DE1564307A1 - Vorrichtung zum Regeln eines Kernreaktors - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Regeln eines Kernreaktors Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Regeln und Steuern der bei diesen eintretenden Kernreaktion mittels eines Regelstabes mit zweifacher Wirkung.
• Die Kernreaktion wird in den meisten Fällen durch Einführung eines Regel- oder Steuerstabes in die Zusammensetzung bzw. Eindrehen des Stabes geregelt. Dieser Stab kann ein Neutronen absorbierendes Material enthalten, welches die Geschwindigkeit der Kernrekation herabsetzt, sowie spaltbares-i-iaterial, welches die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, oder Neutronenstreuungs- oder14loderierungsmaterial, das auch die@Reaktionsgeschwindigkeit durch Vergrößerung der Wahrscheinleichkeit, daß Neutronen eine Spaltung verursachen, bevor sie durch nichtspaltende Absorption oder Entweichen verloren gehen, erhöht. Unabhängig von "dem. in Betracht kommenden Kernverfahren erfordert das Regeln . und Kontrollieren der der Regelstab mechanisch innerhalb der reaktiven Zusammensetzung angeorndet wird. Der Kernreaktor wird mit dem ilegelstab bei oder in der Nähe dessen, was gewöhnlich als kritische Stellung (kritischer Zustand) bezeichnet wird, betrieben. Eine Verschiebung des Regelstabes aus dieser Stellung liefert entwedetr ein Neutronenvermehrungsverhältnis (Neutronenreproduktionsverhältnis) unter 1, in welchem Fall. die Neutronendichte abskinkt, oder ein Neutronenvermehrungsverhältnis (Neutronenrep-roduktionsverhältnis) über 1, in welchem Fall die Neutronendichte in dem Reaktor steigt. Abgesehen davon, daß man eine get@.nschte Neutronendichte erhält, wirkt die Rückführung des Regelstabes in die kritische Stellung dahingehend, daß die Reaktion auf der gewünschten Höhe erhalten wird. Da solche Reaktoren mit bewegbaren mechanischen Vorrichtungen arbeiten, um automatisch den Reaktor in den kritischen Zustand während mäßiger Änderungen in den Arbeitsparametern zu regulieren, muß der Reaktor dauernd überwacht, werden, was natürlich gewisse mechanische Bewegungen bedingt.
• Zusätzlich zu der Verwendung von Einrichtungen ür das variable Instellungbringen des Regelstabes mit Beug auf die reaktive Zusammensetzung kann die Kernreaktion auch teilweise oder gänzlich dadurch geregelt werden, daß man in geeigneter

  Weise die Bewegung eines T#:ediums zu der reaktiven Zusammen'-

  setzung@eines Kernreaktors oder von diesem weg regelt. Dieses

  Medium kann auch. als Reaktorkühlmittel dienen. .Es beeinflußt

  jedoch in jedem Fall die Kernreaktion, indem es die Wahrscrein-.

  lichkeit der Neutronenabsorption, der Neutronenspaltung oder

  der Neutronenstreuung ändert. Bisher haben diese Regelvier-

  fahren bewegbare mechanische Vorrichtungen und-diesen zugeord@-Leie.

  Fühleinrichtungen zur Ausführung eür: e.utc@:"E.t:Lschen Regulierung .

  erfordert.

  Aufgabe der Erfindung ist insbescr_dc-re die : @x_r@ffung eines

  verbesserter. Kernreaktors, bei r:clcher@ ein vollstärz'ig mechänis.ch

  passives Steuer - bzw. Regelsystem zur @@ n;rteridüng gelL.-:gt; welches

  insbesondere selbstregulierend ist, wobei vorza =swe:. se das,

  Steuer- bzw. Regelsystem drei Arten von Reakto_1:Leistungsregelung

  und/oder Steuerung ermöglicht, nämlich erstens die Aufrechterhal-tung einer festgesetzten Leistungshöhe, zweitens eine Änderung

  der Leistungshöhe zur Aufrechtherlatung einer.gegebenen Kühl

  mitteltemperatur und-dreittens eine unabhängige Regelung. oder

  Kontrolle über die Leistungshöhe.

  Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines verr

  besserten Kernreaktors mit einem Steuer- bzw. Regelsystem dieser-

  Art, das mit Konvektionskühlung des kritischen Bereiches das .

  Reaktors verträglich ist:

  AllMemein urfaßt die 'Erfindung ein insbe sondere: @'V

  selbstregulierendes, rechanisch passives Steuer- bzw"

  Regelsystem für einen Kernreaktor,- der als. Hauptabschnitt,

  eine reaktionsfähir;e Zusarrensetzung hat, die einen,-, -oder

  .-mehrere Bereiche- aufweist, welche-- spaltbares .Material

  enthalten- d,h, Reaktorbrennstoff, und-die gewühnleh' Hals .

