DE1589655C - Schneller Brutreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellen Brutreaktor mit einem Reaktorkern, bestehend aus einer Vielzahl brütbares Material und aus einer Vielzahl spaltbares Material enthaltender, in horizontaler Schnittebene schachbrettartig angeordneter Bereiche, wobei in horizontaler Schnittebene, jeder Bereich spaltbaren Materials von Bereichen brütbaren Materials umgeben ist.

Wegen der begrenzten Verfügbarkeit von U-235 in den letzten Jahren-ist das Interesse an Kernreaktoren gewachsen, die spaltbaren Brennstoff erzeugen können. Diese Reaktoren sind als schnelle Brüter bekannt und überführen brütbares Material, wie Thorium und U-238, in die spaltbaren Materialien U-233 und Pu-239. Bei wassergekühlten Reaktoren dient das Wasser im Kern als Kühlmittel und als Moderator, so daß bei einem vollständigen Wasserverlust ein entsprechender Moderatorverlust und ein Abfall der Reaktivität auftritt. Natürlich sind schnelle Brüter nur mit sehr wenig, wenn überhaupt mit irgendwelchen moderierenden Materialien versehen, so daß die meisten Spaltungen durch schnelle Neutronen hervorgerufen werden. Die üblichen Kühlmittel für schnelle Brüter sind flüssige Leichtmetalle, wie z. B. flüssiges Natrium. Werden im Kühlmittel Blasen gebildet oder wird seine Dichte stark reduziert, so tritt eine entsprechende Härtung des Neutronen-Energiespektrums auf, d.h. ein Anstieg der mittleren Energie der Neutronen. Diese spektrale Härtung äußert sich in einem vergrößerten Eta (η) des Brenn-, Stoffs, d. h. einer vergrößerten mittleren Zahl von Neutronen, die pro absorbiertem Neutron auftreten. Dieser Faktor zusammen mit der verringerten Neutronenabsorption in dem Kühlmittel gibt Anlaß zu einem positiven Blasen- oder Druckkoeffizienten der Reaktivität. Wenn diese Effekte nicht durch andere Faktoren unterdrückt werden, ist der gesamte Koeffizient positiv, so daß eine Sicherheitsgefährdung entsteht.

Die Effekte der spektralen Härtung und des vergrößerten Eta (η) können zur Erzielung eines negativen Koeffizienten überkompensiert werden, wenn ein beträchtliches Anwachsen der Neutronen-Leckrate aus dem Brennstoff bei einer Entfernung des Kühlmittels auftritt. Der Ausdruck Entfernung des Kühlmittels wird sowohl auf die Blasenbindung als auch auf einen Dichteverlust des Kühlmittels angewendet. Bei verhältnismäßig kleinen, schnellen Brütern existiert normalerweise eine nennenswerte Neutronen-Leckrate, die durch die Kühlmittelentfernung noch vergrößert wird, so daß ein negativer Koeffizient entsteht. Jedoch bei großen, schnellen Brütern ist der Effekt der Neutronen-Leckrate weniger bedeutend, und das Anwachsen der Neutronenenergie und von Eta (η) sind vorherrschend und erzeugen insgesamt ein Anwachsen der Reaktivität. Zur Überwindung dieses Effekts müssen Vorkehrungen zur Steigerung des Eeffekts der Leckrate getroffen werden, und zwar durch geeignete Aufbauten von Kern und Abschirmungen.

Aus der belgischen Patentschrift 665 859, der britischen Patentschrift 793 916 und aus »Nuclear Engineering«, Juli 1966, S. 535, Fig. K), ist es bereits bekannt, zu diesem Zweck bei schnellen Brütern den Kern in Bereiche spaltbaren und brütbaren Materials zu unterteilen, die in horizontaler Richtung schachbrettartig angeordnet sind. Bei dieser Ausführung ergibt sich jedoch der Nachteil, daß der Neutronen-Leckverlust im wesentlichen nur in horizontaler Richtung auftritt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diesen Nachteil der bekannten Ausführungen durch eine Anordnung zu beseitigen, bei der die Neutronenemission von jedem Brennstoffbereich in.alle Raumrichtungen zu brütbaren Bereichen möglich ist.

