DE1539006A1

DE1539006A1 - Schnellkernreaktor

Info

Publication number: DE1539006A1
Application number: DE19661539006
Authority: DE
Inventors: Perks Maurice Arthur; Allan Barker; Mann John Erskine
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1963-09-26
Filing date: 1966-02-11
Publication date: 1969-11-06
Also published as: US3345266A; DE1539006C3; US3338790A; DE1439839B2; BE653608A; DE1439839A1; DE1539006B2

Description

8 c h n e 1 1 k e r n r e a k t o r (Zusatz zu Patent . ... ... (Pateritanmeldung U 11 048 VIIIc/21g Anwaltsakte 64 126» Die Er-findung bezieht sich auf heterogene Schnellkernreaktoren. Ein Schnellreaktor weist einen Kern auf, der einen Bereich schnellen Bren,-istofi*-es hat, was das Fehlen von irgendeinem beträchtlichen Anteil eines Moderators und somit die Fähigkeit$ eine Spaltungskettenreaktion mit einem leeutronenfluß hoher Energie zu unterhaltengmit sich bringt; das ist im vorliegenden Fall so zu verstehen, daß in dem Bereich schnellen Brennstoffs diese Reaktion mit einem Neutronenfluße'nergiespektrum unterhalten wird, dessen Mittelwert oberhalb von 1 keV liegt. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Schnellreaktor, der durch ein über den kritischen Punkt hinaue unter Druck gesetztes wässriges Kühlmittel gekühlt wird. Eine derartige Terminologie für das Kühlmiltel ist aus dem Grunde gewählt, als bei überkritischen Drücken (über 3206 psia (225,65 at» keine deutliche Phasenänderung von Wasser zu Dampf vorliegt, wenn die Temperatur über die kritische Temperatur -(374 Oc) erhöht wird, so daß folglich Unsicherheit darüber-besteht, ob man das Strömungsmittel,Wasser oder Dampf nennen soll.
Die Moderator- bzw. Bremseigenschaft von In einen 8ohnellreaktor eingeführtem wässrigem Kühlmittel setzt das NeutTonenenergiespektrum herab bzw. erweicht es oder macht es weicher /softens/. Das weichere Spektrum erhöht den nicht produktiven Neutroneneinfang, bezogen auf die Spaltung in dem Brennstoff, und setzt sowohl den Betrag der Spaltung in brütbaren Isotopen, wie z.B. U 238 9 als auch die mittlere Anzahl.der je Spaltung erzeugten Neutronen herab, In dem Fall, daß die Kühlinitteldichte aufgrund#eines Temperaturanstiegeo niedriger wird als es dem normalen Betrieb entspricht, wird das Spektrum härter, so daß die obeni:erwähnten Faktoren in entsprechender Weise weniger wirkungsvoll werden, was einen daraus-folgenden Anstieg der Neutronenzahl bedingt, Diesem Lnatieg der Neutrone-nzahl wirkt ein größerer Neutronenverlust des Kernes entgegen, der als Folge der verminderten Kühlmitteldichte auftritt. Es besteht somit nicht nur in kleinen Kernen, in deren ein Verlust bzw.
ein leck herrscht, ein geringerer Spielraum für eine Reaktivitätsabschwächung bei Kühlmittelverlust, sondern in größeren Kernen, bei denen ein Verlust eine geringere Rolle spielt, kann sogar ein heaktivitätogewinn eintreten. Wenn auch das Auftreten eines Kühl.rtittelverluste3 in der Praxis als nahezu unwahrschein-4 lich angesehen werden kann, ist es doch für Reaktoren eine Bedingung, in dieser hinsicht sicher zu gehen. Kurz ausgedrückt, der Reaktor sollte einen negativen Kühlungsaussparungsfaktor /negative coolant void coeffieient/ haben.

In der entsprechenden Hauptanmeldung U 11 048 Vlile/21g (Anwaltsakte 64 126) ist bereits für einei, durch ein über den kritischen Punkt hinaus unter Druck gesetztes wässriges Kühlmittel gekühlten Oci-rnellret-iktor vorgeschlagen, daß über im wesentlichen den gesamten Bereich einer radialen Außenfläone des Kerns eine Trennzone eei,entt-t,er eine".i uii, ebenden Lrutiziante-L besteht, wobei diese Zone durch c.Inen hoi#en Kühlinittelvoluireria2iteil , ekennzeichnet ist. Vorzu#--.sweise ist diese Trennzone v*",lji,-. frei von spalt- und brütb"-rei#i Material., wobei des Scautzbegehren sic- auf den i,ühlinit-cc.lsv-al-t bezieht.

