DE2363571B2 - Vorrichtung zum passiven Schutz eines Kernreaktors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vor richtung zum passiven Schutz eines Kernreaktors, ins besondere eines schnellen Reaktors vor Reaktivitätsex kursionen. dessen Kern aus stabförmigen. sich vertikal erstreckenden Brennelementen besteht.

Ls ist bereits beschrieben worden, daß in einem Kernreaktor die absorbierenden Stäbe mit einer Neu tronen einfangenden Eigenschaft gleichzeitig die Leistung des Reaktors steuern und zur Sicherheit dienen können, was darauf beruht, daß die absorbierenden Stäbe möglichst schnell in den Reaktorkern eingeführt werden, damit dieser aus dem kritischen Betriebsbereich geführt wird, indem eine Störung, die zu einem Unfall führen kann, angezeigt wird (Abfall der Stromversorgung der Steuereinrichtungen. Druckverlust oder Ausfall der Einrichtungen zur Umwälzung des Kühlmit tels. Reaktivitätsexkursionen, sehr starke Zunahme der Temperatur oder des Druckes usw....). Die Sicherheit der Anlage wird auch durch eine gewisse Redundanz der Einrichtungen erhalten. Die absorbierenden Stäbe können in unabhängige Gruppen geteilt werden, die in ihrer Sicherheitsfunktion durch Meß-, Übernahme- und Steuerkreise betätigt sind, die unabhängig und räumlich getrennt sind.

Unabhängig von der Redundanz der Einrichtungen zum Stillstand des Reaktors ist aber eine passive Betätigung statt einer aktiven Betätigung zu bevorzugen um in den Reaktorkern die Gegenreaktivität einzuführen, die benötigt wird, um den Reaktor in einen unkritischen Zustand zu bringen. So kann bei einem Abfall dei die Kontrolle des Reaktors vornehmenden elektrischer Versorgung oder der Umwälzung des Kühlmittels aul passive Weise eir Ausfall oder eine Abschaltung durch die Schwerkraft der absorbierenden Stäbe erzeugl werden, die zuvor über dem Reaktorkern mittels eine« aus dem gleichen Netz gespeisten Elektromagneter aufgehangen wurden.

Bis jetzt wurde daher zum Schutz gegen Reaktivi tätsexkursionen oder Temperaturerhöhungen ein« Steuerkette aus einem die Messung vornehmenden De tektor, einer Einrichtung zur Verarbeitung der Meßer gebnisse und einem elektromagnetischen Antrieb zu Bewegung eines absorbierenden Stabes verwendet. E: handelt sich also um eine aktive Steuerkette mit Teiler außerhalb des eigentlichen Reaktorkernes, die deshall gegenüber möglichen Flugzeugabstürzen, Unfällen, Sa botageakten, Erdbeben oder Überschwemmungen seh

empfindlich sind

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die wirklich passiv und im Inneren des Reaktorkernes arbeitet und die bei einer Reaktivitätsexkursion oder einer Temperaturerhöhung im Reaktor eine Gegenreaktivität erzeugt, wenn im Reaktor vorgesehene aktive Schutzeinrichtungen nicht eingreifen.

Die Aufgabe wird erfindangsgemäß dadurch gelöst, daß im Reaktorkern mindestens ein Teil dieser Brennelemente durch eine bestimmte Anzahl von »Sicherheits«-Brennelemer,ten ersetzt ist. deren Brennstoffeinsatz in an sich bekannter Weise einen axialen, mantellosen Strömungskanal aufweist, daß dieser Kanal einen Abschnitt mit einem ausreichend großen Durchmesser aufweist, damit der Teil des Brennstoffes, der im mittleren Teil des Brennelementes bei einer Neutronenflußexkursion schmilzt, durch die Schwerkraft innerhalb des Kanals bis zur Basis des Brennelementes herabfließt, ohne die Brennstoffhülle zu berühren, und auf diese Weise die Reaktivität verringert.

