DE1514984A1

DE1514984A1 - Kernreaktor mit im Notfall querfliessendem Kuehlmittel

Info

Publication number: DE1514984A1
Application number: DE19651514984
Authority: DE
Inventors: Silvester Austin Graham
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1965-03-29
Filing date: 1965-10-28
Publication date: 1969-07-24
Also published as: BE675176A; US3215606A; GB1067909A; NL6514037A; SE305697B; ES318679A1

Description

Anmelder: TJHIIED SIATES AOK)MIG EHEEGT GOMMISSIOH, Germantown, Maryland, V. St. A,

Kernreaktor alt im Hotfall querfliessendem

Kühlmittel

Die Erfindung betrifft Kernreaktoren und sie bezieht sich insbesondere auf Kernreaktoren mit einem Kern, der Brennstoffelemente enthält, die für den Reaktor Kühlmittel liefern, das während einer kritischen Bedingung, wie plötzlicher lokalen Erhöhung der Reaktivität innerhalb des Eeaktorkernes, bei der von Kühlmittel freie Stellen entstehen, eher quer über die als entlang der Stäbe fliesst.

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Bei bekannten Kernreaktoren flieset das Kühlmittel parallel oder lings der Brennstoffstäbe oder -platten. Wenn eine Abweichung, beispielsweise eine plötsliohe Erhöhung der Reaktivität in einem Reaktorkern dieser Art auftritt, beginnt die Kühlflüssigkeit Leerstellen zu entwickeln, d. h· zu kochen und sieh auszudehnen, wodurch ein feil des Kühlmittels auf eine hohe Temperatur erhitzt und plötzlich aus dem Reaktorkern ausgestossen wird. In einem solchen Fall wird das Kühlmittel entlang den Kanälen zwischen den Brennstoffstäben beschleunigt und erhält eine hohe Geschwindigkeit. Wenn sie auf die Wand oder den Kopf des Reaktorgefässes auftrifft, erzeugt das stark beschleunigte Kühlmittel einen Effekt, der in der fachweit als "Wasserstoss" bekannt ist. Unter iiner solchen Bedingung können ernsthafte Schäden auftreten, die sich bei einem Kernreaktor dahingehend auswirken, dass das Gefäss reiset oder bricht oder, dass dessen Verschlussdeckel undicht werden und gefährliche radioaktive Stoffe entweichen können·

Neben den Mechanischen Kräften des beschleunigten Kühlmittels, das auf das Reaktorgefäss auftrifft, ist auch die hohe !Temperatur des Stoffes zu beachten, die ungleichmässige thermische Ausdehnung des Reaktorgefässes

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bewirkt, dl· einen thermischen Schock erzeugt, der ebenfalls daiu neigt, das Gefiss oder «eine VersoBissplatten su schwächen. Ausserdem tritt während solcher Perioden überhöhter !Reaktivität die Bildung grösserer Mengen von leutronen auf, die dazu neigen, entlang der Brennstoffkanal· su flieseen oder su "strömen", die ihrerseits frei ▼on Kühlmittel sind oder keinen Bremsstoff enthalten. Der Beaktorgefässkopf ,der üblicherweise in einer Linie mit solchen Kanälen liegt, ist daher einer überschüssigen AflHMhT von neutronen ausgesetzt und wird so sehr radioaktiv.

Die erfindungsgemäsee Torrichtung verringert diese Probleme, indem in das Brennstoffelement ein Mittel eingebracht wird, durnh das der iusstoss von Kühlmittel auf ein Min destmass gebracht und die Möglichkeit ausgeschaltet wird, dass grosse gerichtete Mengen von TOhImI ttel auf die Wand ' des Beaktorgefässes auftrifft. Gleichseitig sind Yorkeh- €1 rungen getroffen, die den thermischen Schock auf das Gefäss vermindern, während auch verhütet wird, dass das Be- aktorgefäse übermässiger Neutroneneinwirkung ausgesetzt wird, indem die einzelnen Brennstoffstäb'e besonders geformt und die Brennstoff- und Bremestoffenteile wie weiter unten beschrieben angeordnet werden.

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffelement au schaffen, bei dem die Grenze für eine sichere Arbeit des Kernreaktors während einer plötzlichen Erhöhung der Aktivität weiter gesteckt ist, und bei dem ferner die mechanischen Kräfte des aus dem Kern ausgestossenen Beaktorkühlmittels verbraucht werden, bevor sie das den Kern enthaltende Beaktorgefäss erreichen.

Ferner 1st es Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffelement in einem Kernreaktor zu schaffen, bei dem die in dem vom Kern ausgestossenen Reaktorkühlmittel enthaltene Wärme über die Kernstruktur verteilt wird, bevor sie das den Kern enthaltene Beaktorgefäss erreicht. Ferner soll überschüssige Neutronenstrahlung des Beaktorgefässes während der Arbeit und insbesondere während einer plötzlichen Erhöhung der Reaktivität wesentlich reduziert werden«

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor zu schaffen, bei dem das Kühlmittel in gewählten Bereichen längs und quer zu den Brennstoffstäben flieset, um die zerstörenden Wirkungen, die durch raschen Ausstoss des Kühlmittels auftreten, auf ein Mindestmass gebracht werden.

