DE1924941A1 - Mit Salzschmelzen betriebener Brutreaktor - Google Patents
Mit Salzschmelzen betriebener BrutreaktorInfo
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- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
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- G21C—NUCLEAR REACTORS
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- G21C1/04—Thermal reactors ; Epithermal reactors
- G21C1/06—Heterogeneous reactors, i.e. in which fuel and moderator are separated
- G21C1/22—Heterogeneous reactors, i.e. in which fuel and moderator are separated using liquid or gaseous fuel
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- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
- G21C3/44—Fluid or fluent reactor fuel
- G21C3/54—Fused salt, oxide or hydroxide compositions
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Description
Anmelder: United States Atomic Energy Commission Washington D. C.
Mit Salzschmelzen betriebener Brutreaktor
Die Erfindung betrifft einen mit Brennstoff in Form einer Salzschmelze betriebenen Brutreaktor mit besonders günstiger
Ausgestaltung der Brennstoffzellen.
In der folgenden Erläuterung wird von den folgenden Begriffsbestimmungen
ausgegangen.
Als aktiver Corebereich wird der das Spaltmaterial aufnehmende
innere Reaktorteil mit einer Multiplikationskonstanten gleich oder grosser als 1 bezeichnet.
Der Mantelbereich Timgibt unmittelbar den aktiven Oorebereich
und enthält das durch Neutroneneinfang zur Umwandlung in spaltbares Material bestimmte Brutmaterial. Als spaltbares
Material wird dabei jedes durch Neutronen beliebiger Energie spaltbare Material und als Brutmaterial jedes durch "Neutronen
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einfang in spaltbares Material umwendeIbare Material angesehen.
Unter einem Brutreaktor oder Brüter wird ein spaltbares
Material aus Brutmaterial erzeugender Reaktor verstanden, der mehr spaltbares Material erzeugt, als er verbraucht.
Bei der Auslegung von mit SpIζschmelzen betriebenen Brutreaktoren
müssen für den Oore Gr0^h-T tt°ile verwendet werden,
W die die erforderlichen stn^t^rellen und nuklearen "Eigenschaften
aufweisen. Dabei entstehen Schwierigkeiten infolge der durch Bestrahlung oder Wärmeeinwirkung eintretenden Graphit
ausdehnung oder -schrumpfung. Dies ist insbesondere dann kritisch,-wenn das Verhältnis von Brutmaterial und spaltbarem
Material eingestellt und aufrechterhalten v/erden muss. Infolge
des grossen Feutroneneinfangsquerschnittes des Brutmaterials
bedarf zwecks Vermeidung unerwünschter Reaktivitätsschwankungen das Verhältnis von Brutmaterial und spaltbarem Material
fe einer zuverlässigen Einstellung und Regelung für den jeweils
vorliegenden Reaktor. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Realctivitätsschwankungen infolge von Abmessungsänderungen der
Graphitteile auszugleichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss
dadurch gelöst, dass ein mit Brennstoff in Form einer Salzschmelze betriebener Brutreaktor mit mehreren langgestreckten,
senkrecht in einem Bündel angeordneten Brennstoffzellen derart ausgestaltet wird, dr>ss die Zellen nestfb'rmig
im gegenseitigen Abstand angeordnete, innere, mittlere und äussere Rohrleitungen enthalten, wobei die innere Rohrleitung"
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SAD ORIGINAL
einen ersten, inneren Kpnal und mit der mittleren Rohrleitung
einen zweiten, mittleren Kanal, und die mittlere mit der äusseren Rohrleitung einen dritten äusseren Kanal bildet,
erste Verschlussmittel an den oberen Enden der inneren und mittleren Rohrleitung vorgesehen sind, die innere Rohrleitung
über wenigstens eine, den Verschlüssmitteln benachbarte öffnung den ersten und zweiten Kanal miteinander verbindet,
an den unteren Enden der inneren und mttleren Rohrleitungen angreifende Mittel diese abstützen und gleichzeitig die inneren
und mittleren Kanäle miteinader verbinden, am oberen Ende der äusseren Rohrleitung angreifende Mittel diese abstützen
und gleichzeitig die das Brutmaterial enthaltende Salzschmel- , ze durch den äusseren, dritten Kanal leitende Mittel die oberen
Enden der inneren und mittleren Rohrleitungen radial abstützen, aber eine Axialbewegung der-selben zulassen, und
Mittel das untere Ende der äusseren Rohrleitungen radial abstützen,
aber eine ungehinderte Axialbewegung derselben zulassen«
In den Zeichnungen zeigt die Figur 1 schematisch im Längsschnitt einen erfindungsgemässen, mit Brennstoff in Form einer
Salzschmelze betriebenen. Brutreaktor\
die Figur 2 zeigt im Detail eine in diesem Brutreaktor ver
wendete- Brennstoffzelle- im—Läag-sschniit-,—und—die—Figua^JJ—diese
im Querschnitt. t
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In der Figur 1 "besteht das Reaktorgefäss 1 aus einem oben und
unten durch die schuss eiförmigen Deckplatten 2 und 3 abgeschlossenen
Hohlzylinder 1, der mitsamt den in ihm enthaltenen Bauteilen von einem Stützring 4 getragen wird. Durch die
Mitte der den unteren Zylinderteil abschliessenden Deckplatte 3 ist die an der Durchführungsstelle integral mit ihr verbundene
Brennstoffzufuhr mit dem Auslassrohr 6 geführt, durch die an der Durchfuhrungsstelle das mit einem nicht gezeigten
Wärmeaustauscher verbundene Einlassrohr 5 führt.
Im Reaktorgefäss ist der aus einer Vielzahl von langgestreckten, senkrecht angeordneten Brennstoffzellen 9 besteifende
Core von einem Graphitreflektor 7 und einem radialen Mantel aus hohlen Graphitrohren 8 umgeben. Die das spaltbare Material
enthaltende Salzschmelze (kurz als "Brennstoffsalz" bezeichnet)
fliesst über die Ein- und Auslasssammelräume 10, 11 in die bzw. aus den weiter unten näher beschriebenen Brennstoffzellen.
Das Brennstoff salz fliesst über das Einlassrohr 5 und den Sammelraum 10 in den Oorebereich, zirkuliert nach oben
durch die Brennstoffzellen 9 imd tritt über den Auslaßsammelraum
11 und das Rohr 6 in einen nicht dargestellten Wärmeaustauscher. Die das Brutmaterial enthaltende Salzschmelze
(kurz als "Brutmantelsalz" oder als "Mantelsalz" bezeichnet), ··. tritt am Reaktorkopf über die Leitung 12 in den Sinlaßsammelraum
13. Dieser versorgt über das gleichzeitig zur radialen und axialen Abstützung der Brennstoffzellen 9 dienende Speise-
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. BAD ORIGINAL
rohr 14 die Zellen mit Brutmantelsalz. Jedes Speiserohr 14
ist mit dem den Boden des Einlaßsammeiraums 13 "bildenden Rohrblech
15, sowie mit den die Brennstoffzellen verschliessenden
Stöpseln 16 metallurgisch verbunden.
Die in den Figuren 2 und 3 näher dargestellten Brennstoffzellen sind in jedem Falle aus die Kanäle 20, 21, und 22 bildenden
konzentrischen äusseren, mittleren und inneren Graphitrohren 17) 18 und 19 aufgebaut. Die inneren und äusseren '
Graphitstöpsel 23 "und 24 verschliessen die. oberen Enden der
Rohre 18, 19 und halten sie in konzentrischem Abstand. _Ein geschlitztes Verlängerungsrohr ist mit dem äusseren Graphitstöpsel
24 verschraubt und ist weiter nach oben bis zum gleitenden Eingriff in das Rohr 14 geführt. Ein Einlaßstutzen
26 und ein hierzu konzentrischer Auslaßstutzen 27 aus Metall
greifen an die unteren Enden der inneren und mittleren Rohre
19, 18, stützen diese axial und radial ab und verbinden die
Kanäle 22, 21 mit den zugeordneten Sammelräumen 10 bzw. 11. Die Verlängerungsstutzen 26, 27 sind an ihren unteren Enden
•mit dem die .obere Abschlusswand der Sammelräume .10 bzw. 11
bildenden Rohrblechen 10· bzw. 11' metallurgisch verbunden.-Am
Stutzen 27 festgelegte, federnde Abstandshalter aus Metall 28 reichen radial nach aussen und greifen gleitbar in
das Rohr, dieses radial abstützend.
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Das in den Sammelraum 10 tretende Brennstoffsalz fliegst
aufwärts durch den inneren Kanal 22 in den obersten Teil des aktiven Corebereichs, und tritt dort über die öffnungen 29
in den Kanal 21, fliesst diirch diesen abwärts in den Sammelraum 11, und durch den Auslass 6 in einen nicht gezeigten
Wärmeaustauscher. Das in den Auslaßsammeiraum 11 abgegebene
Brennstoffsalz wird dabei beim Durchgang durch die Brennstoffzellen
durch die Spaltwärme erhitzt. Entsprechend der Pliessrichtung der gestrichelten Pfeile strömt das Mantelsalz
aus dem Sammelraum 13 durch die Speiserohre 14 und die
geschlitzten Verlängerungsstutzen 25 in die Brennstoffzellen
9. Ein Teil verbleibt dabei als oberer, axialer Mantel in dem im oberen Teil J3der Brennstoffzellen vorgesehenen Hohlraum
30 über dem aktiven Corebereich. Das Mantelsalz fliesst ■
dann aus dem Hohlraum 30 abwärts durch den Kanal 20 in einen
unteren Majatelbereich 31 unter dem aktiven Gore, und sodann
radial nach aussen in die hohlen Graphitrohre 8, worauf ein
kleiner Teil nach oben durch die Rohre 32 in einen Auslaßsammelraum
33 "und von da über die Leitung 3^ in einen nicht
gezeigten Wärmeaustauscher fliesst. Der grössere Teil des Mantelsalzes verlässt den Reaktor über den unteren Auslasp
35-
Jede dieser Brennstoffzellen 9 arbeitet zuverlässig trotz etwaiger Veränderung der Abmessungen der Graphitteile. Eine
axiale Schrumpfung wird durch den gleitenden Eingriff von
- 7>
BAD ORIGINAL
Verlängerunsstutzen 25 und Rohr 14, sowie federnde'n Abstandshaltern
28 und Rohr 17 ausgeglichen. Durch Bestrahlung oder Wärmeeinwirkung verursachte Veränderungen in den Abmessungen
der Graphitkomponenten dieser Brennstoffzellen ändern den gegenseitigen Abstand der Rohre 17» 18 und 19 nur unwesentlich,
so dass das Verhältnis von Brennstoff und Brutmantel im aktiven Corebereich praktisch konstant bleibt. Ein konstantes
Verhältnis erleichtert aber die Einhaltung der Reaktivität sstabilität des Reaktors trotz Graphitausdehnung
oder -schrumpfung und vereinfacht damit den Regelbetrieb .und ein kontinuierliches Fahren unter optimalen Bedingungen.
Die Regelung der Reaktivität des Reaktors beruht auf dem starken negativen Einfluss des jeweils im aktiven Gorebereich
befindlichen Mantelsalzes auf die Reaktivität des Reaktors. Das Mantelsalz wird in die Zwischenräume der Brennstoffzellen
bis zu einer der angestrebten Reaktivität entsprechenden
Höhe gefüllt. Bei abgeschaltetem Betrieb steigt z. B. das Mantelsalz bis zu.einer Höhe in der Nähe der Mitte (in der
Senkrechten gesehen) des Gore, um den subkritischen Zustand einzustellen. Die gezeigte Mitte dient dabei lediglieh der
Erläuterung und kann im Einzelfall höher oder niedriger liegen*
Durch Einführen eines Druckgases an geeigneter Stelle, a. B. durch den Einlass 36» wird eine entsprechende Menge
Mantelmaterial, z. B* Ms zur Höhe der gestrichelten Linie
verdrängt, bis der Reaktor kritisch wird· Mit geringeren
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"
8
Änderungen der Füllhöhe ctes Mantelmaterials lässt sieh eine , , __ -
Feineinstellung der Reaktivität erreichen. Im Notfälle wird
durch Ablassen des Druckgases die Höhe des Mantelsalzes auto- . I
matisch angehoben und der Beaktor subkritisoh und damit abge- j
schaltet. Eine weitere Eegelung ist vermittelseentral ange- '
ordneter, hohler Regelstäbe aus neutronenabsorbierendem Material aufnehmende Graphitzylinder 38 möglich.
Für die Metallteile des Gore, z. B· die Verlängerungsstutzen
26, 27, die Rohre 14 und die Eohrbleche 15 könaen korrosionsbeständige
Basislegierungen entsprechend dem TJSA Patent 2,921,850 günstig zum Einsatz gelangen. Weitere Reaktorteile,
z. B. der Ring 4-, das Reaktorgefäss und alle Leitungen, die
dem Brennstoff- oder Mantel salz ausgesetzt sind,,können aus
den gleichen Legierungen hergestellt werden.
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£AD ORIGINAL
Claims (6)
- PatentansprücheMit Brennstoff in Form einer Salζschmelze betriebener Brutreaktor mit mehreren langgestreckten, senkrecht in einem Bündel angeordneten Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen nestförmig im gegenseitigen Abstand angeordnete innere, mittlere und äussere Rohrleitungen (19, 18, 17) enthalten, wobei die innere Rohrleitung einen ersten, inneren Kanal (22) und mit der mittleren Rohrleitung einen zweiten, mittleren Kanal (21), und die mittlere mit der äusseren Rohrleitung einen dritten äusseren Kanal (20) bildet, erste Verschlussmittel (23, 24) an den oberen Enden der inneren und mittleren-Rohrleitung vorgesehen sind, die innere Rohrleitung über wenigstens eine, den Verschlussmitteln benachbarte öffnung (29) den ersten und zweiten Kanal miteinander verbindet, an den unteren Enden der inneren und mittleren Rohrleitungen (19, 18.) angreifende Mittel (26, 2?) diese abstützen und gleichzeitig die inneren und mittleren Kanäle miteinander verbinden, am oberen Ende der äusseren Rohrleitung angreifende Mittel (14) diese abstützen und gleichzeitig die das Brutmaterial enthaltende Salzschmelze durch den äusseren, dritten Kanal leitende Mittel (25) die oberen Enden der inneren und mittleren Rohrleitungen radial abstützen, aber eine Axialbewegung der-selben zulassen, und Mittel (28) ' das untere Ende der äusseren Rohrleitungen radial abstützen, aber eine ungehinderte Axialbewegung derselben zulassen-·9 0 9 8 8 5 / 10 U BAD
- 2. Brutrealebor gemäss dem, Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an den unteren Enden der inneren und mittleren Rohrleitungen angreifenden Mittel (26, 27) erste und zweite, unter den Rohrleitungen angeordnete Rohrfoieche (10·, H1-) enthalten, die über konzentrische Rohrstutzen mit den Rohrleitungen verbunden sind.
- 3. Brutreaktor geniäss dem Inspruch 2, dadurch geiren&zeichnet, dass die Mittel (28) wenigstens einen federnden, mit dem Rohrstutzen (27) verbundenen und an der äusseren Eohrleitung (17) gleitbar angreifenden Abstandhalter enthalten.
- 4. Brutreaktor gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die am oberen Ende der äusseren Rohrleitung angreifenden Mittel (IA) ein oberhalb dieser Rohrleitung angeordnetes, drittes Rohrblech (15) aufweisen, im oberen Ende der äusseren Rohrleitung ein Stöpsel (16) befestigt ist, und die aas sere Rohrleitung über einen durch- den Stöpsel geführten Rohrstutzen mit dem oberhalb des dritten Rohrbleelis Tbefindliciieii Raum in Verbindung steht.
- 5. Brutrealrfc or gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass" ■ ιdie aus einem oberen, offenen, perforierten Verlängerungsrohr bestehender. Mittel (25) in die ein Metallrohr atifweisenden Mittel (14) gleitbar eingreifen.9885/1041 MhSAD
- 6. Brutreaktor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ($B) zur Realcbivitätsänderung des Reaktors durch Xb- und .Zugabe von Brutmaterial vom t>sw. in den Gore, insbesondere durch Einlass eines mehr oder ^eiliger Brutmaterial aus den "Brennstoffzellenzifischenräunen verdrängenden gasförmigen Druckmittels.,SO9885/1CH1
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