DE2655402A1 - Reaktorkern fuer einen gasgekuehlten hochtemperaturreaktor - Google Patents

Description

PATENTANWALT

. ing. K. HÖLZER

«SILIFPINB-WELSEB- STBASSE 11

&900AUOSBURO

3C_- 54*47«

TELEX 633 2 o!2rpatoj A

Augsburg, den 30. November 1976

Westinghouse Electric Corporations Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, Vereinigte Staaten von Amerika

Reaktorkern für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor

Die Erfindung betrifft einen Reaktorkern für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, mit einer Vielzahl von vertikal nebeneinander angeordneten Säulen, von denen

ORtGINAL INSPECTED

709827/0690

jede ihrerseits eine Anzahl von Brennstoffanordnungen enthält.

Dabei bezieht sich die Erfindung insbesondere auf eine Anordnung, bei welcher gesonderte, direkt gekühlte, Spaltstoff und Brutstoff enthaltende Brennstoffelemente herausnehmbar in prismatischen Moderatorblöcken eingesetzt sind, wodurch hohe Kühlgastemperatüren und eine gute Brennstoffausnützung erzielbar sind.

Es ist allgemein bekannt, daß der thermische Wirkungsgrad eines Wärmekreislaufs im allgemeinen umso höher ist, je höher die Maximaltemperatur des Wärmeträgars ist. Dies gilt auch für den Primärkreislauf von Kernreaktoren.

Bei einem Kernreaktorzyklus müssen jedoch bei einer Erhöhung des thermischen Gesamtwirkungsgrades auch die, die Wiederaufbereitung des Kernbrennstoffes betreffenden Paktoren mit dem Ziel einer maximalen Brennstoffausnützung in Betracht gezogen werden«, Dabei ist unter dem Ausnutzungsgrad die Gesamtausnützung sowohl des natürlichen, des aufbereiteten und des wiederaufbereiteten Spalt- und Brutstoffes zu verstehen. Zu den, den Ausnutzungsgrad von Kernbrennstoffen hauptsächlich

709827/0599

begrenzenden Paktoren gehören die Möglichkeiten der Wiederaufbereitung von Brennstoffj der wertvolle Brutisotope und unverbrauchte Isotope enthält.

Bisher gibt es keine Anordnung, welche ein zerstörungsfreies herausnehmbares Einbringen von gesonderten, direkt gekühlten Spaltstoff- und Brutstoffelementen in die gleiche Brennstoffanordnung ermöglicht. Dies gilt insbesondere für gasgekühlte Kochtemperaturreaktoren, die typischerweise Brennstoffelemente aus umhülltem, in einer Graphitmatrix homogen verteiltem Spalt- und Brutstoff enthalten. Bevor jedoch unverbrauchter oder durch Brüten hergestellter Brennstoff vorteilhaft ausgenützt werden kann, erfordert die Abscheidung der wiederverwendbaren Isotope bei einer solchen Konfiguration der Brennstoffelemente komplizierte und kostspielige Verfahrene Obwohl eine homogene Verteilung auf kurze Sicht Vorteile hinsichtlich der Leistungssteuerung im Reaktorkern bietet, bringt eine solche Verteilung auf lange Sicht Nachteile hinsichtlich der Wiederaufarbeitung und Wiederverwendung des Kernbrennstoffes mit sich.

Die ÜS-PS 3 89I 502 hat eine Anordnung zum Gegenstand, gemäß welcher gesonderte Brutstoffelemente und Spaltstoffelemente innerhalb eines Graphit-Moderatorblockes angeordnet sind. Dabei sind die Elemente jedoch

- 3 709827/0B99

derart

Anteil zur m^jb^ißj^en^ResM^^

tragen₀ Infolge_ft ^errr-H-ptwß^i-g-l^ -,..-_;

Integretät des Blockes beitragen zu müssen, weisen die Elemente -kgfeiQv Kühlkanale_{a ;}au£,.und,..könnieji; nipht; ■dir.ek.t- .,-,;

h&lrb-; -die_;jerr^aißijja^r^^ -maximal. _;.z.iiläs..sige.,,,. , en-ztr_4st.-/Au^^ er.f-qrdert eine _r solche Anordpung'sridaÄ^d^e, verbrau_c-hte3i-.,-Br_:ennstQi^>felemente mechandseh.aus -dem.-..-G-r.ap-hit;block herausgebohrt -.werden,- . ■■ _: ■ wodurch de3*.:;Blöck-i: zerstört ^wird_o ·. - — . -· : _-,..--.- . .-

Beispie.lsweise aus der US-PS 3 738 912 ist eine Art direkter Kühlung von Brennstoffelementen bekannte Diese Anordnung beruht jedoch nicht nur auf einer homogenen Brennstoffverteilung, sondern auch auf der Verwendung von mechanischen Mitteln, beispielsweise von besonders ausgebildeten Abstandshaltern, zur Halterung der Brennstoffelemente innerhalb eines Kühlkanals_o

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Reaktorkern der eingangs genannten Art für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren so auszubilden, daß sehr

hohe Kühlmitteltemperaturen ohne übermäßig hohe Brennstoff temperatur en erzielbar sind und daß zum Zwecke der Wiederaufbereitung eine zerstörungsfreie Trennung

ORIGINAL INSPECTED

709827/0699

des Spalt- und Brutstoffes aus den BrennstoffanOrdnungen möglich ist«

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein solcher Reaktorkern gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffanordnungen übereinander gestapelt sind und jeweils einen länglichen Moderatorblock aus hitzebeständigem Material mit verhältnismäßig guten Wärmeleit- und Moderatoreigenschaften aufweisen, der eine regelmäßige Querschnittsform mit einer mittigen Achse sowie eine Anzahl von mit gegenseitigen Abständen angeordneten axialen Brennstoffkanälen und mindestens einen Steuerkanal besitzt, daß ferner in den Brennstoffkanälen Brennstoffelemente herausnehmbar angeordnet sind, die hauptsächlich Spaltstoff enthalten und jeweils einen axial hindurchverlaufenden inneren Kühlgaskanal aufweisen, und daß die Steuerkanäle und die Kühlgaskanäle der Brennstoffanordnungen in jeder Säule axial miteinander fluchten.

Diese erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine direkte Kühlung der Brennstoffelemente, weshalb höhere Kühlgastemperaturen bei Beibehaltung zulässiger maximaler Brennstofftemperaturen erzielbar sind. Nach dem Ausbau einer Brennstoffanordnung aus dem Reaktor können die Brennstoffelemente einzeln aus dem Moderatorblock

709827/0699

herausgestoßen werden, um sie wiederaufzubereiten oder wieder in einen anderen Moderatorblock einzusetzen. Die Steuerung der Leistungsverteilung im Reaktorkern erfolgt hauptsächlich mittels beweglicher Steuerstäbe, die durch die Moderatorblöcke hindurchgeschoben werden, und mittels homogen in den Moderatorblöcken verteilter verbrennbarer Neutronenabsorber.

Die Kühlmitteltemperatur kann auch durch Veränderung der Größe von öffnungen in Halteelementen gesteuert werden, welche die Brennstoffelemente innnerhalb der Brennstoffanordnungen haltern, wobei die Menge des durch die Brennstoffelemente hindurchströmenden Kühlmittels gesteuert wirdo Aus Sicherheitsgründen und zur Erleichterung der Qualitätskontrolle weisen die Brutstoffelemente und die Spaltstoffelemente vorzugsweise unterschiedliche Querschnittsabmessungen auf, um den richtigen Einbau in den Moderatorblock sicherzustellen. Vorzugsweise sind die Brennstoffelemente zylindrische

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben.. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 Eine aufgeschnittene Ansicht eines

gasgekühlten Hochtemperaturreaktors

709827/0B99

mit einem Reaktorkern nach der Erfindung,

iig. 2 ein Kreislaufschema des in Pig» I

gezeigten Reaktors, wobei die Strömungs- und Temperaturverteilung angedeutet ist,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Brenn

st of fan Ordnung nach der Erfindung,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des

Graphit-Moderatorblockes der in Fig. 3 gezeigten Brennstoffanordnung,

Fig. 5 einen Längsschnitt des Bodenteils

der in Fig 3 gezeigten Brennstoffanordnung,

die Fig. 6a

und 6b isometrische Darstellungen von

Brennstoffelementen der in Fig„ 3 gezeigten Brennstoffanordnung,

die Fig. 7a

und 7b Querschnitte von umhüllten

-7 -

709827/0599

Brennstoffteilchen nach der Erfindung, und

Fig. 8 eine schematische Darstellung

eines Verfahrens nach der Erfindung zur axialen Umschichtung der Brennst offanordnungen.

Die Erfindung bezieht sich auf die Anordnung des Brennstoffes in einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, gemäß welcher direkt gekühlte Brennstoffelemente mit hochdichter Matrix herausnehmbar in Brennstoffanordnungen eingesetzt sind, so daß Kühlmitteltemperaturen im Bereich von 76O C bis 1220 C gefahrlos erzeugt werden können«, Außerdem ist eine bessere Brennstoffausnützung möglich und die Brennstoffaufbereitung ist infolge der Trennung der zerstörungsfrei herausnehmbaren und direkt gekühlten Brutstoffelemente und Spaltstoffelemente vereinfachte

Fig. 1 zeigt einen Reaktorkern 10, der aus einer Vielzahl von etwa sechseckigen Brennstoffanordnungen zusammengesetzt und von Abschirm/Reflektorelementen umschlossen ist. Eine vollständige Säule aus Brennstoffanordnungen 12 und Abschirm/Reflektorelementen 14 ist aus dem Reaktorkern 10 herausgeschoben dargestellt. Die Abschirm/Reflektorelemente 14 sind über und unter den

709827/0593

Brennstoffanordnungen 12 und um diese herum angeordnet. Gemäß der Darstellung sind die Brennstoffanordnungen 12 axial miteinander fluchtend in Säulen angeordnet, welche nebeneinander angeordnet sind und dem Reaktorkern 10 eine etwa kreisrunde Querschnittsform geben. Die Brennst of fan Ordnung en 12 und die Abschirm/Reflektorelemente sind herausnehmbar angeordnet und werden von einer Kerntrag· platte 16 innerhalb eines vorgespannten gußeisernen Reaktorbehälters 18 getragen. Jede Brennstoffanordnung 12 ist mit einem mittig angeordneten Steuerkanal 20 versehen, in welchem ein Steuerelement 22 aus neutronenabsorbierendem Material, beispielsweise Borkarbit, zur Leistungssteuerung des Reaktorkerns einschiebbar ist. Es können pro Brennstoffanordnung auch mehrere Steuerkanäle 20 vorgesehen sein.