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Es ist auch beabsichtigt, das Brennstoffelement so auszubilden, dass die Temperatur innerhalb des Kühlmittels nach dem Austreten aus dem mit Brennstoff gefüllten Teil des Reaktorkernes gleichmässig verteilt wird.

Andere und genauere Aufgaben des Gegenstandes der Erfindung werden aus der folgenden eingehenden Beschreibung ^TiftflTV^ der Zeichnungen deutlich·

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch den Reaktor, der die Anordnung der Brennstoffelemente zu einem Beaktorkern zeigt;

Fig. 2 ist eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines

einzelnen Brennstoffelementes, die den Brennstoffaufbau gemäss eines Brennstoffelementes nach Fig. zeigt;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch das Brennstoffelement entlang der Linie 3 - 3 in Fig. 1, der die Brennstoffstäbe im spaltbaren Brennstoffteil eines Brennstoffelemtentes darstellt;
Fig. 4 ist ein Schnitt durch ein Brennstoffelement entlang der Linie 4 - 4 in Fig. 1, der Brennstoffstäbe im Bremsstoffabschnitt des Brennstoffelementes zeigt;'

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Fig. 5 ist eine Längsansicht eines typischen peripheren Brennstoff- und BremsstoffStabes, die die eingeschnürten Abschnitte für den Querfluss des Kühlmittels darstellt;

Fig. 6 ist eine Längeansicht einer anderen Ausführungsform eines peripheren Brennstoff- und Bremsstoff-Stabes, die eine Abänderung der eingeschnürten Bereiche für den Querfluss des Kühlmittels zeigt;

Fig. 7 ist eine Dar st ellung einer Klemmvorrichtung für die die Brennstoffstäbe innerhalb des Brennstoffelementes.

Grundsätzlich ist die erfindungsgemässe Vorrichtung für die Verwendung in einem Natriumgekühlten schnellen Neutronenreaktor vorgesehen, wie er im folgenden beschrieben ist. Die Anordnung kann aber selbstverständlich auch in mit anderen Flüssigkeiten gekühlten Heaktoren verwendet werden.

Ein bestimmter Reaktor, bei dem das Brennstoffelement und der Kern gemäss der Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus einem äusseren Stützgefäss 10, das durch Hängestäbe 17 in Lage gehalten und unterstützt wird. Innerhalb des Gefässes 10 ist ein den Reaktor enthaltendes Gefäss 11 vorgesehen, in

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dem lconzentrisch zu diesem eine innere Leitwand 12 für das Kühlmittel angeordnet ist· Biese innere Leitwand 12 unterstützt Klemmvorrichtungen 22 für den Kern, die ihrerseits den Kern stützen, der aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffelementen 30 besteht, die zusammen eine spaltbare Brennstoffzone 25 begrenzen.

Zum Einführen von flüssigem Natrium in den Beaktor ist eine Einlassleitung 13 vorgesehen. Der Auslass 14 dient zum Abführen des flüssigen Natriums aus dem Beaktor zu Wärmeaustauschern (nicht dargestellt^N<, um Dampf zu erzeugen oder in einer anderen Weise verwendet zu werden. Ausserhalb des Gefässes 10 sind eine Vielzahl von Neutronenreflektoren 18 angeordnet und umgeben den unteren Abschnitt der spaltbaren Brennstoff zone 25· Biese Neutronenreflektoren 18 sind derart angeordnet, dass sie durch ein üblicherweise verwendete· Steuersystem (nicht dargestellt) vertikal bewegbar sind, um den Neutronenverlust und so die Reaktivität des Reaktors zu kontrollieren. Unter normalen Arbeitsbedingungen tritt das flüssige Natrium durch die Leitung 13 in das Reaktorgefäse, und zwar in der Nähe des oberen Endes desselben, um durch die Eintrittsfüllzone 20 zwischen der Wand des den Reaktor enthaltenden Gefässes 11 und der inneren Leitwand 12 für das Kühlmittel in die Bodenfüllung 21 hindurchzugehen. Von hier geht es dann durch eine Vielzahl von öffnungen 19 in der Bodenwand der Leit-

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platte 12 in die eine Vielsaal von eng gepackten Brennstoffelementen 3JO enthaltende Brennstoff zone 25· Von hier flieset das Kühlmittel durch die spaltbare Brennstoff zone 25» in der sie erwärmt wird, hinauf durch die Brems- und Querflusszone 26, wo das erhitzte Natrium durchgemischt wird, und dann in die obere Austritts-Querflusszone 27 und durch die oberen Auetrittslöcher 32 in den oberen Teil des den Reaktor enthaltenden Gefässes 11, um von hier durch die Leitung 14, die mit dem inneren der Leitwand 12 verbunden ist, aus dem Reaktor zu Wärmeaustauschern oder dergleichen (nicht dargestellt) geführt zu werden. Unter normalen Arbeitsbedingungen wird das Kühlmittel auf einem normalen Kühlmittelspiegel 23 gehalten·

