DE1539006B2 - Schneller Atomkernreaktor - Google Patents

Description

Kühlmittelspalt des Reaktors nach dem Hauptpatent ein Material vorzusehen, bei dem ein parasitärer Neutroneneinfang infolge der Erhärtung des normalen Betriebsneutronenflußspektrums nicht sonderlich vermindert wird. Dieses Material kann die Neutronen auch mit einem geringeren Verlust an Neutronenenergie reflektieren als das Kühlmittel und dadurch zu einer Einsparung der kritischen Masse des Bereichs schnellen Brennstoffes führen. Auf Grund der Bedingung des nicht reduzierten Einfangs wird ein derartiges Material nicht in wesentlichem Ausmaß zu dem Fluß in dem Spalt beitragen, wenn das Spektrum infolge einer Kühlmittelleerstelle hart wird; ein ausgeprägtes Ansteigen wegen eines verminderten Einfangs in dem Material könnte schwer den Neutronenverlust durch Leckverlust von dem Spalt aufheben. Die Erfindung vermeidet daher diese Möglichkeit und läßt die Wirkung des Spaltes im wesentlichen unverändert.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die genannte Zone außer dem hohen Volumenanteil an Kühlmittel einen hohen Volumenanteil an Strukturmetall aufweist.

Das Strukturmetall kann im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasis bestehen, wobei auch das Strukturmetall des umgebenden Bereiches mit hohem Brütmaterialanteil im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasis bestehen kann.

Zweckmäßig liegen die Zone mit hohem Kühlmittelanteil und der Bereich mit hohem Brütmaterialanteil in getrennten Kühlmittelströmungswegen, durch die ein abgezweigter Teil der Kühlmittelbeschickung des Reaktors hintereinander geleitet wird, bevor er sich wieder mit dem Rest der Beschickung vereinigt, um j.n mindestens einem Strömungsweg durch den schnellen Brennstoffbereich zu strömen.

Die Abzweigung des Teiles der Kühlmittelbeschikkung erfolgt oberhalb von Dampf Vorwärmern und hat' dadurch eine niedrigere Temperatur als der Rest der Beschickung, der direkt dem Bereich schnellen Brennstoffs zugeführt wird. Dabei sind die Dampfvorwärmer derart gestaltet, daß sie Kühlmittel bei unterkritischer Temperatur erhalten, wodurch der Kühlmittelbeschickungsanteil, der durch die Zone mit hohem Kühlmittelanteil und den Bereich mit hohem Brütmaterialanteil geleitet wird, ebenfalls eine unterkritische Temperatur aufweist.

Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, das in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellt ist, hat der Kern 11 eines schnellen Atomkernreaktors, der durch ein über den kritischen Punkt hinaus unter Druck gesetztes wäßriges Kühlmittel gekühlt wird, eine im großen und ganzen gerade Zylinderform mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser (einschließlich Brutmantel) von annähernd 0,6. Ummantelte Platten, die als schnellen Brennstoff ein Gemisch der Dioxide von Uran und Plutonium enthalten, sind aufrecht in langgestreckten Gehäusen 12 zusammengepackt, die oben offen sind und an ihren unteren Enden Fortsätze in Form von hohlen Spitzen bzw. Bolzen 13 haben, die in Hülsen bzw. Löcher eines gitterförmigen Tragebauteils 14 passen. Die Brennstofflänge L der Platten, die der in der oben angegebenen Verhältniszahl von 0,6 enthaltenen Länge entspricht, macht nur einen Teil der Gesamtplattenlänge aus, während der restliche Teil leer ist, um innerhalb der Platten an ihren unteren Enden einen Hohlraum zu schaffen, der als Sammelbehälter zur Aufnahme von aus dem Brennstoff ausgeschiedenen Spaltproduktgasen dient. Der gitterförmige Tragebauteil 14 trägt die Brennstoffaggregatgehäuse 12 in dichter Packung, so daß ein Bereich schnellen Brennstoffes gebildet wird, dessen Durchmesser durch die Größe D angezeigt wird und der einen Kühlmittelvolumenanteil von etwa 22% aufweist.

Ein den Bereich schnellen Brennstoffes umgebender radialer Brutmantel wird durch eine doppelte

to Reihe von Brutmaterialaggregatgehäusen 15 gebildet, in denen aufrechte Reihen von umhüllten Stiften von natürlichem Urandioxyd enthalten sind, 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. 176 gebildet wird. Die Dicke der Zone einschließlich der Wandungen beträgt etwa 7,62 cm und die Dicke der Wandungen ist derart, daß ein Kühlmittelvolumenanteil von etwa 90% erhalten wird. Die Wandungen bestehen aus einer Legierung auf der Basis von Zirkon, so daß folglich der ergänzende strukturelle Volumenanteil völlig aus der Legierung auf Zirkonbasis besteht.