  Kern bezeichnet werden, und innerhalb dieses Abschnit'te:n

  einen oder. mehrere Bereiche haben,. die nichtspaltbares

  Material enthalten und gewöhnlich als Reflektor:bezo-ieh@.

  net werden, Das- Steuer- bzw, Perelsystem umfaßt enep@:@.'

  Regelstab aus Hydr*dr~ateria,l, der r^it Bezur"-äuf deh"H-aÜpt- -

  reaktorabschnitt derart anmeordnet ist, daß ein,-Ende-..-660

  Stabes im Inneren innerhalb dieses Abschnittes liagt-Und

  das -andere. Ende-nach außen vorsteht, Spaltbares t"attlx-ia.1,

  d,h, Reaktorbrenns.toff, oder anderes Material, das einer

  Kernerhitzunar unterworfen ist, kann der .inneren Ende deä.

  Stabes einverleibt werden. Es sind außerder! Mittel. vor-

  .gesehen, '

  die eine ^er@pe raturdi fferenz zwischen dem inneren

  und dem äußeren Ence des Stabes herbeiführen könnent. urr

  die Wasserstoffkonzentration innerhalb der entsprechenden

  Enden des. Stabes zu variieren, Es kann mehr als ein .Rar-- _,

  lerstab in -der -Steuer- bzw; Fegelsyster zur Anwendung ge-

  - langen, Wenn diese Regelstäbe Reaktorbrennstoff enthalten,

  !.

  dienen sie auch als Reaktorbrennstoffelemente im üblichen

  Sinn,

  Die Erfindtxna wird nachstehend anhand der Zeichnung

  beispielsweise näher erläutert,

  In der Zeichnung ist schematisch ein Kernreaktor r^it

  dem .verbesserter. Steuer- bzw, Regelsyster. gemäß der Er-

  findung dargestellt, ,,

  Der in der Zeichnung dargestellte Kernreaktor hat

  einen Hauptabschnitt 10, wie dies in der Technik üblich

  ist, .der einen Kern und einen Reflektor enschließt,

  die allgemein mit 12 bzw, 14 bezeic::net sind, Das Steuer-

  barg, Pegelsyster. gemäß der Erf dndunr. kann allgemein auf

  die meisten üblichen Kernreaktorsystene Anwendung finden -

  un4 p4thält eine oder mehrere Steuer- bzw, Regelelemente

  16, die sowohl-den Kern als auch den Reflektorteil des

  ,Hauptreaktorabschnittes 10 durchdrinmen könnenb lind einen.

  Teil Z.8 in Inneren des Fe akt ors .und einen Teil 20 auf-

  .- weisen,- der sich nach außen erstreckt, Das Elerent 16-ist

  aus Hydridraterial hergestellt und seine Pezelfunktion

  wird allgemein. dadurch erzielt, daß man die Wasserstof'f-

  konzentrat-ion innerhalb des Fe#relelerrents - 36 variiert und

  die Wirkung auf die in der. Häuptebschnitt des Kernreaktors

  auftretende Reaktion ausnutzt, Irr besonderen wird die

  Moderierunp- @ der Kernreaktion erhöht oder herabgesetzt,

  je nachdem, ob die Wasserstoffkonzentration in dem Haupt-

  abschnitt hoch oder niedrig ist. Wasserstoff hat die

  höchste Eigenschaft (Querschnitt) für die Streuung von-

  Neutronen irgendeiner bekannten chemischen Art, Die Neu-

  tronendiffusionsgeschwindlp.:keiten werden beträchtlich

  durch den Streuungsprozeß heftabgesetzt, und dadurch wird

  die Wahrscheinlichkeit, daß Neutronen ,aus 'dem Haupt-

  abschnitt des Reaktors entweichen, verringert, Die

  Kernreaktion3rosahwindigkeit ist wieeerur^ von dem Zurück-

  halten von Neutronen innerhalb der reaktionsfähigen Zusarmen-

  setzung abhängi7, Geeimett Hydriera terialieni d,h, ?'a-

  teria.lien, die Wasserstoef innerhalb ihres Gefüges in

  einer üblichen Kernreaktorurgebung zurückhalt#n können,

  sind Yttrium, Zirkoniur, Silicium, Niobiur^, Cilcium. und

  Bariur, Das Hydridrraterial kann- nit Kernbrennstoffrraterial,

  wie Uran, Plutonium und Thorlur legiert oder auf andere

  " Weise vereinigt werden,.