Unter kritischen Bedingungen, beispielsweise wenn der

Fluss des Kühlmittels in der Einlassleitung 13 oder der Auslassleitung 14- blockiert ist, wird das Kühlmittel beim kritischen Niveau 24 gehalten. In diesem Fall wird das flüssige Natrium in die Eintrittsfüllzone 20 durch eine Not einlassleitung 15 und aus dem Reaktor zu den Wärmeaustauschern (nicht dargestellt) durch die Leitung 29 geführt. Der Fluss des Kühlmittels erfolgt wie oben beschrieben, mit der Ausnahme, dass es anstelle nach oben durch die Brems- oder Querflusszone 26, sofort ober-

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halb der spaltbaren Brennstoffzone 25 durch die unteren Austrittslöcher 31 in das die Vielzahl von eng -verpackten Brennstoffelementen 30 enthaltende Realctorgefäss tritt und durch eine Notauslassleitung 29 zu einem getrennten Wärmeaustauscher (nicht dargestellt) geführt wird, so dass ständig ein Kühlmittelfluss durch den Kern aufrechterhalten wird, um Beschädigung durch Überhitzen zu vermeiden.

Ein typisches einzelnes Brennstoffelement 30 ist in fig. 2 dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus einem zentralen Bremsstoffstab 40, der in hexagonaler peripherischer Anordnung von Brennstoff- und Bremsstäben 41 umgeben ist. Bas Ganze befindet sich in einer Ummantelung 39. Obwohl der zentrale Bremsstoffstab 40 mit Bremsstoff 61 gefüllt gezeigt ist, kann er auch spaltbaren Brennstoff enthalten. Die Frage des spaltbaren Brennstoffgehaltes beruht auf der Feststellung des Bremsstoff-zuBrennstoff-Verhältnisses zum Zwecke der Kontrolle des Doppler-Koeffizienten der Reaktivität des Reaktors, wie

in der entsprechenden Anmeldung (US Serial

Bo. 345 056) beschrieben ist.

Das Brennstoffelement 30 ist so ausgebildet,dass es einen spaltbaren Brennstoffabschnitt 33» der dem Abschnitt ent-

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spricht, der in der spaltbaren Brennstoffzone 25 (Fig. 1) am unteren Ende des Brennstoffelementes angeorndet ist; unmittelbar über dem spaltbaren Brennstoffabschnitt 33 einen Brems- und Querflussabschnitt 34-, entsprechend der Brems- und Querflusszone 26 in Fig. 1; ansohlieseend an den Querflussabschnitt 34 einen oberen Austritts-Querflussabschnitt 35« entsprechend der oberen Austritts-Querflusszone 27 in Fig. 1} und in der Nähe des oberen Endes des Brennstoffelementes 30 einen oberen Abschirmabschnitt 36, entsprechend der oberen Abschirmzone 28 in Fig. 1 aufweist. Innerhalb und in der Nähe des Bodens der Ummantelung 39 ist ein Boden-Tragkreuz 45 vorgesehen, das die Brennstoffstäbe 41 und den Kontrollstab 40 trägt und gleichzeitig gestattet, dass das Kühlmittel längs nach oben durch das Brennstoffelement flieset.

Als Mittelstütze für die peripheren Brennstoffstäbe 41 kann eine andere Ausführung, z. B. eine Federklemmvorrichtung, wie in Fig. 7 gezeigt, verwendet werden. Diese besteht aus einem unteren federnd eingespannten Sicherungsring 80, der an dem zentralen Bremsstoffstab 40 angeschweisst oder in irgendeiner anderen Weise befestigt ist. Ein oberer federnd eingespannter Sicherungsring 81

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ist nach, oben und unten an dem Mittelstab 40 verschiebbar angeordnet. Eine der Anzahl der peripheren Brennstoffstäbe 41 entsprechende Zahl von biegsamen streifenfSrmigen Blattfedern 82 sind jeweils an ihren Enden durch die Klemmen 80 und 81 festgehalten und so ausgebildet, dass sie sich nach aussen biegen, wenn der obere Klemmsicherungering 81 gegen den unteren Klemmsicherungering 80 bewegt wird. Ein die Klemme betätigendes Rohr 83 ist vorgesehen, um gegen den oberen

