DE1957090A1

DE1957090A1 - Kernreaktor

Info

Publication number: DE1957090A1
Application number: DE19691957090
Authority: DE
Inventors: Perks Maurice Arthur; Ackroyd Ronald Tunstall
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-11-15
Filing date: 1969-11-13
Publication date: 1970-07-02
Also published as: FR2023431B1; GB1279084A; DE1957090C3; JPS5332037B1; DE1957090B2; US3660227A; FR2023431A1

Description

UBTITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY, 11, Charles II Street, London /England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 54439/68 vom 15. November 1968 beansprucht

Kernreaktor

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren, und inibesondere auf einen Kernaufbau für flüssigmetallgelcühlte, als schnelle Brüter ausgebildete Kernreaktoren.

Gemäß der Erfindung hat ein flüssigmetallgekühlter, als schneller Brüter ausgebildeter Kernreaktor, dessen Kern eine aufrechte, im wesentlichen zylindrische Umgrenzung besitzt, einen Kernaufbau, welcher eine zentrale, im wesentlichen zylindrische Brüterregion, eine erste, die zentrale Brüterregion völlig umschließende Kernbrennstoffregion, eine zweite

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BAD

Brennstoffregion, welche die erste mindestens teilweise umgibt und relativ zu dieser mit axialem und radialem Zwischenraum an- - geordnet ist, eine innere Brüterregion, welche den Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Kernbrennstoffregion einnimmt, und eine äußere Brüterregion, die sich sowohl axial als auch radial vom äußeren Rand der zweiten Kernbrennstoffregion bis zu der im wesentlichen zylindrischen Umgrenzung des Kerns erstreckt, aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die zweite Brennstoffregion die erste Brennstoffregion nur teilweise, wobei die "Ecken" oder Randkanten einer (gedachten) völlig um-

W schließenden Kernbrennstoffregion /the 'corner'fissile portions of a wholly surrounding fissile region/ durch Brütermaterial ersetzt sind. Durch diese Maßnahme kann der ringförmige Bereich zwischen der ersten und zweiten Brennstoffregion insgesamt als Brüterbereich ausgebildet werden, wobei die Brütungsbedingungen /breeding ability/ verbessert und die Konstruktion der Bauelemente vereinfacht wird, welche in der Praxis diesen Bereich bilden. Insbesondere können diese und solche Elemente, welche den äußeren radialen Brüterbereich darstellen, durch Brüterstäbe gebildet werden, deren Durohmesser größer ist als derjenige der Stäbe für KernbrennBtoffmaterial, da die Wärmeentwicklung — wenn keramischer Brennstoff verwendet wird — von Brüterstäben geringer ist als von Kernbrennstoffstäben, so daß ein höheres Verhältnis zwischen Brüteraaterial und Baumaterial (beispielsweise rostfreiem Stahl) erzielt werden kann. Im allgemeinen kann der Ersatz dieser "Ecken" oder Randkanten der Brennstoffbereicht durch Brütermaterial bei passender Wahl von Parametern zu einen einfachen Anreicherungskern /enrichment core/ bei vermindertem Brennstoffeinsatz und verbesserter Verdopplungezeit führen, während die Verflachung des Plussee des Kerns /core flattening/ beibehalten wird.

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BAD ORIQiNAL

Zwecks Ermöglichung des Fortfalls der Ecken bzw. Kanten aus Brennstoff, wie im vorhergehenden Abschnitt angeführt, weist der radiale Teil der zweiten Kernbrennstoffregion eine maximale Höhe auf, gemessen als Entfernung zwischen den inneren Grenzen der verbleibenden axialen Teile der zweiten Kernbrennstoffregion. In einem speziellen Beispiel kann diese Höhe die gleiche sein wie die Höhe des Hohlzylinders, welcher die erste Kernbrennstoffregion darstellt.

Das Kernbrennstoffmaterial ist vorzugsweise ein Gemisch aus Uraniumoxid und Plutoniumoxid, und das Brütermaterial ist Uraniumkarbid, aber die Möglichkeit der Verwendung von Karbiden sowohl für den Brennstoff als auch den Brüter soll nicht ausgeschlossen werden.