  Bei der bevorzu-ten Ausführungsfon der Erfindung. '

  wird Reaktorbrennstoff den Hydridrraterial einverleibt, und

  die Temperatur des inneren Abschnitts i2 des Elements wird

  durch das Material selbst.. das für die 'e-,erhitzuna er.pfäng.

  lieh ist, aua; der, ihm einverleibten Reaktorbrennstoff auf-

  recht erhalten; Auf diese .

  Weise ist die-,Temperatur des inneren Abschnitts- unmittelbar von

  der Reaktion abhängig, die-in ihm eintritt.. Es ist ersichtlich,

  daß der Stab die.Doppelvrirkung einer: Regelung der Reaktion und t

  einer Brennstofflieferung für -die Reaktion hat,.-d-.-h.. Wirkungen,

  die bisher. niemals, einem einzigen. Element- einverleibt, waren,.:-.

  Im Gegensatz dazu_.können- die -Temperatur des äußeren. Abschnit

  tes 20 des Hydrid-Steuer- bzw., ßegelements und das Temperatur-

  differential-zwischen dem inneren. Abschnitt 18.des Elements, .

  und= dem.-.äußeren Abschnitt- 20 durch aüßere Heizmi ttel öeregelt..

  werden.. In: der -Zeichnung ist schematisch .eine:e t: ede zur. .

  Ausführung"vo.n Temperaturänderungen indem äußeren Abschnitt.20

  re rre 1

  des Hrdrä@lpmcnts gezeigt. Bei -der beispielstreis.e dargestellten

  Ausführungsform,-ist-ein elektrischer Widerstandsheizkörper. -

  22 an.. Reihe mit einer Kraftauelle., die ,ls . Batterie 2- -darge-

  z

  stellt..ist;- geschaltet- und die durch einen Schalter 26 ein- und

  ausgeschaltet werden kann... Der Stromfluß :aus ,per Kraft-.

  quelle oder,, Batterie `24 -wird durch einen..cinfachen.:Widerstand

  28 -geregelt.,-. -in Reihe. zwischen die Kraftquelle 24-und .. den .

  Widerstan4-;22_= geschaltet. ist.. , , . -- - - . -

  @- Das SteuPr,6-- bzw, Regelsystem beruht auf dem Umstand, : daß

  das--Hydridmaterial eine: variable Wasserstoffkonzentration inner-

  halb des-inneren F.ydridabschnittes 18 vorsieht. Änderungen .

  in der Temperaturdes Abschnittes 20 des Hydridlements,'der

  außerhalb des Piauptrea£':k-,orabschnittes liegt, relativ zu der Temperatur des Abschnitt; 18 des Hydridlements, der innerhalb des Hauptreaktorabschnittes liegt, bewirken, daß die Wasserstoffkonzentratic,: innerhalb des-Hauptreaktorabschnittes sich ent weder-.erhöht oder erniedrigt. Auf diese Weise wird die Reaktivität des Reaktors und dementsprechend die Reaktorleistung dadurch ent::reder aufrechterhalten oder modifiziert, d. h. ' erhöht oder herabgesetzt.
• . Die-Temperaturhöhe des Elements 16 legt die Löslichkeit von Wasserstoff in demhydridmaterial fest. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Abschnitten 18 und 20 des Elements legt die Geschwindigkeit der Wasserstoffdiffusion zwischen den Abschnitten fest, Wärme wird durch das Hydridmaterial freigegeben,wenn Wasserstoff in Lösung eintritt, und. Wärme wird durch das Hydridmaterial absorbiert,-wenn Wasserstoff die Lösung verläßt. Wärme wird nominell zwischen dem . Element 16 und dem Reaktorkühlmittel, welche:den inneren'Abschnitt 18 des Hydridelements umgibt, ausgetauscht, und zwar durch Konvektionskühlung des inneren Abschnittes. Der Fließ-, weg ist durch die Pfeile 30 angedeutet und führt von dem Einlaß 32 zum Auslaß-34. 'Es ist daher erischtlich, daß die Regelung und/oder Steuerung der Reaktorleistung dadurch erzielt werden

  kann, däß man die @e;lsehter@ Temperaturen unter den angegebenen

  Bedingungen vorsieht. - .

  .Während die Erfindung vorstehend in äußerst einfacher.

  Form in Anwendung auf einen nur schematisch in der Zeichnung

  angedeuteten Reaktor beschrieben ist, kann,, wie ersichtlich,

  das--Steuer- bzw. Re#"--lsystem gemäß der Erfindurfg durch eine

  kurze Besehreibun@der Arb-zitsweise des Systems unter typischen

  Arbeiteahweichun :;@:h von der gowünschtsn Vorm erläutert werden.

  Beispielsweise bewirkt eine unerwünschte Abweichung von einer

  gegebenen Energiehöhe, z. B. eine Energieerhöhung, daß die Tem-

  peratur des inneren Abschzitis 18 des Elements sich erhöht,

  wodurch bewirkt ,-:ird, daß Wasserstoff von dem inneren Abschnitt

  18 zum Außenabschnitt 20 diffundiert. .Die sich ergebende

  -Erniedrigung der Wasser sto.z fkonzentration innerhalb das inneren

  a

  Abschnittes des HJdridalements bewirkt, daß die kern:.°ea@Livität

  unter ihren kritischen Wert fällt und daß dementsprechend die

  Reaktorleistung absinkt. flenn die Temperatur des inneren

  Abschnittes mit der Leistunö absinkt, diffundiert der - .

  Wasserstoff zurück in dieser, Abschnitt, wobei sich die Wasser-

  stoffkonzentration innerhalb des inneren Abschnittes des

  Hydridelements 16 erhöht, bis die Reektivität wider auf ihrer.

  kritischen Wert ist. Die gegebene Leistungshöhe wird da.du»ch'

  wiederhergestellt.' Das umgekehrte Verfahren tritt bei.einey .

  unerwünschten Leistungsminderung von einer gegebnen Höhe ein.

  Eine Erhöhung der Wasserstoffkonzentration tritt innerhalb des

  inneren Abschnittes ein, wobei die Kernreaktivität erhöht

  wird und einen Temperaturanstieg mit daraus fblgender Wasser-

  stoffdiffusion von dem inneren zu dem äußeren Abschnitt herber-

  zuführen sucht, bis die gegebene Höhe info41ge nderugg . der

  #

  Wasserstoffkonzentration wiederhergestellt ist.

  Die Temperatur des Kühlmittels oder der REl acivfiuß des

  Kühlmittels und die ;;@.-^r@absorption davon beeinflußt Mark die

  Arbeitsweise des Reaktors, z. B. erhöht eine Änderung der Kühl*

  temperatur von einer öeebenen Höhe, wie z. 3. ein Temperatur-

  anstieg infolge eines verringerten Kühlmittelflusses, die Temperg-

  tur des inneren @bs c::.@. t tes 18 des Elements, #rrcdurch eire Diffum

  sion von Wassers tof f von dem inneren zum aäuM;eren Abschnitt des

  Elements herbeiführt ::ird und als Ergebnis der Folge von zuvor-

  beschriebenen Ereiör-_ssen sich eire veränderte Leistungshöhe

  ergibt, so daß die r;'@:.lte:rperatur wieder auf eine gegebene

  Höhe zurückgeführt wird. Umgekehrt ergibt eine Abnahme der

  Kühltemperatur infolge erhöhten Kühlmittelflusses eine gestei-

  gerte Energiehöhe, welche die Kühltemperatur auf eine gegebene

  Höhe- zurückführt.

  Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß das System nicht nur mechanisch passiv ist, sondern daß das System vollständig selbstregulierend arbeitet.
• Während der Vorgänge zum Ingangsetzen und Abschalten ist es erwünscht, eine unabhängige Regelung der Reaktorleistung zu haben. Eine solche unabhängige Regeleung wird dadurch herbeigeführt, daran die elektrische Heizung des äußeren Abschnittes des Ele::@,:nts variiert und dadurch die erwünschte Tempera,%urdifferenz '-",Zischen dem inneren Abschnitt 18 und dem äußeren Abschnitt 20 des Hydridelements schafft. Durch Änderung der Einstellung des Widerstandes (Rheostaten) tritt eine Erhöhung der elektrischen Leistung von der Batterie ein, was zu einer erhöhten Erhitzung des Widerstandheizkörpers führt. Die Löslichkeit von Wasserstoff in dem inneren Absch nitt 18 des Elements erhöht sich infolge der Leitungserhitzung des inneren Abschnittes durch den äußeren Abschnitt, Wasserstoff diffundiert von dem äußeren Abschnitt 20 zu dem innerer. Abschnitt 18, wobe. die :.lassers tof f konzentration in diesem Abschnitt erhöht und eine Vergrößerung der Kernreaktivität herbeigeführt wird. Eine Herabsetzung der elektrischen Leistung wirkt sich in umgekehrter Weise aus, d. h. es wird die innere Z-iasserstoffkor_zentr-tion herabgesetzt und eine Abnahme der Kernreaktivitüt herbeigeführt. 'Leistungshöhen. im stetigen Zustand werden erreicht, wenn die Wasserstoffkonzentration infolge der inneren Kernerhitzung und der ' äußeren elektrischen Erhi-jzunz die Reaktivität auf ihren kritischen Wert bringt.
• Es ist ersichtlich, ca:@ das vereinfachte Regelsystem gemäß der Erfindung, das mit einfacher Konvektionskühlung des kritischen Bereiches des _:eaktors sehr verträglich ist, ein mechanisch passives System liefert, das von sich aus selbstregulierend ist, und bei dem die Notwendigkeit von Regelstangen, Regeltrommeln, l#;;slichen Giften usw., die bei den bekannten Vorrichtungen gewös_nlich verwendet werden, beseitigt ist.
• Die Leistungshöhe des Reaktors wird natürlich teilweise durch die Menge an Wärme Seregelt,. die durch das Kühlmittel, welches--den inneren Absähri tt 18 des Hydridlements. umgibt, entfernt wird. Das" Ausmai# oder die Geschwindigkeit des Kühlmi ttelflusses kann variiert werden, wobei das Kühlmittel danach in Dampf innerhalb eines Z-il''--y_leaustauschers (nicht dargestellt), der entweder außerhallD oder innerhalb des Ijauptreaktorabschnittes 10 lieÜt, ausgetauscht wird. Die Dampfleistung kann natürlich in üblicher Ueise zum E nutzen, zur Krafterzeugung usw. ausgenutzt werden.
• Es ist ersichtlich, daß bei der dargestelltn bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein einfacher kompakter Kernreaktor geschaffen ist, der keiner Wartung bedarf, da keine sich bewegenden Teile, keine mechanischen Regelstäbe, vorhan-. den sind, und der Reaktor von sich aus ist.

Claims (1)

1. Pptentan srri' ehe 1, Vorrichtung zur.: Pereln eines Kernreaktors r:it einer, Reaktorkern, gekennzeichnet durch eine erste Hydrideinrichtung, die in arbeitsmäßirer Beziehunc zu den Reaktorkern angeordnet werden kann, und eine zweite Hvdrideinrichtung, deren Temperatur im wesentlichen unabhängig von der Temperatur der ersten Hydrideinrichtunm reeelbpr ist, wobei Mittel, die den Transport von Wasserstoff zwischen der ersten und der zweiten Hydrideinrichtunr gestatten, und eine Einrichtung zur unabhänriren Rer:elunr der Temperatur der zweiten Hydrideinrichtunr vorhanden sind, 2, Vorriehtunm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daA die Einrichtunr- zur unabrängiden Perelunp der Temperatur der zweiten Hydri deinrichtunm elektrische Heizmittel umfaßt, die mit der zweiten Hydrideinrichtuns so zusarmenarbeiten, daA die Terperatur der zweiten Hydrideinrichtung gegenüber der ersten Hydrideinricrtun7 erhöht wird, 3, Vorrichtung naer Anspruch 1 oder 2, dadurch. gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Hydrideinrichtung einen Teil aus Hydridmaterial (16) ur4'assen, dessen erster Abschnitt (18) in arbeitsräßimer Beziehun7 zu der.. Reaktorkern. angeordnet ist, und dessen zweiter Abschnitt (20) außerhalb des Kernes liegt, 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekernzeichnet, da3 Reaktorbrennstoff der Abschnitt (18) des Hydridteiles (1ü), der im Inneren des Kernes (12) liegt; einverleibt ist. 5. Vorrichtung naci: einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekeiarzeichnc*G, cü. das Hydr idma terial jaus Yttriumhydrid Zirkonium'hydrid, Silic_'Lur::nydrid, i@iobiumhydrid, Caleiumhydrid und Bariumhydr id besteht . ö. VorrichtunAnspruch 4 oder 5, dadurch gekenn- zeichnet, date der eirlve= leibte neaktorbrenns tof f aus Uran, Plutonium oder Thc-.,y_L::: bes t,e1It . 7. Vorr ichtun_- __,..::L einem der Ansprüche -" bis 6, ge- kennzeichnet durch elektrisches heizeler.@ent (22), das in der Nähe des au:dzerhalb des Kernes liegenden hüschnittes (2Ö) *des Hydridteiles (1c) ai_geordnet ist B. Vorrich tui2g nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß :i.;.hi=@ttel in den Reaktorkern (12) in der Nähe des inneren Abschnittes (18) des-H ydridregel"teiles (16) angeordnet sind. '