DE1539810C - Metallgekuhlter schneller Atomkern reaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen metallgekühlten schnellen Atomkernreaktor, dessen Kern aus nebeneinandergesetzten zylindrischen Mantelrohren mit vertikaler Achse, die den Spalt- und/oder Brütstoff enthalten, aufgebaut ist, wobei jedes Mantelrohr mehrere übereinandergesetzte Bündel umhüllter Nadelelemente enthält, an seinem oberen und unteren Ende mit Öffnungen für den Durchtritt des Kühlmittels versehen ist und wobei die untere Öffnung eines jeden Mantelrohres in einen direkt unter dem Reaktorkern angeordneten Sammelraum für das zu- oder abfließende Kühlmittel mündet.

Als schnelle Kernreaktoren werden solche Reaktoren bezeichnet, bei denen die bei der Kernspaltung freiwerdenden Neutronen in den verschiedenen spaltbaren, brütbaren und absorbierenden Teilen aufgefangen werden, bevor sie eine merkliche Bremsung durch Moderatormaterial erfahren haben. Der einen hohen Spaltstoffanteil aufweisende eigentliche Kern dieser Reaktoren ist von einer Außenschicht umgeben, die vor allem brütbares Material enthält. Die Kühlung dieser Reaktoren erfolgt durch flüssiges Metall, insbesondere flüssiges Natrium, das im allgemeinen von unten nach oben durch den Reaktorkern hindurchströmt.

Beispiele für Kernreaktoren mit in der obigen Weise gebündelter Anordnung des Kernbrennstoffs finden sich in der USA.-Patentschrift 3 103 477, der französischen Patentschrift 1291 633 und der belgischen Patentschrift 662701. Bei diesen Reaktoren sind die einzelnen Elemente der Brennstoffbündel jeweils für sich mit einer Umhüllung aus Stahl ver-' sehen und alle zusammen in einem vertikalen Mantelrohr untergebracht, wobei die Halterung der einzelnen Elementbündel unter Zwischenschaltung von horizontalen Halteplatten oder Haltegittern erfolgen kann, wie sie beispielsweise in der belgischen Patentschrift 642 316 oder der britischen Patentschrift . 991 258 beschrieben sind.

Bei einer derartigen Bauweise für einen Kernreaktor besteht nun bei einem durch innere oder äußere Gründe veranlaßten mehr oder weniger weitgehenden Ausfall der Kühlung beispielsweise durch das Auftreten von Verstopfungen im Kühlmittelkreislauf die Gefahr, daß sich die Brennstoffelemente infolge ihrer hohen spezifischen Leistung sehr rasch aufheizen, wobei dann die gute Wärmeleitfähigkeit der Kernmaterialien dazu führt, daß der gesamte Reaktorkern sich soweit erhitzt, daß er zum Schmelzen kommt. Das schmelzende Kernmaterial folgt dann der Schwerkraft und sammelt sich am Boden des Reaktorgehäuses zu einer Schicht von rasch anwachsender Reaktivität an, die eine Leistungs- , exkursion zur Folge hat, die bei einem Reaktor mit höherer Nennleistung der Explosion von vielen Tonnen herkömmlichen Sprengstoffs entsprechen kann.

Ausgehend von diesem Stande der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor dieser Art in der Weise weiterzuentwickeln, daß die Gefahr einer unkontrollierbaren Leistungsexkursion bei mehr oder weniger starkem Ausfall der Kühlung des Reaktorkernes mit Sicherheit ausgeschlossen ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Reaktor der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
1. der Querschnitt der unteren Mantelöffnung gleich dem Querschnitt des Mantelrohres am Ort des unteren Elementbündels ist,

2. das untere Elementbündel gleitend im Mantelrohr angeordnet ist, ν

3. das untere Elementbündel an einer Vorrichtung aufgehängt ist, die ihrerseits mittels eines Gehänges an einigen Elementen des darüberliegenden Elementbündels aufgehängt ist,

4. die zur Aufhängung des unteren Elementbündels dienenden Elemente des darüberliegenden Elementbündels eine Zerreißfestigkeit aufweisen, die schon bei einer Temperatur überschritten wird, die unterhalb der Schmelztemperatur der übrigen den Kern bildenden Elemente liegt,

5. der untere Kühlmittelsammelraum in seinem unteren Teil eine Struktur von Trennwänden enthält, derart, daß in an sich bekannter Weise das eventuell herunterschmelzende Brennstoffmaterial nicht in einer kritischen Anordnung zu liegen kommt, und

6. der untere Kühlmittelsammelraum so gestaltet ist, daß er das im Schadensfalle herunterfallende untere Elementbündel aufnimmt.

