DE1905790A1

DE1905790A1 - Kernreaktor

Info

Publication number: DE1905790A1
Application number: DE19691905790
Authority: DE
Inventors: Kenward Alan Crowhurst; Bevan Eric Gilbert; Harold Killingback; Gratton Charles Peter; Fifield John Arthur Richard; Hooper Alan Thomas
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-02-07
Filing date: 1969-02-06
Publication date: 1969-09-04
Also published as: GB1256701A; FR2001474A1; FR2001474B1; JPS5134076B1

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus den britischen Patentanmeldungen Nr₀ 6167/68 vom 7. Febr. 1968, Nr. 6168/68 vom 7. Febr. 1968, Nr. 14 343/68 v. 25. März 1968, Nr.H 344/68 v. 25. März 1968, Nr. 14 345/68 vom 25. März 1968, Nr.20 264/68 vom 29. April 1968 und Nr. 20 265/68 vom 29o April 1968 in Anspruch genommen.

Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren, bei welchen poröser Brennstoff verwendet wird, unter welchem in diesem Zusammenhang ein Kernbrennstoff gemeint ist, der einen Aufbau bildet, welcher untereinander verbundene Poren enthält, durch welche Kühlmittel hindurch gelangen kann. Der Brennstoff kann die Form einer porösen Schicht oder eines Bettes haben, die bzw. das in einer solchen Weise gehalten wird, daß ein Brennelement gebildet wird. Bei einer solchen

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Anordnung Ist die Gresamt-Wärmeübertragungsflache, die dem Kühlmittel dargeboten wird, ziemlich groß im Vergleich zu der Oberfläche, die beispielsweise durch eine stabförmige Hülse von Brennstoffpellets dargeboten wird, und somit ist nur eine flache Tiefe eines porösen Bettes notwendig, um das Kühlmittel auf die erforderliche Temperatur zu bringen. Der damit einhergehende Kühlmittel-Druckabfall über das Bett hinweg braucht daher- nicht sehr groß zu sein und kann tatsächlich ziemlich klein gehalten werden.

Jedoch wegen des Umstandes, daß die Betten bzw. Schichten niedrig sind,muß eine Anzahl dieser Schichten parallel angeordnet werden, um eine kritische Masse am Reaktorkern aufzubauen, und um übermäßige Hohlräume zu vermeiden, ist es zweckmäßig, Kühlmittel nach den Flächen der Schichten durch Leitungen (im Nachfolgenden Einlaß- bzw. Auslaßleitungen genannt) hinzuführen und es von diesen Flächen abzuziehen, wobei die Leitungen parallel zu den Flächen verlaufen und teilweise durch die jeweiligen Flächen der Schichten begrenzt sind. Es sind Druckgefälle entlang diesen. Kühlmittelleitungen vorhanden, und zwar teilweise infolge von Reibungs—Druckverlusten, aber auch, was noch wesentlicher ist, infolge von Änderungen der Bewegungsgröße. In den Auslaßleitungen muß die Bewegungsgröße des Kühlmittels erhöht werden, so daß ein Druckgefälle in Strömungsrichtung vorhanden ist, welches zu dem Reibungseffekt addiert wird, während in den Einlaßleitungen die axiale Bewegungsgröße abnimmt und normalerweise .ein Anstieg des Druckes in Strömungsrichtung stattfindet. Dieser Anstieg kann das durch Reibung eingebrachte Druckgefälle verschieben oder sogar aufheben.» Bei diesen Unberechenbarkeiten der Druckänderung entlang den Flächen der Schicht besteht eine geringe Chance, daß die Kühlung des Brennstoffs auf ein Optimum gebracht wird, wobei daran zu denken ist, daß die Rate der Wärmeerzeugung im Brennstoff nicht unbedingt einheitlich ist.

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Erfindungsgemäß wird ein Kernreaktor geschaffen, der spaltbaren Brennstoff aufweist, welcher als eine poröse Schicht angeordnet ist, durch welche ein strömungsfähiges Kühlmittel hindurchgeschickt wird, um Wärme vom Brennstoff abzuführen, wobei das Kühlmittel auf der einen Seite der Schicht eingeführt und von der anderen Seite weggeführt wird, und wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine kontrollierte Verteilung der Kühlmitteldurchdringung durch die Schicht hindurch entlang der Schicht vorsieht, um die Kontingentierung des Kühlmittels zu steuern.