Die Wände des Reaktorbehälters 18 enthalten vertikale Hohlräume 24, welche Komponenten wie beispielsweise Hochtemperaturwärmetauscher 26, Niedertemperatürwärmetauscher 27, Hauptumwälzpumpen 28, Turbogeneratoren 30, Hilfskühlwärmetauseher 32 und Hilfsumwälzpumpen 33 für das Abschalten und die Notkühlung des Reaktors aufnehmen_a

Der dargestellte Reaktor kann über eine Kreislaufschleife bei einer Kühlgastemperatur im Bereich von 870 C Wärme zum Betrieb einer vom Reaktor entfernt gelegenen Kraftmaschinenanordnung von beispielsweise

709827/0599

fünf Turbogeneratoren mit einer elektrischen Gesamt- · leistung von 262 MW liefern,,

Fig. 2 zeigt die Temperatur- und Strömungsverhältnisse in der Gesamtanlage. Während des normalen Vollastbetriebs sind fünf mit A, B, C, D und E bezeichnete Helium-Kühlgasströme vorhanden, die sich am Auslaß des Reaktorkerns 10 vermischen und einen Mischstrom mit einer mittleren Temperatur von beispielsweise 1000 C bilden,, Der erste und größte, mit A bezeichnete Kühlgasstrom verläuft durch den aktiven Reaktorkern,, Die Strömung zwischen den BrennstoffanOrdnungen 12 ist mit B bezeichnet und weist eine Temperatur von etwa 1020°C auf. Die Strömung durch die randständigen Abschirm/Reflektorelemente 14 ist mit C bezeichnet und weist eine Temperatur von etwa 76O⁰C auf. Der vierte, mit D bezeichnete Kühlgasstrom kommt von oberhalb des Reaktorkerns 10, nachdem ihr durch den Steuerstabmechanismus hindurchpassiert und diesen gekühlt hat, und weist eine Temperatur von etwa 65O⁰C auf. Der fünfte, mit E bezeichnete Kühlgasstrom macht nur einen kleinen Prozentsatz der Gesamtströmung aus und besteht in dem Leckrückstrom durch einen zur Hilfskühlung und für den Fall von anzunehmenden, eine Kühlung des Reaktorkerns 10 erforderndem Unfallzuständen vorgesehenen Hilfsströmungsweg. Diese fünfte Strömung hat

- IO - -

709827/0599

im normalen Reaktorbetrieb eine Temperatur von etwa 23O°C.

Der Mischstrom wird sodann in zwei Hauptströme aufgeteilt„ Der erste Hauptstrom teilt sich wiederum in fünf parallele Einzelströme auf, von denen jeder einen Turbogenerator 30 durchströmt, der auch einen Verdichter 31 antreibt. Nach dem Durchströmen der Turbine gelangt das Kühlgas durch den Niedertemperaturwärmetauscher 27i wo es seine Wärme an einem Sekundärkreislauf abgibt, und strömt schließlich durch den Verdichter 31 in den Reaktorkern 10 zurück,, Der zweite Hauptstrom teilt sich ebenfalls in fünf parallele Einzelströme auf, von denen jeder durch einen Hochtemperaturwärmetauscher 26 hindurchpassiert. Aus dem Wärmetauscher strömt das Kühlgas dann durch die motorgetriebene Hauptumwälzpumpe 28, die mit elektrischem Strom betrieben wird, der beispielsweise von den Turbogeneratoren 30 geliefert werden kann, und strömt sodann in den Reaktorkern zurück,, Der kleine Leckstromanteil strömt in Form von zwei parallelen Strömungen jeweils rückwärts durch die Hilfsumwälzpumpen und die Hilfswärmetauscher 32. Wenn das Hilfssystem in Betrieb gesetzt wird, so strömt das Kühlmittel durch den Reaktorkern, sodann durch die Hilfswärmetauscher 32, und

- 11 -

709827/0B99

durch die motorgetriebenen HiIfsumwälzpumpen 33 hindurch und schließlich zum Reaktorkern zurück.

Das Herz des Reaktors bilden die in den Fig. 3 bis gezeigten Brennstoffanordnungen 12. Sie weisen gesonderte Spaltstoffelemente 40 und Brutstoffelemente 42 auf, die in einem Moderatorblock 44 enthalten sind. Der Moderatorblock 44 dient erstens zur herausnehmbaren Aufnahme der Brennstoffelemente 40 und 42, zweitens zum Moderieren des Neutronenflusses, drittens zur Führung der Steuerelemente, viertens zum Herausnehmen und Handhaben der gesamten Brennst off anordnung und fünftens zur Bildung der Kühlkanäle„ Der dargestellte Moderatorblock 44 ist ein längliches, regelmäßiges sechseckiges Prisma. Es können auch andere regelmäßige geometrische Querschnittsformen Anwendung finden, beispielsweise Fünfeck- oder Achteckformen, wobei jedoch die Sechseckform am vorteilhaftesten ist„ Sie ermöglicht die Halterung und Positionierung einer Brennstoffanordnung an einer gegebenen Stelle, selbst wenn bei der Brennstofferneuerung eine radial benachbarte Säule von Brennstoffanordnungen herausgenommen ist. Die sechseckigen Brennstoffanordnungen ermöglichen den Aufbau des Reaktorkerns etwa in Form eines senkrechten KreisZylinders, was eine gute Lexstungsvertexlung ermöglicht.