Das Grundprinzip der Erfindung liegt also darin, daß dafür gesorgt wird, daß bei jedem auch nur denkbaren Schadensfall das spaltbare Material ganz von selbst eine unterkritische Geometrie oder Anordnung einnimmt. Dazu wird bei der Erfindung einerseits von dem aus S, 218 der Zeitschrift »Umschau« von 1959 bekannten Prinzip einer Zerlegung des Reaktorkerns in mehrere Teile unter Schmelzung , von diese Teile zusammenhaltenden Bauelementen und andererseits von der auf S. 87 der Zeitschrift Nucleonics vom Mai 1958 beschriebenen Möglichkeit Gebrauch gemacht, dem schmelzenden Brennmaterial durch eine geometrische Struktur eine gewünschte unterkritische Konfiguration vorzuschreiben.

Durch die kombinierte Anwendung dieser beiden Merkmale in Verbindung mit den weiteren konstruktiven Einzelheiten des erfindungsgemäßen Kernreaktors wird sichergestellt, daß es bei Ausfall einerseits der Kühlung des Reaktorkerns und andererseits sämtlicher sonstiger Sicherungsvorrichtungen dennoch nicht zu einer unzulässigen Leistungsexkursion kommen kann, die eine Gefahr für den Reaktor selbst und seine Umgebung bedeuten könnte.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll nunmehr ein mögliches Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Kernreaktor näher beschrieben werden, das in der Zeichnung veranschaulicht ist. Dabei zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Teil des Reaktorkernes eines in erfindungsgemäßer Weise aufgebauten Atomkernreaktors,

F i g. 2 einen Schnitt durch den Ausschnitt von F i g. 2 entlang der Schnittlinie II-II in F i g. 2 und

F i g. 3 eine schematische und stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Reaktors als Ganzes.

Das in Fig. 1 und 2 gezeigte Brennstoffpaket besitzt ein Mantelrohr 2 mit hexagonalem Querschnitt aus nichtrostendem Stahl, dessen oberes Ende durch ein Abschlußorgan 4 mit Öffnungen 6 für den Eintritt des als Kühlmittel verwendeten Natriums abgeschlossen wird. Das Abschlußorgan 4 besitzt eine Fläche zum Abstützen gegen die untere Wand 8

Claims (5)