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das Kühlmittel und dadurch zu einer Einsparung der kritischen Masse des Bereiche schnellen Brennstoffes führen. Aufgrund der Bedingung des nicht reduzierenden Einfanges wird ein derartigen Material nicht in wesentlichem Ausmaß zu dem Fluß in dem Spalt beitragen, wenn das Spektrum infolge einer Kühlmittelleerstelle hart wirdi ein ausgeprägtes Ansteigen wegen eines verminderten Einfanges in dem Material könnte schwer den Neutronenverlust durch Leckverlust von dem Spalt aufheben, und die Erfindung vermeidet daher diese Möglichkeit und läßt die Wirkung des Spaltesim wesentlichen unverändert, Unter Berücksichtigung der Verträglichkeit mit dem Kühlmittel genügt das Metall Zirkon am besten der Bedingung des nicht reduzierenden Einfanges. Der erfindungegemäße Schnellkernreaktor, der durch ein über den kritischen Punkt hinaus unter Druck gesetztes wäseriges Kühlmittel gekühlt wird und der einen Bereich schnellen Brennstoffes, der von einem Bereich umgeben ist# der ein größeres Verhältnis von brütbarem zu spaltbarem Material hat als der Brennstoffbereich, sowie eine Zone aufweist, die sich im wesentlichen ununterbrochen entlang der Grenzfläche der beiden Bereiche erstreckt und die einen höheren Volumenanteil an Kühlmittel hat als jeder der beiden Bereiche# ist aomit dadurch gekennzeichnet, daß die Zone einen weiteren bem trächtlichen Volumenanteil, der durch ein.Metall gebildet istg -welches zum überwiegenden Teil Zirkon ist, aufweist* Vorzugsweise ist die Zone frei von brüt- und spaltbarem Material, eo daß die Ergänzung des Kühlmittelvolumenteils ein struktureller Volumenanteil ist, der im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasie besteht. Wegen der Leckverlust-Kontrollfunktion der Zone bzw. des Kühlruittelapaltes sollte es für den Les-er ableitbar sein, daß die Zone eine Dicke hat,-die .größer ist als die mittlere. freie Weglänge der Neutronen im Kühlmittel, unter Zugrundelegung eines Spektrume der Neutronenenergie, wie es während des normalen Betriebe im schnellen Brennstoffbereich vorherrscht. Unter Voraussetzung einer Dichte von 0,8 gr/cm3 beträgt dje mittlere freie Weglänge- . etwa 1,75 ein.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaft en Geetaltungsform des Gegenstandes der Erfindung besteht der strukturelle Volumenanteil des umgebenden Bereiches mit hohem Brütmaterialanteil ebenfalls im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasie. Verglichen mit Stahl, das ansonsten wahrscheinlich an erster Stelle stehen würde, wird dadurch der störende Neutronenanfang reduziert mit einem daraus folgenden Anstieg den Brütverhältnisses, wobei davon ausgegangen wirdv daß der den in-Frage stehenden Bereich erreichende Fluß beträchtlich erweicht würde durch das Kühlmittel in dem Spalt', Ein besonders geeigneter Kühlmittelfluß ist dadurgh ge-_ kennzeichnet, daß die Zone mit hohem Kühlmittelanteil und der Bereich mit hohem Brdtmaterialanteil in getrennten KUlmittel" strömungswegen liegen, durch die ein abgezweigter Teil der Kühlmittelbeschickung des Reaktors hintereinander geleitet wird" bevor er sich wieder mit dem Rest der beachickung vereinigt, um in mindestens einem Strömungeweg durch den Bereich schnellen Brennstoffe.zu fließen. Vorzugsweise folgt der Strömungsmittelweg durch die Zone auf den Strömungsmittelweg.durch den Bereich mit hohem Brütmaterialanteil, um eine bessere Garantie dafür zur erhalten, daß die Kühlmitteldichtein der Zone eine Funktion' der augenblicklichen von dem Bereich schnellen Brennstoffo abgegebenen leiatung Ist, was insbesondere von besonderer Bedeutung für die Steuerung des Reaktors ist*-Bei dem besonderen A.uaführungebeispiel des Gegenstandes der Erfindung, der im Längsschnitt in der einzigen Zeichnung wiedergegeben ist, hat der allgemein mit 1-1 bezeichnete Kern eines Schnellreaktors# der durch ein über den kritischen Punkt hinaus unter Druck gesetztes wässriges Kühlmittel gekühlt wird, eine im großen und ganzen gerade Zyllnderform mit einem Ver- -hältnis von Länge zu Durchmesser (einschließlleh'Brutmantel) von annähernd 0,6. Ummantelte Platten, die als schnellen Brenn-.stoff eine Mischung der Dioxyde von Uran und Ibtonium enthalteng wird aufrecht.in langgeatreckten Gehäusen 12 zusammengepackt, die oben offen sind und an ihren unteren.Enden Fortsätze In Form von hohlen Spitzen bzw, Bolzen 13 habeng' die In Hülsen bzw* Ibeher eines gitterförinigen TragebaÜtelle 14 passen. Die Brennototflänge Z der Platteng die der ixi-der oben angegebenen Verhältniazahl von 0,6 enthaltenen- Länge entspricht$ macht nur einen Teil der qeoamtplattenlänge aus, während der restliche Teil leer ist, um innerhalb der Platten an ihren unteren-Enden einen Hohiraum zu schaffen, der als Sammelbehälter zur Aufnahme von aus dem Brennstoff ausgeschiedenen Spaltproduktgasen dient. Der gittertbimige Tragebauteil 14 trägt die BrennstoffaggregatgehKuse 12 in dichter Packungi so daß-ein Bereich schnellen Brennstoffes geb ildet-wirdo dessen Durchmesserdurch die Größe D angezeigt wird und der einen Kühlmittelvolumenanteil von etwa 22 % aufweist.
Ein den Bereich schnellen Bre#nnstoffes umgebender radialer Brutmantel wird durch ein a doppelte Reihe von Brutmaterialaggrogatgehäusen 15 gebildetu in denen aufrechte lUhen von umbUllten Stiften von natürlichem Urandioxyd enthalten eindg wobei der Kühlmittelvolumenanteil ebenfalls bei etwa 22 % liegt.

