DE1589802B1 - Leisternkernreaktor mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivitaet - Google Patents
Leisternkernreaktor mit negativem Temperaturkoeffizienten der ReaktivitaetInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungs- steigt der Neutronenfluß in den Bereichen an, in
kernreaktor, dessen Reaktivität einen prompten nega- denen sich die Blanket-Elemente befinden. Die bei
tiven Temperaturkoeffizienten aufweist, mit einem diesem bekannten Kernreaktor vorgesehene, als
Druckgefäß, in dem sich eine als Kühlmittel und Kühlmittel und Moderator dienende Flüssigkeit
Moderator dienende Flüssigkeit befindet, mit einem 5 durchfließt den Reaktor dabei jedoch nicht in einer
in der Flüssigkeit angeordneten Kern, der Anord- solchen Weise, daß ein prompter negativer Tempenungen
von gas- und flüssigkeitsdichten, in Abstand raturkoeffizient erzielt wird.
voneinander angeordneten Brennstoffelementen ent- Es ist im übrigen auch schon ein Kernreaktor
hält, um die herum Durchtrittskanäle für die als Kühl- bekannt (belgische Patentschrift 529 777), bei dem
mittel und Moderator dienende Flüssigkeit freigelas- io ein Kühlmittel nacheinander durch Spalte zwischen
sen sind, und mit einer Einrichtung zum Umwälzen den Brennstoffelementanordnungen und durch die
der als Kühlmittel und Moderator dienenden Flüssig- Brennstoffelemente umschließende Kanäle geleitet
keit durch die Durchtrittskanäle. wird. Mit Hilfe dieser bekannten Anordnung ist es
Es sind bereits Kernreaktoren bekannt (französische jedoch nicht ohne weiteres möglich, eine Reaktivität
Patentschrift 1289 098, USA.-Patentschrift 2787 593), 15 mit einem prompten negativen Temperaturkoeffibei
denen mit einem flüssigen Kühlmittel gearbeitet zienten zu erzielen.
wird, das gleichzeitig die Funktion eines Moderators Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,
ausübt. Dabei sind in einem Fall Brennstoffelement- einen einfachen Weg zu zeigen, wie vorzugehen, um
anordnungen mit in Abstand voneinander aufge- einen Leistungskernreaktor auf relativ einfache
bauten Brennstoffelementen vorgesehen, um die 20 Weise zu realisieren, dessen Reaktivität einen prompherum
Durchtrittskanäle für die als Kühlmittel die- ten negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und
nende Flüssigkeit freigelassen sind. Von Nachteil bei dem jeweils die gesamte verfügbare überschüssige
bei diesen bekannten Kernreaktoren ist jedoch, daß Reaktivität eingeführt werden kann, ohne daß dabei
sie keinen prompten negativen Temperaturkoeffizien- eine Beschädigung auftritt und ohne daß Spaltproten
aufweisen, durch welchen eine Erhöhung dei 25 dukte freigesetzt werden.
Brennstofftemperatur in einem Kernreaktor unmit- Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe
telbar zu einer verringerten Reaktivität führt. bei einem Leistungskernreaktor der eingangs genann-
Es ist ferner eine Anordnung des Reaktordruck- ten Art erfindungsgemäß dadurch, daß innerhalb
behälters eines Hochleistungs-Druckreaktors in einem des aktiven Bereichs des Kerns zwischen den Brennaus
einem Berg ausgesprengten Raum bekannt (deut- 30 Stoffelementanordnungen ein zylinderförmiger Spalt
sehe Auslegeschrift 1 046 790), bei der der Reaktor- vorgesehen ist, der wesentlich breiter als der norbehälter
selbst nur eine verhältnismäßig geringe male Abstand zwischen den Brennstoffelementen ist,
Wandstärke hat und bei der Mittel vorgesehen sind, und daß die Flüssigkeit in einander entgegengesetzter
die die Druckspannungen, denen die Decke, die Richtung in an sich bekannter Weise erst durch die-Wände
und der Boden des genannten Behälters unter- 35 sen Spalt und dann durch die die Brennstoffelemente
worfen sind, weiterleiten, so daß letztlich der Ge- umschließenden Durchtrittskanäle geleitet ist. Die
birgsstock den Druck abfängt. Bei dieser bekannten Erfindung bringt gegenüber den bisher bekannten
Anordnung sind zwar einzelne Rohre im brennstoff- Leistungskernreaktoren den wesentlichen Vorteil mit
freien Bereich für die Aufnahme des Reaktorkühl- sich, daß auf relativ einfache Weise, nämlich allein
mittels vorgesehen. Von Nachteil hierbei ist jedoch 40 durch die Bereitstellung eines Spaltes zwischen den
ebenfalls, daß ein prompter negativer Temperatur- Brennstoffelementanordnungen in dem aktiven Bekoeffizient
nicht unmittelbar und automatisch erzielt reich des Kerns mit einer wesentlich größeren Breite
wird. Vielmehr ist es bei dieser bekannten Anord- als dem normalen Abstand zwischen den Brennstoffnung
ebenso wie bei den eingangs betrachteten be- elementen entspricht und durch die genannte Hinkannten
Kernreaktoren erforderlich, bei Ansteigen 45 durchleitung der Flüssigkeit durch den Spalt und die
der Temperatur des Kernbrennstoffes Steuerelemente Druchtrittskanäle eine Reaktivität mit einem prompin
den Reaktorkern einzuführen. ten negativen Temperaturkoeffizienten erzielt wird.
Es ist ferner ein Atomreaktorkern bekannt (deut- An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung
sehe Auslegeschrift 1054 603), bei dem die Brenn- nachstehend näher erläutert. Es zeigt
Stoffelemente in Magazinen angeordnet und gege- 50 F i g. 1 einen Grundriß eines Kernreaktors mit
benenfalls zwischen den Brennstoffelementen und/ gewissen Merkmalen gemäß der Erfindung, der in
oder der Magazinwand Abstandshalter vorgesehen dem unteren Teil eines Abschirmtanks angeordsind,
wobei die Magazinwände in einer solchen net ist,
Blechstärke ausgeführt sind, daß sie sich unter dem F i g. 2 einen Vertikalschnitt entlang der Linie 2-2
Druck des Wassers an den Brennstoffelementen bzw. 55 in F i g. 1,
den Abstandshaltern anlegen. Von Nachteil bei die- F i g. 3 einen vergrößerten Vertikalschnitt entlang
sem bekannten Atomkernreaktor ist jedoch ebenfalls, der Linie 3-3 in F i g. 1,
daß hier kein prompter negativer Temperaturkoeffi- F i g. 4 einen horizontalen Teilschnitt entlang der
zient erzielt wird. Linie 4-4 in Fig. 3, wobei Teile weggebrochen sind,
Es ist ferner ein Kernreaktor bekanntgeworden 60 um die Konstruktion der Brennstoffelementanord-(britische
Patentschrift 885 891), bei dem in einem nungen besser zeigen zu können, sogenannten Seed-und-Blanket-Reaktor 32 söge- F i g. 5 einen vergrößerten vertikalen Teilschnitt
nannte Seed-Elemente vorgesehen sind, die ange- durch den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Steuerreichertes
Uran enthalten. Die die betreffenden Seed- mechanismus, Elemente umgebenden Blanket-Elemente enthalten 65 Fig. 6 einen horizontalen Teilschnitt entlang der
dabei in erster Linie Brutmaterial. Mit zunehmender Linie 6-6 in F i g. 5,
Betriebsdauer des Reaktors brütet das Brutmaterial Fig.7 eine vergrößerte perspektivische Ansicht
in den Blanket-Elementen spaltbares Material. Damit einer Brennstoffelementanordnung und von Brenn-
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Stoffwerkzeugen für einen Kernreaktor in den Wie besonders in F i g. 3 dargestellt ist, hat das
F i g. 1 bis 4, Druckgefäß 10, das aus einem Material mit einem
Fig. 8 einen vergrößerten Grundriß der Brenn- guten Widerstandsvermögen gegen Versprödung
stoff elementanordnung in F i g. 7, durch energiereiche Neutronen, wie aus rostfreiem
F i g. 9 einen Vertikalschnitt entlang der Linie 9-9 5 Stahl, hergestellt ist, eine im wesentlichen rohrf örmige
in F i g. 8, Seitenwand 26 und einen elliptischen Boden 27, der
Fig. 10 eine Vorderansicht eines der Brennstoff- einstückig mit der Seitenwand26 ausgebildet ist. Der
elemente in Fig. 7 und obere Teil der Seitenwand 26 ist verjüngt, um die
Fig. 11 bis 13 vergrößerte Vorderansichten von Druckbelastung auf einen im wesentlichen flachen
Brennstoffelementen in F ί g. 7, von denen Teile weg- io Deckel 28 zu verringern, der an dem verjüngten Teil
gebrochen sind, um deren Aufbau zu zeigen. der Seitenwand 26, beispielsweise durch Bolzen 30,
Der in der Zeichnung dargestellte Kernreaktor hat entfernbar befestigt ist. Eine geeignete Dichtung 31
ein Druckgefäß 10, das auf dem Boden eines was- ist zwischen dem verjüngten Bereich und dem Deckel
sergefüllten Abschirmtanks 11 gelagert ist. Die reak- 28 vorgesehen, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung
tive Kernanordnung 12 ist in dem Druckgefäß 10 15 zu gewährleisten.
gelagert, welche reaktive Kernanordnung eine An- Der zentrale Teil des Deckels 28 ist mit einem sich
zahl von vertikal verlaufenden, länglichen Brennstoff- nach unten erstreckenden, hohlen Ansatz 32 verelementen
13 aufweist. Ein im wesentlichen ring- sehen, um die Kühlmittelmenge in dem Druckgefäß
förmiger Reflektor 15 ist zwischen dem Kern 12 und 10 möglichst gering zu halten. Der Ansatz 32 kann
dem Druckgefäß 10 angeordnet. Der Reflektor 15 20 mit einem Abschirmmaterial 33, beispielsweise mit
ist in Segmente unterteilt, die radial relativ zu dem Blei usw., ausgefüllt werden, um die Strahlungsititen-Kern
12 durch einen Steuermechanismus 16 bewegt sität zu verringern, die nach oben aus dem Kern
werden können, um die Reaktivität des Kerns zu 12 in das Druckgefäß 10 austritt. Eine Klappe 35 für
steuern. Eine Einrichtung 17 ist vorgesehen, um einen den hohlen Ansatz ist auf den Deckel, beispielsweise
sich im wesentlichen vertikal erstreckenden ringför- 25 durch Bolzen 36, entfernbar befestigt,
migen Kühlmittelkanal in dem Kern 12 zu begrenzen.- Um Spannungsbeanspruchungen möglichst gering Eine im wesentlichen vertikal verlaufende zylindrische zu halten, sind das Druckgefäß 10 und der Deckel Ummantelung 18 ist zwischen dem Kern 12 und dem 28 beispielsweise allseitig durch einen wasserdichten Reflektor 15 vorgesehen. Das obere Ende des ring- Doppelmantel (nicht dargestellt) isoliert, welcher das förmigen Kanals 17 steht in Verbindung mit einem 30 Druckgefäß 10 umgibt. Thermisches Isoliermaterial Bereich zwischen dem Druckgefäß 10 und der Um- (nicht dargestellt) wie Glaswolle ist zwischen dem mantelung 18. Eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein Doppelmantel und dem Druckgefäß angeordnet,
organisches Kühlmittel (z.B. Diphenyl, Terphenyl Wie besonders in Fig.3 dargestellt ist, wird der oder Mischungen davon), das sowohl als Kühlmittel im folgenden zu beschreibende Kern 12 in dem unteals auch als Moderator dient, wird durch einen Ein- 35 ren Teil des Druckgefäßes 10 durch eine Stützeinrichlaß 20, der in dem Druckgefäß 10 vorgesehen ist, tung 37 für den Kern zentral gestützt. Die Stützeinnach unten durch den Bereich zirkuliert, der zwischen richtung 37 weist eine horizontal verlaufende kreisder Ummantelung 18 und dem Druckgefäß 10 liegt, förmige Platte 38 aus einem geeigneten Material wie sowie durch den Kanal 17 nach oben durch die rostfreiem Stahl auf, die auf einer Reihe von Blöcken Brennstoffelemente 13 und dann nach außen durch 4° 40 aufliegt, die in Umfangrichtung in einem Abstand einen Auslaß 21, der in dem Druckgefäß 10 vor- voneinander entlang dem Randteil des Bodens 27 gesehen ist und mit der Ummantelung 18 in Verbin- angeordnet sind. Die Blöcke 40 sind geeignet mit dem dung steht. Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ab- Druckgefäß 10 verbunden, indem sie z. B. daran anschirmtank begrenzt einen im wesentlichen zylindri- geschweißt sind. Die Stützplatte 38 ist mit einer Reihe sehen Schacht 22 zur Aufnahme des Druckgefäßes 45 von Öffnungen 41, angrenzend an deren Peripherie 10. Die Wände des Abschirmtanks 11 bestehen aus und unter der Kanalbegrenzung 17, versehen, damit einem geeigneten Material zur Strahlungsabschir- Kühlmittel in den unteren Teil des Druckgefäßes 10 mung, beispielsweise aus Beton. Der Schacht 22 wird fließen kann.
migen Kühlmittelkanal in dem Kern 12 zu begrenzen.- Um Spannungsbeanspruchungen möglichst gering Eine im wesentlichen vertikal verlaufende zylindrische zu halten, sind das Druckgefäß 10 und der Deckel Ummantelung 18 ist zwischen dem Kern 12 und dem 28 beispielsweise allseitig durch einen wasserdichten Reflektor 15 vorgesehen. Das obere Ende des ring- Doppelmantel (nicht dargestellt) isoliert, welcher das förmigen Kanals 17 steht in Verbindung mit einem 30 Druckgefäß 10 umgibt. Thermisches Isoliermaterial Bereich zwischen dem Druckgefäß 10 und der Um- (nicht dargestellt) wie Glaswolle ist zwischen dem mantelung 18. Eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein Doppelmantel und dem Druckgefäß angeordnet,
organisches Kühlmittel (z.B. Diphenyl, Terphenyl Wie besonders in Fig.3 dargestellt ist, wird der oder Mischungen davon), das sowohl als Kühlmittel im folgenden zu beschreibende Kern 12 in dem unteals auch als Moderator dient, wird durch einen Ein- 35 ren Teil des Druckgefäßes 10 durch eine Stützeinrichlaß 20, der in dem Druckgefäß 10 vorgesehen ist, tung 37 für den Kern zentral gestützt. Die Stützeinnach unten durch den Bereich zirkuliert, der zwischen richtung 37 weist eine horizontal verlaufende kreisder Ummantelung 18 und dem Druckgefäß 10 liegt, förmige Platte 38 aus einem geeigneten Material wie sowie durch den Kanal 17 nach oben durch die rostfreiem Stahl auf, die auf einer Reihe von Blöcken Brennstoffelemente 13 und dann nach außen durch 4° 40 aufliegt, die in Umfangrichtung in einem Abstand einen Auslaß 21, der in dem Druckgefäß 10 vor- voneinander entlang dem Randteil des Bodens 27 gesehen ist und mit der Ummantelung 18 in Verbin- angeordnet sind. Die Blöcke 40 sind geeignet mit dem dung steht. Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ab- Druckgefäß 10 verbunden, indem sie z. B. daran anschirmtank begrenzt einen im wesentlichen zylindri- geschweißt sind. Die Stützplatte 38 ist mit einer Reihe sehen Schacht 22 zur Aufnahme des Druckgefäßes 45 von Öffnungen 41, angrenzend an deren Peripherie 10. Die Wände des Abschirmtanks 11 bestehen aus und unter der Kanalbegrenzung 17, versehen, damit einem geeigneten Material zur Strahlungsabschir- Kühlmittel in den unteren Teil des Druckgefäßes 10 mung, beispielsweise aus Beton. Der Schacht 22 wird fließen kann.
mit einer Flüssigkeit wie Wasser gefüllt, die als Strah- Um thermische Spannungen in dem Druckgefäß 10
lungsabschirmung und Kühlmittel dient. Das Wasser 50 möglichst gering zu halten, werden thermische Abwird
durch nicht dargestellte Einrichtungen zirku- schirmungen 42 und 43 aus einem geeigneten Mateliert,
gekühlt und demineralisiert. Die Tiefe des rial wie rostfreiem Stahl zwischen der Kernanordnung
Schachts 22 wird durch den Betrag der über dem und dem Druckgefäß vorgesehen. Wie besonders in
Druckgefäß 10 in dem Schacht22 gewünschten Ab- Fig.3 dargestellt ist, ist eine der thermischen Abschirmung
bestimmt. Die Breite des Schachts 22 wird 55 schirmungen 43 direkt unter der Kernanordnung 12
durch den Betrag der Abschirmung bestimmt, die zur vorgesehen. Diese Abschirmung weist eine sich hori-Verringerung
der Aktivität der Neutronen auf einen zontal erstreckende, im wesentlichen kreisförmige
gewünschten Wert in der Grenzzone des Schachts 22 Platte 45 auf, die geeignet durch die Stützplatte 38
benötigt wird. für den Kern in einem Abstand davon getragen wird, Das Druckgefäß 10 ist auf dem Boden des Schachts 60 beispielsweise mit Hilfe konzentrischer Ringe 46, die
22 durch vier Füße 23 abgestützt, die mit dem Druck- an die Stützplatte und die Stützplatte 45 angeschweißt
gefäß verbunden sind und sich davon nach außen sind. Die Ringe 46 sind mit einer Anzahl von öfferstrecken.
Die Füße 23 sind auf zwei parallelen nungen 47 versehen, durch die Kühlmittel hindurch-I-Trägern
25 montiert, die auf dem Boden des treten kann.
Schachts 22 ruhen. In dieser Weise kann der Boden 65 Die andere thermische Abschirmung 42 ist zwi-
des Druckgefäßes von dem Boden des Schachts 22 sehen dem Kern 12 und der Seitenwand 26 des
in einem Abstand angeordnet werden, so daß Wasser Druckgefäßes 10 vorgesehen. Wie in Fig. 3 gezeigt
unter dem Gefäß 10 frei zirkulieren kann. ist, ist diese thermische Abschimung 42 im wesent-
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lichen rohrförmig ausgebildet und angrenzend an die bung werden die am Ende vorgesehenen Haltevor-Seitenwand26
des Druckgefäßes in einem Abstand richtungen durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet,
davon angeordnet. Die rohrförmige thermische Ab- während ein Buchstabe zugefügt wird, welcher sich
schirmung 42 ruht auf der Stützplatte 38, und ihre auf die Haltevorrichtung für die betreffende Gestalt
Lage kann durch eine Anzahl von Führungsstiften 48 5 eines Brennstoffelements bezieht. Entsprechende
bestimmt werden, die von der Unterkante der Ab- Teile der Haltevorrichtungen werden mit den gleischirmung
42 vorragen, welche Stifte in entspre- chen Bezugszeichen bezeichnet, sowie mit den Buchchende
Führungsöffnungen 50 in der Stützplatte 38 stäben des zugeordneten Brennstoffelements,
hineinragen. Nicht dargestellte Abstandshalter sind Die untere Haltevorrichtung 57 α des zentralen
am oberen Ende der Abschirmung 42 vorgesehen, io Brennstoffelements 13 α enthält einen oberen Endteil
um einen Abstand zwischen der Abschirmung 42 60 a, der geeignet mit dem Rohr 52 a verbunden ist,
und der Seitenwand 26 des Druckgefäßes 10 einzu- einen zentralen, länglichen, sich nach unten verhalten.
Um die Entfernung der Abschirmung 42 zu jungenden Teil 61a sowie einen unteren mit einem
vereinfachen, ist diese unterteilt. Gewinde versehenen Teil 62 a, der einen verringerten
Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, enthält der 15 Durchmesser besitzt, damit sich eine Schulter 63α
Kern 12 eine Anzahl von Brennstoffelementanord- zum Abstützen des Gewichts des Brennstoffelements
nungen, die auf der Stützplatte 38 für den Kern 13 a ergibt.
ruhen. Die Brennstoffelementanordnungen 51 be- Wie in F i g. 9 dargestellt ist, ist der untere Endstehen
jeweils aus einer Anzahl von länglichen, ver- teil 62 a jedes der zentralen Brennstoffelemente 13 a
tikal verlaufenden Elementen 13, die in drei ver- 20 in eine entsprechende Anordnungsöffnung 65 in
schiedenen Konfigurationen gehaltert werden. Wie einer sich horizontal erstreckenden unteren Bündelbesonders
in F i g. 4 dargestellt ist, ist eine einzelne, Stützplatte 66 aus geeignetem Material wie rostfreiem
im wesentlichen zylindrische Brennstoffanordnung Stahl angeordnet. Die untere Bündel-Stützplatte 66
51a in dem zentralen Teil des Kerns (also dem Teil der zylindrischen Brennstoffelementanordnung 51a
des Kerns, der durch die den Kanal begrenzende Ein- 25 besitzt einen im wesentlichen kreisförmigen Umriß
richtung 17 umschlossen ist) angeordnet. Sechs im (vgl. Fig.4). Die Stützplatte66 der dreieckförmigen
wesentlichen dreieckförmige Brennstoffelementanord- Brennstoffelementanordnung 51 b besitzt im wesentnungen51Z>
und sechs im wesentlichen rechteckige liehen einen trapezförmigen Umriß, während der-Brennstoffelementanordnungen51c
sind wahlweise jenige der rechteckigen Brennstoffelementanordnunum
den ringförmigen Raum angeordnet, der zwischen 30 gen 51 c ein Ausschnitt eines Ringes ist.
dem ringförmigen Kanal 17 und den Reflektoren 15 Wie besonders in Fig. 9 dargestellt ist, ist eine
liegt. Mutter 67 auf den Gewindeteil 62 a aufgeschraubt,
Wie in den F i g. 10 bis 13 dargestellt ist, hat jedes um das Brennstoffelement 13 α in der unteren Stützder
Brennstoffelemente 13 ein im wesentlichen läng- platte 66 zu haltern. Die Unterseite der unteren Stützliches
Rohr 52 aus einem Material, das bei hohen 35 platte 66 besitzt Gegenbohrungen an jeder der öff-Temperaturen
beständig ist und einen hohen Wider- nungen 65, in welche eine Mutter 67 aufgenommen
stand gegen eine Versprödung durch energiereiche wird.
Neutronen aufweist, wie beispielsweise rostfreier Wie in den Fig.9 und 13 dargestellt ist, hat die
Stahl. Das Rohr 52 jedes Brennstoffelements 13 ist obere Endbefestigung 56 α jedes der Brennstoffelemit
einer wendeiförmigen Rippe 53 versehen, die 40 mentel3a einen unteren Teil 68 a, der geeignet mit
sowohl als Abstandshalter für die Brennstoffelemente dem Rohr 52 a verbunden ist, sowie einen sich nach
13 in der Anordnung als auoh als Kühlmittelführung oben verjüngenden Teil 70 a. Das obere Ende des
dient, indem sie eine Drehkomponente der Kühl- Brennstoffelements 13 α ist deshalb frei in der Brennmittelgeschwindigkeit
verursacht. Eine Drehkompo- Stoffelementanordnung 51 angeordnet, nente für das Kühlmittel verbessert die Wärme- 45 Die Brennstoffelemente mit den in Fig. 11 darübertragungseigenschaften
des Brennstoffelements. gestellten Endbefestigungen (im folgenden als befe-Das Rohr 52 ist mit Brennstoff 55 gefüllt, der im stigende Brennstoffelemente 13 b bezeichnet) sind an
folgenden noch zu beschreiben ist, und ist an seinem der Außenseite der Brennstoffelementanordnung 51
oberen und unteren Ende durch Haltevorrichtungen angeordnet und werden zur Halterung der unteren
56 bzw. 57 aus einem geeigneten Material wie rost- 50 Stützplatte 56 in einem Abstand von einer oberen
freiem Stahl abgeschlossen, die beispielsweise mit den Stützplatte 70 der Brennstoffelementanordnung 51
Rohren verschweißt sind. Freie Zwischenräume 58 verwandt, welche obere Stützplatte 70 wie die untere
sind in dem Brennstoffelement zwischen dem Brenn- Stützplatte 66 ausgebildet ist.
stoff und den Haltevorrichtungen 56 und 57 vorge- Die untere Haltevorrichtung 57 b jedes befestigensehen,
damit sich ein Zwischenraum für die Ansamm- 55 den Brennstoffelements 13 b ist wie die untere Haltelung
irgendwelcher freigesetzter Gase sowie eine Iso- vorrichtung 57 a des zentralen Brennstoffelements
lation von dem Brennstoff ergibt, um Temperatur- 13 a ausgebildet. Der Gewindeteil 62 & jedes Befegefalle
entlang deren Länge zu verringern. stigungs-Brennstoffelements 13 b ist an der unteren
Die dargestellten Vorrichtungen 56 und 57 besit- Stützplatte 66 in entsprechender Weise befestigt, wie
zen eine unterschiedliche Gestalt. Die spezielle 60 in Verbindung mit der Befestigung der unteren Halte-Gestalt
hängt von der Lage und der strukturellen vorrichtung 57 a der zentralen Brennstoffelemente
Funktion des Brennstoffelements 13 in der betreffen- 13 α erläutert wurde. Die obere Haltevorrichtung 56 b
den Brennstoffelementanordnung 51 ab. Das Brenn- jedes befestigenden Brennstoffelements 13 b ist entstoffelement
13 mit den Haltevorrichtungen 56 und sprechend wie die untere Befestigungseinrichtung
57 in Fig. 13 (im folgenden als zentrale Brennstoff- 65 57& ausgebildet. Zu diesem Zweck weist die obere
lemente 13 α bezeichnet) nimmt den Hauptanteil des Haltevorrichtung 56 b einen länglichen sich nach
Bereichs der betreffenden Brennstoffelementanord- unten verjüngenden Teil 71 b und einen oberen Genung51
ein. Zum Zwecke der folgenden Beschrei- windeteil 72 b auf, dessen Durchmesser zur Ausbil-
7 8
dung einer Schulter 73 b zum Abstützen der oberen Brennstoffelementanordnungen 51 b und 51 c vor-Bündel-Stützplatte
70 verjüngt ist. Der obere Ge- gesehen ist, um einen Durchtritt von Wasser von dem
windeteil wird von einer entsprechenden Öffnung 75 unteren Abschnitt des Druckgefäßes 10 zu den Brennin
der oberen Stützplatte 70 aufgenommen und an Stoffelementen 13 zu ermöglichen. Vier im wesent-
der oberen Stützplatte 70 durch eine Mutter 76 befe- 5 liehen dreieckige Öffnungen 88 sind in der Stützplatte
stigt, die von einer Gegenbohrung 77 in der Stütz- 38 für den Kern unter der im wesentlichen zylindri-
platte70 aufgenommen wird, die über der Öffnung sehen Brennstoffelementanordnung 51 α zum selben
75 vorgesehen ist. Zweck vorgesehen. In den unteren Abschnitt fließt
Wie in F i g. 4 dargestellt ist, ist die zylindrische Wasser durch die öffnung 41, die in der Stützplatte
Brennstoffelementanordnung 51 α mit sechs zur Be- io angrenzend an die rohrförmige thermische Abschirfestigung
dienenden Brennstoffelementen 13 b ver- mung und unter dem ringförmigen Kanal vorgesehen,
die im gleichen Abstand auf einem Kreis ange- sehen ist.
ordnet sind, dessen Zentrum dem Zentrum der Brenn- Längliche Schlitze 90 sind in der unteren Bündelstoffelementanordnung
entspricht. Die dreieckför- Stützplatte 66 vorgesehen, damit Kühlmittel in die migen Brennstoffelementanordnungen 51 b weisen 15 betreffenden Brennstoffelementanordnungen 51 einjeweils
drei der zur Befestigung dienenden Brennstoff- treten kann. Diese Schlitze 90 besitzen eine solche
elemente 13 b auf, von denen eines in jeder Ecke Größe, daß der Betrag des Kühlmittelflusses in die
der Brennstoffelementanordnung 51 b vorgesehen ist. einzelnen Anordnungen 51 vbn der Unterseite der
Die rechteckförmigen Brennstoffelementanordnungen Stützplatte 38 für den Kern gesteuert werden kann,
51c sind jeweils mit vier der zur Befestigung dienen- 20 wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Strömung
den Brennstoffelemente versehen, von denen eines in und des Drucks über den Brennstoffelementanordjeder
Ecke angeordnet ist. nungen 51 erzielt werden kann.
Die Brennstoffelemente mit den am Ende vor- Eine Anzahl irregulär ausgdbildeteter, vertikal vergesehenen
Haltevorrichtungen gemäß F i g. 12 (im laufender Durchflußseperatoren 91 aus einem gefolgenden
als Umfangs-Brennstoffelemente 13c be- 25 eigneten Blech (z.B. aus rostfreiem Stahl) sind, wie
zeichnet) sind entlang dem Umfang jeder der Brenn- aus F i g. 4 ersichtlich ist, zwischen der Ummantestoffelementanordnungen
angeordnet und finden zur lung 18 und den angrenzenden peripheren Brennstoff-Halterung
der oberen Enden der zentralen Brenn- elementen 13, zwischen der Kanalbegrenzung 17
Stoffelemente 13 α in einer geeigneten Lage in den sowie den angrenzenden peripheren Brennstoffelebetreffenden
Brennstoffelementanordnungen Verwen- 30 menten angeordnet. Die Seperatoren 91 stimmen in
dung. Dazu werden die Umfangs-Brennstoffelemente ihrer Gestalt mit den peripheren Brennstoffelementen
13 c in den betreffenden Brennstoffelementanordnun- 13 überein und sind angrenzend an diese angeordnet,
gen so gehalten, daß eine seitliche Bewegung der Um- Die Seperatoren 91 werden ihrer Lage beispielsweise
fangs-Brennstoffelemente 13 c beschränkt wird, daß durch Verschweißen an voneinander getrennten Stelaber
gleichzeitig eine Längsbewegung ermöglicht 35 len mit der angrenzenden Ummantelung 18 oder der
wird. Die untere Haltevorrichtung 57 c der Um- Kanalbegrenzung 17 gehalten. Diese Seperatoren 91
fangs-Brennstoffelemente 13 c weist einen oberen verhindern ein Vermischen des nach oben durch den
Teil 60 c auf, der geeignet mit dem Rohr 52 c verbun- Hauptkörper der betreffenden Brennstoffelementanden
ist, einen länglichen, sich nach unten verjüngen- Ordnung 51 fließenden Kühlmittels und des nach
den zentralen Teil 61 c sowie einen unteren Endteil 40 oben durch die Zwischenräume 92 zwischen den
78 c mit verringertem Durchmesser. Wie in F i g. 9 Seperatoren 91 und der angrenzenden Ummantelung
dargestellt ist, wird der untere Endteil 78 c in einer 18 oder den Kanal 17 fließenden Kühlmittels. Die
entsprechenden Öffnung 80 in der unteren Stützplatte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in den
66 aufgenommen. Die obere Haltevorrichtung 56 c Zwischenräumen 92 wird durch Verwendung nicht
hat einen unteren Teil 68 c, der geeignet mit dem 45 dargestellter Verschlußwände in den oberen Enden
oberen Ende des Rohres 52 c verbunden ist, einen der Zwischenräume 92 und geeignet dimensionierter,
länglichen, sich nach oben verjüngenden zentralen nicht dargestellter Austrittsöffnungen in den Ver-Teil
81c sowie einen oberen Endteil 82 c mit verrin- schlußwänden verringert. Diese verringerte Strögertem
Durchmesser, der von einer entsprechenden mungsgeschwindigkeit verhindert eine zu starke Kühöffnung
83 in der oberen Stützplatte 70 aufgenom- 50 lung der peripheren Brennstoffelemente 13 und dient
men wird. ebenfalls als Isolierung, wodurch verhindert wird,
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die daß zu große Wärmemengen zwischen dem nach
Brennstoffelementanordnungen 51 in dem Kern durch oben durch die Brennstoffelementanordnungen 51
eine Reihe von Führungsstiften 85 in geeigneter Lage fließenden Kühlmittel und dem nach unten durch den
angeordnet, die sich von der unteren Stützplatte 66 55 Kanal 17 und aus der Ummantelung 18 heraus-
nach unten erstrecken. Wie in F i g. 9 dargestellt ist, fließenden Kühlmittel übertragen werden,
sind die Führungsstifte 85 an den unteren Gewinde- Wie in den F i g. 6 bis 9 dargestellt ist, ist in jeder
teile 62 a ausgewählter zentraler Brennstoffelemente oberen Bündel-Stützplatte 70 eine Öffnung 93 zur
13 α befestigt. Die Führungsstifte 85 werden von ent- Aufnahme eines Greiferwerkzeugs 95 vorgesehen. Zu
sprechenden öffnungen 86 für Führungsstifte in der 60 diesem Zweck weist die öffnung 93 einen im wesent-
Stützplatte 38 für den Kern aufgenommen. Die unte- liehen dreieckigen zentralen Teil 96 und einen Schlitz
ren Enden der Führungsstifte sind gefast, um das 97 mit einem abgerundeten Ende auf, das sich von
Einsetzen der Führungsstifte 85 in die Führungs- jeder Ecke des dreieckförmigen Teiles 96 erstreckt,
öffnungen 86 zu vereinfachen. Die Unterseite der Stützplatte 70 ist mit Aussparun-
Wie in F i g. 4 dargestellt ist, ist die Stützplatte 38 65 gen 98 versehen, die sich nach außen von den im
für den Kern mit im wesentlichen rechteckigen Öff- wesentlichen gestreckten Kanten des dreieckförmigen
nungen 87 versehen, von denen jeweils eine unter zentralen Teils 96 der Öffnungen 93 erstrecken. An-
jeder der dreieckförmigen und rechteckförmigen dere Öffnungen 100 sind in der Stützplatte 70 vor-
gesehen, um einen Durchtritt von Kühlmittel zu ermöglichen.
Das dargestellte Werkzeug 95 weist eine Stange 101 auf, an deren Ende ein Aufnehmer 102 vorgesehen
ist. Der Aufnehmer besitzt eine derartige Gestalt und Größe, daß er in die Öffnung 93 eingeführt
werden kann. Zu diesem Zweck hat der Aufnehmer 102 drei rechteckige Finger 103, die sich
radial von der Stange mit Winkeln von 120° gegeneinander erstrecken. Ein im wesentlichen zylindrischer
Verriegelungsring 104 ist an dem Stab 101 über dem Aufnehmer 102 vorgesehen. Der Verriegelungsring
wird relativ zu dem Aufnehmer durch ein Rohr 105 bewegt, das um die Stange 101 angeordnet und an
seinem unteren Ende mit dem Verriegelungsring 104 verbunden ist.
Bei der Benutzung wird der Aufnehmer 102 mit der Öffnung 93 in der Stützplatte 70 ausgerichtet und
in die Öffnung 93 abgesenkt, wonach die Stange 101 so gedreht wird, daß die Finger 103 in die Aussparungen
98 in der Stützplatte 70 gelangen. Der Aufnehmer 95 wird dann in dieser Lage durch Absenken
der Verriegelungseinrichtung 105 arretiert. Die Brennstoff elementanordnung 51 kann dann aus dem Kern
12 herausgehoben werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält jedes Brennstoffelement 13 eine feste, homogene
Mischung aus Zirkoniumhydrid und stark angereichertem Uran mit mehr als 90 °/o Uran 235. Vorzugsweise
wird die Zirkoniumhydrid-Zusammensetzung so ausgewählt, daß der Brennstoff bei den
verhältnismäßig hohen Temperaturen beständig ist, die in dem Leistungsreaktor auftreten können. Zu
diesem Zweck wird eine höhere Hydridverbindung (eine Zusammensetzung, bei der das Verhältnis von
Wasserstoffatomen zu Zirkoniumatomen größer als etwa 1,5 :1 ist) ausgewählt, weil eine derartige Verbindung
einphasig ist (Gamma) und deshalb keiner thermischen Phasentrennung bei einem thermischen
Zyklus ausgesetzt ist. Ferner beseitigt das Fehlen einer zweiten Phase bei den höheren Hydriden das
Problem großer Volumenänderungen, die bei Phasenumwandlungen auftreten, welche bei etwa 530° C
bei niedrigeren Hydriden auftreten. Darüber hinaus findet eine geringfügige thermische Diffusion von
Wasserstoff bei den höheren Hydriden statt, wodurch Volumenänderungen und Krackvorgänge, welche mit
einer derartigen Diffusion auftreten, vermieden werden. Die Temperaturgrenze eines höhere Hydride enthaltenden
Brennstoffelements wird deshalb nur durch den dynamischen Partialdruck des Wasserstoffs begrenzt.
Zur Erzielung optimaler Ergebnisse wird vorzugsweise eine Zusammensetzung verwandt, bei der das
Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Zirkoniumatomen 1,7:1 beträgt. Der Wasserstoffdruck im
Gleichgewichtszustand beträgt für eine derartige Zusammensetzung etwa eine Atmosphäre bei 8000C.
Dadurch wird ein beträchtlicher Spielraum hinsichtlich Änderungen der Brennstofftemperatur zugelassen,
ohne daß ein hoher innerer Gasdruck in dem Brennstoffelement erzeugt wird.
Die Menge von Zirkoniumhydrid und Wasser, die in dem Bereich des Reaktorkerns verwandt wird,
hängt von der gewünschten Größe des Kerns und dem gewünschten Temperaturkoeffizienten ab. Um
die kleinste kritische Masse zu erzielen, enthält das Brennstoffelement vorzugsweise einen größeren Anteil
an Zirkoniumhydrid. Das Volumen des Kühlmittels beträgt vorzugsweise ein Drittel. Ein zufriedenstellendes
Brennstoffelement enthält etwa 8 Gewichtsprozent Uran, während der Kern zu etv/a einem Drittel
aus Wasser besteht.
Jedes Brennstoffelement 13 enthält ferner vorzugsweise Erbium. Das Erbium dient als abbrennbares
Gift in dem Reaktor und trägt ebenfalls beträchtlich zu dem prompten negativen Temperaturkoeffizienten
ίο der Reaktivität bei. In Verbindung mit dem ersteren
verringert das Erbium den Betrag der überschüssigen Reaktivität, die in dem Reaktor bei Beginn der
Lebensdauer des Reaktors vorhanden ist. Erbium besitzt einen Absorptionsquerschnitt, der etwa gleich
demjenigen von Uran 235 bei der Betriebstemperatur des Reaktors von etwa 3000C ist. Deshalb gleicht
der Verbrauch des Erbiums den Verbrauch von spaltbarem Material aus, wodurch die effektive Lebensdauer
der Brennstoffelemente verlängert wird.
Wie bereits erwähnt wurde, trägt Erbium zu dem negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität
bei. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß der Absorptionsquerschnitt von Erbium etwas sinkt,
bis die Temperatur der Neutronen größer als etwa 200° C ist, und daß dann der Querschnitt von Erbium
scharf ansteigt. Andererseits ist der Querschnitt von Uran 235 etwa umgekehrt proportional der Neutronentemperatur.
Wenn die Temperatur des Brennstoffelements ansteigt, wird deshalb der Anteil von
in dem Erbium absorbierten Neutronen relativ zu den in dem Uran absorbierten Neutronen erhöht, wodurch
die Reaktivität erniedrigt wird. Da der Querschnitt von Erbium fällt, bis die Neutronentemperatur etwa
200° C beträgt, erfordert die Anwesenheit von Erbium keine großen Beträge überschüssiger Reaktivität in
dem Reaktor, um den Reaktor auf seine Betriebstemperatur zu bringen.
Das Erbium kann in dem Brennstoff homogen verteilt oder darin an gewissen Stellen angehäuft vorgesehen
sein. Brennstoffelemente 13 mit homogen verteiltem Erbium werden in der Nähe der Ummantelung
18 und in der Nähe der einen Kanal begrenzenden Einrichtung 17 verwandt, wo der Beitrag zum
Temperaturkoeffizienten der Reaktivität weniger wichtig ist und wo ein schneller Abbrand erwünscht
ist, um Reaktivitätsschwingungen auf einem Minimum zu halten. Die Brennstoffelemente mit Anhäufungen
von Erbium werden in dem Hauptteil des Kerns verwandt. Bei dieser Konfiguration wurde festgestellt,
daß sich der Abbrand von Brennstoff und der Abbrand von Erbium gut ausgleicht.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die stückige Verteilung von Erbium in einem Draht
106 (Fig. 11 bis 13), der in die Brennstoffelemente
eingeschlossen wird, indem eine axiale Bohrung durch die Brennstoffzusammensetzung vor dem Hydrieren
gebohrt wird. Der Erbiumdraht wird dann in die Bohrung eingesetzt, und die Brennstoffzusammensetzung
kann durch das Rohr 52 aus rostfreiem Stahl umhüllt und dann hydriert werden. Das Hydrieren
bewirkt eine Ausdehnung der Brennstoffzusammensetzung, was zu einem engen Sitz gegen das Rohr 52
und ebenfalls gegen den Erbiumdraht 106 führt. Da das Erbium nicht unabhängig von dem Brennstoff
entfernt werden kann, wird die Sicherheit des Reaktors erhöht.
Wenn das inhomogen verteilte Erbium abbrennt, wird der Temperaturkoeffizient durch zwei konkur-
rierende Faktoren beeinflußt. Ein Verlust von Erbium
ergibt eine Erniedrigung des prompten negativen Temperaturkoeffizienten. Wenn jedoch das Erbium
abbrennt, schirmt es sich aber selbst weniger ab, wodurch sein effektiver Absorptionsquerschnitt ansteigt.
Dadurch wird der prompte negative Temperaturkoeffizient erhöht. Die Wirkung dieser Effekte
kann in einem gewissen Ausmaß beeinflußt werden, indem die Größe und der Durchmesser des Erbiumdrahts
geeignet gewählt werden. Die Größe und der Durchmesser des Erbiumdrahts beeinflussen ebenfalls
den Abbrand des Erbiums.
Für gewisse Verwendungszwecke kann Lutecium (Kassiopeium) oder eine Mischung von Erbium und
Lutecium an Stelle von Erbium Verwendung finden. Lutecium hat im wesentlichen gleiche Eigenschaften
wie Erbium.
Im allgemeinen benötigt ein Reaktor mit einem starken prompten negativen Temperaturkoeffizienten
ebenfalls eine große überschüssige Reaktivität, um den Reaktor von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur
zu erhitzen. Diese große überschüssige
Reaktivität, die bis zu Erreichen der Betriebstemperatur des Reaktors sinkt, erfordert einen entsprechend
großen Betrag von in dem Reaktor vorzusehender Steuerung. Um den Betrag der überschüssigen Reaktivität
zu verringern, die in dem Reaktor erforderlich ist, um ihn auf seine Betriebstemperatur zu bringen,
wird der dargestellte Reaktor mit einer Einrichtung zur Kompensation der Erniedrigung der Reaktivität
auf Grund des Temperaturanstiegs des Kühlmittels versehen, ohne daß dadurch der prompte negative
Temperaturkoeffizient nachteilig beeinflußt wird. Dies wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch
die Verwendung eines brennstofffreien Bereichs in dem Kern erzielt, der durch den ringförmigen Kühlmittelkanal
17 in dem Kernbereich begrenzt wird und einen Kühlmittelkanal 107, der zwischen der Ummantelung
18 und dem Reflektor 15 liegt. Als Kühlmittel dienender flüssiger Moderator wirkt in diesen
Bereichen wie ein Gift für die Gesamtreaktivität. Wenn deshalb die Kühlmitteltemperatur erhöht und
die Dichte dadurch erniedrigt wird, wird die Reaktivität des Reaktors erhöht. Diese Erhöhung gleicht
den Reaktivitätsverlust auf Grund des negativen Temperaturkoeffizienten des Reaktors aus. Allgemein
ist der Einfluß auf die Reaktivität um so größer, je dicker der Kanal ist.
Wie in F i g. 3 dargestellt ist, enthält die ringförmige Kanalbegrenzung 17 zwei konzentrische, vertikal
verlaufende rohrförmige Elemente 108 und 110, die an ihren oberen Enden miteinander verbunden
sind. Das obere Ende des ringförmigen Kanals 17 steht mit der Außenfläche der Ummantelung 18 über
eine Reihe von Leitungen 111 in Verbindung. Die Leitungen 111 dienen ebenfalls zur Halterung des
Kanals, so daß dessen unteres Ende in einem Abstand über der Stützplatte 38 für den Kern liegt. Deshalb
fließt der größere Teil des Kühlmittels, das durch den ringförmigen Kanal fließt, radial in die unteren
Enden der Brennstoffelementanordnungen 51. Es ist zu bemerken, daß der brennstofffreie Bereich nicht
kreisförmig sein muß, sondern beispielsweise auch sechseckig sein kann, was von der Konfiguration der
Brennstoffelementanordnungen abhängt.
Wie bereits erwähnt wurde, wird der äußere Kühlmittelkanal 107 durch die vertikal verlaufende, rohrförmige
Ummantelung 18 begrenzt, welche den Kern 12 und die Innenfläche des Reflektors 15 umgibt. Die
Ummantelung 18 ragt von der Oberseite des Druckgefäßes 10 herab. Das obere Ende der Ummantelung
18 ist mit einem nach außen verlaufenden Flansch 112 versehen, der in einer ringförmigen Aussparung 113
in dem verjüngten Bereich der Seitenwand 26 aufgenommen wird. Die Unterkante der Kernummantelung
ist in einem Abstand von der Stützplatte 38 für den Kern angeordnet, um darunter einen Durchtritt
in radialer Richtung von Kühlmittel in die Brennstoffelementanordnungen zu ermöglichen.
Wie in den F i g. 3 und 9 dargestellt ist, ist der Reflektor 15 aus einem geeigneten moderierenden
Material wie Beryllium ringförmig ausgebildet und konzentrisch um den Kernmantel 18 in einem Abstand
davon angeordnet. Der Reflektor 15 erstreckt sich im wesentlichen von der Oberseite zu der Unterseite
des Körpers der Brennstoffelemente 13. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel findet ein Reflektor
15 zur Steuerung der Reaktivität des Reaktors Verwendung. Zu diesem Zweck ist der Reflektor 15 in
acht Abschnitte unterteilt, die in radialer Richtung zur Änderung der Reaktivität bewegt werden.
Wie in den F i g. 3, 5 und 6 dargestellt ist, wird jeder der Reflektorabschnitte 15 bei seiner radialen
Bewegung durch zwei starr angeordnete voneinander getrennte, sich horizontal erstreckende Führungsstäbe
geführt. Jeder Führungsstab 115 ist mit dem einen Ende an dem Druckgefäß 10 beispielsweise durch
Verschrauben befestigt. Das andere Ende des Stabes 115 wird in einer entsprechenden Öffnung 116 in
einen bogenförmigen Arm 117 aufgenommen, der geeignet mit der Stützplatte 38 für den Kern verbunden
ist. Zwei parallel verlaufende Bohrungen mit Büchsen
120 sind in einem halternden Paßstück 121 vorgesehen, das beispielsweise aus rostfreiem Stahl
besteht und geeignet an dem unteren Ende jedes Reflektorabschnitts 15 befestigt ist. Die Büchsen 120
sind auf den Führungsstäben 115 verschiebbar angeordnet.
Jedes der dargestellten Segmente 15 wird durch einen gesteuerten Antriebsmechanismus in radialer
Richtung bewegt, der am besten aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist. Der Antriebsmechanismus 16 hat eine
horizontal verlaufende Antriebswelle 122, welche sich durch eine öffnung 123 in dem Druckgefäß 10 erstreckt
und an ihrem anderen Ende mit dem Paßstück 121 starr verbunden ist. Zu diesem Zweck ist
das Ende der Welle 122 mit einem Endteil 124 mit verringertem Durchmesser versehen, der in einer entsprechenden
Öffnung 125 in dem halternden Paßstück
121 aufgenommen wird. Das innere Ende der Antriebswelle 122 wird in dem Paßstück 121 durch Verschraubung
des Endteils 124 mit einer Mutter 126 gehaltert. Das innere Ende der Öffnung 125 weist eine
Gegenbohrung auf, in der die Mutter 126 aufgenommen wird.
Die Welle 122 wird bei ihrem Verlauf durch die thermische Abschirmung 42 durch eine Rohrkupplung
127 geschützt, die geeignet mit dem Druckgefäß 10 verbunden ist. Der äußere Endteil der Welle 122
ist mit einem Gewinde versehen, an dem eine längliche, zylindrische Antriebsmutter 128 angreift. Die
Antriebsmutter 128 ist in einem konzentrisch angeordneten Stutzen 129 drehbar gelagert, welcher mit
dem Druckgefäß 10 durch zwei horizontal getrennte Lager 130 geeignet verbunden ist, die an beiden
Enden der Antriebsmutter 128 angeordnet sind. Die
13 14
Lager 130 werden in einer geeigneten Lage auf der 152 über eine elektromagnetische Kupplung 157 und
Antriebsmutter 128 durch eine Abstandshülse 131 ein Getriebe 158 verbunden ist. Zu diesem Zweck
gehaltert, die konzentrisch in dem Stutzen 129 ange- wird eine vertikal verlaufende Antriebswelle 150 des
ordnet ist. Der innere Endteil der Antriebsmutter 128 Getriebemotors 156 mit dem oberen Ende einer
besitzt einen verringerten Durchmesser und verläuft 5 vertikal verlaufenden Welle 161 verbunden, die in
über die Lager 130 hinaus. Eine Flüssigkeitsabdich- dem Gehäuse 154 drehbar gelagert ist. Das untere
tung 132 ist auf dem inneren Endteil der Antriebs- Ende der Welle 161 ist mit der oberen Hälfte der
mutter 128 vorgesehen, um einen Flüssigkeitsaustritt Kupplung 157 verbunden. Die untere Hälfte der
aus dem Druckgefäß zu verhindern. elektromagnetischen Kupplung 157 ist mit dem oberen
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine io Ende einer vertikal verlaufenden Hohlwelle 162 verEinrichtung
133 auf der Antriebsmutter 128 vorge- bunden. Die Hohlwelle 162 ist auf einer vertikal versehen,
um diese in einer derartigen Richtung vorzu- laufenden Stange 163 drehbar gelagert, welche entlang
spannen, daß der Reflektor in seine radiale Endlage der Achse der Hohlwelle 162 angeordnet ist. Der
bewegt wird. Wenn die Antriebsverbindung zu der Stab 163 ist starr an dem Gehäuse 154 befestigt. Eine
Antriebsmutter 128 freigegeben wird, wie im folgen- 15 Abwärtsbewegung der Hohlwelle 162 wird durch
den beschrieben werden soll, wird also der Reflektor einen Bund 165 verhindert, der auf der Stange 163
15 schnell in seine äußere Endlage bewegt, wodurch angeordnet ist. Die Hohlwelle 162 wird mit der Abdie
Reaktivität des Reaktors schnell verringert wird. triebswelle 152 durch das Getriebe 158 gekuppelt,
Dadurch ergibt sich ein sehr guter Schnellschluß für das zwei ineinandergreifende Stirnzahnräder 166 und
den Reaktor. Wie in F i g. 5 dargestellt ist, ist die zur 20 167 enthält, die an der Hohlwelle 162 bzw. der AbVorspannung
dienende Einrichtung eine Schrauben- triebswelle 152 befestigt sind.
feder 133, die an einem zentralen Teil mit verringer- Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel findet
tem Durchmesser der Antriebsmutter 128 angeordnet ein Potentiometer 168 Verwendung, das durch das
ist. Das äußere Ende der Feder 133 ist mit dem Stirnzahnrad 167 gedreht wird, um eine Anzeige der
Stutzen 129 und das andere Ende mit der Antriebs- 25 Reflektorlage auf einem nicht dargestellten Steuerpult
mutter 128 verbunden. des Reaktors zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist Die dargestellte Antriebsmutter 128 ist mit einer das Potentiometer 168 in dem Gehäuse 154 starr beAntriebswelle
134 mit zwei ineinandergreifenden festigt. Die Welle des Potentiometers 168 ist mit einer
Kegelzahnrädern 135 und 136 verbunden. Zu diesem vertikal verlaufenden Welle 170 verbunden, die in
Zweck ist eines der Kegelzahnräder 135 an der An- 30 dem Gehäuse 154 drehbar gelagert ist. Die Welle 170
triebsmutter 128 beispielsweise durch dessen Anord- ist mit der Abtriebswelle 152 durch das Stirnzahnrad
nung auf einem verjüngten Ansatz 137 der Antriebs- 167 verbunden, das an der Abtriebswelle 152 und
mutter 128 befestigt. Das Kegelzahnrad 135 ist an einem Stirnzahnrad 171 befestigt ist, das an der Welle
dem Ansatz 137 durch eine Mutter 138 befestigt, die 170 angeordnet ist.
mit einem Gewindeteil 140 des Ansatzes 137 ver- 35 Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird
schraubt ist. Eine Unterlegscheibe 140 ist zwischen Wasser, das z. B. durch einen nicht dargestellten
dem Kegelzahnrad 135 und der Antriebsmutter 128 Dampfgenerator hindurchgeleitet wurde, dem Druckangeordnet,
um das äußere Lager 130 geeignet zu gefäß über eine Leitung 172 zugeführt, die mit dem
haltern. Das äußere Kegelzahnrad 136 ist mit dem Einlaß 20 in Verbindung steht, welcher, wie in Fig. 3
Ende einer vertikal verlaufenden Welle 141 verbun- 40 dargestellt ist, einen Stutzen in dem oberen Teil der
den. Die Welle 141 erstreckt sich durch eine Öffnung Seitenwand des Druckgefäßes 10 ist. Das Wasser tritt
in einer oberen Wand eines Gehäuses 143 für die in das Druckgefäß 10 ein und wird gleichmäßig ent-Kegelzahnräder
135 und 136, welches Gehäuse 143 lang des Umfangs des Druckgefäßes 10 verteilt. Das
an dem Stutzen 129 geeignet befestigt ist. Die Welle Wasser gelangt dann durch vier parallele ringförmige
141 ist in dem Gehäuse 143 mittels zweier Lager 145 45 Wege, und zwar zwischen der thermischen Abschirangeordnet,
die in einer vertikal getrennten Lage mung42 und der Seitenwand 26 des Gefäßes, zwidurch
eine Abstandshülse 146 gehaltert werden, die sehen der thermischen Abschirmung 42 und dem
zwischen den Lagern 145 und in der Öffnung 142 in Reflektor 15, den Kanal 107 zwischen dem Reflektor
der oberen Wand angeordnet ist. Eine Abwärtsbewe- 15 und der Kernummantelung 18 sowie den ringgung
der Welle 141 relativ zu den Lagern 145 wird 50 förmigen Kanal 17 in dem Kern 12. Am unteren Ende
durch einen Bund 147 ausgeschlossen, der mit der des Gefäßes wird die Strömung vereinigt, umgekehrt
Welle 141 über dem oberen Lager 145 verbunden ist. und dann nach oben durch die beiden Kernbereiche
Eine Flüssigkeitsabdichtung 148 ist auf der Welle 141 geführt. Über der Kernanordnung wird die Strömung
über dem Bund 147 vorgesehen. wieder vereinigt und tritt durch eine horizontal ver-Wie
in Fig. 5 dargestellt ist, ist das obere Ende 55 laufende Leitung 173 aus, die zwischen dieUmmanteder
Welle 141 durch ein unteres Universalgelenk 150 lung 18 und dem Auslaß 21 geschaltet ist, der die
mit der Antriebswelle 134 verbunden, die sich nach Form eines Stutzens besitzt und mit dem oberen Teil
oben zu der Oberseite des Abschirmtanks 11 er- der Seitenwand 26 verbunden ist. Der Auslaß 21 ist
streckt. Das obere Ende_ der Antriebswelle 134 ist mit einer horizontal verlaufenden Leitung 174 verüber
ein Universalgelenk^ 151 mit einer vertikal ver- 60 bunden, die mit dem Dampfgenerator in Verbindung
laufenden Abtriebswelle .152 einer Antriebs- und An- steht.
Zeigeeinrichtung 153 verbunden. Die Welle 152 ist in Für gewisse Verwendungszwecke kann eine orga-
einem Gehäuse 154 drehbar gelagert, das beispiels- nische Flüssigkeit wie Diphenyl, Terphenyl oder eine
weise durch einen Arm 155 auf der Oberkante des Mischung dieser beiden an Stelle von Wasser ver-
Abschirrntanks 11 angebracht ist. 65 wandt werden.
Die Welle 152 wird durch einen üblichen Getriebe- Bei einem Ausführungsbeispiel des Reaktors gemäß
motor 156 gedreht, der über dem Gehäuse 154 und der Erfindung finden die folgenden Parameter Ver-
an diesem befestigt ist, und der mit der Antriebswelle wendung:
Reaktorleistung [MW (t)]
Leistungsdichte im Brennstoff bereich (kW/Liter)
Kernlänge (cm)
Abmessungen des Brennstoffbereichs (cm) Innerer Abschnitt (Außendurchmesser)
Äußerer Abschnitt (Innendurchmesser)
Äußerer Abschnitt (Außendurchmesser)
Volumen des Brennstoffbereichs (Liter)
Innerer Bereich
Äußerer Bereich
Anzahl von Brennstoffelementen
Innerer Abschnitt
Äußerer Abschnitt
10
90 61
20,3 31,0 53,6
19,8 92,1
Abmessungen der Wasserkanäle (cm) Innerer Ring (Innendurchmesser) .
Inneren Ring (Außendurchmesser) Äußerer Ring (Innendurchmesser) Äußerer Ring (Außendurchmesser)
Volumen der Wasserkanäle (Liter)
Innerer Ring
Äußerer Ring
Abmessungen des Reflektors (cm)
Innerer Durchmesser
Äußerer Durchmesser
Ί400
~20,6 ~30,7 ~53,9
~57,7
~25,1 ~20,3
Neutronenfluß
Mittlerer thermischer Fluß,
0 bis 1 eV (n/cm2 -see) 2 ·
Mittlerer schneller Fluß,
> 1 eV (n/cm2 -see) 1 ·
Verhältnis des Scheitelwerts zum mittleren thermischen Fluß
Thermischer Absenkungsfaktor
[Φ (Brennstoff) / Φ (Zelle)]
Spezifikation der Brennstoffelemente
Außendurchmesser
Länge des aktiven Teils ..
Dicke der Umhüllung aus
rostfreiem Stahl
Dicke der Umhüllung aus
rostfreiem Stahl
Zirkoniumhydrid
Uran
-58,0 -78,3
1013
10«
3,8
0,9
Verhältnis des Scheitelwerts zur durchschnittlichen Leistungsdichte 1,6
Anfängliche Kernladung
[voll angereichertes U-235] (kg) ~25
Verbrauch an U-235 während der Lebensdauer (kg) 4,5
Lebensdauer des Kerns (Jahre) 1 bis 2
Reaktivitätsänderungen
dklk [kalt zu heiß] (°/o) ~0
δ k/k [während der Lebensdauer] (°/o) .. ±0,5
Brennstofftemperatur,
Durchschnitt im Kern (0C) 336
Wassertemperatur im Brennstoffbereich (0C)
Einlaß 280
Auslaß 302
Durchschnitt 291
Reaktivitätskoeffizienten
Brennstofftemperaturkoeffizient
Brennstofftemperaturkoeffizient
[prompt] (dk/k°C) -8-10-s
Wasser-Temperaturkoeffizient [mittlerer Nettowert für Kern- und Ringraum-Wasser
25 bis 300° C] (ök/k° C) .... +7,5-10-5
Leerraumkoeffizient-Kern (<5&/&%p) -7·10~4
Anreicherung des Urans
Wasserstoffatome/Zirkoniumatome
Druckgefäß
Außendurchmesser
*5 Dicke der Hülle
Länge
Boden
9,53 mm
609,6 mm
609,6 mm
0,51 mm
92 Gewichtsprozent 8 Gewichtsprozent
950/0 Uran-235
1,7
1,7
1117,6 mm
50,8 mm
152,4 mm
2 zu 1 elliptisch
Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß ein Kernreaktor angegeben wurde, der kompakt und
von sich aus sicher ist, der also zu jedem Zeitpunkt seiner Lebensdauer in der Lage ist, einer Stufeneinführung
der gesamten verfügbaren Reaktivität ohne eine bedeutsame Beschädigung des Kerns und ohne
Freisetzung von Spaltprodukten standzuhalten. Für den Reaktor kann eine Fernbedienung, eine bewegliche
Bedienung oder eine Steuerung ohne Bedienung erfolgen. Ferner kann der Reaktor im Vergleich zu
anderen Reaktorsystemen desselben Leistungsbereichs Leistung mit niedrigen Erstehungskosten erzeugen.
Der Reaktor verringert die Betriebskosten, da dessen Betrieb auf einer kontinuierlichen Basis mit wenig
oder keinem Personal zur Bedienung möglich ist.
Obwohl Ausführungsbeispiele der Erfindung eingehend beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht
auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, da entsprechend den vorliegenden Gegebenheiten zahlreiche
andere Ausführungsformen der Erfindung möglich sind.
Claims (4)
1. Leistungskernreaktor, dessen Reaktivität einen prompten negativeoTemperaturkoef fizienten
aufweist, mit einem Druckgefäß, in dem sich eine als Kühlmittel und Moderator dienende Flüssigkeit
befindet, mit einem in der Flüssigkeit angeordneten Kern, der Anordnungen von gas- und
flüssigkeitsdichten, in Abstand voneinander angeordneten Brennstoffelementen enthält, um die
herum Durchtrittskanäle für die als Kühlmittel und Moderator dienende Flüssigkeit freigelassen
sind, und mit einer Einrichtung zum Umwälzen der als Kühlmittel und Moderator dienenden
Flüssigkeit durch die Durchtrittskanäle, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des
aktiven Bereichs des Kerns (12) zwischen den Brennstoffelementanordnungen (51) ein zylinderförmiger
Spalt (17) vorgesehen ist, der wesentlich breiter als der normale Abstand zwischen den
Brennstoffelementen ist, und daß die Flüssigkeit in einander entgegengesetzter Richtung in an sich
bekannter Weise erst durch diesen Spalt (17) und dann durch die die Brennstoffelemente (13) umschließenden
Durchtrittskanäle geleitet ist.
2. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger, in
mehrere Segmente (15) unterteilter Reflektor den Kern (12) umgibt und daß eine Einrichtung (16)
109 517/171
zur Verschiebung der Segmente relativ zu dem Kern (12) vorgesehen ist.
3. Leistungskernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung der
Segmente (15) Antriebswellen (122) vorgesehen sind, die durch das Druckgefäß (10) verlaufen
und mit je einem Segment (15) verbunden sind, daß die äußeren Enden der Antriebswellen (122)
mit einem Außengewinde versehen sind, auf dem eine Antriebsmutter (127) sitzt, daß an die jeweilige
Antriebsmutter (127) eine Feder (133) angreift, die die jeweilige Antriebsmutter (127) in
einer solchen Richtung vorspannt, daß diese auf
ihre Drehung hin das jeweilige Segment (15) in seine radial innerste Lage bewegt, daß eine zweite
Antriebswelle (142) mit der jeweiligen Antriebsmutter (127) verbunden ist und daß eine elektromagnetische
Kupplung (157) die jeweilige zweite Antriebswelle (142) mit einem Antriebsmotor (156) verbindet.
4. Leistungskernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
nächst dem Umfang des Kerns (12) innerhalb des Reflektors (15) ein zweiter ringförmiger, von
oben nach unten von der Flüssigkeit durchströmter Durchtrittskanal (107) vorgesehen ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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