Klemmsicherungsring 81 zu drücken und gleitet entlang

des Hittelbremsstoffstabes 40. In der Nähe des Oberteiles des Betätigungsrohres 83 ist ein Bügel 84 des Betätigungerohres angeordnet, der mit einem oberen Griff 88 und einem unteren Griff 89 versehen ist. Im unteren Griff 89 befindet sich in der Mitte ein Loch zur Aufnahme des Befeetigungsbolsens 85, der seinerseits angeschwefest, in eine Bohrung eingeschraubt oder in ähnlicher Weise an dem Oberteil des Hittelstabes 40 befestigt ist. Am oberen Griff 88 ist eine Greiferstabverlängerung 37 angeschweisat oder in irgendeiner anderen Weise befestigt. Eine Befestigungsmutter 86 ist am Bolzen 85 angeordnet, um die maximale Aufwärtsbewegung des Betätigungsrohres 63 zu regulieren. Zum Einstellen der Maximalen Abwärtsbewegung des Rohres 83 ist am Bolzen 85 eine Einstell- mutter 87 vorgesehen, wodurch gleichzeitig die Biegung

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nach, aussen der Federn 82 und der daraus resultierende Druck gegen den peripheren Brennstoff stab 41 festgelegt wird.

Venn die Vorrichtung in Betrieb ist, wird der Mittelstab 40 in dab Brennstoffelement 30 gesenkt, nachdem die peripheren Brennstoffstäbe 41 in Lage sind. Die Befestingungsmutter 83 wird gelookertkdamit die Federn 82 flach oder eng an dem Hittelstab 40 amilegen· lachdem der Mittelstab 40 in Lag· gebracht ist, bewirkt das Ge wicht des Betitigungsrohres 83, dass S&ulendruekkr&fte auf die federn 82 ausgeübt werden, derart, dass diese sich nach aussen biegen und gegen die Oberfläche der benachbarten Brennstoffstäbe 41 drücken und diese so in Lage halten. Die Kinstellmatter 87 kann so eingestellt werden, dass sie diese Druckkräfte reguliert. Tig. 7 xeigt die federklemmrorrichtung in ihrer einfachsten form. Bei Übertragung derselben in Fig. 2 und den Oberteil 42 des Hittelstabes, würde das obere Teil des die Hemme betätigenden Rohres 83 die Gestalt eines Hexagons erhalten, um das obere Abschirmten 36 (Fig. 2) su bilden, aber doch so angeordnet sein, dass sie um den Hittelstab 40 gleitet, wie in Fig. 7 dargestellt ist.

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Hit Bücksicht auf die Strömungsabschnitte sind in der Ummantelung 39 eine Vielzahl von unteren Austrittslöchern 31 unmittelbar oberhalb des spaltbaren Brennstoffabschnittes 33 vorgesehen und in geordneter Seihe angebracht, derart, dass entsprechende öffnungen in den Ummantelungen angrenzender Brennstoffelemente damit zusammenfallen, um den fluss von Kühlmittel durch diese unteren Austrittsoffnungen 31 zu benachbarten Brennstoffelementen zu gestatten. In ähnlicher Weise sind obere Austrittsoffnungen 32 unmittelbar unterhalb des oberen Abschirmabschnittes J>6 und angrenzend an den oberen Austritt des Querflussabschnittes 33 vorgesehen und in geordneter Linie angebracht, derart, dass entsprechende Offnungen in Ummantelungen von benachbarten Brennstoffelementen mit diesen zusammenfallen, um den Austritt von Kühlmittel durch angrenzende Brennstoffelemente zu ermöglichen. Der obere Abschirmabschnitt ist einmal durch Erweiterung und Formung der periphere^. Staboberteile 43 der peripheren Brennstoff- und Bremsstoffstäbe 41 gebildet, derart, dass Jeweils ein gerades pentagonales Prisma gebildet wird, und zum anderen durch Erweiterung und formung des Hittelstab-Oberteiles 42 des zentralen Bremsstoffstabes 40 in form eines geraden regelmäseigen hexagonalen Prismas. Wenn diese Heile zusammengepasst werden, ist kein Durchflusskanal für das

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Kühlmittel zum Oberteil des Brennstoffelementes vorhanden. Auf diese Weise wird das Kühlmittel gezwungen, durch die oberen Austrittslöcher 32 auszutreten.

Die Dicke des oberen Abschirmabschnittes 36 kann variiert werden, um jeden gewünschten Grad der Abschirmung zu erhalten. Der Abschirmabschnitt 36 kann selbstverständlich aus irgendeinem Material bestehen, das ausreichende Abschirmeigenschaften aufweist, wie Neutronenreflektoren, Bremsstoffe, Absorber, Baustoffe (Verbindungen aus Bor, Stahl) oder dergleichen. Es wurde gefunden, dass für einen Neutronenfluss an der Kernseite des Abschirmab-

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schnittes von etwa 10 Neutronen/cm /see. 152,40 cm (60 inches) Stahl wirksam sind, um den Neutronenfluss auf etwa 10^ Neutronen/cm/see. auf der geschützten Seite der Abschirmung abzuschwächen. Eine solche Neutronendichte ist nicht wirksam, um eine Aktivierung der Materialien an der geschützten Seite der Abschirmung in bemerkenswertem Ausmass zu bewirken. Jeder periphere Brennstoffstab 4-1 sowie der zentrale Bremsstoffstab 40 ist mit einer Greiferstabverlängerung 57 versehen, an deren oberen Ende ein Greifknopf 38 angebracht ist, damit einzelne Komponenten entfernt werden können, damit der Reaktor nachgefüllt werden kann, ohne dass es erforderlich wäre, das ganze Brennstoffelement 30 herauszunehmen.

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fig. 3 eelgt den Aufbau de« Brennstoffelement·« 50 ale Schnitt; durch den spaltbaren Brennstoff abschnitt 33. Entlang der Innenseite der Ummantelung 39 1st eine Vielsahl Ton führungen 62 für den Kühlmittelfluss vorgesehen, um diesen Hues in einer Lingsbahn entlang der Oberfläche der Verkleidung 44> su begrensen, die den spaltbaren Brennstoff 60 des peripheren Brennstoff Stabes 41 enthält. Der sentrale Bremsstoffstab 40 ist mit einer Verkleidung 63 ▼ersehen, die das Bremsmaterial 61 enthält.

Bs wird darauf hingewiesen, dass das Verkleidungsmaterial aus Irgendeinem sweckmäeeigen Material, wie Stahllegierung oder Zirkonium, bestehen kann, das einen geringen Gehalt an Hfeutronen-absorbierenden Verunreinigungen enthält und für die Verwendung in einem Seaktor geeignet ist, s. B. für einen Vatrlum-gekuhlten Reaktor ι rostfreier Stahl Typ 516. Bas Bremsmaterial kann aus irgendeinem sweokmäseigen Material, wie Graphit oder BeO, bestehen, das nur Spuren von leutronen-absorbierendem Material enthält.

TIg. 4- seigt den Aufbau des Brennstoffelementes 30 als Schnitt durch den oberen Querfluss-Austrlttsabschnitt 35· Die Variation im Durchmesser der peripheren Brennstoffstäbe 41 ist daraus su ersehen. Der grösste Druckmesser ist durch den spaltbaren Brennstoff abschnitt 46 bestimmt.

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Der nächstgrössere Durchmesser begrenzt den Air den Querfluss eingeschnürten Bremsetoffabschnitt 51 und der kleinste Durchmesser wird durch den oberen eingeschnürten Austrittsabschnitt 50 gebildet. In den Figuren 5 und 6 sind zwei Aueführungeformen der peripheren Brennstoffstäbe 41 dargestellt. Eine ähnliche Ausbildung kann der zentrale Bremsstab 40 aufweisen, die jedoch nicht dargestellt ist.

In Fig. 5 ist ein Brennstoffstab 41 dargestellt, wie er in wesentlichen oben beschrieben ist. Er besteht ganz allgemein aus einem spaltbaren Brennstoffabschnitt 33» einem im Durchmesser engeren Brennstoff- und Querflussabschnitt 34 und einem noch engeren oberen Querflussaustrittsabschnitt 35» an den sich ein verbreiterter oberer Abschirmabschnitt 36 anschliesst. In der Nähe des unteren Endes des Stabes 41 ist ein Stützstift 70 für den Brennstoff angeordnet, der so ausgebildet ist, dass er in einen entsprechenden Behälter im Puss des am Boden befindlichen Stützkreuzarmes 45 (fig. 2) passt. Der Brennstoffstab 41* in Fig. 6 entspricht dem Brennstoffstab 41 in Fig. 5, mit der Ausnahme, dass ein unterer eingeschnürter Abschnitt für den Querfluss unmittelbar oberhalb des spaltbaren Brennstoffabschnittes 33 in gleicher Höhe wie die unteren Auetrittslöcher 31 (Fig. 2) angeordnet ist. Der durch den

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unteren eingeschnürten Abschnitt 75 gebildete engere Durchmesser bietet während eines Notfalles, wie plötzliches Kochen des Kühlmittels, dem Ausfluss desselben aus dem Hittelteil des Brennstoffelementes 30 einen geringeren Widerstand. Es wird ferner bemerkt, dass der Bremsstoff- und Querflussabschnitt JA und der obere Austrittsabschnitt 35 des Querflusses sowohl die Neutronen reflektierendes als auch diese absorbierendes Material enthalten können. So kann beispielsweise der den Stab bildende obere eingeschnürte Austrittsabschnitt 50 aus Borstahl oder einem anderen die Neutronen absorbierenden sehr festen Material bestehen und sich zum Oberteil des spaltbaren Brennstoffabschnittes 33 erstrecken und die umgebende Stütze bilden. Dieser Bremsstoff kann so angeordnet sein, dass er den Bremsstoff- und Querflussabschnitt 34 bildet. Bei dem Brennstoffstab 41 ist der untere eingeschnürte Querflussabschnitt 75 das andere Ende des Stabes, dessen Oberteil der oberen eingeschnürte Austrittsabschnitt 50 ist.