Zwischen dem Bereich schnellen Brennstoffes und dem radialen Brutmantelteilbereich befindet sich eine ringförmige Zone 16, die durch innere und äußere im wesentlichen zylindrische Wandungen 17a bzw* 17b gebildet wird. Die Dicke der Zone einschließlich der Wendungen beträgt 311 (ca. 7,62 cm) und die 1; Dicke der.Wandungen ist derart, daß ein Kühlmittelvolumenanteil von etwa 90 £h erhalten wird. Die Wandungen besteheXi aus einer Legierung auf der Basis von Zirkon, z.B. aus Zircaloy 2 (Zirkonlegierung 2) oder Zr-21/2#Nbg so daß folglich der ergänzende strukturelle,Volumananteil völlig aus der Legierung auf Zirkonbasie besteht.

In der Zeichnung--sind nur-diejenigen Teile.dargestellt, die

..für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung von Bedeutung

sind wobe-fes 'enügtp bezUglich:des.Qehäuses für den Kern 11

9

darauf hinzuweisen$. -daß dler Behälter '18,. in dem der, Kern unter--

-gebracht istg mit einem.Zwischen-

um

a ' r -'19 zwi.sc- äu.-der-,in en Wan& 20 und'de'r äußeren Wand 21

.-,wobei die - '1,":Eintrittsbu-dhsdii -22 für-Steuer- -oder

-vor.

ze

24 durchs.eizt

4901 1 ..#ülid E -i?,a--tut n 23 bzw

91A13.eit-,ä7 4r- inneren Yand -20 offen tinid

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W- ämlopf uhd# am- Bodä- des Be-.

