DE1564964B2 - Gasgekühlter Atomkernreaktor - Google Patents

Description

Brennstoffanordnungen befinden. 25 Es ist eine Angelegenheit des Isotropiegrades, daß

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 2, dadurch ein größerer Einfluß, der vom Gesichtspunkt des gekennzeichnet, daß die Graphitblöcke im Mode- Langzeitbetriebes aus vorhanden ist, nun gefunden ratoraufbau mit ihrer Preßrichtung parallel zur wurde. In einem anisotropischen Material übertrifft, Achse des Moderatoraufbaues angeordnet ist. wenn die ganze Mikroporosität beseitigt ist, der Bei-

30 trag des Anwachsens in Richtung der c-Achse denjenigen der Zusammenziehung in Richtung der

α-Achse in den vorgezogenen c-Achsenrichtungen

oder der Richtung des Materials der Hauptmasse, während er kleiner als die Zusammenziehung in Rich-Die Erfindung bezieht sich auf einen gasgekühlten 35 tung der α-Achse in der anderen Richtung oder den Atomkernreaktor mit einem Graphitmoderatorauf- Richtungen bleibt. Folglich kann das Überwiegen der bau, der zusammengefügte Graphiteinheiten aufweist, Zusammenziehung in Richtung der α-Achse über das wobei solche Teile des Graphits, die eine normale Be- Anwachsen in Richtung der c-Achse in einer Richtriebstemperatur oberhalb 300° C haben, in minde- tung oder in Richtungen, in der oder in denen das stens einer gegebenen Richtung einen makroskopisch 40 geringste Kurzzeitschrumpfen auftritt, so geringgemessenen Wärmeausdehnungsbeiwert aufweisen, fügig sein, daß es auf die Stufe, bei der das Verder größer als 4,5-lO"⁶/⁰ C ist, wobei der Beiwert schwinden der Mikroporosität auftritt, umgekehrt im Bereich von—196° C bis+20° C gemessen ist, werden kann, und in der langen Zeit wird das nach Patent 1439 794. Schrumpfen in ein Anwachsen in dieser speziellen

Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung des 45 Richtung umgewandelt, während das Schrumpfen in Atomkernreaktors nach dem Hauptpatent, die ins- mindestens einer anderen Richtung weiterbesteht. Die besondere dort zum Tragen kommt, wo der Graphit Langzeit-Dimensionsänderungen und die ihnen zueiner Neutronenbestrahlung hoher Dosen unterworfen geordeten inneren Spannungen, die unter diesen Umwird, z. B. Dosen, die Kristallverformungen bzw. ständen in Graphitblöcken auftreten würden, sind -spannungen in Richtung der c-Achse von mehr als 50 unerwünscht. Um diesem Umstand zu begegnen, wird 0,15 hervorrufen. Es hat sich bestätigt, daß die Auf- eine genaue Anforderung an die Isotropie gestellt,
nahmemöglichkeit der Kristallvergrößerung in Rieh- Die Verarbeitung von Graphit in Formteile wird

tung der c-Achse in dem Maße abnimmt, wie die entweder durch Gießen oder Strangpressen des Roh-Verformung in Richtung der c-Achse zunimmt, ver- materials vor der Graphitbildung vorgenommen. Der mutlich infolge des Schwindens bzw. Schließens der 55 Strangpreßvorgang ist zum gebräuchlicheren für Mikroporosität. Diese Verminderung der Aufnahme- Kernreaktorteile geworden; es hat sich jedoch nun möglichkeit der Vergrößerung oder des Wachstums herausgestellt, daß der Preßverformungsvorgang sich in Richtung der c-Achse ist besonders stark bei besser zur Erzielung eines niedrigen Isotropieverhältc-Achsenverformungen oder -beanspruchungen von nisses eignet.

mehr als etwa 0,15, und dies bedeutet einen Zuwachs 60 Demgemäß besteht die Verbesserung der Erfindung in dem Ausmaß, zu welchem eine Vergrößerung in darin, daß das Verhältnis der in zwei zueinander Richtung der c-Achse einer Zusammenziehung in senkrechten Richtungen gemessenen Wärrneausdeh-Richtung der α-Achse entgegenwirken kann. Demzu- nungskoeffizienten des durch Pressung bzw. Preßverfolge kann eine Massenschrumpfungsrate bei »Kurz- formung statt durch Strangpressung hergestellten zeitbetrieb« bei »Langzeitbetrieb« verschwinden. Für 65 Graphits nicht größer, vorzugsweise kleiner als 1,2 ist. Langzeit-Graphit ist daher die vorher erwähnte untere Während im vorhergehenden auf eine Modifika-

Grenze für den linearen Wärmeausdehnungsbeiwert tion Bezug genommen wurde, bei der für Langzeitbesonders geeignet und mag sogar herunter bis zu zwecke der Koeffizient in mindestens einer Richtung

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sogar nur 4,0 · 10~⁶/° C über den vorerwähnten Be- in der Nähe des Aufbaus umkehrt und nach oben reich hinweg sein mag, besteht vielleicht, ganz ab- durch die Brennstoffanordnung strömt, um den darin gesehen von den Erwägungen des Kurzzeitverhaltens, befindlichen Brennstoff zu kühlen. Die Zeichnung ein anderer Grund zum Anstreben von höheren enthält schematisch eine der Brennstoffanordnungen, Wärmeaustauschkoeffizienten; dieser Grund rührt 5 die zum besseren Verständnis über die Lage der daher, daß die für den Massenwärmeausdehnungs- Blöcke herausragend dargestellt ist, und aus der koeffizienten verantwortliche Mikroporosität, die nur Zeichnung geht hervor, daß die Anordnung eine eine Teilwirkung bzw. Teilw<iedergabe der Kristall- äußere Hülse 3 aufweist, die ebenfalls aus Graphit koefnzienten ist, zumindest teilweise von den Span- besteht, wobei innerhalb der Hülse ein Bündel von nungen herrührt, die während der Herstellung ent- io Brennstoffstäben 4 vorgesehen ist.
stehen. Während des Abkühlens des Materials von Wenn auch der anfänglich nach unten gerichtete der Graphitierungstemperatur (herunter) werden Kühlmittelstrom durch den Graphitmoderatoraufbau diese Spannungen durch die unterschiedliche Wärme- eine Kühlwirkung mit sich bringt, so kann doch der ausdehnung der Kristalle in Bereichen, wo die Kri- Trend zu höheren Kühltemperaturen in gasgekühlten stalle ungeordnet gelagert sind, hervorgerufen. Somit 15 Reaktoren sehr wohl bedeuten, daß die normale Armögen weitere Kristallspannungen, wenn die ur- beitstemperatur des Graphits in den Blöcken überall sprüngliche Mikroporosität verschwunden ist, nur über 325° C liegt, und das wird als gegeben vorausdurch die Erzeugung neuer Porositäten in diesen Be- gesetzt. Der Weg, über welchen das Kühlmittel durch reichen der örtlichen Kristall-Mißorientierung ange- den Aufbau strömt, hat die Tendenz, große Abweipaßt werden. Weil ein hoher Wärmeausdehnungs- 20 chungen der Graphitaufbautemperatur in verschiedekoeffizient eine niedrige Ursprungsporosität darstellt, nen Teilen des Aufbaus zu vermeiden. Daher ist eine wird, je größer der Koeffizient ist, die Konzentration Durchschnittstemperatur bedeutsam und könnte beider Bereiche, in denen die Kristalle ungeordnet ge- spielsweise 400° C betragen.

lagert sind, um so kleiner sein. Daher sollte ein iso- Die abgebildete einfache Anordnung bedient sich tropischer Graphit mit einem großen Volumen- 25 weiterhin eines elastischen Umgrenzungsmittels, das Wärmeausdehnungskoeffizienten eine geringere Ten- den Aufbau umgibt, um eine Zentripetalkraft aufzudenz zur Erzeugung einer Langzeitporosität und folg- bringen, die seitlich auf die Blöcke einwirkt; folglich lieh zur Massenausdehnung aufweisen, als die durch wirkt sich jegliches Schrumpfen der seitlichen Abeine solche, die einen kleinen Volumen-Ausdeh- messungen der Blöcke so aus, daß die Brennstoffnungskoeffizienten hat, dargelegt wird. Es wird daher, 30 kanäle gegen die Achse des Aufbaus um einen Betrag wie in der älteren Patentanmeldung, immer noch be- verschoben werden, der progressiv zu den Randzonen vorzugt, daß der Graphit einen linearen Wärme- des Aufbaus hin zunimmt. Bei Verwendung eines ausdehnungskoeffizienten hat, der größer als Graphits zur Herstellung der Blöcke, der den zuvor 5,0 · 10-6/° C über den vorgenannten Bereich hinweg festgelegten Erfordernissen entspricht, kann die Verist. 35 Schiebung jedoch in annehmbaren Grenzen gehalten

Die Dimensionsänderung wird, sogar in der Kurz- und für den Graphit die Gefahr beseitigt werden, von zeit, durch die hierin betrachteten Wärmeausdeh- übermäßigen inneren Spannungen gesprengt zu wernungskoeffizienten niedrig gehalten, und die Isotro- den, so daß sogar die gezeigte einfache Ausführung pieanforderungen gewährleisten, daß eine solche An- unter Umständen einen Vorschlag für große Reaktorderung nicht zu unerwünschten inneren Spannungen 40 kerne beinhaltet, die dazu bestimmt sind, auf extrem des Graphits führen. Bei Anwendung der Erfindung hohe Neutronendosen gebracht zu werden. Die Brennkönnen die Schwierigkeiten weitgehend ausgeschaltet Stoffanordnungshülsen 3 sind vorzugsweise aus dem werden, die andernfalls der Bauweise von festen gleichen Graphit, wenn auch ihr Dimensionsverhalten Graphitmoderatorstrukturen für eine hohe Lebens- von geringem Einfluß ist, weil sie mit Spiel in den dauer bei einer hohen Nennleistung eigentümlich 45 Kanälen 1 sitzen und nicht zu der Integrität des Mosind. Weiterhin wird die Brauchbarkeit bei relativ deratoraufbaus selbst beitragen,
einfacher Ausführung solcher Aufbauten erhöht. Es sei darauf hingewiesen, daß die zuvor fest-