Damit die Erfindung besser verstanden und in die Praxis umgesetzt werden kann, werden nunmehr Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die skizzenmäßigen Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Medialschnittes einer

ersten Ausführungsform einer Kernausbildungsform; Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, welche eine

zweite Ausführungsform darstellt, während Fig. 3 einen Medialschnitt wiedergibt, welcher ein Vierteil einer dritten Ausführungsform einer Kerngestaltung zeigt.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besteht die skizzenmäßig dargestellte Kernausbildungsform aus einer zentralen, im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Brüterregion 1, einer Kernspaltungsregion 2, welche die Region 1 völlig umgibt, eine Kernspaltungsregion 3, welche die Region 2 mit axialem und radialem Abstand völlig umgibt, eine innere Brüterregion 4, welche den axialen

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und radialen Zwischenraum zwischen den Regionen 2 und 5 einnimmt, und eine äußere Brüterregion 5, welche die Region 5 völlig umgibt und bis zur im wesentlichen zylindrischen Kerngrenze reicht, welche durch die strichpunktierte Linie 6 angedeutet ist. In der Praxis wird die äußere Brüterregion 5 durch radiale Brüterstäbe gebildet, die skizzenmäßig durch Tertikaie linien angedeutet sind, sich über die Tolle Höhe des Kerns erstrecken und von größerem Durchmesser (z.B. 0,5 Zoll oder 12,7 mm) sind als die Stäbe mit spaltbarem Material, deren Durchmesser beispielsweise 0,2 Zoll oder 5,08 mm betragen und welche die übrigen Regionen des Kerns bilden. Diese Stäbe schmäleren Durchmessers sind skizzenmäßig durch die vertikalen linien 8 angedeutet. Auf diese Weise kann das. Verhältnis von Brütermaterial zu Baustoff der Stäbe in der Region 5 günstiger gemacht werden, als wenn Stäbe von kleinerem Durchmesser verwendet werden würden. Die Stäbe von kleinerem Durchmesser, welche die zylindrischen Regionen außer der Region 5 bilden, können sich entweder über die volle Kernhöhe erstrecken und durch Zwischenstücke getrennte unterschiedliche Materialien aufweisen, oder die unterschiedlichen Materialien können getrennt sein, aber axial zueinander fluchten und entweder gestapelt oder mit ihren Enden miteinander verbunden sein.

Betrachtet als konzentrische Kernregionen ist die zentrale Region zylindrisch ausgebildet, wie zwischen den gestrichelten linien 9, 9' angedeutet, und besteht aus Stäben kleinen Durchmessers, welche in ihrer Mitte Brütermaterial zur Bildung der Region 1, in ihrem inneren Axialbereich Kernbrennmaterial zur Bildung der Ober- und Unterseite der Region 2, ebenfalls in ihrem inneren Axialbereich Brütermaterial zur Bildung der oberen und unteren Seite der Region 4, in ihrem äußeren Axialbereich Kernbrennmaterial zur Bildung der oberen und unteren Seite der Region 3 und außerdem in ihrem äußeren Axialbereich Brütermaterial zur Bildung der oberen und unteren Seite der Hegion enthalten.

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_ 5 —

Der nächste konzentrische Bereich radial nach auswärts ist ringförmig ausgebildet und wird außen von den gestrichelten Linien 10, 10' und innen von 9, 9¹ begrenzt. Die Stäbe kleineren Durchmessers, welche diesen Bereich bilden, umfassen zentral gelegenes spaltbares Material, welches die Seiten der Region bilden, weiterhin in ihrem inneren Axialbereich Brütermaterial, welches den Rest der oberen und unteren Seite der Region 4 bildet, fernerhin in ihrem äußeren Axialbereich. Kernbrennstoffmaterial, welches einen weiteren Teil der oberen und unteren Seite der Region 3 bildet, sowie nooh in ihrem äußeren Axialbereich Brütermaterial, welches einen weiteren Teil der Region bildet.

Der nächste, betrachtete, konzentrische Bereich liegt radial auswärts, ist wiederum ringförmig ausgebildet und außen duroh gestrichelte Linien 11 und 11' und innen durch gestrichelte Linien 10, 10· begrenzt. Die ihn bildenden Stäbe kleineren Durohmessers haben eine zentrale Zone aus Brütermaterial, welche die Seiten der Region 4 bilden, in dem äußeren Axialbereich Kernbrennstoff mater ial, welches den Rest der oberen und unteren Seite der Region 3 bildet, und ebenfalls im äußeren Axialbereich Brütermaterial, welches noch einen weiteren Teil der oberen und unteren Seite der Region 5 bildet.

Schließlich ist der äußerste konzentrische Bereich ebenfalls ringförmig ausgebildet und außen durch den Rand 6 des Kerns und innen durch die gestrichelten Linien 12, 12· begrenzt. Die Stäbe größeren Durchmessers, welche diesen Bereich bilden, bestehen aus Brütermaterial, wie bereite erwähnt, und bilden den äußeren Brütermantelteil der Region 5.

Bezugnehmend auf Pig. 2 sei ckrauf hingewiesen, daß im Vergleich zu Pig. 1 die Kernausbildung ähnlich derjenigen ist, die in Fig. 1 gezeigt ist, außer, daß die Ecken bzw. der obere und untere kreisförmige Rand der äußeren Kernbrennstoffregion (3 in Flg. 1) fortgelassen worden sind. BIe äußere Kernbrenn-

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BAD OBlGiNAU

Stoffregion ist nur noch unvollständig, und umgibt nicht mehr ■ die innere Brüterregion voll, und die entfernten T^Iie sind durch .Brütermaterial ersetzt. Dadurch kann ein innerer ringförmiger Brüterbereich vorgesehen werden, der sich über die volle Höhe des Kerns erstreckt und frei von Kernbrennstoffmaterial ist, so daß Stäbe größeren Durchmessers Anwendung finden können mit den zuvor erwähnten Vorteilen. Da die Fig. 1 ziemlich ausführlich beschrieben worden ist, dürfte nunmehr nur notwendig sein, die konzentrischen Regionen des in Fig. 2 gezeigten Kernaufbaus zu beschreiben. Der asntrale und radial nach außen anschließende äußere Bereich ist ähnlich denen von den Linien 9, 9¹ und 10, 10', 9, 9¹ begrenzten Bereichen (Fig. 1). Der daran anschließende äußere Bereich wird von Stäben größeren Durchmessers gebildet, die nur Brütermaterial enthalten und nach innen durch die gestrichelte Linien 13, 13^f und nach außen durch die gestrichelten Linien 14-, 14* begrenzt sind. Der nächste nach außen liegende ringförmige Bereich ähnelt dem im Kernaufbau nach Fig. 1 von den Linien 12, 12', 11, 11' begrenzten Bereich, außer daß das Kernbrennstoffmaterial nicht so weit nach außen reicht, wie in dem Kernaufbau nach Fig. 1. Der äußerste ringförmige Bereich ist ähnlich zum selben Bereich im Kernaufbau nach Fig. 1 und besteht aus Brüterstäben größeren Durchmessers. Die Höhe der äußeren radialen Kernbrennstoffregion kann in breiten Grenzen frei gewählt werden; in dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau sind die oberen und unteren Grenzen ungefähr in der Mitte zwischen der inneren und äußeren axialen Kernbrennstoffregion.

Der einzige Unterschied zwischen dem Aufbau nach Fig. 3 und dem nach Fig. 2 besteht darin, daß die äußere radiale Kernbrennstoffregion gleiche Höhe aufweist wie die inneraxiale Kernbrennstoff region. Für den in Fig. 3 gezeigten Aufbau wurden folgende Parameter gewählt:

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BAD OHiQiNAt Radiale Abmessungen Radiale Abmessung von

der Kernachse zur äußeren Zonengrenze in cm

Zentralzone bis zur Linie 15 27

1. ringförmige Zone bis zur Linie 16 57

2. ringförmige Zone bis zur Linie 17 75

3. ringförmige Zone bis zur Linie 18 140

4. ringförmige Zone bis zur Kerngrenze,

Linie 19 180

Axiale Abmessungen Axiale Abmessung; von

der Kernmittellinie bis zur Grenze der Region bzw. Bereichs in cm

Zentrale Brüterregion

(bis zur Linie 20) 12

Innere axiale Kernbrennstoffregion

(bis zur Linie 21) 32

Äußere radiale Kernbrennstoffregion

(bis zur Linie 21) 32

Innere axiale Brüterregion

(bis zur Linie 22) 44

Äußere axiale Kernbrennstoffregion

(bis zur Linie 23) 92

Äußere axiale und radiale Brüterregionen
bis zu Kerngrenze (Linie 24) 132

Andere Parameter

Mittlere Anreicherung 0,257

Kritische Masse in kg von äquivalentem ^239 2235

Materialeinsatzmasse in kg von äquivalentem P^₂₅Q 1982

Leistung in MW(E) 1500

Brütergewinn 0,376

Einsatz in kg äquivalentem Pu₂~q/MW(E) 2,82

Verdopplungezeit (in Jahren) 13,1

Diese Werte basieren auf einer Maxiaalen
Hennleistung von 308 Watt/Gramm, einer 10 $
Spaltstoffausnutzung bzw. Abbrand, einem
Lastfaktor von O,75> einer Einsatzzeit
von 9 Montaten und einem Abfall von 2 i».

Die Zusammensetzung der Kernbrennstoff- und Brüterregionen ist wie folgt:

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Brennetoffregion
(A) Vo

Brüterregion," Stäbe kleineren Durchmessers (UC) Vo

Brüterregion, Stäbe mit größerem Durchmesser (UC) Vo

Schwere Elemente 34,8

34,8

Baumaterialien	23,8	23,8
(Stahl)	41,4	41,4
Natrium

22,9 20,1

Die Vorzüge des Kernaufbaus nach der Erfindung sind: Einfache Anreicherung, gute radiale und axiale Formfaktoren (1,17 bzw. 1,23 für den Kern nach Fig. 3), guter Über-alles-Formfaktor (1,44- für den Kern nach Fig. 3), hoher Brütergewinn_r kurze Verdopplungszeit, gutes Leerraum-Verhalten, geringe Anzahl von Einzelteilen benötigt /little gagging/ und verringerter Einsatz bzw. Inventar»

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

69 160 Zw/h.

Pat e nt ans ρ rüoh e

I 1 .yFlüssigmetallgekühlter, als schneller Brüter ausgebildeter Kernreaktor, dessen Kern eine aufrechte, im wesentlichen zylindrische Umgrenzung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernaufbau eine zentrale, im wesentlichen zylindrische Brüterregion, eine erste, die zentrale Brüterregion vollständig umschließende Kernbrennstoffregion, eine zweite Kernbrennstoffregion, welche die erste mindestens teilweise umgibt und zu dieser mit axialem und radialem Zwischenraum angeordnet ist, eine innere Brüterregion, welche den Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Kernbrennstoffregion einnimmt, und eine äußere Brüterregion aufweist, die sich sowohl axial als auch radial vom äußeren Rand der zweiten Kernbrennstoffregion bis zu der im wesentlichen zylindrischen Umgrenzung des Kerns erstreckt.

2· Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kernbrennstoffregion die erste Kernbrennstoffregion nur teilweise umgibt, wobei die "Ecken" bzw, kreisförmigen Kanten einer gedachten vollständig umschließenden Kernbrennstoffregion durch Brütermaterial ersetzt sind.

3· Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Bereich zwischen der ersten und zweiten Kernbrennstoffregion ganz aus Brütermaterial besteht und sich über die volle Kernhöhe erstreckt, und daß fernerhin die Kernbaueleiaente dieses ringförmigen Bereichs von größerem Durohmesser sind als die Kernbauelemente, welche Kernbrenn-■toffmaterial umsohließen, so daß ein höheres Verhältnis zwischen Brlitermaterial und Baumaterial erzielbar ist.

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4. Kernreaktor nach Anspruch ·2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des radialen Teils der zweiten Kernbrennstoff region die gleiche ist wie die des hohlen Zylinders, welcher die erste Kernbrennstoffregion darstellt.

5. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbrennstoffmaterial ein Gemisch aus Uraniumoxid und Plutoniumoxid, ist, und daß das Brütermaterial Urankarbid ist.

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