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FÖ'fd,e.r,pumpä.#-u.nd ei P- gep -

turbinenanlage -a-bge.zv. i cl b eine -verhälthi:siaäßi-g,

p gt- wird: - ün

-tief e-.. T.emteeä.#g4-..-3#nd- hohez##..PUL-W e#, so# zugele. t

LU'ch# iE#ü 'b

9

2.edl:a - ILn t el -5.-- ufid i ,

,duräh 4e, 1 eX A Ü inera -zw eite D ur ch-gang-:durch

Tone, 16, -strömt n diQ-S,e. :.g#or16 e infe xii-itt- -

1 r

#le.;e Dichte v oh etwa..öe.8 gr/cm3--'zu ergeben.-Um das Kühlmittel

41o.der- hohen Dichte-duroh den radl:glen Brutmantel und die- ring-

-förmige Zone zu leiteri* wird d4esie-Kühlmittel durch die Hilfe-

e#lia-laßetutzen 25 und 26 in den Zwischenraum 19 zwischen-den

inneren ün-d'äußeipezi Behälterwägden bzw.' 21 eingetühxte eer

Kühlmittelptrom-,hoher Dichte ist- in der Tjäge durch Öffnungen 27

in#der inneren Wand 20 aus-dem Zwischenraum in- eine Kammer 28

einzuströmen.., dia von dem Rest d es Inneren des.gitterförmigen

Tragebautelle 14 durch-e'ine-ringförm-ige Trennwand 29 abgetrennt

ist..Beim J trömen. von de 'n Hilfseinlüßstutzen 259 26 zu den Öff-

nungen-27'hat das Kühlmittel hoher Dichte eine kühlende Wirkung-

auf die' in.no:ren,'und äußeren Behä! - terwände- und trägt in Verbin--

dung-Mit eohq"m,atisch bei 30 darg#estellten-Stahlabsichirmungo-

p1.gtten bzw'#-einbautellen zu:c-B.1,lduüg-einer Abe

Beschädigung.der äußeren Wand durch

trQuen #bei wobei. Wehre o Öf:fnungän, wie etwa bei 31 dargestellt#

eine ßt:rö Mung- 1, n- de m. Zwischenraum, 19 von einer- Bei#O zu der. an-_:

deren Seite','dea, gitte:r.förmi geü Tea- geh- autello-14 er14nbeh.

Aus-de KamMe#r 28 kann daö.KUh-Imittel hoher Dichte-in die

Bru,tmaterial,aggrggat-gehäuee 15 eiütroteng durch die es einen

gerichteten mmt. Die #Ge44une

ersten nach.'#obezi- Südiungeverlauf# ni

l'5 sind ani ihren ober'en#Enden Im Gegensatz zu den Brennetoftaggxol#*#

.gatgehäusen 12, See chlos.e en a ie -,Weis en- jedoch im Berich-diesor

.gn--ScÜl-itze 32 auf, die.'untereinander-und mit entsprechenden

SchlItzen-durch die äußere Wandung.17b der einßtörmigen,Zone.-16

übereinstimmen,_ so daß -das Uhlmittel hoher D:Lc)xto- In'#diene-

Zone durch Querströmen -ei#tließt und einen--zweiten,nach-#-Witen*

gerichteten Strömungeweg zwiechon den i nozen und äußeren,

Wandungen 17a, 17b der ringförmigen Zone nimmt, WelteWei Öxt-

nungen 33-in dem gitterförmigen Tragebautell 14-e:einbil-ich-eii.

es daß das Kühlmittel hoher D1

chte aus der ringförmigen Zone-

in.den Hauptinnenraum des gitte-r:tä8rmigen Trag-obau.-telle- auo±JI.eßt

von wo aus das Kühlmittel durch'Schlitze-34 in dii-Apitzen

bzwe Bolzen 13 der,Bren4atoffaggreßa-tgehäuse 12 einfließen

kann, um sich mit der Hauptkühlmittelbezehickung--zu vereinigen

und zu vermischent die in vollvorerwärmtem Zustand dur-vh-.die

Einlaßetutzen 23 zu-geführt wird und in-die'Gehä"e durch die

offenen Enden der- Spitzen bzwi# Bolzen eInitrAxt, Mie vereinigte

,Strömung folgt,ei.nem einzigen nach oben &erleb-boten ßtr.ömungoweg.

durch--dei..Bereich- schnellen Bteunotöf:tost der. -durch die-Brenn-

stottaggeoggtgebäuse 12 geUldet Ist-# um auf einen Kühlmitt eil-

auelaazuotand von 3500 p. 0 #1. A 4 (246

at) -=d 565o0 zu gelange

wobei dieaeg Be durch die. Aus-

lafttutzen 24 abgeleitet

Berech#üzigEin die für eins 1000 XW(B)-tlnhglt odex-Änlage--

dieger -Avi-füheurigefo:rin-i bell det leichte$-Waaöe'r als-Kühlmittel

,veznfendet'#* wird #'dü-r- chgeführt wurden zeige . n'anj# daß der Kühlmit-

ne-gativ' ist in

g#eicher-Weise-wie d14 Reaktivität _AUV den "Boriöoeln bzw.