3 4 einer Kammer 9 für die Zufuhr von Natrium unter (Fig. 3) oberhalb des unteren Sammelraumes 14. Die Druck (Fig. 3); eine in einer Hülse verschiebbare Abmessungen des Sammelraumes 14 können für die Spindel zur Fixierung und Betätigung der Brennstoff- Aufnahme einer Vorrichtung zur Handhabung des pakete kann gemäß der französischen Patentschrift Brennstoffs vorgesehen sein, wie sie beispielsweise 1463 907 über eine Bajonettverbindung oder über 5 in der französischen Patentschrift 1463 906 beschrie- ein Gewinde, wie bei 10 gezeigt ist, angekuppelt sein. ben ist. Diese wird im wesentlichen durch einen Das untere Ende 12 des Mantelrohres 2 mündet in ersten horizontal längsverschiebbaren Balkenträger einen unteren Sammelraum 14 für das den Kern gebildet, an dessen Ende ein zweiter horizontaler verlassende aufgeheizte Medium. Träger schwenkbar gelagert ist, der verstellbare Das in F i g. 1 gezeigte Brennstoff paket enthält io Stützvprrichtungen für die Aufnahme von vertikal nacheinander von oben nach unten ein Bündel 16 aus dem Kernbereich abgesenkten Elementen auf- der oberen Außenschicht, ein mittleres Bündel 26 weist. (der Verband der mittleren Bündel bildet den Kern) Die Abmessungen des Sammelraumes 14 müssen und ein unteres Bündel 28. aber auf alle Fälle für die Aufnahme der im Kata- Das obere Bündel 16 umfaßt siebenunddreißig 15 strophenfall aus dem Kernbereich herausfallenden dünne Elemente 18; jedes dieser Elemente 18 ist mit Elementbündel ausreichen. einer schraubenlinienförmigen Rippe 20 mit großer Der untere Teil des Sammelraumes 14 wird durch Steigung versehen, die den Abstand zu den Nachbar- eine Struktur 36 zur Aufnahme der bei einem Unfall elementen aufrechterhält. (insbesondere bei einem Aufschmelzen) vom Kern Das untere Ende jedes Elementes 18 ist an einem 20 herkommenden Materialien eingenommen. Die Struk- mit dem Mantelrohr 2 verschweißten Gitter 22 be- tür 36 umfaßt Trennwände bekannter Art, die dazu festigt. Eine zweite Konstruktionsvariante besteht dienen, die Bildung kritischer Konzentrationen bzw. darin, die dünnen Elemente 18 an einem Gitter auf- Ansammlungen zu verhindern. Diese Trennwände zuhängen; beide Bauweisen sind üblich und möglich.. können beispielsweise einen Satz von Abteilen 38 Das Gitter 22 der gezeigten Ausführungsart trägt as begrenzen, die voneinander durch genügend dicke das mittlere Bündel 26, das durch Nadelelemente 24 und schnelle Neutronen absorbierende Wände gegebildet wird, die einen geringeren Durchmesser trennt sind. Außerdem ist vorzugsweise durch eine haben, in größerer Zahl vorhanden sind und ebenfalls Vorrichtung vorgesehen, welche die natürliche Könjeweils eine schraubenförmige Distanzrippe aufweisen. vektion begünstigt und dazu dient, die Kühlung der Die Nadelelemente 24 sind üblicherweise mit einem 30 relativ schwammigen Masse, die durch die wiederver- keramischen Brennstoff mit hohem Schmelzpunkt festigten Materialien gebildet wird und eine beachtliche gefüllt, der an dem mechanischen Verhalten der Restleistung freisetzt, sicherzustellen; als Beispiel Hülle des Elementes (die im allgemeinen aus nicht- zeigt die F i g. 3 Verbindungskanäle 40 mit geringem rostendem Stahl besteht) nicht teilnimmt. Man kann Querschnitt, die vom Boden der Abteile 38 zu einem aber ebenso Nadelelemente eines Typs verwenden, 35 unteren Raum 42 führen, der mit dem Sammelraum bei dem der Brennstoff selbst fest und mit der Hülle 14 in Verbindung steht. ■ in der Weise verbunden ist, daß er dieser seine Der erfindungsgemäße Kernreaktor verhält sich im Wärmeausdehnung teilweise aufprägt. In Elementen Falle einer zu geringen Kühlung oder einer Leistungs- dieses Typs, die bisher zur Erhöhung des Tempe- exkursion in folgender Weise: raturkoeffizienten des Reaktors vorgesehen wurden, 40 Eine Verringerung der Kühlung führt zur Bildung kann man gesinterte Metall-Keramik-Materialien ver- eines Natriumdampfpfropfens in dem mittleren wenden oder auch eine metallische Legierung. Im Bündel 26 (wo die spezifische Leistung viel höher ist Falle einer zu geringen Kühlung oder einer Leistungs- als in den Bündeln 16 oder 28 der Außensehicht): exkursion schmelzen diese Elemente vor den anderen, Die Brennstofftemperatur steigt nun rasch an. In dem und zwar zum einen, weil das Brennstoffmaterial eine 45 Dampfpfropfen, der sich rasch zum unteren Bündel niedrigere Schmelztemperatur besitzt als. reine Kera- " 28 ausdehnt, lastet der Druckgradient im gleichen mik, und zum anderen, weil die Wärmeleitung zwi- Sinne wie die Schwerkraft auf das untere Bündel 28. sehen dem Brennstoff und der Hülle sehr gut ist und Sobald die Nadelelemente 24, die der Aufhängung zusätzliche Wärme zum Schmelzen der Hülle auf des unteren Bündels 28 dienen, infolge der Tempe- diese Weise sehr rasch bereitgestellt wird. 5° raturerhöhung genügend weich geworden sind, wird Gemäß der Erfindung hat zum einen das Mantel- das untere Bündel 28 nach unten herausgetrieben, rohr 2 eine untere öffnung, deren Querschnitt gleich wobei sein freier Fall in den mit Natrium von dem Querschnitt des Teils des Mantelrohres 2 ist, mäßiger Temperatur eingenommenen Sammelraum 14 der die dünnen Elemente des Bündels 28 enthält, in und dann in die Aufnahmeabteile 38 der Struktur 36 der Weise, daß nichts deren Herausfallen aus dem 55 durch nichts gehemmt wird. Die Ablösung des unte- Mantelrohr2 hemmt. ren Bündels 28 vom Kern hat eine Reaktivitäts- Zum anderen ist das untere Bündel 28 an einer abnähme, zur Folge; im Falle eines allgemeinen ein Gitter 30 darstellenden Vorrichtung aufgehängt, Unfalls gewährleistet die Entfernung einer gewissen die selbst wiederum von. einer gewissen Anzahl von Anzahl von Bündeln den Stillstand bzw. Abbruch Elementen 24 des mittleren Bündels 26 getragen 60 der Neutronenreaktion selbst in dem relativ unwahrwird, die vorzugsweise dem Typ mit festem, mit der scheinlichen Fall (der jedoch aus Sicherheitsgründen Hülle verbundenem Brennstoff angehören, wie er berücksichtigt werden muß), daß die anderen Sicheroben beschrieben ist. Das in F i g. 2 gezeigte Gitter 30 heitsvorrichtungen nicht funktionieren. ist über vierundzwanzig Gehänge 32 mit Elementen 24 des mittleren Bündels 26 verbunden. 65 Patentansprüche: Die gegebenenfalls von weiteren hur brütbares Material enthaltenden Elementen umgebende Ge- 1. Metallgekühlter schneller Atomkernreaktor, samtheit des Brennstoffs bildet einen Kernblock 34 dessen Kern aus nebeneinander gesetzten zylin- drischen Mantelrohren mit vertikaler Achse, die den Spalt- und/oder Brütstoff enthalten, aufgebaut ist, wobei jedes Mantelrohr mehrere übereinandergesetzte Bündel umhüllter Nadelelemente enthält, an seinem oberen und unteren Ende mit öffnungen für den Durchtritt des Kühlmittels versehen ist und wobei die untere öffnung eines jeden Mantelrohres in einen direkt unter dem Reaktorkern angeordneten Sammelraum für das zu- oder abfließende Kühlmittel mündet, dadurch gekennzeichnet, daß