Um an allen Stellen der Hülle eines Brennelementes in Kühlmittelflußrichtung eine nahezu konstante Temperatur zu schaffen, wurde bereits angegeben (vgl. DT-AS 12 7b 223), den Brennstoffeinsatz aus ringförmigen Preßlingen aufzustapeln, wobei die Wandstärke der Preßlinge und damit der Innendurchmesser abhängig vom Betriebs-Neutronenfluß und vom Exponentialfunktionswert des Abstands von der Kühlmitteleintrittsstelle der durch die Ring-Preßlinge gebildeten Hohlsäule gewählt wird. Dadurch ergibt sich eine, gegebenenfalls stufenweise, Innendurchmesserzunahme in Kühlmittelflußrichtung. Durch derartig ausgeführte Brennstoffeinsätze ist eine Erhöhung der Kühlkanalleistung möglich.

Bei der Erfindung erfolgt die Bemessung dagegen abhängig vom Schmelzverhalten des Brennstoffs, damit zur Sicherheit des Reaktors der bei Neutronenflußexkursionen geschmolzene Teil des Brennstoffes innen, ohne Berühren der Hülle, herabfließt, wodurch an der Stelle der Exkursion der Innendurchmesser vergrößert, die Brennstoffdicke erniedrigt und damit die Reaktivität verringert wird.

Es ist vorteilhaft, bei der erfindunysgemaBen Vorrichtung alle normalen Brennelemente durch »Sicherheits«-Brennelemente zu ersetzen.

Tatsächlich haben wirtschaftliche Überlegungen gezeigt, daß es vorteilhafter ist, wenn alle Brennelemente »Sicherheitsw-Brennelememe mit einem Innen-Kanal großen Durchmessers sind. Die durch Differenzierung der Brennelemente geforderte Sicherheitswirkung bleibt insoweit verfügbar, als die Wiederheladung nicht durch den ganzen Reaktorkern, sondern einen Teil des Reaktorkernes erfolgt. In diesem Fall liegen in der Zelle (frz.: pile) in jedem Augenblick Brennelemente unterschiedlichen Alters hinsichtlich der verschiedenen Zustände der Reaktivität und des thermischen Gleichgewichtes vor. Darüber hinaus erzeugen die Lage im Reaktorkern und die Lage hinsichtlich der Steuerstäbe selbst für identische Brennstoffe, die im gleichen Zeitpunkt aufgeladen wurden, im normalen Betrieb verschiedene thermische Gleichgewichtszustände.

Da die Verschiedenheit oder Heterogenität der Brennelemente selbstverständlich immer weitgehend sichergestellt ist, erfolgt die innere Fusion oder Schmelzung der Brennelemente, bei denen es sich vorzugsweise um »Sicherheits«-Brennelemente handelt, nicht gleichzeitig.

Es wird somit ein vollständiger Sicherheitsvorteil durch einen neuen Brennstoff gewährleistet, indem der ausgebrannte Brennstoff nicht im mittleren Teil des iteaktorkernes verbleibt, der der heißeste und der am meisten Mangeln der Hülle unterworfene Teil ist; es wird vielmehr die Gefahr eines Auswurfs des flüssigen Brennstoffes gegen das Kühlmittel durch den Innendruck der Spaltgase verringert.

Vorteilhaft besteht jedes »Sicherheit^«-Brennelement, wie ein normales Brennelement, aus einem Stapel von in einem Gehäuse, z, B. der Brennstoffhülle, eingeschlossenen Brennstoff- oder Spaltstoff-Pellets, wobei jedes Pellet einen zentralen Kanal (öffnung) mit einem ausreichenden Querschnitt aufweist, damit der geschmolzene Teil des Brennstoffes unter der Wirkung der Schwerkraft bis zum unteren Teil oder der Basis des Brennelements fließen kann.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß jedes »Sicherheitsw-Brennelement an seinem unteren Abschnitt ein der unteren Brutstoff-Abdeckung des Reaktorkernes entsprechendes Teil aufweist, das aus schwerschmelzbarem Material besteht und auf einem Abschnitt seiner Höhe und seines oberen Abschnittes einen axialen Kanal mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der Kanal des Spaltstoffabschnutes des Brennelements aufweist.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der untere Teil des Abschnittes aus schwerschmelzendem Material aus einem Pellet, das vollständig aus schwerschmelzendem Material besteht.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Er findun^ weist der Abschnitt aus schwerschmelzendem Material einen mittleren oder axialen Kanal mit sehr kleinem Durchmesser auf, der in eine Kammer für die Spaltgase münaet und im Inneren der Brennstoffhülle unterhalb dieses Abschnittes gespeist ist, wobei die Kammer in ihrem unteren Teil in einem Tiegel aus schwerschmelzendem Material endet.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen axialen Schnitt durch ein herkömmliches Brennelement,

