DE2038134B2

DE2038134B2 - Mit flüssigem Metall gekühlter Schnellbrüter-Kernreaktor

Info

Publication number: DE2038134B2
Application number: DE2038134A
Authority: DE
Inventors: Allan Cester Barker; Maurice Arthur Warrington Perks
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1969-08-08
Filing date: 1970-07-31
Publication date: 1980-01-31
Also published as: FR2063133A1; JPS514229B1; GB1285464A; DE2038134A1; US3736225A; FR2063133B1; DE2038134C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf mit flüssigem Metall gekühlte Schnellbrüter-Kernreaktoren mit einer Kern-Brennstoffanordnung, die eine Reihe von Brennstoffstäben aufweist, welche in einem inneren Bereich mit Spaltstoff und eineir äußer.'n Bereich mit Brutstoff angeordnet sind.

Bei einem mit flüssigem Mete"'gekühlten Schnellbrüter-Kernreaktor kann ein flüssiges Alkalimetall, wie beispielsweise Natrium, in Wärmeaustausch durch eine Kernreaktor-Brennstoff anordnung hindurch gelangen, die eine Vielzahl von schlanken Brennstoffstäben oder Brennstoffelementen aufweist. Die Brennstoffstäbe weisen Kernbrennstoff auf, der in Edelstahl eingehüllt ist, und um die Handhabung zu Auswechselzwecken zu erleichtern, ist die Brennstoffanordnung in eine Vielzahl von Brennstoffuntergruppen unterteilt, die je ein Bündel von im Abstand voneinander angeordneten Brennstoffstäben in einer rohrförmigen Umhüllung aufweisen. Die Untergruppen sind so angeordnet, daß sie aufrecht nebeneinander stehen, wobei das Kühlmittel aufwärts durch die rohrförmigen Umhüllungen strömt. Die Brennstoffanordnung weist Spaltstoff auf, der im aligemeinen in einem inneren Bereich angeordnet ist, und weist Brutstoff auf, der allgemein in einem äußeren Bereich der Brennstoffanordnung sitzt, wodurch Neutronen, die durch die Spaltung des Spaltstoffes freigelassen werden, durch den umgebenden Brutsio'i aufgefangen werden, um Spaltstoff zu brüten. Der Brutstoff, der anfänglich einen sehr kleinen Gehalt an spaltbaren Isotopen aufweist, erzeugt relativ wenig Wärme, aber die Wärmeausbeute nimmt mit der Bestrahlung der Brennstoffanordnung allmählich zu, und zwar wegen der Spaltung der neu erzeugten spaltbaren Atome. Die Stoffe sind Oxide, wobei der Spaltstoff im allgemeinen ein Gemisch aus Plutonium- und Uranoxiden ist, während der Brutstoff hauptsächlich das Oxid des Uranisotops 238 ist.

Bei einer herkömmlichen Schnellbrüter-Brennstoffanordnung weist der radial äußere Spaltbereich der Anordnung Brennstoffstäbe auf, die nur Brutstoff enthalten, aber im inneren Bereich enthalten nur die Enden der Stäbe Brutstoff, während die Zwischenbereiche Spaltstoff enthalten. Die brütbaren Endbereiche der Brennstoffstäbe des inneren Bereiches bilden obere und untere Brüterbereiche für die Brennstoffanordnung. In einer solchen Brennstoffanordnung ist die Dichte des Neutronenflusses am größten in der Mitte der Brennstoffanordnung, und beim Betrieb nimmt die Dichte des Neutronenflusses in Richtung auf die Peripherie allmählich ab, so daß die pro Volumeneinheit der Brennstoffanordnung erzeugte Wärme in der Mitte größer als in den äußeren Bereichen des Kerns sein wird. Um den Neutronenfluß und daher die erzeugte Leistung über den Kern gleichmäßiger zu verteilen, können zwei alternative Hilfsmittel angewandt werden. Erstens kann die Brennstoffmenge in den äußeren Bereichen durch Vergrößerung des Durchmessers der Brennstoffstäbe erhöht werden, oder es können mehr und dichter beabstandete Stäbe verwendet werden, aber die sich daraus ergebende Reduzierung des Kühlmittelströmungsquerschnittes ist nicht attraktiv. Zweitens kann der Gehalt an spaltbarem Isotop in den äußeren Bereichen der Brennstoffanordnung erhöht werden, da aber die Zunahme eine allmähliche Zunahme in

Richtung auf die Peripherie sein sollte, würde dies viele Brennstoffstäbe von unterschiedlichen Spaltstoffgehalt

erfordern, was bej der Herstellung komplizierter und kostspieliger wäre.

Wenn auch erkannt ist, daß ein mit flüssigem Metall

gekühlter Schnellbrüter-Kernreaktor, bei dem die Dichte der Flu3verteilung über den gesamten Kern hinweg vollkommen gleichmäßig ist, nicht erzielt werden kann, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kernreaktor zu schaffen, der eine einfache Brennstoffanordnung aufweist, bei der die Flußdichte auf eine gleichmäßigere Verteilung hinstrebt, als sie durch die herkömmliche Anordnung sonst erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Kernreaktor der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß im inneren Bereich die Brennstoffstäae in einer inneren und einer äußeren Zone angeordnet sind und daß die Brennstoffstäbe in der inneren Zone eine größere, mit Spaltstoff besetzte Länge aufweisen und weiter voneinander entfernt sind als die Brennstoffstäbe in der äußeren Zone.

Eine derartige Brennstoffanordnung erbringt eine gleichmäßigere Flußverteilung über die gesamte Brennstoffanordnung hinweg mit sich und ermöglicht eine höhere mittlere Kühlmittelauslaßtemperatur ohne die

Notwendigkeit, Änderungen in der Kühlmittel-Strömungsgeschwindigkeit in der Anordnung vorzunehmen. Ein durch flüssiges Metall gekühlter Schnellbrüter-Kernreaktor ist schematisch in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt, die eine Seitenansicht im Axialschnitt wiedergibt. Die Brennstoffanordnung 1 des Reaktors ist allgemein zylindrisch und weist einen inneren spaltbaren Bereich und einen äußeren brütbaren Bereich auf. Der innere Bereich besteht aus drei Zonen, nämlich einer innerer. Zone 2 mit Brennstoff-Untergruppen, wobei die Brennstoffstäbe 4 Spaltstoff 3 aufweisen und in großem Abstand voneinander angeordnet sind, um Kühlmittel dazwischen hindurchfließen zu lassen; einer Zwischenzone 5 mit Brennstoff-Untergruppen, in denen die Brennstoffstäbe 7 eine kürzere mit Spaltstoff besetzte Länge 6 als die Brennstäbe 4 und einem geringerem Abstand voneinander als die Stäbe 4 der inneren Zone aufweisen; und einer äußeren Zone 8 mit Brennstoff-Untergruppen, in

denen die Brsnnstoffstäbe 10 eine noch kürzere mit Spaltstoff besetzte Länge 9 aufweisen, wobei die Stäbe 10 den kleinstmöglichen Abstand zwischen sich haben, der bei ausreichender Kühlung noch vertretbar ist Die Brennstoffstäbe 4, 7, 10 innerhalb der Zonen 2, S, 8 haben alle den gleichen Durchmesser, und der spaltbare Brennstoff weist insgesamt den gleichen spaltbaren Isotopengehalt auf.

Der äußere Brüterbereich weist eine radiale äußere Zone 11, obere axiale Zonen 12,14,16 und untere axiale Zonen 13, 15, 17 auf, wobei die Zone 11 mit Stäben besetzt ist, die nur Brutstoff enthalten, während die Zonen 12, 13, 14, 15, 16_; 17 durch Brutstoff gebildet werden, der in den Endbereichen der Brennstoffstäbe 4, 7 und 10 sitzt

Die dargestellte Anordnung von Brennstoffstäben ist derart, daß sie sich einem sphärischen inneren Bereich von Spaltstoff nähert, der von Brutstoff so umgeben ist, daß die Flußverteilung über einen Querschnitt durch die Mitte der Brennstoffanordnung allgemein gleichmäßig ist Daraus resultiert eine Flußabflachung in radialer Richtung, da der größere Abstand der Brennstoffstabe in Richtung auf die Mitte des Bereiches eine geringere Dichte von Brennstoff vorsieht

Auf diese Weise führt die dargestellte Form der Brennstoffanordnung zu einer verbesserten (abgeflachten) radialen Leistungsverteilung. Daraus resultiert eine höhere mittlere Kühlmittel-Auslaßtemperatur. Ohne zu irgendeiner unterschiedlichen Kalibrierung der Kühlmittelkanäle zurückgreifen zu müssen, kann ein geringerer Brennstoff-Lagerbestand vorgesehen und eine kürzere Verdopplungszeit des Reaktors erzielt werden. Außerdem wird die Herstellung insofern vereinfacht, als die Brennstoffstäbe für die gesamte Brennstoffanordnung von konstantem Durchmesser und Spaltstoffgehalt innerhalb des spaltbaren Bereiches sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit flüssigem Metall gekühlter Schnellbrüter-Kernreaktor mit einer Kern-Brennstoffanordnung, die eine Reihe von Brennstoffstäben aufweist, die in einem inneren Bereich mit Spaltstoff und in einem äußeren Bereich mit Brutstoff angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im inneren Bereich die Brennstoffstäbe in einer inneren und einer äußeren Zone (2, 8) angeordnet sind und daß die Brennstoffstäbe (4) in der inneren Zone (2) eine größere mit Spaltstoff besetzte Länge (3) aufweisen und weiter voneinander entfernt sind als die Brennstoffstäbe (10) in der äußeren Zone (8).

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zwischenzone (5) zwischen der inneren und äußeren Zone (3, 8), wobei die Brennstoffstäbe (7) in der Zwischenzone (5) eine kürzere, mit Spaltstoff besetzte Länge (6) aufweisen und weniger weit voneinander entfernt sind als die Brennstoffstäbe (4) in der inneren Zone (2), aber eine größere Menge mit Spaltsioff besetzte Länge (6) aufweisen und weiter voneinander entfernt sind als die Brennstoffstäbe (10) in der äußeren Zone (8).