Eine solche Kontingentierung des Kühlmittels kann mit Hilfe der Erzeugung einer einheitlicheren Kühlmittelverteilung entlang der Schicht oder einer nicht-einheitlichen Kühlmittelverteilung ausgeführt werden, um eine Anpassung an eine entsprechende nicht-einheitliche Wärmeerzeugung zu erzielen» Sie kann erzielt werden durch Anwendung einer der beiden allgemeinen Verfahrensweisen, nämlich der Strömungswiderstand der Schicht kann verändert werden oder, zweitens, die Brennstoffschicht und deren Einlaß- und Auslaß-Kühlmittelleitungen können so angeordnet werden, um einen solchen Druckgradienten entlang den Leitungen zu verursachen, daß er selbsttätig die gewünschte Kontingentierung ergibt.

Bei einer Ausführungsform der ersten Verfahrensweise wird die Kühlmittelverteilung dadurch geregelt, daß ein Bauteil vorgesehen wird, welcher die eine Fläche der Brennstoffschicht begrenzt und welcher den überwiegenden Teil des Strömungswiderstandes im Kühlmittel-Strömungsweg liefert, wobei dieser Widerstand entlang der Fläche der Schicht verändert wird. Eine weitere Art und Weise zur Erzielung der ersten Verfahrensweise besteht darin, in der Brennstoffschicht selbst eine Einrichtung vorzusehen, die den Strömungsweg für das Kühlmittel innerhalb der porösen Schicht an Stellen entlang der fJchicht verstärkt, wo die Antriebs-Druckdifferenz,

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wie zwischen Einlaß- und Auslaßleitungen, größer ist als die Mindestantriebs-Druckdifferenz, wodurch die nicht-einheitliche Strömung des Kühlmittels durch die Schicht hindurch reduziert wird. Beispielsweise können Prall- oder Leitkörper in. die Schicht an Stellen eingesetzt werden, wo es erwünscht ist, die überschüssige Druckdifferenz dadurch zu absorbieren, daß das Kühlmittel über einen anderen als einen direkten Weg durch die Schicht hindurch getrieben wird.

Bei der zweiten Verfahrensweise, die einen Vorteil insofern hat, als nichts von der Antriebs-Druckdifferenz absichtlich verbraucht zu werden braucht, kann der Effekt dadurch erzielt"werden, daß die Einlaß- und Auslaßleitungen ■an den entsprechenden Flächen einer porösen Schicht angeordnet werden, um das Kühlmittel im Gegenstrom hindurch zu schicken, und durch eine solche Bemessung dieser Leitungen, daß die statischen Drücke in angrenzenden, sich gegenüberliegenden Teilstücken der Leitungen sich im wesentlichen ausgleichen, so daß der an der Schicht zur Einwirkung kommende Druckabfall im wesentlichen konstant ist. Das heißt! Der ansteigende Druckgradient entlang der Einlaßleitung gleicht den Abfall entlang der Auslaßleitung in den jeweiligen Strömungsrichtungen aus·

Eine weitere Alternative besteht für die Erfindung entsprechend der zweiten Verfahrensweise darin, die Querschnitt sflache der Einlaßleitung oder Auslaßleitung dort zu reduzieren, wo die Strömung gering ist, so daß bei einem gleichgeriohteten Strömungssystem die Massenströmung des Kühlmittels und somit der Druckgradient entlang der Leitung reduziert wird.

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Natürlich können bei jedem beliebigen Reaktorkern poröse Brennstoffelemente verwendet werden, die mehr als eine der obigen Einrichtungen zur Erzielung einer gewünschten Kühlmittelverteilung enthalten können.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 ein Brennstoffelement von außen,

Fig. 2 einen axialen Schnitt durch Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3- eine Teilansicht der Fig. 2 in weiter vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil e ines Schnellreaktorkerns, dessen spaltbarer Bereich aus Brennstoffelementen besteht, die allgemein die in Fig. dargestellte Form haben,

Fig. 5 eine abgeänderte Ausfuhrungsform eines rohrförmigen Brennstoffelements im Axialschnitt mit seinem -Kühlmittel-Strömungsmuster,

Fig. 6 schematisch eine Anzahl von rohrförmigen Brennstoffelementen, die zwischen Kühlmitteleinlaß- und auslaß-Sammelräumen angeordnet sind, während

Fig. 7 eine den Fign. 5 und 6 ähnliche Ansicht eines

weiteren abgeänderten Brennstoffelementes wiedergibt.

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Die Fign. 1 bis 3 zeigen ein Brennstoffelement zur Bildung des gasgekühlten Schnellreaktoraufbaus der Ffg« 4, Das Brennstoffelement, welches in den Fign. 1 und 2 in einer horizontalen Lage dargestellt ist, wird mit seiner Achse vertikal angeordnet verwendet und weist einen zusammengesetzten rohrförmigen Körper 1 mit einer zentralen Bohrung auf, die über den größten Teil hinweg eine parallele Wandung aufweist, wenn auch nicht von einheitlichem Durchmesser. Das eine Ende der Bohrung, und zwar das untere Ende, ist durch ein Endfitting 3 geschlossen, während am oberen Ende die Bohrung in der Strömungsrichtung bei 4 mittels eines rohrförmigen Endfittings 5 divergent ausgebildet ist. Zwischen diesen Fittings 3, 4 ist der Körper 1 aus einer rohrförmigen porösen Schicht 6 aus Partikeln zusammengesetzt, deren Rumpfkerne aus nuklearem Brennstoff bestehen. Jeder Rumpfkern trägt einen Überzug aus einem Material, welches die Integrität der Partikel in einem Schnellneutronenfluß aufrechterhält und für Spaltprodukte undurchlässig bleiben wird, so daß das Kühlmittel, welches über die Überzugflächen beim Durchgang durch die poröse Schicht strömt, nicht verseucht wird. Die Schicht bzw. das Bett 6 besteht aus einer Anzahl von kurzen, poröswandigen künstlichen zylindrischen Körpern oder Hülsen aus überzogenen Partikeln, wie vorerwähnt, die in einer Weise gebunden oder zusammengesintert sind, daß dem Kühlmittel die Möglichkeit gegeben ist, durch Zwischenräume zwischen den Partikeln zumindest in einem direkten radialen Richtungssinn hindurchzugelangen. Die künstlichen Körper werden zwischen den porösen Wänden in Form von koaxialen Hülsen festgehalten, von welchen die äußere Hülse 7 aus einem Edelstahl-Maschenwerk von feiner Gaze besteht, die eine Porosität hat, welche zumindest so groß wie die des künstlichen Brennstoffkörpers ist. Ein Material, wie es häufig in Filtern verwendet wird, ist geeignet, und um eine ausreichende Länge des Maschenwerkes zu erhalten, ist eine Anzahl von kurzen rohrförmigen Längen vorgesehen, die an ihren Enden, wie dargestellt, durch Überlappung verbunden sind. Die innere Hülse 8 besteht aus

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Keramik (z.B. Siliziumkarbid), ist im wesentlichen für Gase undurchlässig und besteht ebenfalls aus einer Anzahl von kurzen Rohrlängen 8a, deren angrenzende Ränder 9 einander überlappen.

Die äußere Fläche jedes Rohres 8a ist über ein Teilstück ihrer Länge hinweg nach innen abgesetzt, um eine flache ringförmige Nut 10 zu bilden (wie in Fig. 3 deutlicher dargestellt). Eine Anzahl von Öffnungen 11 durch die Wand ;jedes Rohres 8a hindurch verbindet die Nut mit der Bohrung 2, wobei die Öffnungen so geneigt sind, daß sie die Strömung in die Bohrung hinein in axialen Strömungsrichtungen lenken.

Die axiale Länge jeder Hülse ist so, daß sie die Länge einer Nut 10 überspannt und die Hülse mit Gleitsitz auf den Volldurchmesserteilstücken der inneren Hülsen sitzt.

Beim Betrieb verläuft der Weg für das Kühlmittel von der Außenseite des Elementes radial nach innen durch das Edelstahl-Maschenwerk 7 und von dort durch die Poren der angrenzenden Brennstoffhülle 6 hindurch, wo es erhitzt wird, in die ringförmige Nut 10 zwischen der Hülle 8 und der Innenfläche der Brennstoffhülle hinein. Von diesem Raum gelangt das Kühlmittel, nunmehr heiß, durch die angrenzende der : geneigten öffnungen 11 in die Bohrung 2, von wo es axial, wie durch die Pfeile angedeutet, nach dem divergenten Durchgang im oberen Endfitting strömt, der nachfolgend beschrieben wird.

Die Zusammensetzung des Brennstoff-Rumpfkörpers in den Hülsen ist abhängig von seiner Lage in axialer Richtung des Brennstoffelementes. Bei einem gasgekühlten Schnellreaktor

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ist der Raum im oberen und unteren Drittel des Brennstoffelementes durch brütbares Brennstoffmaterial ausgefüllt, während das mittlere Drittel aus spaltbarem Material besteht.

Wie in Fig. 4 angedeutet, ist jedes Element so angeordnet, daß eine Anzahl solcher Elemente nebeneinander mit parallel verlaufenden Achsen angeordnet werden kann, um den Reaktorkern zu bilden, und die Endfittings sind entsprechend angepaßt. Das untere Endfitting 3 weist ein Metallgehäuse 14 auf, welches an der untersten Hülse des Edelstahl-Maschenwerks 7 befestigt ist. In diesem Bereich weist das Gehäuse eine Innenschulter auf, die eine Graphitbuchse 15 abstützt, welche mit einer erweiterten Bohrung versehen ist, um das untere Ende der untersten der Hülsen 8 aufzunehmen. Unterhalb der Innenschulter ist der Gehäusedurchmesser reduziert, um einen Zentrierzapfen 16 zu bilden. Innerhalb dieses Zentrierzapfens weist ein Klinken- bzw. Riegelmechanismus ein Paar von zurückziehbaren Riegeln 17 auf, welches durch Manipulation eines langen Werkzeugs ausgedehnt werden kann, welches durch die Rohrbohrung 2 nach unten eingeführt wird, um den Zentrierzapfen des Elementes in ein Gitter (gestrichelt bei 18 dargestellt) hinein zu verriegeln. Das obere Endfitting 5 ist in der Hauptsache eine röhrf ö'rmige' Verlängerung von gleichem Durchmesser wie dem des Brennstoffelementes, trägt jedoch eine Graphitbuchse 19, die gemeinsam mit der Buchse 15 des unteren Endfittings 3 als Neutronenreflektor wirkt. An seiner Peripherie trägt das obere Endfitting 5 kolbenringartige Dichtungen 20.

Wenn eine Anzahl von Elementen, wie in Fig. 1 dargestellt, achsparallel in obere und untere Haltegitter eingesetzt wird, dann nehmen diese einen durch eine linie 21 begrenzten Flächenbereich ein, nämlich ein Sechseck, wenn in Draufsicht der

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Pig. 4 gesehen, wobei Regelstäbe 22 für bestimmte Brennstoffelemente in den dargestellten Anteilen eingesetzt werden und den spaltbaren Kern sowie "axiale" Abdeckungen bilden. Die radiale Abdeckung weist eine Vielzahl von sechseckigen Bündeln aus brütbaren Brennstoffstiften auf, die allgemein bei 23 angedeutet sind.

Soweit es den spaltbaren Kern und die "axiale" Abdeckung anbetrifft, ist der Weg für das Kühlmittel folgender: Das Kühlmittel wird über Löcher 18 im unteren Haltegitter zugeführt, um in die Zwischenräume zwischen den Elementen 1 zu gelangen, in denen es in axialer Richtung entlang den Zwischenräumen strömt, und wird durch die Dichtungen 20 gegen das obere Gitter gezwungen. Das Kühlmittel strömt radial in verschiedenen Richtungen, um durch die poröse Brennstoffhülse hindurch in die Nuten 10 in den Hüllen 8 zu gelangen. Von den Nuten 10 gelangt das Kühlmittel durch die Löcher 11 in die Bohrung 2 hinein, wo es wiederum axiale Bewegungskraft aufnimmt, und strömt in axialer Riohtung durch die Bohrung hindurch, wobei es die Bohrung duroh den divergenten Durchlaß in der Buchse verläßt, wobei es bei dem Prozeß einen Teil seiner kinetischen Energie in Druck umwandelt. Das Gas, welches von den oberen Enden der Elemente ausgeht, gelangt in eine Heißkammer (nicht dargestellt) und von dort in eine Heißgas-Ausnutzungsanlage, die ein Wärmeaustauscher sein kann, welcher ein Sekundärkühlmittel oder eine Gasturbine beheizt.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei der beschriebenen Anordnung sich das Kühlgas, welches in die Bohrung gelangt, auf eine Anzahl von porösen Wegen in Form von Zwischendurchgängen zwischen überzogenen Brennstoffpartikeln aufteilt. Herstellungstoleranzen, die dazu führen, daß verschiedenen

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Elementen verschiedene.Strömungswiderstände gegeben werden, geben axiale Druckgradienten in den Bohrungen 2 und in den Zwischenräumen zwischen Elementen zu TJngleichmäßigkeiten der Kühlmittelverteilung Anlaß. Jedoch das Vorsehen der vorbestimmten Veränderungen in der Porosität der inneren Graphithülse in einer Weise, welche entweder Herstellungstolerahzen und/oder die Wirkung von axialen Druckgradienten bei Druckabfall am Brennstoff ausgleicht, wird die Ungleichmäßigkeiten in der Kühlmittelverteilung reduzieren.

Darüber hinaus wird von den Druckgradienten entlang den beiden Wegen (d_oh. den Zwischenräumen zwischen Elementen und den Bohrungen der Elemente) der größere derjenige sein, der in der Bohrung vorhanden ist. Die Auswirkung davon wird gemäß der Erfindung durch die Formgebung der Grenzen der Kühlmittel-Strömungswege in einer Weise gemildert, welche die Strömungsfläche am Ende des axialen Einlaßweges, der Kühlmittel über die Außenseite der Elemente leitet, und auch am Beginn des axialen Auslaßweges, d.h. am in Strömungsrichtung liegenden Ende der Bohrung 2, reduziert. Das Ausmaß der Reduzierung ist gering und aus Fig. 2 kaum erkennbar. Es wird jedoch im Falle des Einlaß-Strömungsweges und der Bohrung des Elementes durch Überlappung kurzer Rohrlängen erzielt, die, beginnend vom unteren Endfitting, progressiv im Durchmesser zunehmen.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, die mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben wird, ist das Brennstoffelement 31 rohrförmig ausgebildet und sitzt auf einem Haltegitter 32 mit vertikal angeordneter Achse. Löcher 33 im Haltegitter lassen Gas-Kühlmittel nach den Einlaßleitungen 34 zwischen benachbarten Brennstoffelementen ein, von wo es über die Oberflächen des porösen Brennstoffs gelangt und durch den Brennstoff in die Brennelementbohrung hindurchsickert, welche die Auslaßleitung 35 bildet. Von der leitung 35 gelangt das heiße Gas nach einem Wärmeaustauscher (nicht dargestellt)»

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Da der Druck entlang der Einlaßleitung 34 etwas abfällt, oder auch ansteigen kann, und derjenige entlang der Auslaßleitung 35 beträchtlich in Strömungsrichtung abfällt, besteht eine größere Antriebs-Druckdifferenz zwischen den leitungen 34 und 35 an den stromabwärts gelegenen Enden 36 als an deren stromaufwärts gelegenem Ende 37, und wenn man somit annimmt, daß der Druckabfall durch die poröse Wand des Brennstoffelementes einheitlich ist, besteht für einen größeren Anteil des Kühlmittels eine Tendenz, die Wand am stromabwärts gelegenen Ende 36 zu durchqueren, wobei es das stromaufwärts gelegene Ende 37 "ausgehungert" verläßt.

Um diese Wirkung zu vermeiden, werden konische Prallkörper, für Kühlmittel undurchlässig, wie bei 38 angeordnet, so daß in diesem Bereich das durch die Wand hindurchdringende Kühlmittel gezwungen wird, einem Weg durch den Brennstoff von vergrößerter länge zu folgen. Dadurch wird im Endeffekt der Druckabfall durch den Brennstoff hindurch an dieser Stelle erhöht, wobei auf diese Weise die größere Antriebs-Druckdifferenz ausgeglichen wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die schematische Darstellung der Fig. 6 beschrieben, die einen Teil eines gasgekühlten Reaktorkerns mit länglichen ; porösen Schichten von Kernbrennstoff zeigt.

In der Zeichnung ist der Kernbrennstoff in einer Anzahl ■ von rohr-förmigen Schichten 41 angeordnet, die beispielsweise zwischen einem groben Edelstahl-Maschenwerk 42 abgestützt sind, wobei ihre Achsen vertikal verlaufen. Die rohrförmigen Schichten 41 sind so in Abstand angeordnet, daß sie Kühlmittel-Einlaß-Strömungsleitungen 43 zwischen benachbarten. Schichten bilden, wobei die Auslaß-Strömungsleitungen durch die Bohrung 44 jedes Rohros gebildet wird. Der Raum oberhalb den Einlaß-

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leitungen 43 bildet einen Einlaß-Sammelraum oder einen Verteilerraum für das Kühlmittel, und am gleichen Ende stoßen die Auslaßleitungen, die durch die Bohrungen 44 gebildet werden, in Leitungen 46 hinein aus.

Die Einlaß- und Auslaßleitungen 43, 44 sind so proportioniert, daß der Druckanstieg entlang den Einlaßleitungen 43 in Richtung der Strömung durch den Druckabfall in dem im Gegenstrom fließenden Auslaßgas ausgeglichen wird. Auf diese Weise kann die statische Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßleitungen an allen Stellen auf gegenüberliegenden Seiten der porösen Wand im wesentlichen konstant bleiben. Damit sich eine einheitliche Porosität ergibt, sollte die Kühlmittelströmung über den Brennstoff hinweg an allen Stellen entlang den Leitungen etwa die gleiche sein. Kleine Nachjustierungen hinsichtlich des Druckausgleiches oder hinsichtlich des Strömungswiderstandes können vorgenommen werden, umdie Kühlmittelströmung der Wärmerate entlang der Schicht anzupassen.

Als ein Beispiel für das, was beabsichtigt ist, wurde eine Reihe von algebraischen Werten rechts von der Brennstoffschicht in der Zeichnung gegeben, wo die Symbole a, a+x usw. Relativwerte von statischen Drücken in willkürlichen Einheiten andeuten und Ap der Druckabfall durch die Schicht hindurch ist.

Sobald das Kühlmedium in die Einlaßleitung 43 gelangt, fällt dessen Massengeschwindigkeit ab, und dessen statischer Druck steigt als Folge davon an, wenn auch der Anstieg durch Abzug von Strömungsmittel vermindert wird, welches in die poröse Wand hineingelangt. In der Auslaßleitung 44 nimmt die Massengeschwindigkeit in Strömungsrichtung zu, und der statische Druck fällt ab. ^:

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Die kleine Druckdifferenz, welcher die rohrförmige Schicht widerstehen muß, gestattet es, eine poröse Schicht ohne besondere Beachtung von deren konstruktiver Länge zu bilden,und dies vermeidet die Notwendigkeit, möglicherweise ein strukturelles Material in die Schicht einzubauen, welches einen zusätzlichen Strömungswiderstand einführen könnte. Wie es tatsächlich der Fall ist, können die Schichten einfach aus überzogenen Partikeln von Kernbrennstoff hergestellt werden, die in eine pxöse Agglomeration von Rohrform mit keinem oder einem Minimum an Halteaufbau geformt'werden. Da die Differenz zwischen Einlaß- und Auslaßdrücken nur der Druck Δ ρ an der Schicht ist, werden die Pumpkrafterfordernisse auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

In Fig. 7 sind die Brennstoffelemente 51a, 51"b je als hohle Kegelstümpfe ausgebildet, deren Grundflächen auf einem Haltegitter 5.2 sitzen. Die oberen Enden der Kegel sind durch Platten 53 geschlossen, und deren Seitenwände 54 bestehen aus porösem Kernbrennstoff.. löcher 55 im Haltegitter lassen Kühlmittel in konvergierende Kühlmittel-Einlaßleitungen 56 ein, die durch das Elementinnere gebildet werden. Das Kühlmittel' strömt in axialer Richtung in die Leitung 56 ein, deren Querschnittsfläche in Strömungsrichtung abnimmt und auf diese Weise den Druckanstieg beschränkt. Das Kühlmittel gelangt durch die Poren in der Wandung 54 hindurch, um in die Auslaßleitung 57 zu gelangen, welche zwischen den Außenflächen von benachbarten Kegeln 54 gebildet wird. Die durch die benachbarten Kegelflächen gebildete divergente Auslaßleitung 57 hat das Bestreben, den abfallenden Druckgradienten in Richtung auf den Auslaß 58 zu reduzieren.

Die Kegelwinkel werden so gewählt, daß die konvergenten Einlaßleitungen 56 den Druckanstieg reduzieren, den man eine» Strömungsmittel zuordnen würde, welches in einen stromaufwärts einer Strömungsimpedanz gelegenen Hohlraum ausgestoßen wird·

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Gleichzeitig helfen die divergenten Auslaßleitungen 57 dabei mit, den Verlust an Bewegungsgröße beim Mitreißen von Kühlmittel von der Auslaßseite der leitungswand 54 her zu reduzieren. Der Druckabfall an der Schicht wird entlang dem Brennstoffelement zunehmen, aber infolge des abnehmenden mittleren Durchmessers und der zunehmenden Schichtdicke kann der Schichtwiderstand so eingerichtet werden, daß er die erforderliche Verteilung der Massenströmung durch die Schicht hindurch ergibt und ausgleicht.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind»

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1 ..'Kernreaktor mit spaltbarem Brennstoff, der im Kern als eine poröse Schicht angeordnet ist, durch welche ein strömungsfähiges Kühlmittel hindurchgeschickt wird, um Wärme vom Kern abzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche eine kontrollierte Verteilung der Kühlmitteldurchdringung durch die Schicht hindurch entlang der Schicht vorsieht, um die Kontingentierung von Kühlmittel entsprechend der örtlichen Wärmeerzeugungsrate zu regeln.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßflächen der Schicht, die dem Kühlmittel ausgesetzt sind, im Vergleich zur Tiefe der Schicht zwischen den Einlaß- und Auslaßflächen groß sind.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ^: daß die Kontingentierung des Kühlmittels dadurch bewirkt wird, daß der Widerstand gegen Strömung des Kühlmittels zwischen der die Einlaßseite der Schicht beliefernden Leitung und der das Kühlmittel von der Auslaßseite der Schicht her empfangenden Leitung in verschiedenen Bereichen entlang der Schioht verändert wird.

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4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite der Schicht hinter einem porösen Bauteil vorgesehen ist, der einen überwiegenden Teil des Strömungswiderstandes im •Kühlmittel-Strömungsweg zwischen Stromaufwärts- und Stromabwärtsleitungen darbietet, und daß der durch diesen Bauteil dargebotene Strömungswiderstand entlang der Seite der Schicht, welcher er zugeführt wird, differiert.

5o Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff rohrförmig angeordnet ist.

6β Kernreaktor nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet durch ein poröses Keramikrohr, welches auf die Peripherie des rohrförmigen Bauteils aufgebracht ist, wobei die Perforation desselben einen überwiegenden Teil des Strömungswiderstandes dem Kühlmittel darbietet.

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Bauteil an jeder Zylinderfläche durch eine poröse Hülse begrenzt ist., daß die Porosität zumindest einer derselben progressiv vom einen Ende des Rohres zum anderen zunimmt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die Strömung in axialer Richtung von jeder ringförmigen Endwand des rohrförmigen Körpers her hindert.

8. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Bauteil für Gegenstrom des Kühlmittels auf jeder Seite der rohrförmigen Wand desselben eingerichtet ist, daß die Strömung nach innen in die Bohrung erfolgt und daß die Bohrung in Kühlmittel-Strömungsrichtung im Durchmesser zunimmt.

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g. Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung des rohrförmigen Körpers durch eine Hülse ■bestimmt ist, deren Peripherie von der angrenzenden Fläche des porösen Brennstoffes auf Abstand angeordnet ist.

10. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Prall- oder Leitkörper vorgesehen sind, um den Strömungsweg für das Kühlmittel innerhalb der porösen Brennstoffschicht an Stellen zu vergrößern, wo die Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßleitungen so ist, daß sie eine stärkere Kühlmittelströmung ergibt, als sie zur Erzielung des erforderlichen Temperaturanstiegs notwendig ist.

11. Kernreaktor nach Anspruch 1, bei welchem die Einlaß- und Auslaßleitungen so angeordnet sind, daß sie Kühlmittel entlang gegenüberliegender Seiten der Schicht im Gegenstrom leiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen so proportioniert sind, daß der Druckanstieg entlang der Einlaßleitung den Druckabfall entlang der Auslaßleitung ausgleicht ο

12. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel innerhalb des Kerns nach der einen Seite einer porösen Brennstoffschicht geführt ist und von der gegenüberliegenden Seite über entsprechende Leitungen geführt wird, die zumindest teilweise durch entsprechende Flächen begrenzt sind, bei welchen der Querschnittsbereich der Leitungen in jenen Bereichen reduziert ist, wo'sich die Massenströmung des Kühlmittels reduziert.

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