In der Zeichnung sind nur diejenigen Teile dargestellt, die für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung von Bedeutung sind, wobei es genügt, bezüglieh des Gehäuses für den Kern 11 darauf hinzuweisen, daß der Behälter 18, in dem der Kern untergebracht ist, doppelwandig gestaltet ist, mit einem Zwischenraum 19 zwischen der inneren Wand 20 und der äußeren Wand 21, wobei die äußere Wand von Eintritts-

'büchsen 22 für Steuer- oder Regelstäbe und Einlaß- und Auslaßstutzen 23 bzw. 24 durchsetzt ist, die alle zur Innenseite der inneren Wand 20 offen sind, die äußere Wand wird weiterhin am Kopf und am Boden des Behälters von Hilfseinlaßstutzen 25 und 26 durchdrungen, die jedoch nur zum Zwischenraum 19 hin offen sind.

Um die erforderliche Neutronenverlustkontrolle mittels des Kühlmittels in der ringförmigen Zone 16 zu erhalten, soll die Dichte dieses Kühlmittels hoch und folglich die Temperatur mindestens unterkritisch sein. Unter der Voraussetzung, daß der Reaktor in einem direkten Umlauf verwendet wird, wird ein geringerer Teil der Kühlmittelbeschickung, die zwischen der Förderpumpe und den Dampfvorwärmern einer typischen Dampfturbinenanlage abgezweigt wird und deshalb eine verhältnismäßig tiefe Temperatur und hohe Dichte hat, so zugeleitet, daß sie in ausreichender Menge in einem ersten Durchgang bzw. Strömungsweg durch den radialen Mantel 15 und in einem zweiten Durchgang durch die kreisringförmige Zone 16 strömt, um in dieser Zone eine mittlere Dichte von etwa 0,8 g/cm³ zu ergeben. Um das Kühlmittel dieser hohen Dichte durch den radialen Brutmantel und die ringförmige Zone zu leiten, wird dieses Kühlmittel durch die Hilfseinlaßstutzen 25 und 26 in den Zwischenraum 19 zwischen den inneren und äußeren Behälterwänden 20 bzw. 21 eingeführt. Der Kühlmittelstrom hoher Dichte ist in der Lage, durch Öffnungen 27 in der inneren Wand 20 aus dem Zwischenraum in eine Kammer 28 einzuströmen, die von dem Rest des Inneren des gitterförmigen Tragebauteils 14 durch eine ringförmige Trennwand 29 abgetrennt ist. Beim Strömen von den Hilfseinlaßstutzen 25, 26 zu den

Öffnungen 27 hat das Kühlmittel hoher Dichte eine kühlende Wirkung auf die inneren und äußeren Behälterwände und trägt in Verbindung mit schematisch bei 30 dargestellten Stahlabschirmungsplatten bzw. -einbauteilen zur Bildung einer Abschirmung gegen Beschädigung der äußeren Wand durch vom Kern her stammenden Neutronen bei, wobei mehrere Öffnungen, wie etwa bei 31 dargestellt, eine Strömung in dem Zwischenraum 19 von einer Seite zu der anderen Seite des gitterförmigen Tragebauteils 14erlauben.

Aus der Kammer 28 kann das Kühlmittel hoher Dichte in die Brutmaterialaggregatgehäuse 15 eintreten, durch die es einen ersten nach oben gerichteten Strömungsverlauf nimmt. Die Gehäuse 15 sind an ihren oberen Enden im Gegensatz zu den Brennstoffaggregatgehäusen 12 geschlossen, sie weisen jedoch im Bereich dieser Enden Schlitze 32 auf, die untereinander und mit entsprechenden Schlitzen durch die äußere Wandung 17b der ringförmigen Zone 16 übereinstimmen, so daß das Kühlmittel hoher Dichte fn diese Zone durch Querströmen einfließt und einen zweiten nach unten gerichteten Strömungsweg zwischen den inneren und äußeren Wandungen 17a, YIb der ringförmigen Zone nimmt. Weitere Öffnungen 33 in dem gitterförmigen Tragebauteil 14 ermöglichen es, daß das Kühlmittel hoher Dichte aus der ringförmigen Zone in den Hauptinnenraum des gitterförmigen Tragebauteils ausfließt, von wo aus das Kühlmittel durch Schlitze 34 in die Spitzen bzw. Bolzen 13 der Brennstoffaggregatgehäuse 12 einfließen kann, um sich mit der Hauptkühlmittelbeschickung zu vereinigen und zu vermischen, die in voll vorerwärmtem Zustand durch die Einlaßstutzen 23 zugeführt wird und in die Gehäuse durch die offenen Enden der Spitzen bzw. Bolzen einströmt. Die vereinigte Strömung folgt einern einzigen nach oben gerichteten Strömungsweg durch den Bereich schnellen Brennstoffes, der durch die Brennstoffaggregatgehäuse 12 gebildet ist, um auf einen Kühlmittelauslaßzustand von 246,1 at und 565° C zu gelangen, wobei dieses Auslaßkühlmittel aus dem Behälter durch die Auslaßstutzen 24 abgeleitet wird.

Berechnungen, die für eine 1000 MW(E)-Einheit oder -Anlage dieser Ausführungsform, bei der leichtes Wasser als Kühlmittel verwendet wird, durchgeführt wurden, zeigen an, daß der Kühlmittelaussparungsfaktor negativ ist, in gleicher Weise wie die Reaktivität auf das »Berieseln bzw. Strömen«, d. h. die Kühlmitteldichte wächst auf ihr Maximum von 1 g/cm³ an. Die zuletzt genannte negative Änderung wird ohne den Zusatz eines epithermen Giftstoffes in dem Kern erreicht und ist in großem Umfang auf den geringen Kühlmittelanteil in dem Bereich schnellen Brennstoffes zurückzuführen. Wenn, wie es vorzuziehen ist, die Ummantelung der Stifte in dem radialen Brutmantel ebenso aus einer Legierung auf Zirkonbasis besteht, ist ein Gesamtbrutverhältnis (d. h. Anzahl der gebildeten Plutoniumatome zur Anzahl der vernichteten) von 1,36 erreichbar. Bei axialen Brutmänteln, die ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen, würde diese Verhältniszahl noch höher liegen. Obwohl im obigen nur leichtes Wasser als Kühlmittel erwähnt ist, ist die Erfindung auch dort anwendbar, wo schweres Wasser oder eine Mischung von leichtem und schwerem Wasser verwendet wird.

Als Hilfsmittel zur Milderung eines Leistungsmaximums an der Peripherie des Bereichs schnellen Brennstoffes kommt die Anordnung einer dünnen Schicht von Brennstoff mit geringem Anteil an spaltbarem Material zwischen der ringförmigen Zone und der Peripherie des Bereichs schnellen Brennstoffes in Betracht. Die Verringerung des Anteils an spaltbarem Material kann ohne Beeinflussung des Kühlmittelvolumenanteils durch Austausch des spaltbaren Materials gegen entweder ein inertes Streckmittel, z. B. Magnesia, oder zusätzliches brütbares Material erreicht werden. Im Fall der letztgenannten Alternative kann die Schicht mit einem geringen Anteil an spalt-'barem Material als Teil des radialen Brutmantels (den Bereich mit hohem Anteil an brütbarem Material) betrachtet werden. Die ringförmige Zone Hegt dann zwar nicht genau an der Berührungsfläche der beiden Bereiche, aber sie liegt noch nahe genug daran, um als benachbart dieser Berührungsfläche 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schneller Atomkernreaktor mit einem im wesentlichen zylinderförmigen schnellen Brennstoffbereich, welcher von Bereichen umgeben ist, die ein größeres Verhältnis von brütbarem zu spaltbarem Material als das des schnellen Brennstoffbereichs aufweisen, wobei die Bereiche durch strömendes Wasser von überkritischem Druck und unterkritischer Temperatur gekühlt werden, und wobei zwischen diesen beiden Bereichen eine Zone vorhanden ist, die frei von brütbarem und spaltbarem Material ist, die nahe der Grenzfläche zwischen diesen Bereichen liegt und die sich mindestens über eine der sich aus den Endflächen und der radialen Umfangsflache zusammensetzenden Außenflächen des schnellen Brennstoffbereiches erstreckt, wobei diese Zone eine Dicke aufweist, die größer ist als die mittlere freie Weglänge der* Neutronen im Kühlmittel bei einem Neutronenenergiespektrum, wie es im schnellen Brennstoffbereich während des Normalbetriebes des Reaktors vorhanden ist und wobei diese Zone einen größeren Volumenanteil an Kühlmittel aufweist als jeder der beiden vorgenannten Bereiche, nach Patent 1439839, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zone außer dem hohen Volumenanteil an Kühlmittel einen hohen Volumenanteil an Strukturmetall aufweist.

2. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturmetall im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasis besteht.

3. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturmetall des umgebenden Bereiches mit hohem Brütmaterialanteil ebenfalls im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasis besteht.

4. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone mit hohem Kühlmittelanteil und der Bereich mit hohem Brütmaterialanteil in getrennten Kühlmittelströmungswegen 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 Strömungsweg durch den schnellen Brennstoffbereich zu strömen.

5. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigung des Teiles der Kühlmittelbeschickung oberhalb von Dampfvorwärmern erfolgt und dadurch eine niedrigere Temperatur als der Rest der Beschickung hat, der direkt dem Bereich schnellen Brennstoffs zugeführt wird.

6. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, 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 Brütmaterialanteil geleitet wird, ebenfalls eine unterkritische Temperatur aufweist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellen Atomkernreaktor mit einem im wesentlichen zylinderförmigen schnellen Brennstoffbereich, welcher von Bereichen umgeben ist, die ein größeres Verhältnis von brütbarem zu spaltbarem Material als das des schnellen Brennstoffbereichs aufweisen, wobei die Bereiche durch strömendes Wasser von überkritischem Druck und unterkritischer Temperatur gekühlt werden, und wobei zwischen diesen beiden Bereichen

ίο eine Zone vorhanden ist, die frei von brütbarem und spaltbarem Material ist, die nahe der Grenzfläche zwischen diesen Bereichen liegt und die sich mindestens über eine der sich aus den Endflächen und der radialen Umfangsfläche zusammensetzenden Außenflächen des schnellen Brennstoffbereiches erstreckt, wobei diese Zone eine Dicke aufweist, die größer ist als die mittlere freie Weglänge der Neutronen im Kühlmittel bei einem Neutronenenergiespektrum, wie es im schnellen Brennstoffbereich während des Normalbetriebes des Reaktors vorhanden ist und wobei diese Zone einen größeren Volumenanteil an Kühlmittel aufweist als jeder der beiden vorgenannten Bereiche, nach Patent 1439 839.

Durch »Nuclear Science and Engineering« 4 (1958),insbesondereSeite760,Fig. 9, ist es bekannt, zwischen Brennstoff- und Brutzone eine von brüt- und spaltbarem Material freie Zone einzuschalten.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen schnellen Atomkernreaktor, der durch ein über den kritischen Punkt hinaus unter Druck gesetztes wäßriges Kühlmittel gekühlt wird. Da bei überkritischen Drücken (über 225,65 ata) keine deutliche Phasenänderung von Wasser zu Dampf vorliegt, wenn die Temperatur über die kritische Temperatur (374° C) erhöht wird, besteht folglich eine Unsicherheit darüber, ob man das Medium Wasser oder Dampf nennen soll.
Die Moderatoreigenschaft von in einen schnellen

' Reaktor eingeführtem wäßrigen Kühlmittel setzt das Neutronenenergiespektrum herab bzw. macht es weieher. Das weichere Spektrum erhöht den unproduktiven Neutroneneinfang, bezogen auf die Spaltung im Brennstoff, und setzt sowohl den Betrag der Spaltung in brütbaren Isotopen, wie z. B. U²³⁸, als auch die mittlere Anzahl der je Spaltung erzeugten Neutronen herab. In dem Fall, wo die Kühlmitteldichte auf Grund eines Temperaturanstiegs niedriger wird, als es dem normalen Betrieb entspricht, wird das Spektrum härter, so daß die obenerwähnten Faktoren in entsprechender Weise weniger wirksam werden, was einen daraus folgenden Anstieg der Neutronenzahl bedingt. Diesem Anstieg der Neutronenzahl wirkt ein größerer Neutronenverlust des Kerns entgegen, der als Folge der verminderten Kühlmitteldichte auftritt. Es besteht somit nicht nur in kleinen Kernen, in denen ein Verlust bzw. ein Leck herrscht, ein geringer Spielraum für eine Reaktivitätsschwächung bei Kühlmittelverlust, sondern auch in größeren Kernen, bei denen ein Verlust eine geringere Rolle spielt, kann sogar ein Reaktivitätsgewinn eintreten. Wenn auch das Auftreten eines Kühlmittelverlustes in der Praxis als nahezu unwahrscheinlich angesehen werden kann, ist es doch für Atomkernreaktoren eine Bedingung, in dieser Hinsicht sicherzugehen. Kurz ausgedrückt, der Reaktor sollte einen negativen Kühlmittel-Blasenkoeffizienten oder Leerraumkoeffizienten haben.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Atomkernreaktors nach dem Hauptpatent, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, in Verbindung mit dem