1. der Querschnitt der unteren Mäntelöffnung (12) gleich dem Querschnitt des Mantelrohres (2) am Orte des unteren Elementbündels (28) ist,

2. das untere Elementbündel (28) gleitend im Mantelrohr (2) angeordnet ist,

3. das untere Elementbündel (28) an einer Vorrichtung (30) aufgehängt ist, die ihrer- _ao seits mittels eines Gehänges (32) an einigen Elementen (24) des darüberliegenden Elementbündels (26) aufgehängt ist,

4. die zur Aufhängung des unteren Elementbündels (28) dienenden Elemente (24) des as darüberliegenden Elementbündels (26) eine Zerreißfestigkeit aufweisen, die schon bei einer Temperatur überschritten wird, die unterhalb der Schmelztemperatur der übrigen den Kern bildenden Elemente liegt,

5. der untere Kühlmittelsammelraum (14) in seinem unteren Teil eine Struktur (36) von Trennwänden enthält, derart, daß in an sich bekannter Weise das eventuell herunterschmelzende Brennstoffmaterial nicht in einer kritischen Anordnung zu liegen kommt und ·

6. der untere Kühlmittelsammelraum (14) so gestaltet ist, daß er das im Schadensfalle herunterfallende untere Elementbündel (28) aufnimmt.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des unteren Sammelraumes (14) in der gleichen Größenordnung liegt wie das des Reaktorkernes (34).

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände der Struktur (36) aus Neutronen absorbierendem Material bestehen.

4. Atomkernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis.3, dadurch gekennzeichnet, daß in den das Gehänge (32) tragenden Nadelelementen (24) des Elementbündels (26) das spaltbare Material mit seiner Umhüllung verbunden ist, in den übrigen Nadelelementen dieses Bündels dagegen nicht.

5. Atomkernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel von oben nach unten an den Elementbündeln (16, 26, 28) vorbeiströmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen