DE1589492A1

DE1589492A1 - Reaktorkern fuer schnelle Reaktoren zur direkten Umwandlung der freigesetzten Waerme in elektrische Energie

Info

Publication number: DE1589492A1
Application number: DE19671589492
Authority: DE
Inventors: Gross Dr Franz; Rudolf Krapf
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1967-01-03
Filing date: 1967-01-03
Publication date: 1970-04-09
Also published as: US3683209A; FR1550636A; GB1193541A

Description

BBC

MANNHEIM

Mannheim, den 29.12.66 Pat.Ki/Mi

Mp.-Nr. 733/66

Reaktorkern für schnelle Reaktoren zur direkten Umwandlung der freigesetzten Wärme in elektrische Energie

,Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktorkern für schnelle Reaktoren zur direkten Umwandlung der freigesetzten Wärme in elektrische Energie mittels Konvertern mit innenliegendem Kollektor und außenliegendem Emitter.

Thermionische Wandler haben die Aufgabe, Wärmeenergie unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln. Sie bestehen aus zwei eng benachbarten Elektroden, von denen die eine als Emitter so stark aufgeheizt ist, daß Elektronen emittiert werden, die von der anderen Elektrode, dem Kollektor, abgeführt werden. Die Differenz der Austrittsarbeit ist als elektrische Arbeit verfügbar. Wie von den Grlühemissionsröhren bekannt ist, entsteht vor einer Elektronen emittierenden Fläche eine negative Raumladung, die den weiteren Austritt von Elektronen behindert. Aus diesem Grunde wählt man den Elektrodenabstand sehr klein und kompensiert die negative Raumladung durch positive Ionen, indem man beispielsweise dem Elektrodenzwischenrauin Cäsiumdampf zuführt»

Als Wärmequelle kann in bekannter Weise die bei der Kernspaltung freiwerdende Wärme verwendet werden. Man baut in diesem Falle den Kernbrennstoff mit den Elektroden zu einem therraionischen Wandler zusammen, von denen mehrere elektrisch in Reihe zu einem thermionisehen Brennstab geschaltet sind. Der Kernbrennstoff ist bei diesen bekannten Anordnungen im Innern des Emitters angeordnet. Die entstehenden Spaltgase werden in einem besonderen Raum gesammelt, aus dem sie laufend abgepumpt werden.

Derartige Brennstäbe bilden beispielsweise mit dem Moderator, dem Reflektor und den Regelstäben einen thermischen Reaktor (Zeit* »Atom^irgie'S 1965, Heft 9/10, Seite 565).

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Die Verwendung von Reaktoren mit tiermionischen Brennstäben in Raumfluggeräten zur Energieversorgung der Bordgeräte setzt jedoch ein geringes Leistungsgewicht voraus (Masse pro Leistungseinheit), da die Masse wegen der hohen Kosten für den Transport eine entscheidende Rolle spielt.

Aus diesem Grunde werden für große Leistungen über 200 Kilowatt elektrischer Leistung schnelle Reaktoren verwendet, da das Fehlen des Moderators eine kompaktere Anordnung mit geringem Leistungsgewicht ermöglicht. Es ist bekannt (Zeitschrift "Atomkernenergie" , 1965, Heft 9/IO, Seite 368), die thermionischen Brennstäbe in der Spaltzone eines schnellen Reaktors in einem hexagonalen Gitter innerhalb des Druckbehälters anzuordnen.

Schnelle Reaktoren, die für einen Leistungsbereich bis 2 ^ 2 Megawatt thermischer Leistung - ausgelegt sind, müssen jedoch rund 50 io ihres Gesamtgewichtes an Kernbrennstoff enthalten, damit die gesamte Anordnung noch kritisch wird. Etwa 35 $ des Kernvolumens beansprucht das Kühlmittel, so daß für die thermionischen Brennstäbe nur etwa 15 i» zur Verfügung steher.

Eine derartige Aufteilung des Volumens auf den Kernbrennstoff und die bekannten thermionischen Brennstäbe ist jedoch im betrachteten Leistungsbereich nicht möglich.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles wurden in der Patentanmeldung B 89 094? 21g_f thermionische Wandler vorgeschlagen, deren Kollektor als Ionenelektrode und der Emitter als Außenelektrode, welche vom Kernbrennstoff umgeben ist, ausgebildet sind. Der Innenraum des Kollektors enthält in diesem Falle die Einrichtungen für die Zu-und Ableitung des Kühlmittels. Diese können entweder als konzentrische Rohre in Gegenstromanordnung oder als durchgehende Rohre ausgebildet sein. Bei elektrischer Parallelschaltung der thermionischen Wandler kann der Kühlkreislauf zugleich als Leiter der Kollektorströme dienen.

Die Verwendung dieser vorgeschlagenen Wandler in Kernreaktoren setzt jedoch einen spezifischen Aufbau des Reaktorkerns voraus. '

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Es ist Aufgabe der Erfindung, hierfür die günstigste Anordnung anzugeben. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff in unterkritische Scheiben unterteilt ist, deren Reaktivität durch Änderung ihres gegenseitigen Abstandes beeinflußt wird und daß die Konverter in den einzelnen Scheiben eingebettet sind. Die Reaktivität ist bekanntlich ein Maß für die Neutronenproduktion, die den eich einstellenden Neutronenfluß bestimmt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in an sich bekannter Weise mittels zusätzlicher Regelstäbe die Reaktivität geändert.

Ein besonderes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist in der Fig. 1 dargestellt mit einem Schnitt parallel zur Achse des Reaktors, während die Fig. 2 die Aufsicht auf eine Scheibe zeigt.

Die unterkritische Masse des Kernbrennstoffes 1 ist in einer zylinderförmigen, metallischen Umhüllung 2, dem sogenannten Cladding, und einer Wärmeisolation 7 angeordnet, die einen zentralen Kanal 15 zur Aufnahme der allen thermionischen Wandlern gemeinsamen Leitungen 11a und 11b bzw. 12a und 12b und 14a und' 14b und 16a und 16b für die Zuführung des Cäsiumdampfes bzw. für die Zu-und Ableitung des Kühlmittels und für die Stromleitungen besitzt.

Das Cladding dient gleichzeitig zur Halterung der Emitter 3 der einzelnen thermionischen Wandler, die vom Kernbrennstoff umgeben sind. Sie,bestehen jeweils aus dem als konzentrische Rolie ausgebildeten Emitter 3 und dem in seinem Innern angeordneten Kollektor 4,. die. beide durch Ieolierringe 5 zur Ausbildung des mit Cäsiumdampf gefüllten Elektrodenzwischenraumes voneinander getrennt sind. Der Kollektor bildet gleichzeitig den äußeren Mantel des Rohres 6, das von dem im Kreislauf fließenden Kühlmittel durchströmt.wird. Der Cäsiumdampf wird allen Konvertern über ein Leitungsnetz 11a, 1.1b und dem jeweiligen Kanal 9 im Kollektor oder- Emitter dem Elektrodenzwischenraum zugeführt. Die Leitungen

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16a, 16b bzw. 12a, 12b dienen der Zuführung bzw. der Wegführung des Kühlmittels zu bzw. aus den Rohren 6. Die Stromabnehmer 8 ' bzw. 10 des Konverters sind entsprechend den Strom-Spannungs-Anforderungen elektrisch in Reihe (Fig. 2, Segment III) oder parallel (Segment IV) geschaltet. Die beschriebene Anordnung von Cladding, Kernbrennstoff und Konverter ist über Führungen und mittels an sich aus der Reaktortechnik bekannten mechanischen Vorrichtungen im Innern des Reflektors 18 in axialer Richtung zugeführt angeordnet. Mehrere dieser Anordnungen bilden erfindungsgemäß den Kern eines schnellen Reaktors und sind in Abständen zueinander angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Anordnung derart, daß in jedem Quadranten jeweils nur ein Teil der Verbindungen der einzelnen Konverter gezeichnet ist,und zwar

Teil I CäsiumdampfVersorgung,

" II Kühlmittelzu-und ableitung,

" III elektrische Serienschaltung der Konverter,

¹¹ IV elektrische Parallelschaltung der Konverter.

Das komplette Anschlußbild ergibt sich, wenn man wahlweise die Teile I, II und III oder I, II und IV zur Deckung bringt.

Die Leistungsregelung dieses Reaktors kann z.B. in der Weise erfolgen, daß der Abstand der einzelnen Anordnungen zueinander und damit die Reaktivität des Reaktors geändert wird. Eine Änderung der Reaktivität kann auch in der Weise erfolgen, daß man mittels der Abstandsänderung eine Grobregelung und mit zu- ■ sätzlichen Regelstäben in an sich bekannter Weise die Feinregelung vornimmt.

Schließlich können die einzelnen Anordnungen innerhalb des Reflektors befestigt sein und Reaktivitätsänderungen nur mittels Regelstäben vorgenommen werden.

Erfindungsgemäß ergibt sich ein niedriges Le.istungsgewicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die bei der Kernspaltung

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freiwerdenden radioaktiven Gase aus dem Kernbrennstoff durch im Cladding angeordnete Foren in einen gemeinsamen Spaltgasraum diffundieren, so daß die sonst übliche, für jeden Konverter bzw. Brennstab vorzusehende Spaltgasentlüftung entfällt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, einige Konverter zu kurzen Brennstäben zusammenzusetzen und in Anordnungen der Pig. 1 einzusetzen.

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Claims

Τ589Λ92

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Patentansprüche s

1♦) Reaktorkern für schnelle Reaktoren zur direkten Umwandlung der freigesetzten Wärme in elektrische Energie mittels Konvertern mit innenliegendem Kollektor und außenliegendem Emitter, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff in unterkritische Scheiben unterteilt ist, deren Reaktivität durch Änderung ihres gegenseitigen Abstandes beeinflußt wird und daß die Konverter in den einzelnen Scheiben eingebettet sind.
2. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels zusätzlicher Regelstäbe eine Änderung der Reaktivität erfolgt.

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