Ausgehend von den obengenannten, bekannten Anordnungen mit in horizontaler Richtung schachbrettartig angeordneten Bereichen mit spaltbarem und brütbarem Material löst die Erfindung diese Aufgabe dadurch, daß diese Bereiche auch in vertikaler Schnittebene schachbrettartig angeordnet sind, so daß auch in vertikaler Schnittebene jeder Bereich spaltbaren Materials von Bereichen brütbaren Materials umgeben ist.

Dieses Verfahren begünstigt die Neutronen-Leckrate dadurch stärker, daß die Wahrscheinlichkeit für : die Rückkehr eines Neutrons von einer Abschirmung in denselben Kernbereich, dem es entstammte, dadurch verringert wird, daß der Raumwinkel, unter dem die Neutronen in der Abschirmung diesen Kern- \ bereich sehen, kleiner als bei der nur horizontalen schachbrettartigen Anordnung ist.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 schematisch einen horizontalen Schnitt durch den Reaktorkern,

F i g. 2 schematisch einen vertikalen Schnitt durch den Reaktorkern,

F i g. 3 die Seitenansicht eines Schnitts längs Linie 3-3 der F i g. 4 durch benachbarte Brennstoffanordnungen oder Bündel, aus denen ein Teil des Reaktorkerns besteht,

F i g. 4 einen horizontalen Querschnitt durch einen Teil des Reaktorkerns längs Linie 4-4 der F i g. 3,

F i g. 5 schematisch einen horizontalen Schnitt eines Reaktorkerns, der aus hexagonalen Brennstoffanordnungen besteht.

Die gesamte, gemäß der Erfindung getroffene Anordnung des Kerns ist leicht aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich. Diese Figuren zeigen im Schema hori- ■ zontale und vertikale Querschnitte des Kerns und die abwechselnde Anordnung von spaltbarem und brütbarem Material in horizontaler und vertikaler Richtung. Jedes Quadrat in F i g. 1 und jede senkrechte Reihe in F i g. 2 kann durch eine Brennstoffanordnung dargestellt werden, die, wie im folgenden beschrieben, aus einer Vielzahl von Brennstoffstäben zusammengesetzt ist. Aus diesen beiden Figuren ist leicht ersichtlich, daß jeder der Bereiche spaltbaren Materials von Bereichen brütbaren Materials (gekreuzt schraffiert) von oben und unten als auch seitlieh umgeben ist. Auf diese Weise können Neutronen aus jedem Brennstoff enthaltenden Bereich leicht in alle Richtungen in das brütbare Material entkommen, und zwar auf Grund des verhältnismäßig kurzen Abstandes zu solchen Bereichen. Aus den Fig. 1 und 2 ist auch leicht ersichtlich, daß der Boden und das Oberteil des Reaktorkerns von axial verlaufenden Abschirmungen bedeckt ist und daß der gesamte äußere Umfang des Reaktorkerns gleichermaßen aus Abschirmungsmaterial besteht.

In Fig. 3 sind zwei benachbarte Brennstoffanordnungen oder Bündel 10 und 12 als auch Teile zweier weiterer Brennstoffanordnungen 14 und 16 dargestellt. Die Brennstoffanordnungen 10 und 16 werden

als Typ A, dagegen die Anordnungen 12 und 14 als Typ B bezeichnet. Jede Brennstoffanordnung besteht aus einem Gehäuse 18, das die Brennstoffstäbe umgibt und die Brennstoffanordnung zwischen dem unteren Stützgitter 20 und dem"oberen Haltegitter 22 aufhängt. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 4-4 der F i g. 3. Die Anordnungen vom Typ A, 10 und 16, enthalten eine Vielzahl von Brennstoffstäben 24 ebenfalls vom Typ A, dagegen die Brennstoffanordnungen vom Typ B, 12 und 14, eine Vielzahl von Brennstoffstäben 26 vom Typ B. Diese Brennstoffstäbe sind in den Anordnungen durch untere 28 und obere Stützplatten 30 befestigt. Eine Vielzahl von nicht dargestellten Abstandsbändern können in Abständen über der Länge der Brennstoffstäbe 24 und 26 angeordnet sein, um den geeigneten Abstand und die geeignete Versteifung der Stäbe in den Brennstoffanordnungen zu sichern. Während des Betriebs strömt das Kühlmittel aufwärts durch die öffnungen 32 in dem unteren Stützgitter 20 und dann weiter aufwärts durch die Brennstoffanordnungen, um die Brennstoffstäbe herum, um ihnen Wärme zu . entziehen.