Strömen" /fiood*#Lng/i d..h.-die Kühlm'Itteldichte Wächst auf ihr

genannte.negative-Änderung,

aximum-,von l# e-#r/em an. -Die-,tuletidt.

W#irl&-,Qbüe#-deil Zusatz eines eli Ith -Gifts-eof#es -/poison/

Kern--erreIcht und- ist In#- g ljiüfaüg - --auf den geri. ngen

.Ktihlmittelaritei 1- in dem -B es zur.U4k-

zu:( ,--werini --vorjtii-ziL%hen--ist-t- -die Ummantelung -der

Stifte- iü----dein--r#(d-ialenBru-teantel- ebenso aus ei-n'r e 'legier' IMe

--Z4j74cinba-sie -besteht #s# eln Gesemt«br-utv.erhältnie (d.,ho

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radialen Brutmantels (den Bereich mit hohem Anteil an brütbarem Material) betrachtet werden. Die ringförmige Zone liegt dann zwar nicht genau an der Brührungsfläche der beiden Bereiche, aber -s-ie liegt noch nahe genug daran, um als benachbart dieser Ih-ührungsfläche betrachtet werden zu können. Eine Verringerung des Brutverhältnisses kann das Ergebnis sein; das- Brutverhältnis entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel würde dann bei etwa 1,25 liegen.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmaleg die im einzelnen -- oder in-Kombination -- in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Claims

Patentansprüche Schnellkernreaktor, der durch ein über den kritischen Punkt hinaus unter Druck gesetztes wässriges Kühlmittel gekühlt wird und der einen Bereich schnellen Brennstoffs, der von einem Bereich umgeben ist, der ein größeres Verhältnis von brütbarem zu spaltbarem Material hat als der Brennstoffbereich, und eine Zone aufweist, die sich im wesentlichen ununterb:#ochen entlang der Grenzfläche der beiden Bereiche erstreckt und die elnen )höheren Volumenanteil-an KUhlmittel hat als jeder der beiden Bereiche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone einen weiteren beträohtlichen Volumenanteil, der durch ein Metall gebildet ist, welches mindestens.zum überwiegenden Teil Zirkon ist, aufweist.
2. Schnellkernreaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichneti daß die Zone frei von brüt- und spaltbarem Material ist und d#e Ergänzung das Kühlmittelvolumenan#eils ein strukturoller-V o1.um04antell ist, der im wesentlichen aus Zirkon oder einer liegierung auf Zirkon-i basis besteht. . 3. Schnellkernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der strukturelle Volumenanteil des umgebenden Bereiches mit hohem Brütmaterialanteil ebenfalls im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasie besteht. 4, Schnellkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone mit hohem Kühlmittelanteil und der Bereich mit hohem Brütmaterialanteil In getrennten Kühlmittelströmungswägen liegen, durch die ein abgezweigter Teil der Kühlmittelbeschickung des Reaktors hintereinander geleitet wird-, bevor er sich wieder mit dem Rest der Beschickung vereinigt, um in mindestens einem Strömungeweg durch den Bdreich schnellen Brennstoffes zu strömen. 5.Schnellkernreaktor nach Anspruch 4, daduro,#ekennzeichnet9

daß der Zonendurchgang dem Durchgang durch den Bereich hohen Brütmaterialanteils folgt. Schnellkernreakto-r nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelbeschickungsanteil oberhalb von-Dampfvorwärmern abgezweigt wird und dadurch eine niedrigere Temperatur als der Rest der Beschickung hat, der direkt dem Bereich schnellen Brennstoffs zugeführt wird. 7. Schnellkernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnett daß die'Dampfvorwärmer derart gestaltet sind, daß sie Kühlmittel bei unterkritischer Temperatur erhalten, wodurch der Kühlmittelbeschickungsanteil, der durch die Zone mit hohem Kühlmittelanteil* und den Bereich mit hohem BrUtmaterialantell geleitet wird, ebenfalle eine unterkritische Temperatur aufweist,