- 12 -

709827/0599

Der Moderatorblock 44 kann aus irgendeinem geeigneten hitzebeständigen Werkstoff hergestellt sein, der verhältnismäßig einfach verarbeitet werden kann und ausreichende mechanische Festigkeit und Maßbeständigkeit bei der vorgesehenen Reaktorbetriebstemperatur sowie eine verhältnismäßig gute Wärmeleitfähigkeit, gute Moderatoreigenschaften und einen niedrigen Neutroneneinfangquerschnitt aufweist. Vorzugsweise finden dichte Kohle- bzw« Graphitwerkstoffe Anwendung. Der Moderatorblock 44 kann beispielsweise eine Höhe von 83 cm und eine Dicke von 100 cm zwischen zwei Seitenflächen aufweisen.

Es ist allgemein bekannt, daß das Erreichen der notwendigen mechanischen Festigkeit des Moderatorblockes 44 während der Herstellung und der Bearbeitung von der Länge des für das Entweichen von Gasen während des Brennens des Moderatorblockes verfügbaren freien Weges abhängig ist. Es hat sich gezeigt, daß das Herstellen eines vergrößerten Mittelkanals 20 vor dem Brennen die notwendige freie Weglänge herstellt, weshalb größere Moderatorblöcke 44 als die typischerweise bei bekannten gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren verwendeten Blöcke herstellbar sind_o Der mittige Kanal 20 beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist zylindrisch und weist einen Durchmesser von 15 cm auf und verläuft über die gesamte Länge des Blockes 44 durch diesen hindurch. Es sind selbstverständlich auch nichtkreisrunde

- 13 -

709827/0599

Querschnittsformen für den mittigen Kanal 20 anwendbar. Die mittige Anordnung des Kanals 20 ist für das Hindurchführen des Steuerelements 22 zur Steuerung der Reaktorleistung optimal. Es könnte auch eine Anzahl kleinerer, über den Querschnitt des Moderatorblockes 44 verteilter Steuerkanäle Anwendung finden, was sowohl der Steuerfunktion als auch den Herstellungserfordernissen ebenfalls gerecht würde. Der mittige Steuerkanal 20 kann auch zum Einführen eines Handhabungswerkzeugs zum Erfassen der Brennstoffanordnung benützt werden» Unterhalb der Oberseite des ModeratorbIockes 44 kann zur Erleichterung der Handhabung ein Einschnitt im Kanal 20 vorgesehen sein_o

Nach dem Brennen wird eine Vielzahl von vertikalen Brennstoffkanälen 48 in den Moderatorblock 44 eingearbeitet» Diese Brennstoffkanäle 48 sind so bemessen, daß sie die Spaltstoffelemente 40 und die Brutstoffelemente 42 herausnehmbar aufnehmen können» Dazu können sie ein Übermaß von fünf bis acht Hundertstel Millimeter aufweisen. Obwohl die Brennstoffkanäle 48 alle den gleichen Querschnitt aufweisen können, um die gesonderten Spaltstoffelemente 40 und die Brutstoffelemente 42 in der Brennstoff anordnung 12 aufzunehmen, finden dazu vorzugsweise Spaltstoffkanäle 50 und Brutstoffkanäle 52 mit unterschiedlichen Querschnitten Anwendung. Vorzugsweise sind diese Kanäle zylindrisch, um die Auswirkungen unterschied-

- 14 709827/ΌΒ99

licher Schwindungen zwischen dem Moderatorblock und den Brennstoffelementen auf ein Minimum zu verringern,, Bei Brennstoffelementen der unten noch erörterten Art kann eine Schwxndungsdxfferenz von 1 % bis 2 % des Durchmessers ohne Schwächung des Moderatorblockes 44 und ohne wesentlichen Kühlmittelleckstrom zwischen dem Moderatorblock und den Brennstoffelementen zugelassen werden. Beispielsweise können 892 Brennstoffkanäle 50, 52 mit Abständen von 3,2 cm über den Querschnitt des Moderatorblockes verteilt sein_o Die direkte Kühlung der Brennstoffelemente 40 und 42 innerhalb der Brennstoffkanäle verringern die Probleme der Wechselwirkungen zwischen dem Moderatorblock und den Brennstoffelementen wesentlich. Die im Betrieb auftretende Verringerung der Außenabmessungen der Brennstoffelemente ist stets größer als die Verringerung der Abmessungen der Kanäle 50 und 52. Eine Vergrößerung des Spaltes zwischen den Brennstoffelementen und dem Moderatorblock während des Betriebs kann außerdem nicht so groß werden, daß unannehmbare Schwingungen induziert werden, selbst wenn ein Teil des Kühlmittels durch den Spalt strömte Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind doppelt so viele Brutstoffelemente 40 (nämlich 588 Stück) wie Spaltstoffelemente 42 (nämlich 294 Stück) vorhanden. Da die Brennstoffelemente 40 und 42 herausnehmbar im Moderatorblock 44 angeordnet sind, muß eine Einrichtung vorgesehen sein, welche die Brennstoffelemente während des Betriebs und beim Herausnehmen der

- 15 -

709827/0599

Brennstoffanordnungen aus dem Reaktorkern im Moderatorblock hält. Eine Möglichkeit hierzu ist die dauernde Anordnung eines Halteelements an einem Ende jedes Brennstoffkanals. Pig. 5 zeigt ein hitzebeständiges Halteelement 54, das an den Moderatorblock 44 gebunden ist und eine öffnung aufweist, welche den Bodenteil eines Brennstoffelements 40, 42 freilegt» Die öffnung 56 ermöglicht gewünschtenfalls das Ausstoßen der Brennstoffelemente aus dem Moderatorblock. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ragt das Halteelement 54 etwa 9 mm in den Moderatorblock 44 hinein. Ein konischer Teil 58 des Halteelements 54 unterstützt die Kühlgasströmung in den mittleren Teil des Brennstoffelements. Falls die Brennstoffelemente zwischen zwei vertikal benachbarten Brennstoffanordnungen geringfügige Fluchtungsfehler aufweisen, so stellt die Abschrägung 58 eine kontinuierliche Kühlgasströmung sicher.

Es können an einem oder beiden Enden des Moderatorblockes 44 sowohl eingeschraubte als auch eingesteckte, herausnahmbare Halteelemente verwendet werden. Derartige herausnehmbare Halteelemente finden vorzugsweise bei späteren Reaktorkernzyklen Anwendung, wenn die Leistungsverteilung teilweise von den anfänglich Spaltstoff enthaltenden Brennstoffelementen 42 zu den anfänglich Brutstoff enthaltenden Brennstoffelementen 40 verschoben worden

- 16 709827/0599

ist j wie nachstehend noch beschrieben wird. Die innere öffnung 56 kann deshalb vergrößert oder verkleinert werden, um entsprechend mehr oder weniger Kühlgas durch die Elemente ¹IO₉ 42 strömen su lassen. Bei derartigen herausnehmbaren Halte element en 54 kann die öffnung 56 kleiner als die aur Freilegung eines Teils der Elemente 4O₉ 42 erforderlichen Größe sein, da die Halteelemente 54 dann zum Ausstoßen der Elemente aus dem Moderatorblock 44 herausgenommen werden können.

Zur Unterstützung der Reaktxvitätssteuerung am Beginn des Brennstoffzyklus können verbrennbare Neutronengifte während der Herstellung in den Moderatorblock 44 eingebettet werden. Dieses verbrennbare Neutronengift kann homogen im Moderatorblock 44 verteilt sein, um die erforderliche Zyklusbeginn-Reaktivitätskompensation für das Vorhandensein des größeren Gehalts an frischem Spaltstoff herzustellen. Ein Neutronengift wie beispielsweise natürliches Bor unterliegt bei Bestrahlung einer (n, oi. )-Reaktion_s was zur Freisetzung eines Heliumkerns und der Bildung von Lithium-7 führte Das Helium trägt in vernachlässigbarer Weise zur Menge des Kühlgases bei, bei welchem es sich typischerweise um Helium handelt, während das Lithium-7 größtenteils im Moderatorblock 44 zurückgehalten wird₀ Eine kleine Menge Lithium kann in den Kühlgasstrom hinein-

- 17 709827/0599

Λ 2655Α02

diffundieren und möglicherweise mittels einer Kühlgasreinigungseinrichtung abgeschieden werden.

Die herausnehmbar in die Brennstoffkanäle 50 und 52 eingesetzten Brennstoffelemente 40 und 42 enthalten den Kernbrennstoff und tragen außerdem zusätzlich zur Moderierung der Kernreaktion bei. Die Brennstoffelemente 40 und 42 werden direkt durch das Kühlgas gekühlt, wodurch ein äußerst wirksamer Wärmeübergang erzielt wird« Dies ermöglicht die Anwendung höherer Kühlmitteltemperaturen ohne Überschreitung der maximal zulässigen Brennstoffbetriebstemperatur_o Die Brennstoffelemente ¹JO und 42 sind beispielsweise in den Pig. 6a und 6b gezeigt. Beide Brennstoffelemente sind längliche, senkrechte Kreiszylinder mit einem mittig hindurchverlaufenden, kreisrunden Kühlgaskanal dargestellt. Es sind auch andere geometrische Formen für die Brennstoffelemente und deren Kühlgaskanäle anwendbar. Das beispielsweise dargestellte Spltstoffelement 40 weist einen Außendurchmesser von 2,95 cm und einen Innendurchmesser von 2,25 cm auf. Das Brutstoffelement 42 weist einen Außendurchmesser von 2,54 cm und einen Innendurchmesser von 1,29 cm auf. Beide Brennstoffelemente 40 und 42 haben eine axiale Länge von 85 cm. Bei einem etwa 9,5 mm in den Moderatorblock hineinragenden Haltering ergibt sich ein Spielraum von etwa 3,18 mm zwischen der

- 18 709827/0599

Oberseite des Moderatorblockes und dem oberen Ende der Brennstoffelemente, wodurch sichergestellt ist, daß zwischen zu einer Säule aufeinander gestapelten Brennst off anordnungen keine störenden überstände der Brennstoffelemente vorhanden sind.

Die extrudierten Brennstoffelemente 40 und 42 enthalten eine Vielzahl von Brennstoffteilchen 60 (Fig. 7)> die homogen in einer hochdichten, extrudierten Graphitmatrix verteilt sind. Der Extrudiervorgang und die hochdichte Graphitmatrix verleihen den Brennstoffelementen und 42 eine festigkeitsmäßige Integretät selbst bei der im Vergleich zu bekannten Elementen größeren Länge. Eine bevorzugte Graphitmatrixdxchte von etwa 1,9 g/cm führt nicht nur zu größerer Festigkeit, sondern auch zu verbesserter Wärmeleitfähigkeit, die in Verbindung mit der direkten Kühlung des Brennstoffes höhere Kühlmitteltemperaturen ermöglicht. Dich hochdichte Matrix der Brennstoffelemente wird durch Verwendung von Graphitmehl und Ruß in einem Verhältnis von 85 zu 15 im Extrudiergemisch erreicht. Das Graphitmehl wird vorher auf eine Temperatur im Bereich von 270O⁰C bis 28OO°C erhitzt und ist hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit besser als auf etwa 1800 C erhitzter Glanzkohlenstoff, der typischerweise bei bekannten gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren Anwendung findet. Das bei bei bekannten gasgekühlten Hoch-

- 19 -

709827/0599

temperaturreaktoren angewendete Preßstabherstellungsverfahren ergibt etwa 62 Volumenprozent Brennstoffteilchen. Der erfindungsgemäße Reaktorkern beruht auf einem Brennstoffteilchenanteil in den Brennstoffelementen 40 und 42 von etwa 12 bis 24 Volumenprozent= Bei den Brennstoffelementen 40 und 42 kann also ein geringerer Verlust an Brennstoffteilchen 60 als bei einer höheren Brennstoffteilchen-Packungsdichte erwartet werden,, die jedoch ebenfalls Anwendung finden kann» Es werden umhüllte,, etwa kugelige Brennst off teilchen 60, wie sie in der Reaktortechnik allgemein in Gebrauch sind, einschließlich der allgemein als "Biso" und "Triso" bezeichneten umhüllten Teilchen verwendet. Die Brennstoffteilchen 60 weisen einen mikroskopischen Brennstoffoxidkern 62 beispielsweise aus Oxiden von Uran 235» Uran 233 oder Thorium 232 auf, die von übereinanderliegenden überzügen beispielsweise in Form eines porösen Zwischenüberzugs 64 aus pyrolitisch abgeschiedenem Kohlenstoff und einem dichten isotropischen überzug 65 aus pyrolitisch abgeschiedenem Kohlenstoff umhüllt sind, und bei den "Triso"-Teilchen sind noch weitere Schichten 66 aus Silitiumkarbid und isotropem pyrolitisch abgeschiedenem Kohlenstoff vorhanden. Die Teilchenkerne 62 der Spaltstoffteilchen und der Brutstoffteilchen haben einen Durchmesser von etwa 2QOu m bzw. 50Or₁Jm.

Die Vorteile der körperlichen Trennung und des heraus-

- 20 -

709827/0599

nehmbaren Einsetzens der Spaltstoffelemente 40 und der Brutstoffelemente 42 sind für den Fachmann auf dem Gebiet der gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren offensichtlich. Diese Vorteile sind erstens eine Vereinfachung der Herstellung der Brennstoffelemente, zweitens eine Vereinfachung der Wiederaufbereitung des Brennstoffes und drittens die Möglichkeit der Variation der Standzeit der Brutstoffelemente und der Spaltstoffelemente innerhalb des Reaktors, wobei alle diese Vorteile zur Erhöhung des Gesamtausnutzungsgrades des Brennstoffes beitragen.

Die Brennstoffherstellung ist vereinfacht, da keine Notwendigkeit zur gesonderten Herstellung und anschließender homogener Verteilung verschiedener Brennstoffteilchenarten in einer Matrix gegeben ist, wie es bisher bei den Brennstoffen der meisten gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren der Fall ist. Die Hauptvorteile ergeben sich jedoch aus der vereinfachten Wiederaufbereitung, da keine Notwendigkeit zur mechanischen Trennung der Spaltstoffteilchen von den Brutstoffteilchen vorhanden ist, und aufgrund der Möglichkeit des Abbrennens von durch Brüten hergestelltem Brennstoff an Ort und Stelle ohne vorherige Wiederaufbereitung. Obwohl auch andere Kernbrennstoffe Anwendung finden können, beruht das vorliegende Ausführungsbeispiel auf der Verwendung von Spaltstoffteilchen, die haupt-

- 21 -

709827/0599

sächlich aus angereichertem Uran-235-Oxid bestehen, und Brutstoffteilchen, die hauptsächlich aus Thorium-232-Oxid bestehen. Die Spaltstoffteilchen enthalten Uran 235, das bis auf etwa 93 % angereichert ist. Das Thorium 232 der Brutstoffteilchen wird schließlich zu spaltbarem Uran umgewandelt. Der Thorium-232/Uran-233--Uniwandlungskoeffizient ist hoch und im Vergleich zu anderen potientiellen Brennstoffen wie beispielsweise Uran 238, das zu Plutonium 239 umgewandelt wird, nur minimal von Änderungen der Betriebstemperatur abhängig.

Die verschiedenen Komponenten der Brennstoffanordnung haben unterschiedliche optimale Standzeiten. Insbesondere kann das Brüten von Uran 233 aus Thorium 232 durch eine lange Standzeit des ursprünglichen Brutmaterials innerhalb des Reaktors verbessert werden. Beispielsweise bei dem hier beschriebenen Brennstoff wird Uran 233 in solchem Maße aus Thorium 232 gebrütet, daß es in einer Standzeit von einigen Jahren nahezu die Hälfte der gesamten Wärmeenergie des Reaktors liefert. Es unterliegt jodoch einem ziemlich langsamen Abbrennen im Bereich von 2 % bis 6 % Spaltungen der ursprünglichen Metallatome. Eine Wiederverwendung dieses Brennstoffs ohne die typische Wiederaufbereitung bietet daher beträchtliche wirtschaftliche Vorteile. Andererseits liefert der anfänglich hoch angereicherte

- 22 -

709827/0599

Spaltstoff in einem neu beladenen Reaktorkern den größten Teil der thermischen Spaltenergie durch die Spaltung des Urans 235e Das Uran 235 fängt jedoch auch Neutronen ein und bildet Uran 236, das ein unerwünschtes, nicht zur Spaltung beitragendes Neutronengift ist« Die Abbrandgeschwindigkeit des Spaltstoffes ist auch verhältnismäßig hoch, so daß innerhalb von 3 bis 4 Betriebsjähren ein Abbrand auf etwa 75 % der Spaltungen der ursprünglichen Metallatome eintritt. Das zurückbleibende Uran 235 ist dann mit Uran 236 verunreinigt und sollte aus dem Reaktorkern entfernt werden. Entsprechend dieser Leistungsverschiebung kann die Kühlgasströmung durch ein gegebenes Brennstoffelement vergrößert oder vermindert werden, indem Halteelemente mit größerer oder kleinerer Durchtrittsöffnung in den Moderatorblock 44 eingesetzt werden.

Da weiterhin Graphit unter Langzeitbestrahlung Beeinträchtigungen seiner festigkeitsmäßigen Integretät unterworfen ist, wird jeder Moderatorblock 44 nur über vier Jahreszyklen im Reaktorkern verwendet. Eine kürzere Zeit würke keine optimale Ausnützung bedeuten, während bei einer längeren Zeit Schäden am Moderatorblock 44 auftreten könnten, Im Hinblick darauf weist der Reaktor des vorliegenden Ausführungsbeispiels in jeder Säule acht Brennstoffanordnungen sowie jeweils ein Abschirm/Reflektorelement 14 am oberen und unteren Ende der Säule auf. Der aktive Reaktorkern 10 kann

- 23 709827/0599

deshalb in acht axiale Schichten unterteilt betrachtet werden, von denen jede die Höhe einer Brennstoffanordnung hat. Diese Schichten sind in Gruppen zu je zwei Schichten angeordnet, von denen jede ein Viertel des Reaktorkernvolumens ausmacht. Die jährliche Brennstofferneuerung des Reaktors besteht darin, daß jeweils eine Schichtengruppe ausgetauscht wird, während die anderen drei Gruppen gleichzeitig umgeordnet werden. Polglich weist jeder Moderatorblock eine Verweilzeit von vier Jahren im Reaktorkern auf.

Eine Umordnungsfolge ist in Fig. 8 gezeigt, gemäß welcher eine gegebene Brennstoffanordnung im Reaktorkern zunächst fortschreitend nach unten wandert, bis sie für den vierten Zyklus am oberen Ende des Reaktorkerns plaziert wird. Die in Fig. 8 angegebenen Zahlen geben das Alter der Brennstoffanordnungen jeder axialen Reaktorkernschicht in Jahren an. Es ist nicht vorgesehen, die Brennstoffanordnung en der verschiedenen Säulen untereinander auszutauschen, obwohl dies auch gemacht werden kann. Der Reaktorkern 10 ist also typischerweise in eine Anzahl radialer Zonen unterteilt, wobei ein festes Verhältnis von Brutstoffelementen 42 zu Spaltstoffelementen 40 im gesamten Reaktorkernquerschnitt von 2 zu 1 beibehalten wird. Die Dichte der Brutstoffteilchen in den verschiedenen Brutstoffelementen sollte nicht unterschiedlich sein, obwohl die Dichte der Spaltstoffteilchen mit den Radialzonen und den Brennstoff-

709827/0599

zyklen von etwa 12 Volumenprozent bis 24 Volumenprozent veränderlich sein kann.

Eine gegebene Brennstoffanordnung 12 in einer gegebenen Radialzone wandert also in der beschriebenen Form durch den Reaktorkern 10 hindurch,, Am Ende des vierten Zyklus wird diese Brennstoffanordnung aus dem Reaktorkern herausgenommen und in eine heiße Zelle gebracht. Bei bekannten gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren muß unabhängig von der Gesamtverweilzeit einer Brennstoffanordnung im Reaktorkern der Brennstoff anschließend entweder vollständig zerkleinert und wieder aufbereitet oder mindestens aus der Brennstoffanordnung herausgebohrt werden, da Brutstoffteilchen und Spaltstoffteilchen homogen miteinander vermischt sind. Dies ist bei der Erfindung jedoch nicht der Fall, da hier gesonderte Spaltstoffelemente 40 und Brutstoffelemente 42 vorgesehen sind. Nur die Spaltstoffelemente 40 werden durch neuen Brennstoff ersetzt und wieder aufbereitet, während die Brutstoffelemente 42 unmittelbar ohne eine vorhergegangene Wiederaufbereitung oder gar ein Herausbohren aus dem Graphitblock 44 wieder verwendet werden.