Die Einzelheiten und Unterschiede zwischen den Brennstoffelementen 24 vom Typ A und den Elementen 26 vom Typ B sind aus der F i g. 3 ersichtlich. Jeder dieser Brennstoff stäbe besteht aus einem zylindrischen Rohr 34, einer unteren Abschlußkappe 36 und einer oberen Abschlußkappe 38. Jeder der Brennstoffstäbe enthält eine Vielzahl von Spaltstoffkugeln 40 und Abschirmungs- oder brütbaren Kugeln 42, die durch Federn 44 in ihrer Lage gehalten werden. Jeder der Brennstoff stäbe ist an jedem Ende mit einer Kugel aus brütbarem Material versehen, und alle diese zusammen wirken als axiale Abschirmungen für den gesamten Kern. Die restlichen Kugeln in jedem der Brennstoffstäbe wechseln zwischen Spaltstoff und brütbarem Material ab. Die Kugeln 40 und 42 können weiter in eine Vielzahl identischer Kugeln unterteilt werden, die aufeinandergeschichtet sind. Der Brennstoffstab vom Typ A ist mit einer Brennstoffkugel 40 unmittelbar hinter der oberen axialen Abschirmungskugel versehen, während dagegen der Brennstoffstab vom Typ B an dieser Stelle eine weitere Kugel 42 aus brütbarem Material aufweist. Es ist daher aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich, daß bei einer abwechselnden Anordnung von Brennstoffanordnungen vom Typ A und Typ B ein Bereich, der Brennstoff enthalt, in der einen Anordnung einem solchen, der brütbares Material enthält, in der nächsten Anordnung direkt benachbart ist. Auf diese Weise können Neutronen aus irgendeinem Brennstoff enthaltenden Bereich entweder nach oben oder nach unten innerhalb desselben Bereichs in brütbares Material entkommen oder aber in horizontaler Richtung in einen brütbares Material enthaltenden Bereich in der benachbarten Brennstoff anordnung. Die Brennstoffanordnungen auf dem Umfang des Kerns können teilweise oder völlig aus solchen Brennelementen bestehen, die nur brütbares Material über ihre ganze Länge zur Erzeugung einer radialen Abschirmung enthalten. Diese radiale Abschirmung kann natürlich eine solche Dicke haben, daß einige der äußeren Anordnungen nur Abschirmungsmaterial enthalten.

Es ist offensichtlich, daß die Brennstoffe und brütbares Material enthaltenden Bereiche der Fig. 1 und 2 nicht aus einem Stück bestehen müssen, sondern aus separaten Anordnungen zusammengesetzt sein können, die zur Bildung der erwünschten Brennstoff- oder brütbares Material enthaltenden Bereiche gruppiert werden können. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Brennstoffanordnungen des Typs A und eine Vielzahl von Brennstoffanordnungen des Typs B zusammen gruppiert werden, um ein dreidimensionales Schachbrett mit größeren Kern- und Abschirmungsbereichen zu bilden. Die Abmessungen djeser Bereiche können in der Größenordnung von 15 bis

ίο 90 cm längs einer Seite liegen. Im Gegensatz zu dieser Anordnung können Brennstoffstäbe des Typs A und des Typs B zusammen innerhalb einer Brennstoffanordnung gruppiert werden, so daß verschiedene Bereiche nach der Einfügung in den. Kern und zur Schaffung von Bereichen der gewünschten Größe und Ausbildung zusammenwirken.

Die Brennstoff- und Abschirmungskugeln in den Brennelementen der F i g. 3 sind nicht notwendig in der richtigen Größenordnung bezüglich der Brennelemente und der Brennstoffanordnungen. Obwohl die axiale Länge der Brennstoff- und Abschirmungskugeln und der Bereiche beträchtlich variieren kann, wird erwartet, daß jede dieser Kugeln und Bereiche eine Hohe in der Größenordnung von 15 bis 30 cm aufweist, während dagegen jeder Brennstoffstab einen Durchmesser von nur ungefähr 1,25 cm aufweisen kann. Es wird auch bemerkt, daß die Anzahl der Brennelemente in jeder der Brennstoffanordnungen in den Zeichnungen zum Zwecke größerer Klarheit begrenzt worden ist. Obwohl die Anzahl solcher Brennelemente ih jeder Anordnung beträchtlich variieren kann, wird erwartet, daß.sie in der Größenordnung von 144 pro Anordnung liegt. Gleichzeitig kann eine Anordnung längs einer Seite von 15 bis 30 cm bemessen sein. Außerdem wird bemerkt, daß der Spaltstoff und das Abschirmungsmaterial in jedem Brennstoffstab oder jeder Brennstoff anordnung in irgendeiner geeigneten Form vorliegen kann. Die einzige Anforderung an den Spaltstoff und das Abschirmungsmaterial besteht darin, daß diese ihre geeigneten Lagen einhalten, so daß die obengenannten Bereiche erhalten bleiben.

Diese Spaltstoff- und Abschirmungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung weist zusätzliche Vorteile gegenüber den bekannten Anordnungen bei der Erzielung eines negativen Koeffizienten in schnellen Brütern auf. Bei den bekannten Anordnungen, in denen der Spaltstoff und das brütbare Material in separaten Zonen angeordnet ist, die sich vom Boden bis zur Spitze des Kerns erstrecken, d. h. in horizontalen Schutzebenen schachbrettartig ange^ ordnet sind, besteht das Problem einer wechselnden Wärmeabgabe innerhalb der Abschnitte, die den Spaltstoff und das Abschirmungsmaterial enthalten, während der ganzen Lebensdauer des Kerns. Anfänglich besteht eine große Wärmeabgabe in den Spaltstoffbereichen und nur eine sehr kleine Wärmeabgabe in den Abschirmungsbereichen. Bei einer vollen Kühlmittelströmung durch die Spaltstoff- und Abschirmungsbereiche würde anfänglich ein Leistungsverlust auf Grund der niedrigen Ausgangstemperaturen des Kühlmittels aus den Abschirmungsbereichen auftreten. Mit fortschreitender Zeit wird innerhalb der Abschirmungsbereiche Plutonium gebrütet, und ihre Wärmeabgabe würde steigen. Wenn also die Kühlmittelströmling durch diese Bereiche anfänglich beschränkt war, wäre es notwendig, Vorkehrungen zu treffen, um die Strömung bei wachsen-

der Produktion von spaltbarem Material zu steigern. Vorrichtungen zur Einstellung dieser Kühlmittel-Strömung sind natürlich ziemlich kompliziert und bedeuten einen zusätzlichen technischen Aufwand. Die vorliegende Erfindung hingegen löst das Problem der wechselnden Wärmeabgabe zwischen den Brennstoflanordnungen auf ganz einfache Weise:

Bei der vorliegenden Konstruktion ändert sich die Variation der Wärmeabgabe zwischen Bereichen und Spaltstoffen und des brütbaren Materials innerhalb jedes Abschnitts einer Brennstoffanordnung als auch zwischen den Brennstoffanordnungen. Wenn deshalb irgendeine Gesamtänderung der Wärmeabgabe auftritt, wird sie gleichmäßig zwischen den Anordnungen stattfinden, so daß die Kühlmittelströmung nicht während der Lebensdauer des Reaktorkerns variiert werden muß. Es versteht sich natürlich, daß die Wärmeabgabe nicht absolut gleichförmig ist, besonders dann nicht, wenn beim Brennstoffaustausch zu einer Zeit nur ein Teil der Brennstoffanordnungen ersetzt wird. Bei gewissen Kernkonstruktionen nach der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert und vielleicht notwendig sein, moderierendes Material zu verwenden. Dieses moderierende Material, z. B. Graphit oder Beryllium, sollte vorzugsweise in den Abschirmungsbereichen enthalten sein. Es verringert die Neutronenenergie nach dem Eintreten in die Bereiche brütbaren Materials und erhöht die Anzahl von Neutronen im Energiebereich von 10 bis 100 kv. Diese Neutronen werden deshalb weniger wichtig für die Kettenreaktion und vergrößern den Dopplereffekt. Dies äußert sich in einer vergrößerten Neutronenabsorption mit wachsender Temperatur und trägt so zu den negativen Koeffizienten bei. Die Menge des zugesetzten Moderators kann etwas variiert werden, sollte jedoch in der Größenordnung von 10% des Abschirmungsmaterials liegen. Dieses moderierende Material kann in dem Kern und in dem Abschirmungsmaterial in jeder gewünschten Art vorliegen, z. B. als innige Mischung mit dem brütbaren Material. Vorzugsweise wird man jedoch die brütbaren und moderierenden Materialien getrennt halten, z. B. dadurch, daß man einige der Brennelemente innerhalb einer Brennstoffanordnung völlig mit Moderator füllt. Am leichtesten geschieht dies dadurch, daß die gesamte äußere Reihe von Brennelementen innerhalb einer Brennstoffanordnung mit moderierendem Material gefüllt wird.

