischen Oxidbrennstoffen eigen ist und daß die Möglichkeit besteht, große Beträge an Überschuß-Reaktivität mit einer relativ kleinen Anzahl von Steuerelementen zu steuern, sowie daß eine gute Neutronenökonomie es ermöglicht,

über eine lange Zeit ohne Brennstoffwiederbeschickung ^

zu arbeiten, und Anlagen mit hoher Beanspruchung möglich sind.

Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die hier angegebenen Details beschränkt ist, sondern daß im Rahmen der angegebenen Spezifikationen Abänderungen zulässig s ind.

Ansprüche:

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Claims (1)

1. JJ J

   JJ Ji

   PATENTANWÄLTE 1514964

   DIPL.-INQ. JOACHIM STRASSE, HANAU · DR. INQ. ARNO SCHMIDT, MÜNCHEN

   HANAU · FRANKFURTER LANDSTR. 1 · POSTFACH 79Ϊ -TEL. !0803 · TELEGRAMME: HANAUPATENT

   tt.

   P 15 Ik 964.1

   UNITED STATES ATOMIC ENERGY COMMISSION 7. November· 1968 Germantown, Maryland, V. St. A. Str-Zo/Nie - 8125

   Ansprüche

   1. Schneller Leistungsbrutreaktor mit einem Core-Volumen über 8oo Liter in einem ringförmigen Core mit darin befindlichen längsverlaufenden KUhlmittelkanälen und einem Kühlmittelfluß nach oben durch die Kühlmittelkanäle, gekennzeichnet durch einen aus Kühlmittelmaterial gebildeten Reflektor oberhalb des ringförmigen Cores, welcher mit den KUhlmittelkanälen in Verbindung steht.

   2. Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ringförmige Brutzone unter dem ringför-

   -βιΐ-

   migen Core sowie durch eine ringförmige Brutzone innen und außen um das ringförmige Core.

   3· Reaktor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die im Core angeordneten Brennstoffelemente aus einem Bündel von dünnen Stangen und einem Elementkasten bestehen, wobei die langgestreckten Brennstoffstäbe von dem Elementkasten eingeschlossen sind, der sich oberhalb der Spitze der Brennstoffs täbe weitererstreckt.

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   Reaktor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e η η -se i c h η β t , daß der größte Teil jedes Brennstoff-Stabes spaltbares Material enthält, um einen Brennstoffteil BU bilden* während der untere Teil der Brennstoffstfibe Brutmaterial enthält und den Brutteil bildet.

   Reaktor nach Ansprüchen 1 bis 4, da d u r c h g e -kennzeichnet , daß in jedem Brennetoffeiement Kühlmittel nach oben fließt, wobei der Teil des Kühlmittels, welcher sich in den Elementkästen oberhalb der Brennstoffstäbe befindet, den Reflektorteil der Brennstoffelemente bildet.

   6. Reaktor nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein flussigea Metall dient.

   7· Reaktor nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g β -k en η ze i c h ηβ t , daß das ringförmige Core eine Höhe von 1,22 m (4 Fuß), einen äußeren, mittleren Durchmesser von 3,96 m (13 Fuß) und einen inneren, mittleren Durchmesser von 2,7 m (9 Fuß) aufweist.

   8* Reaktor nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge-. k e η η ze i c h η e t , daß das ringförmige Core von einer o.46 m (1 1/2 Fuß) breiten ringförmigen Brutzone umgeben ist und daß eine o.46 m ( 1 1/2 Fuß) breite ringförmige Brutzone von dem ringförmigen Core umgeben ist, während eine axiale Brutzone von 0.I5 m (6 inch) unter dem ringförmigen Core und ein axialer Reflektor von o.45 m (18 inch) über dem ringförmigen Core angeordnet ist. ·

   9. Reaktor nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zum Hinaufführen des

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   flüssigen Metalle durch die axiale Brutzone durch das ringförmige Core und den axialen Reflektor, wobei die reflektierenden Eigenschaften des axialen Reflektors vom ununterbrochenen Fluß des Kühlmittels abhängig sind und eine Entleerung des ringförmigen Cores von sich aus den axialen Reflektor entleert.

   10. Reaktor nach Ansprüchen 1 bis 9t dadurch gekenn ze. ichnet , daß als Kühlmittel Natrium benutzt wird.

   11. Reaktor nach Ansprüchen 1 bis Io, dadurch g e -kennze i chne t , daß hexagonale Brennstoffelemente im Ring angeordnet sind.

   12. Reaktor nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichne t , daß die Brennstoffelemente aus einem hexagonalen Elementkasten und einem hexagonalen Bündel dünner Stangen bestehen, wobei langgestreckte Brennstoffstäbe von dem hexagonalen Elementkasten eingeschlossen sind, der sich o.45 m (18 inch) über der Spitze der Brennstoffstäbe erstreckt, um den Reflektorteil zu begrenzen, und daß die Brennstoffstäbe eine um 2o.8 % angereicherte Plutoniumdioxid-Urandioxidmischung enthalten, die den Brennstoffteil der Brennstoffelemente bildet, und ein um o.3 % angereichertes Urandioxid, das den Brutteil der Brennstoffelemente bildet, wobei flüssiges Natrium durch die Brennstoffelemente fließt.

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