Eine derart einfache Ausführung wird an Hand gesetzte Isotropieforderung noch in einem geringen

der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnungen Ausmaß eine vorgezogene Orientierung der Kristalle

erläutert, welche eine perspektivische Wiedergabe 50 i_m Graphit abdeckt, und daher ist es wichtig, die

einer Gruppe von Graphitblöcken ist, die einen Teil Richtung im Moderatoraufbau, in der diese Orientie-

einer horizontalen Lage oder Schicht des Graphit- rung (oder dieses Korngefüge) am besten angeordnet

moderatoraufbaus eines gasgekühlten Atomkern- wird, zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß sind die

reaktors bildet. Blöcke preßverformt. Bei preßverformtem Graphit

Der vollständige Aufbau besteht aus zahlreichen 55 neigen die Kristalle dazu, sich selbst in Richtung ihrer solcher Lagen, wobei die Blöcke einer jeden Lage auf c-Achse senkrecht zur Preßrichtung auszurichten, und die vorhergehende Lage gestapelt und so ausgerichtet daher wird gerade in dieser Preßrichtung — bei Langwerden, daß sowohl die Rundkanäle 1 als auch die zeitbetrieb — jeglicher Wechsel von Schrumpfen auf schmalen Aussparungen 2 zwischen den einzelnen Anwachsen stärker vorherrschen. Somit wird es vor-Lagen aufeinanderpassen; folglich ist der Aufbau von 60 gezogen, die preßverformten Graphitblöcke so anzuoben bis unten von diesen Kanälen und Aussparun- ordnen, daß die Preßrichtung parallel zur Achse des gen durchsetzt, wobei die ersten für die Brennelement- Aufbaus verläuft. Dadurch brauchen keine Spalten anordnung und die letzteren zum Durchgang des zwischen den seitlichen Stirnflächen der Blöcke vor-Kühlmittels, wie Kohlendioxid unter Druck, durch gesehen zu werden, um der Möglichkeit Rechnung den Aufbau in einem nach unten gerichteten Durch- 65 zu tragen, daß ein Wechsel auf Wachstum schließlich gang (wie durch die Pfeile angedeutet) vorgesehen zu einem Anwachsen über die ursprünglichen Absind, wobei das Kühlmittel anschließend die Richtung messungen hinaus Anlaß gibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

11-, einem Wert von 4,0 ■ 10~6/° C (gemessen über den jj Patentansprüche: Bereich von —196 bis +20° C) reduziert werden: Zu so niedrigen Grenzen hin wird eine wachsende

1. Gasgekühlter Atomreaktor mit einem Gra- Tendenz zu kurzzeitigem Schrumpfen während der

i^; phitmoderatoraufbau, der zusammengefügte 5 Bestrahlung bei Temperaturen über 325° C auftreten,

[I Graphiteinheiten aufweist, wobei solche Teile des wobei das Schrumpfen, das nicht größer als bei neuen

!; Graphits, die eine normale Betriebstemperatur Entdeckungen ermittelt sein mag, durch die von der

oberhalb 300° C haben, in mindestens einer ge- Strahlung induzierte Plastizität des Graphits ausgebenen Richtung einen makroskopisch gemes- geglichen werden kann, und im Langzeitbetrieb wird senen Wärmeausdehnunngsbeiwert aufweisen, der io die Schrumpfungsrate abnehmen, und eine vergleichsgrößer als 4,5 · 10"⁶/⁰ C ist, wobei der Beiwert weise Stabilität wird vorherrschen. Daß der untere im Bereich von —196° C bis +20⁰C gemessen lineare Wärmeausdehnungsbeiwert geeignet bleibt, ist, nach Patent 1439 794, dadurchgekenn- gleich welche Temperatur über 325° C vorhanden ist, zeichnet, daß das Verhältnis der in zwei zu- ist selbstverständlich ein Vorteil, weil dies mit den einander senkrechten Richtungen gemessenen 15 vorhandenen Methoden zur Herstellung großer Gra-Wärmeausdehnungskoeffizienten des durch Pres- phitkomponenten leichter zu erreichen ist; wenn kein sung bzw. Preßverförmung statt durch Strang- Kurzzeitschrumpfen für eine Temperatur von etwa pressung hergestellten Graphits nicht größer, vor- 1200° C, wenn die Kristalle die Form ändern ohne zugsweise kleiner als 1,2 ist. eine merkliche Änderung des Volumens, erzielt wer-

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch 20 den soll, sollte der erforderliche lineare Wärmeausgekennzeichnet, daß die Graphitblöcke so mitein- dehnungsbeiwert etwas über 7,0 · 10~⁶/° C über den ander verbunden sind, daß sie einen Moderator- zuvor genannten Bereich sein, und das gilt in festem aufbau bilden, der von einem zum anderen Ende Graphit, der in hohem Grad isotropisch ist, als unvon Kanälen durchdrungen ist, in denen sich erreichbar.