F i g. 2 einen axialen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennelement,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

F i g. 4 einen axialen Schnitt durch den unteren Teil eines Brennelementes gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird eine V01 richtung für schnelle Reaktoren beschrieben, deren senkrecht angeordnete Brennelemente aus Pellets aus gesintertem Uranoxid oder dergleichen festen chemischen Verbindung, die Uran und Plutonium enthalten, bestehen, die in senkrechten zylindrischen Hüllen angeordnet ist, die sich über die ganze Höhe des Reaktorkernes erstrecken.

Die gesinterten Pellets bestehen entweder aus VoII-Material oder sind in ihrer Mitte senkrecht von einer kleinen Kapillar-Öffnung oder einem Kanal durchbrochen. Die Pellets sind übereinander gelagert, um im Inneren der Hülle eine senkrechte Säule zu bilden. Die senkrechten Brennelemente sind zu jeweils einigen Hundert in »Brennstoffanordnungen« vorgesehen, deren Verbundanordnung zu einigen Hundert den Reaktorkern bildet. Mit dieser Anordnung führt der Reaktorkern jedem Brennelement, das ihn bildet, eine Neutronenflußdichte zu, die in Anbetracht der Neutronen-Verluste nach außen in der Mitte wesentlich größer als am Umfang ist.

Entlang einer Vertikalachse ist die Wärmeabgabe pro Voiumeneinheit des Brennstoffes (der in seiner spaltbaren Isotopenanreicherung im gleichen Brennelement homogen angenommen wird) in halber Höhe des Brennstoffkernes wesentlich höher (mindestens zweimal) als an den oberen und unteren Grenzen. Bei Normalbetrieb liegt der heißeste Punkt (ungefähr 2300⁰C) in der Mitte eines PeIHs. das in halber Höhe des Reaktorkernes vorgesehen ist. Bei einer starken Temperaturzunahme, die auf einem ungenügenden Durchsatz des Kühlmittels oder auf einer Neutronenflußexkursion beruht, ist es dieser heißeste Punkt, der bei etwa 2800⁰C zu schmelzen beginnt, obwohl der Brennstoff entlang der Hülle wesentlich kalter bei 1500 bis 2000° C im festen Zustand verbleibt und die Hülle schützt, deren Unversehrtheit ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.

In der F i g. 1 ist ein Brennelement 2 dargestellt, das aus einem Stapel von Pellets 4 aus Uranoxid oder einem Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid besteht und von einer Metall-Hülle 6 umgeben ist (z. B. aus Austenit-Stahl). Im Stapel der Brennstoff-Oxid-Pellets 4 ist in axialer Richtung ein Kapillar-Kanal 8 vorgesehen. Der axiale Kanal 8 hat einen geringen Durchmesser, damit der Volutnenanteil des freien Raumes im Reaktorkern sehr klein bleibt:

Wenn beispielsweise der Brennelement-Durchmesser 7 mm beträgt, beträgt der Kanal-Durchmesser 2 mm. Unter dem Einfluß einer Neutronenflußdichte und einer im Reaktor herrschenden hohen Temperatur wird festgestellt, daß im zentralen Bereich Pdes Brennelementes 2 eine Fusion oder Schmelzung des Brennstoff-Oxids in dem Ringbereich 10 am gesamten Umfang des axialen Kanals 8 auftritt Der geschmolzene Brennstoff sammelt sich zu einem einen Stopfen 12 bildenden Tropfen, was auf dem geringen Durchmesser des Kanals 8 beruht. Somit verbleibt der gesamte geschmolzene Brennstoff im Bereich P.

In der F i g. 2 ist ein erfindungsgemäßes »Sicherheits«-Brennelement 2' aus Brennstoff-Oxid-Pellets 4. einer Schutz-Hülle 6' und einem axialen Kanal 8' großen Durchmessers dargestellt. Beispielsweise beträgt der Kanal-Durchmesser 10 mm bei einem Brennelement-Durchmesser von 15 mm, was in beiden Fällen die gleiche Dicke des Brennstoffes ergibt. In dem der halben Höhe des Brennelementes 2' entsprechenden Bereich P tritt bei einer starken Exkursion der Neutronenflußdichte im Reaktor eine Fusion oder Schmelzung des Oxides auf. In einem Ringbereich 10' schmilzt der Brennstoff. Da der Kanal-Durchmesser beträdttlich ist fließt der geschmolzene Brennstoff in Form eines Ringes 12' an den Innenwänden des Kanals 8' hinab, anstatt einen Tropfen zu bilden, bis er den unteren Teil des Brennelementes Z erreicht Solange der geschmolzene Brennstoff dem Neutronenfluß des Reaktorkernes ausgesetzt bleibt erwärmt er sich in flüssiger Form und fließt weher abwärts, nicht nur ohne an der Wand fest zu werden, sondern auch mit der Tendenz, einen Teil von dieser in flüssiger Form mitzunehmen, was auf der Oberdicke des Brennstoffes beim Durchgang des flüssigen Ringes 12* beruht

Durch die Vorrichtung wird automatisch ein Teil des Spaltstoffs aus dem Bereich des maximalen Neutronenflusses gebracht um ihn in einem Bereich geringeren Flusses vorzusehen, was zu einer Verringerung der Reaktivität des Reaktorkernes und damit zu einem Stillstand der Reaktivitätsexkursion führt. Es wurde ermittelt, daß die Vorrichtung lediglich danach und dann parallel zum negativen Temperaturkoeffizienten einsetzt, um die Reaktivitäts- und Temperaturexkursionen zu steuern. Es handelt sich also lediglich um die Verstärkung einer Gegenwirkung, solange diese nicht ausreichend ist, um die Exkursion zu beherrschen, bevor nicht die Fusion oder Schmelzung im Reaktorkern erfolgt. Die dieser Sicherheits-Vorrichtung eigene Zeitkonstante, die der Zeitkonstante eines unter dem Einfluß der Schwerkraft fallenden absorbierenden Stabes ίο entspricht ist zweifellos ausreichend, um auf einem niedrigen Pegel eine plötzliche Reaktivitätsexkursion anzuhalten; aber zusammen mit der sehr kurzen Zeitkonstante des Doppler-Effektes kann sie zu einer Gegenreaktion der leistungsfähigen und sicheren Vorrichtung führen.

Selbstverständlich hängt der Durchmesser des axialen Kanals 8 bzw. 8' von der Art des Spaltstoffes ab. genauer ausgedrückt von der Viskosität dessen flüssiger Phase.

Wenn sich bei einem ersten Versuch mit senkrechten Wänden des Innen-Kanals 8' herausstellt daß das Gleiten des flüssigen Ringes 12' weder ausreichend schnell noch ausreichend anhaltend ist kann den Innenwänden des axialen Kanals 8' jede Form gegeben werden, die die Bildung von Tropfen begünstigt die zumindest tei'-weise in freiem Fall fallen und sich nacheinander durch Aufschläge zerkleinern. Es kann beispielsweise (F i g. 3) ein stufenförmiges Profil 14 vorgesehen werden. Dieses Profil 14 kann leicht durch Stapeln gesinterter Pellets 4' erhalten werden, deren Innen-Öffnung oder -Kanal 8' kegelstumpfförmig ist

In der F i g. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel

eines »Sicherheits«-Brennelementes 2' dargestellt, bei dem dem unteren Teil des Brennelementes 2' (unter halb des Spaltstoffabschnitts) eine Auffangeinrichtung für den geschmolzenen Brennstoff hinzugefügt ist.

Das »Sicherheits«-Brennelement 2', dessen unterer Teil im mittleren Bereich entsprechend zum Reaktorkern einen Stapel von Spaltstoff-Pellets 4'. beispielsweise aus UO2 oder aus UOj und PUO2. aufweist die in der Hülle 6' des Brennelementes 2* angeordnet ist ist von einem Axial- oder Zentral-Kanal 8' durchsetzt dessen Durchmesser für ein Durchfließen eines Teils des schmelzbaren Materials ausreicht.

Im entsprechenden Bereich C bei der unteren Abdeckung des Reaktorkernes liegt ein Teil 14 aus Brutstoff. Dieses Material (Brutstoff) kann natürliches Uranoxid, verarmtes bzw. ausgebranntes Uranoxid (mit geringem Gehalt an Uns) oder Thoriumoxid sein. Das Teil 14 weist an seinem oberen Abschnitt (am nächsten zum Reaktorkern} einen Axial- oder Zentral-Kanal 16 mit einem Durchmesser auf, der gleich oder etwas größer als der Durchmesser des Kanals 8* ist wobei diese beiden Kanäle miteinander in Verbindung SS stehen. An seinem unteren Abschnitt ist das Teil 14 vor einem Zentral-Kanal 18 durchsetzt, der in den Kanal H mündet und einen wesentlich kleineren Durchmesse! als dieser besitzt Das Teil 14 ist z. B. auf einen« Dia phragma 20 gelagert, das mit der Hülle 6' verbündet ist. Unterhalb des Bereiches C entsprechend zur unte ren Abdeckung, befindet sich im inneren der Hülle € eine Kammer 22 für die Spaltgase, die durch den gera den Kanal 18 mit den Kanälen 16 und 8* in Verbinduni steht Der Boden 24 der HuBe 6' ist von einem Tiegc t>5 26 aus schwerschmelzbarem Material bedeckt Auße den für die Herstellung des Teiles 14 verwendete Materialien kann Borcarbid für den Tiegel 26 verwer det werden.

Im folgenden wird der Betrieb des unteren Teiles des »Sicherheitsw-Brennelementes 2' näher erläutert:

Der Spaltstoff fällt durch sein Eigengewicht so tief wie möglich ab, bevor er an der schwerschmelzbaren Wand des Kanals 16 des Teiles 14 hängenbleibt. Dieser Teil des Kanals 16 bildet einen ersten Tiegel für den geschmolzenen Spallsioff.

Jedes »Sicherheits«-Brennelement 2' weist somit seinen eigenen inneren Wärmespeicher auf. Wenn alle Brennelemente »Sicherheits«-Brennelemente 2' sind. wird ein Wärmespeicher des geschmolzenen Reaktorkerns erhalten, der mit vertauschbaren Brennstoffanordnungen integriert ist. Es ist somit das Problem der Herstellung eines leistungsfähigen und billigen Reaktorkern-Wärmespeichers (»Kern-Catcher«) gelöst, der arbeitet, bevor nicht behebbare Schaden in allen Zellen (Sammelzelle) auftreten.

Wegen der Kammer 22 kann die Abfallgeschwindigkeit des geschmolzenen Brennstoffes im Inneren der Zentral-Kanäle 8' und 16 zunehmen und so schneller eine Leistungsexkursion stören, solange eine obere Voll-Abdeckung vorhanden ist. Tatsächlich ist im Augenblick einer Leistungsexkursion das Spaltgas im Druckgleichgewicht, und seine Temperatur erhöht sich plötzlich im Inneren des Kanals 8', der im Spaltstoffab- *5 schnitt liegt. Wenn der einzige Austritt des Gases die untere Kammer 22 ist, deren Temperatur auf der Temperatur deu eintretenden Natriums verbleibt, wird das unter Druck im Zentral-Kanal 8' enthaltene Gas teilweise nach unten ausgestoßen und kann zur Beschleunigung des Abfalls des geschmolzenen Brennstoff-Ringes 12' beitragen und selbst noch schneller die zerstäubten Tröpfchen mit sich nehmen. Diese Erscheinung liegt vor allem vor, wenn ein Teil des geschmolzenen Brennstoffes zu verdampfen beginnt. Der Spaltstoff verläßt «omit den Bereich maximalen Neutronenflusses gleichzeitig in flüssiger und in die flüssige Phase beschleunigender gasförmiger Phase.

Der Kanal 18 erlaubt dieses Fließen oder Strömen in gasförmiger Phase zur Spalt-Kammer 22. Obwohl der wesentliche Teil des geschmolzenen Spaltstoffs sich durch Wiederverfestigung im ersten Tiegel aus dem Teil 14 fängt, ist dennoch zur zusätzlichen Sicherheit der zweite Tiegel 26 vorgesehen.

Der schwerschmelzbare Tiegel 26 bildet somit gleichzeitig einen Wärmespeicher des Reaktorkernes, der in zweiter Linie der Abwehr dient, und eine zweite untere Abdeckung, die für eine Dämpfung des Neutronennasses sorgt. Dieser Tiegel 26 hinter einem Bereich, in dem die Dicke des Kühlmittels (flüssiges Natrium) 5<> das Neutronenspektnim gedämpft hat weist Abschnitte mit verbesserten Einfangeigenschaften auf.

Bei einem vereinfachten AuEführungsbeispiel ist der Kanal 18 nicht vorhanden. Dasselbe gilt für den Tiegel

26. Es liegt somit am unteren Abschnitt des Teils 14 ein Voll-Pellet aus schwerschmelzbarem Material vor.

Wenn nicht alle Brennelemente durch »Sicherheits«- Brennelemente 2' ersetzt werden sollen, wird die Anzahl der »Sichcrheits«-Brennelemente 2' ermittelt, indem die Masse der spaltbaren Produkte berechnet wird, die beispielsweise von der halben Höhe des Reaktorkerns bis zu seinem unteren Abschnitt verschoben wird, indem der Neutronenfluß auf die Hälfte und das Quadrat des Neutronenflusses auf ein Viertel seines Anfangswertes verringert ist. Dies bestimmt die Anzahl der »Sicherheitsw-Brennelemente 2' mit einem axialen Kanal 8', der einen zur Erzielung der gewünschten Gegenreaktivität erforderlichen großen Durchmesser aufweist.

Die »Sicherheitsw-Brennelemente 2' können in einer bestimmten Anzahl von Brennstoffanordnungen vorgesehen werden, die nur derartige Brennelemente 2' aufweisen, oder die »Sicherheitsw-Brennelemente 2' können auf alle Brennstoffanordnungen aufgeteilt werden. Im ersten Fall ist es bei einem schnellen Reaktor zweckmäßig, alle »Sicherheitsw-Brennstoffanordnungen in Draufsicht in der Mitte des Reaktorkernes vorzusehen, da dort die Ncutronenflußdichte am größten ist.

Die erfindungsgemäßen »Sicherheitsw-Brennelemente 2' erfüllen — in ihren Funktionen ausgedrückt — gleichzeitig die Rolle eines Brennelementes und eines absorbierenden Sicherheits-Stabes, wobei deren Verwendung im Reaktorkern dann vorteilhaft ist. wenn die Anzahl der absorbierenden Stäbe verringerbar ist. Dieser Vorteil kann in bestimmten Fällen die Gefahr auf Grund der Einführung eines nicht vernachlässigbaren leeren Teiles in den Reaktorkern ausgleichen.

Wie bereits ausgeführt wurde, dient die Vorrichtung zur starken Verringerung der Folgen von Störungen, die sehr unwahrscheinlich und von der Art sind, wie sie durch B e t h e und T a i t beschrieben sind, die durch eine vollständige Fusion oder Schmelzung des mittleren Drittels des Reaktorkernes (einschließlich Hülle) beginnen, das die Stelle des Kühlmittels im unteren Drittel einnimmt. Die Sicherheits-Vorrichtung erzeugt die erste Phase der Störung nach B e t h e und T a i t, begrenzt diese aber und leitet sie in das Innere des Brennstoffes selbst, damit die Hülle des mittleren Teils unversehrt bleibt. Somit liegt keine Möglichkeit einer weiteren Verdichtung oder einer Reaktion mit dem Kühlmittel vor.

Obwohl die Sicherheits-Vorrichtung lediglich in seltenen Fällen benötigt wird, soll festgestellt werden, daß die Haupteigenschaften gegenüber anderen Vorrichtungen zum gleichen Zweck die Betriebssicherheit und die Freiheit vor zufälligen Auslösungen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 509540/28

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum passiven Schutz eines Kernreaktors, insbesondere eines schnellen Reaktors vor Reaktivitätsexkursionen, dessen Kern aus stabförmigen, sich vertikal ersteckenden Brennelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktorkern mindestens ein Teil dieser Brennelemente durch eine bestimmte Anzahl von »Sicherheits«-Brennelementen (2') ersetzt ist, deren Brennstoffeinsatz in an sich bekannter Weise einen axialen, mantellosen Strömungskanal (8') aufweist, daß dieser Kanal (8') einen Abschnitt mit einem ausreichend großen Durchmesser aufweist, damit der Teil des Brennstoffes, der im minieren Teil des Brennelementes (2') bei einer Neutronenflußexkursion schmilzt, durch die Schwerkraft innerhalb des Kanals (8') bts zur Basis des Brennelementes (T) herabfließt, ohne die Brennstoffhülle (6') zu berühren, und auf diese Weise die Reaktivität verringert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jedes »Sicherheits«-Brennelement (2') aus einem Stapel von Pellets (4') aus Spaltstoff besteht, die in der Brennstoffhülle (6') eingeschlossen sind, und daß jedes Pellet (4') eine zentrale öffnung von ausreichend großem Durchmesser aufweist, damit der geschmolzene Teil des Brennstoffes unter der Wirkung der Schwerkraft bis zum unteren Teil des Brennelements (2') fließen kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß jedes »Sicherheitsw-Brennelement (2') an seinem unteren Abschnitt ein der unteren Brutstoff-Abdeckung des Reaktorkerns entsprechendes Teil (14) aufweist, wobei das Teil (14) aus schwerschmelzbarem Material besteht und auf einem Abschnitt seiner Höhe und seines oberen Abschnittes einen axialen Kanal (16) mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der Kanal (8') des Spaltstoffabschnittes des Brennelementes (2') aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das der unteren Abdeckung entsprechende Teil (14) an seinem oberen Abschnitt einen mittleren Kanal (16) mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der Kanal (8') des Spaltstoffabschnittes des Brennelementes (2) aufweist, wobei dieser Kanal (16) an seinem unteren Abschnitt in einem vollen Pellet aus schwerschmelzbarem Material endet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- s° zeichnet, daß das der unteren Abdeckung entsprechende Teil (14) an seinem oberen Abschnitt einen axialen Kanal (16) mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der Kanal (8') des Spaltstoffs^chnittes aufweist, daß dieses Teil (14) an seinem unteren Abschnitt einen axialen Kanal (18) mit geringerem Durchmesser und unterhalb des Teiles (14) eine Kammer (22) für die Spaltgase, die durch die untere Fläche des Teiles (14) durch die Hülle (6') begrenzt ist, aufweist und daß am unteren Abschnitt bo ein Tiegel (26) aus schwerschmelzbarem Material auf dem Boden (24) der Hülle (6') vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das schwerschmelzbare Material ein Oxid von Brutstoffen aus der folgenden Gruppe ist: verarmtes bzw. ausgebranntes Uran, natürliches Uran und Thorium.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das schwerschmelzbare Material, das den unteren Tiegel (26) bildet, verarmtes bzw. ausgebranntes Uran, natürliches Uran, Thorium oder Borcarbid ist

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die »Sichcrheits«- Brennelemente (2') nur in einer gewissen Anzahl von Brennstoffanordoungen des Reaktorkernes vorhanden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die »Sicherheits«- Brennelemente (2') regelmäßig auf alle Brennstoffanordnungen des Reaktorkernes aufgeteilt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Brennelemente des Reaktorkernes »Sicherheits«-Brennelemente (T) sind.