Der Moderatorblock 44 kann ebenfalls wieder verwendet werden, wenn er seine vierjährige Verweilzeit im Reaktorkern noch nicht verbracht hat. In der heißen Zelle kann

- 25 -

709827/0599

die ausgebrannte Brennstoffanordnung 12 mit Bezug auf einen frischen Moderatorblock: 44 so ausgerichtet werden, daß die ursprünglichen Brutstoffelemente 42, die nunmehr brütbares Thorium 232 und gebrütetes Uran 233 enthalten, in die Brutstoffkanäle 52 des frischen Moderatorblockes 44 ausgestoßen werden können. In ähnlicher Weise können frische Spaltstoffelemente 40 in die Spaltstoff kanäle 50 eingefüllt werden. Diese frischen Spaltstoff elemente 40 können Teilchen mit geringerer Anreicherung als die ursprünglichen Spaltstoffelemente der betreffenden Brennstoffanordnung und Säule enthalten, da die ursprünglichen Brutstoffelemente nunmehr spaltbares gebrütetes Uran 233 enthalten^, Um die bestmögliche Brennst off ausnützung der Brutstoffelemente 42 zu erzielen, können diese während ihrer Standzeit in vier verschiedenen Moderatorblöcken 44 betrieben werden bzw. während einer Gesamtstandzeit von 16 Jahreszyklen im Reaktorkern verbleiben.

Die sich durch die Erfindung ergebenden Vorteile sind offensichtlich, insbesondere im Hinblick auf gegenwärtig verwendete Brennstoffanordnungen für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, welche teuere, zeitraubende und zerstörend arbeitende Verfahren zur Trennung des homogen verteilten Brennstoffs in kleine Teilchen, zur Isotopentrennung und zur Wiederherstellung von Brennstoffelementen und

- 26 709827/0593

Brennstoff an Ordnungen erfordern., Außerdem sind bei den bekannten Brennstoffanordnungen für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren nur begrenzte maximale Kühlmitteltemperaturen zulässig.

Die Erfindung beinhaltet demgegenüber eine Brennstoffanordnung für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, bei welchem höhere Kühlmitteltemperaturen zulässig sind und gleichzeitig eine verbesserte Brennstoffausnützung bei geringerer BrennstoffWiederaufbereitung erzielt wird. Der gebrütete Brennstoff kann an Ort und Stelle verbrannt werden, ohne daß zerstörende Wiederaufbereitungsverfahren oder Verfahren zur Trennung vom Spaltstoff erforderlich sind.

- 27 -

709827/0599

Claims (10)

1. Patentansprüche

   1ΛReaktorkern für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, mit einer Vielzahl von vertikal nebeneinander angeordneten Säulen, von denen jede ihrerseits eine Anzahl von Brennstoffanordnungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffanordnungen (12) übereinander gestapelt sind und jeweils einen länglichen Moderatorblock (44) aus hitzebeständigem Material mit verhältnismäßig guten Wärmeleit- und Moderatoreigenschaften aufweisen, der eine regelmäßige Querschnittsform mit einer mittigen Achse sowie eine Anzahl von mit gegenseitigen Abständen angeordneten axialen Brennstoffkanälen (50, 52) und mindestens einen Steuerkanal (20) besitzt, daß ferner in den Brennst off kanälen Brennstoffelemente (40, 42) herausnehmbar angeordnet sind, die hauptsächlich Spaltstoff enthalten und jeweils einen axial hindurchverlaufenden inneren Kühlgaskanal aufweisen, und daß die Steuerkanäle und die Kühlgaskanäle der Brennstoffanordnungen in jeder Säule axial miteinander fluchten.
2. 2. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente (40, 42) jeweils als gesonderte,

   - 28 -

   ORIGINAL INSPECTED

   709827/0899

   Spaltstoff enthaltende Elemente (40) und Brutstoff enthaltende Elemente (42) vorliegen-
3. 3. Reaktorkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Moderatorblock (44) zwei Arten von Brennstoffkanälen (50, 52) aufweist, die verschiedene Querschnittsabmessungen haben, und daß die einen Brennst offkanäle (52) zur Aufnahme der Spaltstoffelemente (40) und die anderen Brennstoffkanäle (50) zur Aufnahme der Brutstoffelemente (42) dienen.
4. 4. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3₃ dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Material des Moderator blocke s (44) Graphit ist und daß die Brennstoffelemente in einer Graphitmatrix angeordnete umhüllte Brennstoffteilchen enthalten.
5. 5· Reaktorkern nach Anspruch 4, c^adurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffteilchen mit einer Dichte im Bereich von 12 Volumenprozent bis 24 Volumenprozent in den Brennstoffelementen enthalten sind.
6. 6. Reaktorkern nach Anspruch 4 oder 5_a uadurch gekennzeichnet, daß der Moderatorblock (44) ein abbrennbares Neutronengift enthält, das homogen im Graphit verteilt ist.

   - 29 -

   . 709827/0B99 ofuginal inspected

   hi·-

   ί Hi-.

   . 4 I } M
7. 7. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6₃
   dadurch gekennzeichnet, daß die Qüersennittsförm des iioderatorblockes (44) sechseckig ist„
8. 8Γ .ceaktorkern nach einem der Ansprüche 1 bis I₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal (20) einen Kreisquer schnitt aufweist und mittig angeordnet ist,
9. 9. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente jeweils kreisförmigen Querschnitt aufweisen und die Brennst of fkanäle (50,52) ebenfalls einen Kreisquerschnitt haben«
10. 10. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur herausnehmbaren Halterung
    der Brennstoffelemente (40, 42) in den Brennstoffkanälen (50, 52) jeitfeils ein an einem Ende der Brennstoffkanäle
    in den Moderatorblock (44) eingesetzter Graphitring (5¹O vorgesehen ist_o

    - 30 -

    ORSGIWAL JNSPEOTED

    709827/0E99