Wie oben ausgeführt fliesst das Kühlmittel während der normalen Arbeit durch den spaltbaren Brennstoffabschnitt 33» wo seine Temperatur durch Wärmeübertragung erhöht wird, und zwar durch die Energie, die durch die Spaltung des spaltbaren Brennstoffes 60 frei wird (Fig. 3). Das

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heissere Kühlmittel flieset weiter nach oben durch den Bremsstoff- und Qaerfluesabschnitt 35» wo durch Wiibelbildung, .Änderungen im hydraulischen Druck usw. und wegen des engeren Durchmessers der Stäbe, das Kühlmittel dazu neigt, zwischen den Stäben zu kreuzen, um die Temperaturverteilung zwischen verschiedenen Teilen des Abschnittes 34 auszugleichen. Ausserdem wird ein Teil des Kühlmittels versuchen, durch die unteren Auetrittslöcher 31 in die angrenzenden Brennstoffelemente zu fHessen, so wie Kühlmittel aus den angrenzenden Brennstoffelementen durch die Looker 34 zu fHessen versucht, so dass das Kühlmittel durchgemischt wird und die Temperaturgefälle innerhalb desselben verringert werden.

Unter einer kritischen Bedingung, wie einer plötzlichen Erhöhung der Reaktivität in einem Brennstoffelement, die wiederum ein plötzliches Erhitzen oder möglicherweise Kochen des Kühlmittels bewirkt, tritt ein plötzlicher Druckanstieg im betroffenen Brennstoffelement auf, der etwas von dem Kühlmittel zurück nach unten des Brennstoffabschnittes 33 zwingt. Aber wegen des geringeren Druckes oben wird mehr Kühlmittel nach ohen in den Querflussabschnitt 34 und wegen des grosseren Druckes aus den unteren Austrittslöchern 31 in die Querflussabschnitte angrenzender Brennstoffelemente gezwungen. Weiterhin wird das aus dem

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Bereich hoher Reaktivität ausgeatoeaene Kühlmittel, das eine viel höhere Temperatur als das umgebende Kühlmittel hat, sowohl durch Durchmischung mit anderem Kühlmittel als auch durch Wärmeübertragung auf den verhältnismässig kühleren Bremsstoff im Querflussabschnitt 34, nicht einen grossen thermischen Schock auf die anderen Teile des Reaktors ausüben. Hit anderen Worten, der __ thermische Schock wird im Bremsetoff- und Querflussab- ' schnitt 34 absorbiert. Es ist also ersichtlich, dass das aus dem Bereich, hoher Heaktivität ausgestossene Kühlmittel nach oben durch den Querflussabe shnitt 34 zu dem oberen Querflussaustritt 35 steigt, wo wegen der Verechlusswirkung des pentagonalen Oberteiles 43 des peripheren Brennstoffstabes und des hexagonal©n Hittelteiles 42 der Fluss des Kühlmittels über das Oberteil des Kernes durch den oberen Austritt des Querflussabschnittes 35 gerichtet wird. Auf diese Weise werden die Kräfte des Kühlmittel- M flusses abgelenkt und absorbiert, bevor sie den Kopf 16 des Reaktorgefässes erreichen. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Gammastrahlung und Neutronenpartikelchen, die von dem spaltbaren Brennstoffabschnitt 33 herrühren, im Querflussabschnitt 34 sowohl absorbiert als auch gebremst werden, wobei der obere Abschirmabschnitt 36 die Strahlung und Partikeichen absorbiert, die durch die Kanäle sswischen den Stäben im Bremsstoff und Querflussabschnitt 34 nach

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oben strömen würden. Beispielwelse in dem Reaktor, der Innernalb des Infrabereiches liegt, erfordert, unter normalen Flussbedingungen mit 5 % aus den unteren Austrittslöchern 31 ausfliessendem Kühlmittel, jedes Brennstoffelement an der Ferihperie des Kernes einen Lochdurchmesser von etwa 4,78 mm (3/16 inch). Tür 10 % Querfluss zwischen den Brennstoffelementen benötigt jedes Brennstoffelement etwa 3 locher in jeder Ummantelung . mit einem Durchmesser von etwa 6,35 mm (1/4 inch). Inner halb des Brennstoffelementes 30 selbst erfolgt, bei einer angenommenen Kühlmittelgeschwindigkeit von 2,58 m/sec Durchschnitt (8/> ft/sec), das Durchmischen im eingeschnürten Abschnitt oberhalb des spaltbaren Abschnittes 33» wo unter den schlechtesten Bedingungen in einer Länge von 25.40 cm (10 inch) 1/8 des Volumens des Kühlmittels um den Hittelstab 40 vollständig in einen angrenzenden Brennstoff-Stabbereich 41 übergeht. Betreffend die peripheren Brennstoffstäbe 41 wird für eine Länge von 25,40 cm (10 inch) entlang der Stäbe etwa die Hälfte des Volumens des Kühl mittels um den Stab in benachbarte BrennstoffStabbereiche übergehen. Dabei tritt ein Druckabfall über den Brennstoff elementen von etwa 0,056 kg/cm (0,8 psi) auf. Venn ein Notstand innerhalb des Brennstoffelementes auftritt, wie plötzliches Ausdehnen des Kühlmittels, ist der Druck abfall erheblich grosser, so dass eine grössere Ausfluss-

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menge durch die unteren Austrittslöcher 31 und zwischen den Brennstoffelementen 30 bewirkt wird. Wird das oben erwähnte Sruchmischen im Fall des Überhitzens im Zusammenhang mit der Temperatur betrachtet, z. B. im Mittilstababschnitt, auf seine Länge von 25,40 cm (10 inch), wobei ein gleiches Volumen an Kühlmittel um jeden Stab angenommen wird, wird 1/8 des Volumens des heisseren Kühlmittels, beispielsweise 493° O (920° F) (68° 0/100° F/ über der Auslasstemperatur) mit Kühlmittel von 440° O (820° F) von anderen Stäben durchmischt. Über die 25,40 cm (10 inch) Länge wirlt sich das Durchmischen dahingehend aus, dass die Temperatur des Kühlmittels an der Peripherie auf 445° O (833° F) erhöht wird. Es ist ersichtlich, dass dann, wenn 1/8 des Kühlmittels in der Mitte zu einem be nachbarten peripheren Stab flieset, sechs periphere Brenn stoffstäbe 1/8 ihres Kühlmittels dem Mittelstab abgeben. In diesem fall wird die Temperatur am Mittelstab in der Länge von 25,40 cm (10 inch) auf 451° O (845° F) gesenkt. Im Falle des Überhitzens eines peripheren Brennstoffstabes, wenn 1/4 des Volumens mit höherer Temperatur mit einem benachbarten Brennstoffatab durchmischt wird und 1/4 des Volumens bei der höheren Temperatur mit dem anderen Brennstoffstab mit 1/8 des Kühlmittelvolumens mit dem Mittelstab gemischt wird, dann eine hohe Temperatur von 493° 0 (920° F) genommen wird, wird die Temperatur des Kühlmittels

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um den Stab, der die heisse Stelle hat, etwa458° C (857° T) aein (unter der Annahme, das« 5/8 des Kühlmittels bei 440° 0/820° T/mit 3/8 des Kühlmittels von 493° O/ 920° T/ gemischt um den die heisse Stelle aufweisenden Stab verbleibt), wobei das Kühlmittel um jeden benachbarten Brennstoffstab etwa 451° C (845° T) und um den Mittelstab etwa 445,55° 0 (834° T) ist.

Die obigen Beispiele gelten für den Tall, in dem keine Wirbelbildner oder andere Vorrichtungen im Kanal speziell zum Bewegen des Kühlmittels angeordnet sind. Die genannten Beispiele erläutern die Verwendung des erfindungsgemässen Gerätes, um eineverbesserte Kernreaktortätigkeit zu erzielen, ohne dass der fluss des Kühlmittels durch den Reaktorkern gehemmt wird,und ausserdem Querströmun gen zu erzielen.

Die folgenden Angaben dienen zur Erläuterung eines typischen mit Natrium gekühlten Reaktors, bei dem der Kern und die Brennstoffelemente gemäss der Erfindung verwendet werden:

Reaktorart Schnelles Neutron, heterogen

(Sefor)

Brennstoff Gemischtes PuO₂-UO₂ (in Ta

bletten geschnitten) Gesamtanreicherung: 0,168 Atom%

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Bremsstoffe (Vblumfraktion

Mittlere Neutronenenerfcie

Auegangeleistung Eeflektorkontrolle

Väriieübertragungssystem Inhalt

Brennstoffbaukern Brennstoffstab

Bremststoffstab Ummanteliang

BeO - 10,02 %

St. Stahl - 23,77 %

Natrium - 20,88 %

120 Kev (max. Energie 2,5 Mev)

20 HVt ■

Hickeletäbe
Gesamtzahl * 10

Primär, Natrium
Sekundär, Natrium
Tertiär, Luft

Hauptgefäss (Typ 304 SS) Innendurchmesser beim spaltbaren Brennstoffabschnitt - 101,60 em (40 in) Innenduz -hmesser beim oberen Abschnitt - 144,78 cm (57 in) Wanddicke - 9»53 - 19,05 a*

(0,375 - 0,750 in) Eonzessionsdruck ■ psi 50 psi

Durchmesser « 85,85 cm (33,8 in) Spaltbare Brennstofflänge *

85,85 cm(33,8 in)

Gesamtlänge - 304,80 cm (120 in) Aussendurchmesser beim spaltbaren Brennstoffabschnitt «

2,54 cm (1 in)

Aussendurchmesser beim Bremsstoff- und Querfluesabschnitt « 2,24 cm (0,88 in) Gesamt Nr. im Kern «618 Verkleidung « Typ 316 rostfreier Stahl

Gesamt Nr. im Kern « 108

Durchmesser über Abflachungen (across flate » 7»788 cm

(3,066 in)

Länge - etwa 269,24 cm (106 in) 0,015 cm (0,060 in)

Vanddicke Material

Typ 316 rostfreier Stahl

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Kühlmittel Brennstoffladung

Einlasstemperatur Auslaestemperatur

' 371°

(700° P)

• 440° G

(820° P)

Durcliflueeleistung

(flow rate at power) -

16 502,6 l/a (4360 gpm)

Geschwindigkeit im Kern -

2,50 m/aec Drucksctmitt

3)90 m/sec max.

Varmeübertragungskoeffizient

2 480 kcal/m bTO (20 000 BTU/hr-sq.ft./ P)

TJ-238 -

Pu-240 -

Pu-239 -

Gesamt «

1 598 kg

20 kg

296 kg

1V920 kg

Es wurde eine bevorzugte Aueführungsform des erfindungsgemässen Kernreaktors beschrieben und es können selbst-20 verständlich eine Reihe τοη Abänderungen vorgenommen werden, ohne dass der Erfindungsgedanke in irgendeiner Weise beeinträchtigt würde.

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Claims

Patentansprüche

/1. j Kernreaktor zur Erzeugung von Energie, bestehend aus Stäben, die spaltbaren Brennstoff und die Neutronen bremsendes Material enthalten und in geometrischer Ordnung im Abstand voneinander angeordnet sind und Durchlässe für das Kühlmittel aufweisen, und bei dem M Gruppen von Brennstoff stäben mit Umaantelungen vorgesehen sind,

dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (39) etwa in der Mitte ihrer Länge mit Vorrichtungen zum Durchfluss für das Kühlmittel versehen ist, die spaltbaren Brennstoffstäbe (41) verschiedene Zonen aufweisen, wobei in der Nähe des Bodenteiles der Stäbe eine spaltbare Brennstoffzone (33)« unmittelbar oberhalb dieser eine Brems- und Querflusszone (34-), und anschliessend an diese eine obere Austrittszone (35) mit ™ einer oberen durch das Oberteil der Brennstoffstäbe (41) gebildeten Abschirmzone (36) angeordnet ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende der Ummantelung (39) eine Stütze aus einem Bodentragkreuz (45) und in diesem ein Behälter zur Aufnahme des Bodenteiles des Brennstoffstabes (41) und des Boden-

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teiles des Mittelstabes (40) vorgeaeiien 1st und die Brennstoffstäbe (41) und den Mitteletab (40) In fester Lage Innerhalb der Ummantelung (39) hält.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Absohirmabsehnitt (36) aus den Oberteilen der Brennstoffstäbe (41) und des Oberteil des zentralen Bremsstoffetabes (40) besteht, die duräh polygonale Prismen umrissen sind, die aneinander angrenzend angeordnet sind und die obere Abschirmung bilden·

4. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass der unmittelbar über dem unteren spaltbaren Brennstoff abschnitt (33) liegende Bremsstoffabschnitt (34) einen kleineren Durchmesser hat als eraterer, und dass der in der zweiten Querflusszone angeordnete Auetritte-Querflussabschnitt einen kleineren Durchmesser hat als der Bremsstoffabschnitt.

5· Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ein jedes Brennstoffelement umgebende Ummantelung (39) in der Nähe des unteren Endes eine Einlassöffnung für das Kühlmittel und in der Nähe ihres oberen Endes eine Auslassöffnung für das Kühlmittel aufweist und in der Nähe ihres Mitteinschnittes Durchlässe angeordnet sind, die

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Qu«rflueaxoneii für den Umlauf des Kühlmittels bilden, und dass die Brennstoff stäbe (41) für den Aufwärtsfluss des flüseigen Kühlmittele parallel im Abstand voneinander angeordnet sind.

6. Kernreaktor nach. Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennseichnet, dass die oberen Abschnitte der Brennstoff stäbe (41) ein gerades pentagonales Prisma und der obere Abschnitt des sentralen Bremsstoffstabes (40) ein gerades hexagonales Prisma bilden, und dass diese aneinander anstossend angeordnet sind, derart, dass sie den oberen Abschirmabschnitt (56) bilden.

7· Kernreaktor nach Anspruch 1 Li" 6, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Abschirmabschnitt (3S) ein«t Greifer- oder Klemmvorrichtung (37) vorgesehen ist.

8. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 7* dadurch gekennseichnet, dass der Durchmesser des Breasstoffabechnittes in der Nähe seines unteren Seiles kleiner ist als der Druckmesser in der Mähe des oberen Abschnittes desselben.

9· Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kühlmittel im Reaktor Natrium ist.

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