Auf diese Weise wird eine moderierende Barriere zwischen den Spaltstoffbereichen der einen Anordnung und den brütbaren Bereichen in der benachbarten Anordnung geschaffen. Eine weitere mögliche Anordnung des Moderators besteht darin, eine ringförmige Moderatorhülse um jede Abschirmungskugel zu legen oder einen moderierenden Einsatz in ein ringförmiges Abschirmungsglied einzusetzen.

Obwohl die vorliegende Erfindung teilweise an Hand eines Kerns beschrieben wurde, der aus Brennstoffelementen rechteckigen Querschnitts besteht, versteht es sich, daß die Erfindung nicht darauf begrenzt ist. In Fig. 5 ist schematisch ein horizontaler Schnitt durch einen Reaktorkern dargestellt, der aus liexogonalcn Brennstoffanordnungen besteht, die ebenfalls nach dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgeführt sind. Obwohl jeder der Brennstoffbereiche nicht völlig von Abschirmungsbereichen umgeben ist, finden sie sich jedoch auf wenigstens vier von sechs Seiten, was stark zu einem negativen Koeffizienten beiträgt. Die Brennstoffstäbe in jeder dieser Anordnungen bestehen ebenfalls abwechselnd aus dem Typ A und Typ B, so daß jeder innere Kernbereich oben und unten von inneren Abschirmungsbereichen umgeben ist, wie in F i g. 2 dargestellt.

ίο Außerdem versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf Kerne begrenzt ist, die aus Brennstoffanordnungen bestehen, welche eine Vielzahl separater Brennelemente enthalten. Bei anderen Kernkonstruktionen könnte der Grundgedanke der Erfindung genauso einfach realisiert werden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schneller Brutreaktor mit einem Reaktorkern, bestehend aus einer Vielzahl brütbares Material und aus einer Vielzahl spaltbares Material enthaltender, in horizontaler Schnittebene schachbrettartig angeordneter Bereiche, wobei in horizontaler Schnittebene jeder Bereich spaltbaren Materials von Bereichen brütbaren Materials umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Bereiche auch in vertikaler Schnittebene schachbrettartig angeordnet sind, so daß auch in vertikaler Schnittebene jeder Bereich spaltbaren Materials von Bereichen brütbaren Materials umgeben ist.

2. Brutreaktor nach Anspruch 1, mit länglichen Brennstoffanordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gruppe der Brennstoffanordnungen brütbare und spaltbare Bereiche in einer ersten bestimmten Folge und eine zweite Gruppe der Anordnungen diese Bereiche in einer bestimmten zweiten, der ersten entgegengesetzten Folge enthält und daß die Brennstoffanordnungen so in dem Kern angeordnet sind, daß jede Anordnung der ersten Gruppe wenigstens einer der zweiten Gruppe benachbart ist.

3. Brutreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstoffanordnung der ersten Gruppe vier Anordnungen der zweiten Gruppe und umgekehrt unmittelbar benachbart sind.

4. Brutreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzliche, brütbares Material enthaltende Bereiche, die den Kern umgeben und radiale und axiale Abschirmungen bilden.

5. Brutreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß moderierendes Material in Verbindung mit wenigstens einigen der brütbaren Bereiche vorgesehen ist..

6. Brutreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffanordnungen weiterhin mehrere in Längsrichtung ausgedehnte, moderierendes Material enthaltende Moderatorelemente enthalten.

7. Brutreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Moderatorelemente auf dem Umfang der Brennstoffanordnungen angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen