DE2404985A1 - Schneller kernreaktor - Google Patents

Schneller kernreaktor

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DE2404985A1
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Description

Patentanwälte
Γ'-ίρ'.-ίη--!, '-. -■: err: sar».
530-22.118Ρ 1. 2. 1974
1. Stanislav Bor isovieh Bobrov, Obninsk Kaluzhskoi oblasti (UdSSR)
2. Vladimir Grigorievich Iljunin, Obninsk Kaluzhskoi oblasti (UdSSR)
3. Igor Alexeevich Kuznetsov, Obninsk Kaluzhskoi oblasti (UdSSR)
4. Viktor Mikhailovich Murogov, Obninsk Kaluzhskoi oblasti (UdSSR)
5. Jury Vasilievieh Silaev, Moskau (UdSSR)
6. Lev Vasilievich Tocheny, Moskau UdSSR)
7. Anatoly Nikolaevich Shmelev, Moskau (UdSSR)
Schneller Kernreaktor
Die Erfindung betrifft Kernreaktoren, nämlich schnelle Kernreaktoren, die zur Erzeugung elektrischer Energie in Kernkraftwerken dienen.
Bekannt ist z. B. der schnelle Kernreaktor vom SU-Typ SH-350 530-(P 54 016/1 )-Hd-r (8)
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(vgl. ζ. B- J. Je. Bagdassarow "Technische Probleme der schnellen Reaktoren", Verlag "Atomisdat" 1969, S. 236).
Bei dem bekannten schnellen Kernreaktor stellt die Spaltzone eine Anzahl von Kassetten mit Brennstoffelementen dar, die vom Kühlmittel umspült werden. In den Brennstoffelementen ist ein homogener Brennstoff - Urandioxid - untergebracht. Das Kühlmittel tritt in die Spaltzone durch einen Eintritts sammler ein bzw. aus dieser durch einen Austrittssammler aus.
Von Nachteil ist bei dem bekannten schnellen Kernreaktor, daß der Brutfaktor zwar Eins übersteigt, jedoch denjenigen*r Reaktoren mit metallischem Brennstoff bei weitem nicht erreicht.
Metallischen Brennstoff in den Brennstoffelementen zu verwenden, ist aber unmöglich bzw. problematisch. Dies liegt daran, daß die Erhaltung der hohen Parameter des thermodynamischen Prozesses eine Temperatur an der Hülle des Brennstoffelementes erfordert, deren Maximum bei 680 - 720 C liegt, während die höchstzulässigen Temperaturen für den metallischen Brennstoff bzw. die Trennfläche Brennstoff-Hülle (ohne Einbeziehung der Überhitzung) 570 - 610 C bzw. 490 - 510 °C betragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der angegebenen Nachteile einen schnellen Kernreaktor mit einem solchen Aufbau der Spaltzone zu schaffen, eine höhere Brutgeschwindigkeit
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unter Beibehaltung der hohen Temperaturparameter des Kühlmittels gegeben ist.
Diese Aufgabe wird bei einem schnellen Kernreaktor mit einer Spaltzone, die von kühlmittelumspülten Brennstoffelementen gefüllt ist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltzone mindestens in zwei Radialbereiche mit jeweils unterschiedlicher Temperatur des Kühlmittels unterteilt ist, wobei die Brennstoffelemente im Bereich mit wärmerem Kühlmittel mit keramischem Brennstoff und diejenigen im Bereich mit kälterem Kühlmittel mit metallischem Brennstoff geladen sind.
Als metallischer Brennstoff wird zweckmäßig eine Metallegierung
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auf der Basis von U - U , als keramischer Brennstoff ein Plutoniumoxidbrennstoff verwendet.
Der Bereich mit wärmerem Kühlmittel sollte höchstens die doppelte Höhe wie derjenige mit kälterem Kühlmittel haben.
Der Anteil des kälteren Kühlmittels in dem diesem zugeteilten Bereich sollte auch höchstens zweimal so hoch wie derjenige des wärmeren Kühlmittels in dem anderen Bereich sein.
Man kann die Bereiche auch ungefähr gleich groß in der Höhe sowie gleich große Anteile des Kühlmittels enthaltend ausführen, wobei der Bereich mit wärmerem Kühlmittel in der Mitte der Spaltzone des Kernreaktors angeordnet wird.
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Es ist zweckmäßig, daß der Bereich mit wärmerem Kühlmittel ungefähr zweimal so hoch wie derjenige mit kälterem Kühlmittel ist und einen ungefähr zweimal so niedrigen Anteil des Kühlmittels wie derjenige mit kälterem Kühlmittel enthält und an der Außenseite der Spaltzone des Kernreaktors angeordnet ist.
Jeder Bereich kann mit seinem eigenen Eintritts- bzw. Austrittssammler versehen sein.
Man kann auch die Eintrittssammler sämtlicher Bereiche zu einem gemeinsamen Sammler vereinigen.
Desgleichen kann man die Austrittssammler sämtlicher Bereiche zu einem gemeinsamen Sammler vereinigen. ·
Die Hülle der Brennstoffelemente für den Bereich mit Hochtemperaturmittel bzw. nur ihr Teil auf der Abströmseite wird zweckmäßig aus wärmebeständigen Stoffen ausgeführt.
Man kann auch die Bereiche im Kühlmittelweg hintereinander schalten, wobei der Austrittssammler des Bereiches mit kälterem Kühlmittel mit dem Eingangssammler des Bereiches mit wärmerem Kühlmittel kommunizieren soll.
Für die einzelnen Bereiche können unterschiedliche Kühlmittel vorgesehen werden, wobei für den Bereich mit wärmerem Kühlmittel
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Gas und für denjenigen mit kälterem Kühlmittel Flüssigmetall als Kühlmittel verwendet werden sollte.
Zwischen den Bereichen mit unterschiedlicher Temperatur des Kühlmittels wird zweckmäßig eine wärmedämmende Trennschicht aus mit Brutstoff gefüllten Brennstoffelementen angeordnet.
Ein Vorteil eines schnellen Kernreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß bei dessen Einsatz in der Wärmeschaltung des Kernkraftwerkes die hohen Parameter des thermodynamischen Wasserdampfprozesses für das Kernkraftwerk beibehalten werden, während der Brutfaktor steigt.
Außerdem ist beim erfindungsgemäßen Kernreaktor von Vorteil, daß die Wärmeverteilung über seine Spaltzone sich im Ablauf des Arbeitens wesentlich geringer ändert, als es bei den bekannten schnellen Kernreaktoren, abgeglichen durch Anreicherung, der Fall ist. Daraus ergibt sich eine Erhöhung der Leistungsdichte für den verwendeten Brennstoff und eine Verbesserung der Kernkraftwerkdaten.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors, schematisch,
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Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit höherem Anteil des Kühlmittels in dem äußeren Bereich und größerer Höhe des mittleren Bereiches ,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit höherem Anteil des Kühlmittels im mittleren Bereich und größerer Höhe des äußeren Bereiches ,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des Kernreaktors mit gemeinsamen Eintrittssammler für das Kühlmittel,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit gemeinsamem Austrittssammler für das Kühlmittel,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit Reihenkühlschaltung,
Fig. 7 einen Querschnitt der Spaltzone des erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit wärmedämmender Trennschicht zwischen den Bereichen mit unterschiedlicher Kühlmitteltemperatur,
Fig. 8 den Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor im thermodynamischen
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Wasserdampfprozeß, bei dem (Kernreaktor) die einzelnen Bereiche der Spaltzone über eigene Eintritts- bzw. Austrittssammler verfügen,
Fig. 9 den vereinfachten Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit dem erfiridungsgemäßen schnellen Kernreaktor, bei dem die einzelnen Bereiche der Spaltzone über einen gemeinsamen Austritts- und eigene Eintrittssammler verfügen,
Fig. 10 den vereinfachten Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor, bei dem die einzelnen Bereiche der Spaltzone über einen gemeinsamen Eintritts- und eigene Austrittssammler verfügen .
Der in Fig. 1 gezeigte schnelle Kernreaktor weist eine Spaltzone, unterteilt in zwei Radialbereiche 1 und 2 mit unterschiedlicher Kühlmitteltemperatur, und eine Brutzone 3 auf. Der Spaltzonenbereich liegt an der Außenseite der Spaltzone, wird von kälterem Kühlmittel umspült und ist mit Bündeln von Brennstoffelementen, geladen mit Metallegierungen von Uran als Niedertemperaturbrennstoff, gefüllt.
Der Spaltzonenbereich 2 liegt in der Mitte der Spaltzone, wird von wärmerem Kühlmittel umspült und ist mit Bündeln von Brennstoffelementen, geladen mit einem hier keramischen Hochtemperaturbrennstoff, gefüllt.
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Die Brutzone 3 umhüllt die Spaltzone des Kernreaktors allseitig und besteht aus Brennstoffelementen mit Brutmaterial, das hier Torium-232 oder Uran-238 enthalten muß.
Der Niedertemperaturbereich 1 verfügt über einen Eintrittssammler 4 für die Zuführung des Kühlmittels und einen Austrittssammler 5 für die Abführung desselben.
Der Hochtemperaturbereich 2 verfügt über einen Eintrittssammler 6 für die Zuführung des Kühlmittels und einen Austrittssammler 7 für dessen Abführung.
Als metallischer Brennstoff für den Niedertemperaturbereich 1 wird eine Metallegierung auf der Basis von U - U , als Brennstoff für den Hochtemperaturbereich 2 Plutoniumoxydbrennstoff PuO- UO verwendet.
£ Ct
Die Radialbereiche 1 und 2 der Spaltzone können in dieser verschieden angeordnet sein.
Vorstehend war ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone des Kernreaktors beschrieben, bei dem der von kälterem Kühlmittel umspülte Bereich 1 (Niedertemperaturbereich) an der Außenseite der Spaltzone, der von wärmerem Kühlmittel umspülte (der Hochtemperaturbereich 2) in der Mitte derselben angeordnet ist.
Es gibt aber auch ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone, bei dem
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_ Q —
der Bereich 1 in der Mitte der Spaltzone liegt.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist - dort sind die Ausführungsbeispiele der Spaltzone des schnellen Kernreaktors dargestellt, wobei Fig. 3 dasjenige Ausführungsbeispiel vorführt, bei dem der Bereich 1 in der Mitte der Spaltzone liegt -, ist der Hochtemperaturbereich 2 der Spaltzone höchstens zweimal so groß wie der Niedertemperaturbereich 1 in Höhe.
Der volumetrische Anteil des kälteren Kühlmittels in dem Bereich ist höchstens zweimal so hoch wie derjenige des wärmeren Kühlmittels in dem Bereich 2.
Die unterschiedlichen Anteile von Kühlmittel in den Bereichen 1 und 2 kommen dadurch zustande, daß die Brennstoffelemente 8 im Bereich 1 weniger dicht über ihren Bereich verteilt sind als die Brennstoffelemente 9 im Bereich 2 über ihnen. Dabei können die Durchmesser der Brennstoffelemente 8 und 9 in den Bereichen 1 bzw. 2 anders gewählt sein, wobei die Wahl von vielen Faktoren abhängt, z.B. von der höchstzulässigen Temperatur an den Hüllen der Brennstoffelemente.
Die Zu- bzw. Abführung des Kühlmittels kann bei dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor verschieden gestaltet sein.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Kernreaktors gezeigt, bei dem die Spaltzonenbereiche 1 und 2 über einen gemeinsamen Eintrittssammler 10 und eigene Austrittssammler 5 bzw. 7 verfügen.
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In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Kernreaktors gezeigt, bei dem die Spaltzonenbereiche 1 und 2 über einen gemeinsamen Austrittssammler 11 und eigene Eintritts sammler 4 bzw. 6 verfügen.
In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel des Kernreaktors gezeigt, bei dem die Reihenkühlschaltung für die Spaltzonenbereiche 1 und 2 benutzt ist, wobei der Kühlmittelaustritt für den Bereich 1 mit dem Kühlmitteleintritt für den Bereich 2 über einen Sammler 12 verbunden ist.
In Fig. 7 ist ein Querschnitt der Spaltzone des Kernreaktors gezeigt, bei dem zwischen den Spaltzonenbereichen 1 und 2 eine Trennschicht 13 vorgesehen ist, deren Anwendung dadurch gerechtfertigt ist, daß die Bereiche 1 und 2 unterschiedliche Kühlmitteltemperatur haben.
Die Trennschicht 13 besteht aus Brennstoffelementen, die mit einem Torium-232 oder Uran-238 enthaltenden Brutmaterial gefüllt sind.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden der Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor behandelt.
Der in Fig. 8 dargestellte Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit einem Kernreaktor, bei dem für die einzelnen Spaltzonenbereiche
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eigene Eintritts- 4, 6 und Austrittssammler 5, 7 vorgesehen sind, enthält einen Kühlmittelkreislauf für das Niedertemperaturkühlmittel, bestehend aus einer Reihenschaltung von dem Niedertemperaturbereich 1 der Spaltzone, dem Austrittssammler 5, einem Dampferzeuger 14 und dem Eintrittssammler 4 für den Niedertemperaturb ereich 1, und einen Kühlmittelkreislauf für das Hochtemperaturkühlmittel, bestehend aus einer Reihenschaltung von dem Hochtemperaturbereich 2 der Spaltzone, seinem Austrittssammler 7, einem Dampfüberhitzer 15 und dem Eintrittssammler 6 für den Hochtemperaturbereich 2. Nach der anderen Seite hin liegt eine Reihenschaltung von dem Dampferzeuger 14, Dampfüberhitzer 15, einer Turbine 16 und einem Kondensator 17, die einen Arbeitsmittelkreislauf des Kernkraftwerkes darstellt.
Der in Fig. 9 dargestellte Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit einem Kernreaktor, bei dem für die einzelnen Bereiche 1, 2 der Spaltzone einen gemeinsamen Austrittssammler 11 und eigene Eintrittssammler 4 und 6 vorgesehen sind, enthält einen Kühlmittelkreislauf, in dem die Spaltzonenbereiche 1, 2 über den Austrittssammler 11 mit einem Dampfüberhitzer 15, einem Dampferzeuger 14 und dem Eintrittssammler 4 verbunden sind.
Eine der Zwischenstellen 18 des Dampferzeugers 14 ist durch das Kühlmittel mit dem Eintrittssammler 6 des Hochtemperaturbereiches verbunden. Die Auswahl der Stelle 18 ist mit der Auswahl der Parameter für den thermodynamischen Prozeß und den Bedingungen für den Wärmeübergang vom Kühlmittel zum Arbeitsmittel der Turbine 16 gegeben. In
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dem Arbeitsmittelkreislauf des Kernkraftwerkes mit der Turbine 16 liegen hintereinander der Dampferzeuger 14, der Dampfüberhitzer 15, die Turbine 16 selbst und ein Kondensator 17.
Der in Fig. 10 dargestellte Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes, bei dem für die einzelnen Spaltzonenbereiche 1 und 2 ein gemeinsamer Eintrittssammler 10 und eigene Austrittssammler 5 bzw. 7 vorgesehen sind, enthält einen Kühlmittelkreislauf, indem die Spaltzonenbereiche 1 und 2 über den Austrittssammler 7 mit einem Dampfüberhitzer 15, einem Dampferzeuger 14 und dem Eintrittssammler 10 verbunden sind.
Eine der Zwischenstellen 19 des Dampf über hitze rs 15 ist durch das Kühlmittel mit dem Austrittssam mler 5 des Niedertemperaturbereiches 1 verbunden. Die Auswahl der Stelle 19 ist mit der Auswahl der Parameter für den thermodynamischen Prozeß und den Bedingungen für den Wärmeübergang vom Kühlmittel zum Arbeitsmittel der Turbine 16 gegeben. In dem Arbeitsmittelkreis des Kernkraftwerkes mit der Turbine 16 liegen hintereinander der Dampferzeuger 14, der Dampfüberhitzer 15, die Turbine 16 selbst und ein Kondensator 17.
Der erfindungsgemäße schnelle Kernreaktor hat, eingefügt in den Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes, die folgende Funktion:
Das im Niedertemperaturkreislauf umgewälzte Kühlmittel gelangt aus dem Eintrittssammler 4 (Fig. 8) in den Niedertemperaturbereich
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der Spaltzone, durchströmt die Räume zwischen den Brennstoffelementen, wärmt sich auf und wird durch den Austrittssammler 5 dem Dampferzeuger 14 zugeführt, wo es die Wärme an das Arbeitsmittel der Turbine 16 abgibt und abgekühlt zum Eintrittssammler 4 des Niedertemperaturbereiches 1 der Spaltzone zurückfließt.
Das im Hochtemperaturkreislauf umwälzende Kühlmittel durchströmt die Räume zwischen den Brennstoffelementen des Hochtemperaturbereiches 2 der Spaltzone, wärmt sich auf und wird durch den Austrittssammler 7 dem Dampfüberhitzer 15 zugeführt, wo es die Wärme an das Arbeitsmittel der Turbine 16 abgibt. Nach Durchschreiten des Dampfüberhitzers 15 strömt das abgekühlte Kühlmittel dem Eintrittssammler 6 des H .chtemperaturbereiches 2 der Spaltzone zu. Indem es den Dampferzeuger 14 und den Dampfüberhitzer 15 nacheinander durchströmt, nimmt das Arbeitsmittel die vom Kühlmittel des Kernreaktors abgegebene Wärme und wärmt sich auf; danach gelangt es zur Turbine 16, wo die Umwandlung der Wärme in Arbeit stattfindet, und kondensiert dann im Kondensator 17, woraufhin das Arbeitsmittel nach dem Dampferzeuger 14 zu strömt.
Bei Realisierung eines thermodynamischen Wasserdampfprozesses mit dem Dampfdruck vor der Turbine 16 130 ata und der Temperatur 505 °C beträgt die Temperatur des flüssigmetallischen Kühlmittels am Austritt aus dem Hochtemperaturbereich 2 der Spaltzone 560 C.
Die Temperatur des flüssigmetallischen Kühlmittels am Austritt
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aus dem Niedertemperaturbereich 1 der Spaltzone ändert sich mit dem Verhältnis von Bündelzahlen für die Spaltzonenbereiche. Das Bündelzahlverhältnis kann stark variieren: zwischen 3 : 1 und 1 : 3.' Somit kann die Leistung jedes Spaltzonenbereiches 30 bis 70 % der Gesamtwärmeleistung des Kernreaktors betragen.
Die Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus dem Niedertemperaturbereich sollte bei 400 - 480 C liegen.
Dies macht es möglich, als Brennstoff für diesen Spaltzonenbereich metallische Niedertemperatur legierungen zu verwenden, wobei die Leistung je Längeneinheit, die den Brennstoffelementen dieses Bereiches entnommen wird, keine geringere ist, als diejenige, die die Brennstoffelemente des Hochtemperaturbereiches 2 der Spaltzone mit seinem keramischen Brennstoff abgeben. Der Brutfaktor aber ist dabei um 0,15 - 0,20 höher, so daß das Tempo des Brütens steigt und die Brutverdoppelungszeit um 30 - 50 % fällt, und zwar ohne nennenswerte Verschlechterung des Wirkungsgrades des Kernkrrftwerkes.
Darüber hinaus ist die während des Betriebes eintretende Verzerrung der Wärmeverteilung über die Spaltzone des Kernreaktors nach der vorliegenden Erfindung 3-4 mal so gering wie bei den durch Anreicherung abgeglichenen Oxydbrütern, wodurch auch die Leistungsdichte bei dem verwendeten Brennstoff um 10 - 20 % erhöht und somit die Wirtschaftlichkeit des Kernkraftwerkes verbessert wird.
Eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte bei dem gegebenen Brenn-
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stoff durch Stabilisierung der Wärme verteilung kann erhalten werden, indem für den Hochtemperaturbereich der Spaltzone eine größere Höhe gewählt wird, als für den Niedertemperaturbereich derselben. So wird die stabile Wärm ever teilung für einen Kernreaktor mit Leistung 1000 MW (el) bei einer Höhe des Hochtemperaturbereiches von 110 - 115 cm und einer Höhe des Niedertemperaturbereiches von 80 cm, sowie bei einem Verhältnis der Kühlmittelanteile in den Bereichen 1 und 2 der Spaltzone zwischen 0,3 und 0,4 erreicht.
Aufgrund der besseren verfahrenstechnischen Eigenschaften eines metallischen Uranbrennstoffes, wie er sie gegenüber einem Plutoniumbrennstoff besitzt, können die Maximaltemperaturen für die Brennstoffelemente mit einem solchen Brennstoff etwas höher liegen, wodurch der Wirkungsgrad des Kernkraftwerkes besser wird und die Leistungsdichte bei dem gegebenen Brennstoff um 10 % steigt. Noch eine Erhöhungsmöglichkeit für die Leistungsdichte, bei der ein Gewinn von 10 - 20 % erreichbar ist, ergibt sich aus der Wahl der günstigsten Kühlmittel, z.B. eines Litiumkühlmittels für den Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf und eines Helium kühlmittels für den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf.
Eine Minderung der Wärmeverluste durch Wärmeüberströmung vom Hochtemperatur- 2 zum Niedertemperaturbereich 1 der Spaltzone wird durch Anwendung einer wärmedämmenden Trennschicht zwischen den Spaltzonenbereichen erreicht, die aus Bündeln mit einem Uran-238- oder Thorium-haltigen Material ausgeführt ist.
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Zum Unterschied vom Kernreaktor in der Wärmeschaltung des Kernkraftwerkes nach Fig. 8 verfügt der Kernreaktor in der Wärmeschaltung des Kernkraftwerkes nach Fig. 9 einen gemeinsamen Austrittssammler 11 für das aus den Spaltzonenbereichen 1 und 2 zuströmende erwärmte Kühlmittel, wo sich die Kühlmittelanteile aus den beiden Spaltzonenbereichen vermischen und woraus sie als eine Strömung zum Dampfüberhitzer 15 und Dampferzeuger 14 abströmen.
Danach wird der Kühlmittel strom, abgekühlt bis auf die Temperatur des Kühlmittels am Eintritt in den Hochtemperaturbereich 2 an der Stelle 18, in zwei Teilströme aufgeteilt, deren einer d;5m Eintrittssammler 6 des Hochtemperaturbereiches 2 zugeführt, deren anderer im Dampferzeuger 14 auf die Temperatur des Kühlmittels am Eintritt in den Niedertemperaturbereich 1 abgekühlt und dem Eintrittssammler 4 des letzteren zugeleitet wird.
Dieses Ausführungsbeispiel ist noch besonders vorteilhaft, weil der gemeinsame Austrittssammler 11 einen freien Zugang zu dem oberen Teil der Spaltzone sichert und die Unterbringung von Instrumenten sowie Steuer- und Schutzgeräten darin ermöglicht.
Die behandelten Parameterwerte für den thermodynamischen Wasserdampfprozeß können aufrechterhalten werden, wenn das Bündelzahlverhältnis zwischen den Spaltzonenbereichen 1 und 2 1:1 beträgt und die Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus dem Bereich 1 bei 500 C, diejenige des Kühlmittels am Austritt aus dem Bereich 2 bei 600 °C liegt.
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Die erhöhte Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus dem Hochtemperaturbereich 2 der Spaltzone (Fig. 4) ergibt sich daraus, daß die Brennstoffelemente 9 dieses Bereiches etwa auf der halben Länge vom Austritt für das Kühlmittel her mit einer Hülle aus hitzebeständigen Materialien, hier aus Legierungen auf der Basis von Ti, V ausgeführt sind, die die Funktionsfähigkeit der Brennstoffelemente bei der Temperatur an der Trennfläche zwischen Brennstoff und Hülle, welche 800 C erreichen kann, sichern.
Bei dem Ausführungsbeispiel des Kernreaktors mit dem gemeinsamen Eintritts sammler und den eigenen Austrittssammlern für die einzelnen Spaltzonenbereiche tritt das Kühlmittel für die beiden Spaltzonenbereiche einströmig in.den Eintrittssammler 10 (*ig. 10) ein, strömt durch die Bereiche 1 und 2, wo es erwärmt wird, und fließt durch die Austrittssammler 5 und 7 nach dem Arbeitskreislauf mit der Turbine 16 ab, wo die Wärmeübertragung an das Arbeitsmittel stattfindet. Dabei gelangt das Kühlmittel aus dem Sammler 7 zum Eingang des Dampf über hitzers 15. Dann wird dieses Kühlmittel nach seiner Abkühlung auf die Temperatur des Kühlmittels im Austrittssammler 5 des Niedertemperaturbereiches 1 der Spaltzone an der Stelle 19 mit dem Kühlmittel aus dem Niedertemperaturbereich 1 vermischt, und der Gesamtstrom wird für die Erwärmung des Arbeitsmittels für die Turbine 17 benutzt. Danach strömt das abgekühlte Kühlmittel nach dem Eintrittssammler 10 ab.
Bei Anwendung einer Umwälzung des Kühlmittels durch die Spaltzone von oben herab wird der gemeinsame Eintrittssammler 10 ober-
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halb der Spaltzone angeordnet, und dieses Ausführungsbeispiel des Kernreaktors besitzt die gleichen Vorteile wie das Ausführungsbeispiel mit dem gemeinsamen Austrittssammler.
Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kernreaktors mit Reihenkühlschaltung strömt das Kühlmittel dem Eintrittssammler 5 (Fig. 6) zu, durchströmt zunächst die Räume zwischen den Brennstoffelementen des Niedertemperaturbereiches 1 der Spaltzone, dann den Niedertemperaturbereich 2 und gelangt durch den Austrittssammler 7 zunächst in den Dampfüberhitzer 15, dann den Dampferzeuger 14, gibt die Wärme an das Arbeitsmittel der Turbine 16 und fließt abgekühlt nach dem Eintrittssammler 5 ab.
Diese Kernreaktorausführung gestattet es, für den normalen Kühlkreislauf eines Kernkraftwerkes mit hoher Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus der Spaltzone einen metallischen Brennstoff zu verwenden und somit den Brutfaktor ohne Verringerung der Leistungsdichte für den gegebenen Brennstoff zu erhöhen. Um bei dem Ausführungsbeispiel die Aufwärmung zu verkürzen und die Leistungsdichte für den gegebenen Brennstoff durch Verbesserung des Änderungsverlaufs für die Temperatur der Brennstoffelemente in Betrieb zu erhöhen, wird als Kühlmittel flüssiges Lithium verwendet, das eine doppelt so hohe Wärmekapazität wie z.B. das konventionelle Kühlmittel flüssiges Natrium besitzt.
Darüber hinaus erweist sich dieses Ausführungsbeispiel, falls der Sammler 12 über der Spaltzone angeordnet wird, in gleichem Sinne als vorteilhaft wie der Kernreaktor mit gemeinsamem Austrittssammler.
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Claims (15)

  1. Patenten Sprüche
    Q-
    Λ.JSchneller Kernreaktor mit einer Spaltzone, die von kühlmittelumspülten Brennstoffelementen gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltzone mindestens in zwei Radialbereiche (l, 2) mit jeweils unterschiedlicher Temperatur des Kühlmittels unterteilt ist, wobei die Brennstoffelemente (9) im Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel mit keramischem Brennstoff und diejenigen (8) im Bereich (l) mit kälterem Kühlmittel mit metallischem Brennstoff geladen sind.
  2. 2. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Brennstoff eine Metallegierung auf der Basis yon U -U und der keramische Brennstoff Plutoniumoxidbrennstoff ist.
  3. 3. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel höchstens die doppelte Höhe wie derjenige (1) mit kälterem Kühlmittel hat.
  4. 4. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des kälteren Kühlmittels in dem diesem zugeteilten Bereich (1) höchstens zweimal so hoch wie derjenige des wärmeren Kühlmittels in dem anderen Bereich (2) ist.
  5. 5. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge-
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    kennzeichnet, daß die Bereiche (1, 2) ungefähr gleich hoch sind sowie gleich große Anteile des Kühlmittels enthalten, wobei der Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel in der Mitte der Spaltzone des Kernreaktors angeordnet ist.
  6. 6. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel ungefähr zweimal so hoch wie derjenige (l) mit kälterem Kühlmittel ist und einen ungefähr zweimal so niedrigen Anteil des Kühlmittels wie derjenige (l) mit kälterem Kühlmittel enthält und an der Außenseite der Spaltzone des Kernreaktors angeordnet ist.
  7. 7. Schneller Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bereich (1,2) mit seinem eigenen Eintritts- (4, 6) bzw. Austrittssammler (5, 7) versehen ist.
  8. 8. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittssammler sämtlicher Bereiche (l, 2) zu einem gemeinsamen Sammler (1O) zusammengefaßt sind.
  9. 9. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittssammler sämtlicher Ber eiche (l, 2) zu einem gemeinsamen Sammler (ll) vereinigt sind.
  10. 10. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich-
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    net, daß die Hülle (20) der Brennstoffelemente (9) für den Bereich (2) mit Hochtemperatur-Kühlmittel bzw. nur ihr Teil auf der Abströmseite aus wärmebeständigen Werkstoffen ausgeführt ist.
  11. 11. Schneller K rnreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (l, 2) im Kühlmittelweg hintereinander geschaltet sind, wobei der Austrittssammler (12) des Bereiches (l) mit kälterem Kühlmittel mit dem Eintrittssammler (12) des Bereiches (2) mit wärmerem Kühlmittel kommuniziert.
  12. 12. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß für die einzelnen Bereiche (1,2) unterschiedliche Kühlmittel vorgesehen sind.
  13. 13. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für den Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel Gas, für denjenigen (l) mit kälterem Kühlmittel Flüssigmetall als Kühlmittel vorgesehen ist.
  14. 14. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bereichen (l, 2) mit jeweils unterschiedlicher Temperatur des Kühlmittels eine wärmedämmende Trennschicht angeordnet ist.
  15. 15. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Trennschicht (13) aus mit Brutstoff gefüllten Brennstoffelementen zusammengesetzt ist.
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    Leerse ite
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