DE1614404B2

DE1614404B2 - Schneller brutreaktor

Info

Publication number: DE1614404B2
Application number: DE19671614404
Authority: DE
Inventors: Hans Dr 8520 Erlangen Spenke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-01-11
Filing date: 1967-01-11
Publication date: 1971-03-11
Also published as: SE318955B; DE1614404A1; FR1556436A; GB1211255A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen schnellen Brutreaktor mit Dampf- oder Flüssigmetallkühlung der Spaltstoff- und Brutzonen sowie einer, eine Verminderung des Kühlmittelvoidkoeffizienten bewirkenden, flachen, zylindrischen Form des Reaktorkernes mit in radialer Richtung zur Symmetrieachse des Kerns hin abnehmender Spaltstofrmenge.

Bei schnellen Reaktoren besteht grundsätzlich die Möglichkeit, daß beim Kühlmittelverlust aus dem Reaktorkern eine positive Reaktivität entsteht, die zu einer Leistungsexkursion mit anschließender Zerstörung des Kerns oder weiterer Bereiche führen kann. Dieser sogenannte Voideffekt setzt sich hauptsächlich aus zwei Teilen zusammen, von denen der eine auf die Änderung des Neutronenenergiespektrums und der andere auf die Änderung der Neutronenleckverluste beruht, da durch Kühlmittelverluste eine Änderung von Moderierungserscheinun,gen sowie der Absorption von Neutronen erfolgt. Daraus geht hervor, daß dieser Voideffekt aus Sicherheitsgründen möglichst klein gehalten werden muß. Dies kann erreicht werden durch eine bewußte Vergrößerung der Neutronenleckverluste mit Hilfe besonderer Kerngeometrien, wie z. B. modularen Formen. Bei diesen ist der Reaktorkern aus einzelnen Modulen zusammengesetzt, von denen jeder einzelne eigene Spaltstoff-," Brutstoff- und auch Reflektorzonen besitzt. Auch Pfannkuchen und Ringformen sind in diesem Zusammenhang vorgeschlagen worden, (s. französische Patentschrift 1414 851 und USA.-Patentschrift 3 267 001). In beiden Patentschriften werden Mittel zur Flußabflachung vorgeschlagen, die unter anderem in einer radial abnehmenden Spartstoffmenge je Volumeneinheit bestehen und sich auch auf den Voideffekt auswirken können.

Der Nachteil dieser bekannten Vorschläge ist neben dem teilweise recht komplizierten Reaktoraufbau die in allen Fällen sehr schlechte Wirtschaftlichkeit.

Es ist demnach das Ziel dieser Erfindung, eine Kerngeometrie anzugeben, mit der bei Erhöhung der Neutronenverluste und damit einer Verkleinerung des maximalen Voideffektes eine wesentlich verbesserte Reaktorökonomie möglich ist. Erfindungsgemäß nimmt bei dieser Kerngeometrie die axiale Höhe der Spaltstoffzone symmetrisch zur mittleren Querebene des Reaktorkerns in radialer Richtung zur Symmetrieachse hin ab.

Dieses neue Aufbauprinzip sei an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert, wobei die Fi g. 1 den prinzipiellen Reaktivitätsverlauf eines aus dem Stande der Technik bekannten scheibenförmigen schnellen Reaktors zeigt, bei dem gleichmäßige Kühlmittelverluste auftreten. Da die Leckverluste der Neutronen im Kernzentrum niedrig sind und um so größer werden, je näher man zum Kernrad kommt, ergibt die Integration des Voideffektes (s. F i g. 1) über verschiedene Voidzonenradien einen Maximalwert Ak_voi,i_max, der zwischen Zentrum und Rand liegt. Dieser Maximalwert ist aber die für die Sicherheit eines schnellen Reaktors entscheidende Größe.

Durch die in dieser Erfindung vorgeschlagene Anordnung und relative Dimensionierung des Reaktorkerns bzw. der Brennstoffelemente werden die Neutronenleckverluste in jenen Kernbereichen erhöht, die besonders stark positiv zum maximalen Voideifekt beitragen.

Die Erhöhung und örtliche Verlagerung der Leckverluste wird dadurch erreicht, daß die Höhe des Spaltstoffbereichs vom Rand zur Mitte des zylindrischen Reaktorkerns gehend verkleinert und entsprechend die Dicke der beiden axialen Brutstoffbereiche vergrößert wird. Quantitativ wird die Höhe zweckmäßigerweise so weit verkleinert, daß der maximale Voideffekt unter dem prompt kritischen Wert, d. h. unter einem 1 S (= ß_eij = Anteil der verzögerten Neutronen) liegt. Die Gesamthöhe von Kern

ίο und axialen Brutmänteln wird dabei normalerweise konstant bleiben, sie muß es jedoch nicht.

Nach F i g. 2, die einen schematischen Querschnitt durch einen derartigen Reaktor zeigt, kann die Abnahme der axialen Höhe der Spaltstoffzone stetig sein. Gemäß Fig. 3 kann jedoch auch eine stufenförmige Anordnung gewählt werden.

In beiden Figuren werden die Spaltstoffzonen mit 1 und 2, die axialen Brutmäntel mit 3 und die radialen Brutmäntel mit 4 bezeichnet. Die Aufteilung des Reaktors in die einzelnen Zonen wird in an sich bekannter Weise dadurch bewirkt, daß die Brennstoffstäbe entsprechend lange Brutstoff- bzw. Spaltstoffüllungen enthalten. Da die einzelnen Brennelemente des Reaktors eine Vielzahl von dünnen Brennstoffstäben enthalten, kann praktisch eine stetige Abnahme der Höhe der eigentlichen Spaltstoffzone 1 (s. F i g. 2) erreicht werden. Vom praktischen Standpunkt dürfte es jedoch günstiger sein, eine stufenförmige Anordnung der Spaltstoffzonen 1 und 2 gemäß F i g. 3 vorzusehen, da damit das Umsetzen der Brennelemente innerhalb einer Zone gleicher Spaltstoffhöhe ermöglicht wird, also nur wenige Brennstabtypen unterschiedlicher Brut- und Spaltstoffanordnung vorgesehen werden müssen.

Nach dieser Erfindung werden die Neutronenleckverluste im wesentlichen nur im Kernzentrum und nicht auch in den Randgebieten, wie beim sogenannten Pfannkuchenkern, erhöht. Da der maximale Voideffekt seine positiven Beiträge überwiegend aus den zentralen Bereichen erhält, wird damit eine kräftige Reduzierung des Effektes und somit eine wesentlich erhöhte Sicherheit des Reaktors gegen Leistungsexkursionen im Falle eines Kühlmittelverlustes erreicht. Die Vermeidung höherer Leckverluste in den Randgebieten des Reaktorkerns ermöglicht ein geringeres Spaltstoffinventar und somit bessere interne Brutraten. Diese bewirken gegenüber den bekannten Pfannkuchen- und Ringkernen aber infolge der größeren Menge erbrüteten spaltbaren Materials eine höhere Lebensdauer der Brennelemente. Auch gegenüber einem schnellen Brutreaktor mit modularem Kern ist eine höhere interne Brutrate zu erwarten.

Da infolge der verschiedenen Höhen der Spaltstoffzonen unterschiedliche Kühlkanalleistungen gegeben sind, wird es zweckmäßig sein, den Kühlmitteldurchsatz in an sich bekannter Weise, z. B. durch Drosselung, so zu steuern, daß eine gleichmäßige optimale Kühlmittelaustrittstemperatur und damit ein optimaler thermodynamischer Wirkungsgrad der gesamten Anlage erreicht wird. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Reaktorkemkonfiguration besteht darin, daß wegen der geringeren notwendigen Anfangsüberschußreaktivität die Anzahl der Absorberelemente oder die Absorbermenge pro EIement kleiner als bei anderen Entwürfen gehalten werden kann, so daß zudem die Gefahr der prompten Kritikalität im Falle eines unbeabsichtigten Absorberelementauswurfs geringer ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Schneller Brutreaktor mit Dampf- oder Flüssigmetallkühlung der Spaltstoff- und Brutzonen sowie einer, eine Verminderung des Kühlmittelvoidkoeffizienten bewirkenden, flachen, zylindrischen Form des Reaktorkernes mit in radialer Richtung zur Symmetrieachse des Kerns hin abnehmender Spaltstoffmenge, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe der Spaltstoffzone sj'mmetrisch zur mittleren Querebene des Reaktorkernes in radialer Richtung zur Symmetrieachse hin abnimmt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme der axialen Höhe der Spaltstoffzone praktisch stetig ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe der Spaltstoffzone stufenweise zur Symmetrieachse des Reaktors hin abnimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen