DE2744613A1

DE2744613A1 - Steuerung fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE2744613A1
Application number: DE19772744613
Authority: DE
Inventors: Edward B Ash; Louis Bernath; Joseph V Facha
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1976-10-04
Filing date: 1977-10-04
Publication date: 1978-04-06
Also published as: CA1091366A; BE859340A; JPS5390592A; IT1090159B; NL7710847A; FR2366670B1; FR2366670A1; US4076583A; JPS6140954B2; GB1540368A

Description

69A4 L{

27U613

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, U.S.A.

Steuerung für einen Kernreaktor

Zusammenfassung

Es wird ein Kernreaktor mit einer betriebssicheren automatischen Abschaltbefähigung geschaffen. Der Kernreaktor umfaßt ein Druckgefäß, einen in dem Gefäß angeordneten Kern mit einer genügenden Menge spaltbaren Materials zur Bewirkung und Aufrechterhaltung einer Ketten-Spaltreaktion sowie eine Vielzahl von langgestreckten Rohrleitungen in einer rechteckigen Anordnung innerhalb des Gefäßes. Jede der Rohrleitungen definiert einen Strömungspfad für ein Strömungsmedium und umfaßt einen ersten Abschnitt, welcher innerhalb des Kerns liegt und sich durch diesen hindurcherstreckt sowie einen zweiten Abschnitt, welcher außerhalb des Kerns liegt und über dem ersten Abschnitt liegt. Jede der Rohrleitungen enthält eine Vielzahl von im wesentlichen kugelförmigen Körpern mit einem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt. Die Körper liegen in einer genügend großen Menge vor, so daß sie den ersten Abschnitt einer jeden der Rohrleitungen im wesentlichen ausfüllen. Sie haben einen Durchmesser, welcher geringer ist als etwa die Hälfte des Durchmessers des engsten Teils des Strömungspfades der Rohrleitung, so daß die Körper frei durch die Rohrleitungen bewegbar sind. Die Rohrleitungen haben eine erste strömurigsmäßige Verbindung zu einem unteren Teil des ersten Abschnitts und eine zweite strömungsmäßige Verbindung zu einem oberen Teil des zweiten Abschnitts, so daß während der Aufrechterhaltung des Reaktorbetriebs ein unter Druck stehendes Strömungsmedium

8098U/0951

hindurchfließen kann. Der Kernreaktor umfaßt ferner eine Einrichtung zur Zufuhr des unter Druck stehenden Strömungsmediums zu der ersten strömungsmäßigen Verbindung zur Überführung der Gesamtheit der Körper aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt einer jeden der langgestreckten Rohrleitungen unter Bildung eines hydraulisch gestapelten Bettes der kugelförmigen Körper. Zwischen der zweiten strömungsmäßigen Verbindung und dem zweiten Abschnitt einer jeden Rohrleitung ist eine Bypass-Einrichtung vorgesehen. Diese umfaßt eine Vielzahl von Strömungswegen, welche über die Länge des zweiten Abschnitts verteilt sind, so daß man ein Verhältnis der Länge des zweiten Abschnitts, welcher mit Strömungswegen versehen ist, zur Länge des zweiten Abschnitts, welcher das gestapelte Bett der kugelförmigen Körper enthält, von etwa 0,5 : 1 bis 1,2 : 1 erhält. Somit kann ein Teil des unter Druck stehenden Strömungsmediums einen Teil des gestapelten Bettes von kugelförmigen Körpern während des normalen Reaktorbetriebs umgehen. Jeder der Vielzahl von Strömungswegen hat eine Querschnittsfläche, welche geringer ist als diejenige eines jeden einzelnen kugelförmigen Körpers.

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einer automatischen sicheren Abschaltbefähigung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kernreaktor mit einer Vielzahl von hydraulisch gestützten kugelförmigen Körpern mit einem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt, welche aufgrund der Schwerkraft in den Kernbereich des Reaktors fallen, wenn die Strömung des tragenden Strömungsmediums abgeschaltet wird.

Kernreaktoren enthalten gewöhnlich ein Notabschaltsystem, welches eine Art Neutronenabsorptionsmaterial in den Kern einführt. Es ist ein Grunderfordernis des Notabschaltsystems, daß die Einführung des Neutronenabsorptionsmaterials einfach sein soll. Ferner muß das Neutronenabsorptionsmaterial bei jeder anzunehmenden Störung des Reaktorsystems im Kern verbleiben. Ein herkömmliches bisher eingesetztes System

8098U/0951

27U613

umfaßt Steuerstäbe für einen normalen Reaktor. Die Steuerstäbe werden vom Kopf des Reaktors her eingeführt und im allgemeinen durch mechanische Einrichtungen, z. B. durch Motoren, Kupplungen, Getriebe oder dgl. angehoben und gesenkt. In einer Notsituation wird eine Kupplung entkoppelt, so daß die Steuerstäbe in den Reaktor herabfallen und den Reaktor abschalten.

Derartige Systeme sind nicht völlig befriedigend. Insbesondere besteht die Gefahr, daß die mechanischen Einrichtungen, z. B. die Kupplung, Störungen unterliegen. Ferner können Störungen dazu führen, daß der Durchgang durch den der Steuerstab herabfallen muß, verzerrt wird, so daß sich die Steuerstäbe verklemmen und nicht völlig in den Kern hineinfallen können. In diesem Falle ist es nicht möglich, den Reaktor völlig abzuschalten. Es wurden daher zahlreiche weitere Reserveabschaltsysteme vorgeschlagen.

Das US-Patent 3 147 188 schlägt eine Reaktorabschaltvorrichtung mit Neutronenabsorptionsbällen vor. Diese umfaßt eine Vielzahl von diskreten Körpern aus magnetischem Material, welches Neutronenabsorptionseigenschaften aufweist. Diese Körper werden mit einer Halteeinrichtung normalerweise festgehalten und können bei Bedarf gelöst werden. Die Halteeinrichtung umfaßt mindestens ein Paar von magnetischen Polstücken entgegengesetzter Polarität. Bei der Entmagnetisierung der Polstücke werden die diskreten Körper freigegeben und sie fallen unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Kern des Reaktors.

Das US-Patent 3 228 847 schlägt ein Reaktorsteuersystem vor, bei dem der Neutronenfluß gesteuert wird. Die Steuereinrichtung umfaßt ein Innenrohr, welches sich von dem nicht-aktiven Bereich des Reaktors in den aktiven Bereich erstreckt, sowie ein Außenrohr, welches das Innenrohr mit Abstand umgibt. Das Außenrohr hat ein geschlossenes Ende und das Innenrohr hat ein offenes Ende, welches dem geschlossenen Ende des Außenrohrs benachbart ist, aber mit einem Abstand zu diesem angeordnet ist. Die Neutronenabsorptionsteilchen sind zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordnet und sie bewegen

8098U/0951

sich unter der Strömungskraft entlang des Rohrs. Die Neutronenabsorptionsteilchen werden aus der aktiven Region des Reaktors durch die Strömung des Strömungsmediums hinausbewegt und sie fallen andererseits unter dem Einfluß der Schwerkraft wieder in die aktive Region zurück, wenn die Strömung abgeschaltet wird.

US-PS 3 257 286 beschreibt eine Steuerung vom Kugel-Typ für Kernreaktoren. Eine Anzahl von langgestreckten Rohrleitungen sind im Kernreaktor angeordnet, so daß der erste Abschnitt der Rohrleitung innerhalb des Kerns liegt und ein benachbarter zweiter Abschnitt außerhalb des Kerns liegt. Jede der Rohrleitungen enthält eine Anzahl von einzelnen Körpern deren jeder ein Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt enthält. Die Bewegung der Neutronenabsorptionskörper innerhalb der Rohrleitungen wird durch eine Quelle eines unter Druck stehenden Strömungsmediums bewirkt. Das Strömungsmedium wird jedem einzelnen Ende der Rohrleitungen zugeführt, so daß die Neutronenabsorptionskörper selektiv in dem ersten und dem zweiten Abschnitt der einzelnen Rohrleitungen positioniert werden können. Somit kann der Spaltungsreaktor gestartet und abgeschaltet werden oder seine Reaktivität während des Reaktorbetriebs gesteuert werden, indem man die Position der Neutronenabsorptionskörper ändert.

Die US-PS 3 347 747 beschreibt ein Steuersystem und ein Steuerverfahren für Kernreaktoren. Der Reaktor weist eine Anzahl von mit seitlichem Abstand zueinander angeordneten vertikalen Durchgängen in der Region des Kerns auf, welche über die gesamte Kernfläche verteilt sind. Die Durchgänge umfassen einen unteren Bereich, welcher sich im allgemeinen über die gesamte Höhe des Kerns erstreckt sowie einen oberen Bereich, welcher über dem Kern innerhalb des Reaktorgefäßes liegt. Innerhalb der Durchgänge und durch diese abgeschlossen, befindet sich eine bewegliche Einrichtung, welche ein Gift enthält und welche von einer unteren Position innerhalb der Kernregion zu einer oberen Position der Durchgänge bewegbar ist, welche im allgemeinen über dem Kern liegt. Die

809814/0951

27U613

gifthaltige Einrichtung wird durch die Schwerkraft in ihre untere Position gebracht und andererseits mittels eines innerhalb der Durchgänge aufwärts gerichteten Strömungsmediums von der unteren Position in eine obere Position bewegt.

Das US-Patent 3 682 771 betrifft ein Notabschaltsystem für einen mit Gas gekühlten und mit Graphit moderierten Kernreaktor. Das System umfaßt ein U-förmiges Rohr, dessen einer Schenkel innerhalb des Kerns liegt und dessen anderer Schenkel außerhalb des Kerns liegt. Innerhalb des Rohrs und in diesem bewegbar ist eine erste Säule aus Kugeln von Neutronenabsorptionsmaterial angeordnet. Mit dem äußeren Schenkel des Rohrs ist ein Reservoir für eine zweite Säule von Kugeln aus einem Material, welches Neutronen nicht absorbiert, angeordnet. Dieses Material hat ein größeres Gewicht als die anderen Kugeln. Die beiden Säulen berühren sich innerhalb des Rohrs mit ihren Enden. Wenn die zweite Säule von Kugeln freigegeben wird, so drückt diese aufgrund ihres größeren Gewichts die erste Säule in den Reaktorkern hinein und die erste Säule wird aufgrund des Gewichts im Kern gehalten.

Obwohl alle bisher beschriebenen Einrichtungen gewisse Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit gegenüber dem Steuerstab-System bieten, sind sie doch nicht ohne Probleme. Es wurde insbesondere festgestellt, daß z. B. bei Verwendung von hydraulisch getragenen Neutronenabsorptionskörpern übermäßig große Strömungen des Strömungsmediums erforderlich sind, um die Körper aus der Kernzone in eine nicht-reaktive Zone zu bewegen. Darüber hinaus ist nach Aufbau einer solchen Strömung der Druckabfall über die Körper äußerst hoch. Darüber hinaus ist es selbst bei Aufrechterhaltung eines ausreichenden Drucks des Strömungsmediums zur Erhaltung der erforderlichen hohen Druckdifferenz über die Neutronenabsorptionskörper immer noch schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, alle Neutronenabsorptionskörper zuverlässig außerhalb der aktiven Region des Kerns zu halten. Ein weiterer erheblicher Nachteil der meisten der genannten Verfahren besteht darin, daß es häufig erwünscht ist, den Reaktor nicht unter Vollast zu fahren.

8098U/0951

Bei den herkömmlichen Verfahren mit hydraulisch getragenen Körpern ist jedoch die Strömung, welche zur Bewegung der Körper aus der Kernregion heraus erforderlich ist, nahezu gleich der Strömung bei der die Körper beginnen in die Kernregion zurückzufallen. Somit führt jede nennenswerte Senkung der Strömung dazu, daß die Körper in die Kernregion zurückfallen. Es besteht somit ein erhebliches Bedürfnis nach einem verbesserten Reaktor mit einer Vielzahl von hydraulisch getragenen Neutronenabsorptionskugeln, welcher im Falle einer Unterbrechung der Kühlmittelströmung sicher abschaltbar ist.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Kernreaktor mit einer

sicheren Abschaltbefähigung im Falle eines Zusammenbruchs der Kühlmittelströmung. Allgemein umfaßt der Reaktor ein Druckgefäß und einen innerhalb des Gefäßes angeordneten Kern. Dieser enthält eine ausreichende Menge spaltbaren Materials zur Unterhaltung einer Spaltreaktion vom Kettenreaktionstyp. Eine Vielzahl von langgestreckten Rohrleitungen ist in einer regelmäßigen Anordnung im Gefäß untergebracht. Jede der Rohrleitungen definiert einen Strömungspfad für ein Strömungs-Gas oder Flüssigkeit
medium/und umfaßt e'inen ersten Abschnitt, welcher innerhalb des Kerns liegt und sich durch den Kern erstreckt sowie einen zweiten Abschnitt, welcher außerhalb des Kerns liegt und über dem ersten Abschnitt liegt. Jede der Rohrleitungen enthält eine Vielzahl von im wesentlichen kugelförmigen Körpern mit einem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt. Die Körper sind in einer ausreichenden Menge vorhanden, so daß sie den ersten Abschnitt im wesentlichen füllen. Jeder der Körper hat eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt. Der Durchmesser ist geringer als etwa die Hälfte des Durchmessers des engsten Bereichs des Strömungspfades für das Strömungsmedium in der Rohrleitung, so daß die Körper frei innerhalb der Rohrleitungen bewegbar sind. Der Reaktor umfaßt ferner eine erste Strömungsmittelverbindung zu einem unteren Teil des ersten Abschnitts einer jeden der langgestreckten Rohrleitungen und eine zweite Strömungsmittelverbindung zu einem oberen Teil des zweiten Abschnitts, so daß unter

809814/0951

Druck stehendes Strömungsmedium während des Reaktorbetriebs hindurchströmen kann. Ferner ist eine Einrichtung zur Zufuhr von unter Druck stehendem Strömungsmedium zur ersten Strömungsmediumverbindung vorgesehen, wodurch alle Körper aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt überführt werden können, und zwar in jeder der langgestreckten Rohrleitungen. Die Körper bilden ein hydraulisch getragenes gestapeltes Bett von Körpern. Jede der langgestreckten Rohrleitungen ist mit einer Einrichtung zur Verhinderung einer Bewegung der Vielzahl der Körper aus dem ersten und zweiten Abschnitt der Rohrleitung in den übrigen Rauni des Reaktors versehen.

Es wurde festgestellt, daß zur zuverlässigen Ausbildung eines hydraulischen gestapelten Betts von Körpern eine Bypass-Einrichtung erforderlich ist. Die Bypass-Einrichtung ist zwischen der zweiten Strömungsmittelverbindung und dem zweiten Abschnitt einer jeder der Rohrleitungen angeordnet und umfaßt eine Vielzahl von Strömungswegen, welche über die Länge des zweiten Abschnitts verteilt sind, derart, daß man ein Verhältnis der Länge des zweiten Abschnitts, welcher mit Strömungswegen versehen ist zur Länge des zweiten Abschnitts,in dem das Stapelbett von Körpern angeordnet ist, von etwa 0,5 : 1 bis etwa 1,2 : 1 erhält, so daß ein Teil des Strömungsmediums während des normalen Betriebs des Reaktors um das gestapelte oder geschichtete Bett von Körpern herumströmt. Eine jede der Vielzahl der Strömungspfade umfaßt eine Querschnittsfläche, welche geringer ist als die Querschnittsfläche der Körper.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Strömungswege durch eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Rippenteilen ausgebildet. Diese sind gleichförmig um die Außenperipherie eines langgestreckten Bauteils angeordnet, welches in das Rohrleitungsbauteil eingesetzt ist. Es erstreckt sich mindestens über einen beträchtlichen Teilbereich des zweiten Abschnitts des Rohrleitungsbauteils.

8C98U/0951

Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zur Zufuhr eines unter Druck stehenden Strömungsmediums zur ersten Strömungsmediumverbindung ferner ein Absperrventil zur Absperrung der Strömung des Strömungsmediums durch die Rohrleitung, wenn die Kerntemperatur einen vorbestimmten Wert übersteigt. Das Abschaltventil ist vorzugsweise thermisch betätigbar. Man kann jedoch auch ein durch ein extern angelegtes Signal betätigbares Ventil verwenden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kernreaktors gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Aus führungsform des erfindungsgemäßen Kernreaktors;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des langgestreckten Rohrleitungsbauteils des Kernreaktors gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt durch ein langgestrecktes Rohrleitungsbauteil gem. Fig. 1 mit einem thermisch betätigbaren Abschaltventil;

Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht des Rohrleitungsbauteils der Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 der Fig. 5 und Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 5.

Fig. 1 zeigt einen Kernreaktor mit einem Druckgefäß 10 und einem Kern 12. Der Kern umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffvorrichtungen 14. Die Brennstoffvorrichtungen enthalten eine genügende Menge eines spaltbaren Materials zur Herbeiführung und Aufrechterhaltung einer Kernspaltungskettenreaktion. Die Brennstoffvorrichtung 14 umfaßt ferner eine Vielzahl von Strömungspfaden für den Durchtritt eines kühlenden Strömungsmediums. Die Brennstoffeinrichtung 14 umfaßt einen Abschnitt mit Öffnungen 16, welche in eine Hochdruckkammer 18 ausmünden und der Einführung des kühlenden

8098U/0951

"^" 274A613

Strömungsmediums dienen. Ferner umfaßt der Reaktor eine Vielzahl von langgestreckten rohrförmigen Bauteilen 20 in einer regelmäßigen Anordnung innerhalb des Gefäßes 10 mit einem ersten Abschnitt, welcher sich durch den Kern 12 erstreckt und mit einem zweiten Abschnitt, welcher über dem Kern liegt. Jedes der rohrförmigen Bauteile definiert einen Strömungspfad für ein Strömungsmedium und weist eine Vielzahl von Öffnungen 22 auf, welche in der Hochdruckkammer 18 liegen und der Einführung des kühlenden Strömungsmediums dienen. Ferner umfaßt das rohrförmige Bauteil 20 eine Vielzahl von Neutronenabsorptionskugeln 30 in einer Menge, welche ausreicht, den oberhalb des Kerns gelegenen Abschnitt des rohrförmigen Bauteils im wesentlichen zu füllen. Ferner befinden sich innerhalb des rohrförmigen Bauteils 20 Zurückhalteeinrichtungen, z. B. Siebplatten 28, welche die Neutronenabsorptionskugeln 30 innerhalb eines gewünschten Abschnitts des durch das rohrförmige Bauteil 20 definierten Strömungspfades zurückhalten.

Während des normalen Betriebs des Reaktors wird ein unter Druck stehendes Kühlungsmedium, z. B. flüssiges Natrium, aus einer η ι ht gezeigten Quelle über eine Rohrleitung 24 in die Hochdruckkammer 18 eingeführt. Sodann strömt das Kühlmittel durch die Brennstoffeinrichtung 14 aufwärts zur Abführung der im Kern 12 erzeugten Wärme. Das heiße Natrium fließt über einen Auslaß 26 ab und dient der Wärmegewinnung. Ein Teil des Kühlmittels tritt aus der Hochdruckkammer 18 durch die Öffnungen 22 in das rohrförmige Bauteil 20 und strömt schließlich durch die Siebplatten 28. Diese Strömung des Kühlungsmediums trägt die Neutronenabsorptionskörper 30 hydraulisch, so daß sie sich innerhalb des oberen Abschnitts des rohrförmigen Bauteils 20 befinden, d. h. alle Neutronenabsorptionskörper 30 befinden sich im wesentlichen außerhalb des Kerns 12. Ferner umfaßt das rohrförmige Bauteil 20 ein langgestrecktes Rohr 21. Dieses dient als Nebenstrompfad über den ein Teil des Kühlmediums strömen kann und somit einen Teil der hydraulisch getragenen Neutronenabsorptionskörper umgehen kann. Somit fallen bei dieser Ausführungsform im Falle eines Verlustes des Primärkühlmittelstroms die hydraulisch

8098U/0951

getragenen Neutronenabsorptionskugeln 30 automatisch abwärts in den Kern 12, so daß dieser Kernreaktor eine automatische Abschaltbefähigung mit inherenter Sicherheit aufweist.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Kernreaktors gemäß Fig. Dabei liegen die Öffnungen 22 der langgestreckten rohrförmigen Bauteile 20 in einer unteren Druckmittelkammer 32. Bei dieser Ausführungsform tritt das unter Druck stehende Primärkühlmittel für die Brennstoffeinrichtungen 14 über die Einlaßrohrleitung 24 in die Hochdruckkammer 18 ein, wie bei Fig. 1. Ein Abzweigstrom des Kühlmittels gelangt über eine Leitung 34 und eine Druckregeleinrichtung, z. B. ein Steuerventil 36 sowie über eine Leitung 38 in die untere Druckkamer 32. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das Ventil von außen gesteuert werden kann. Damit kann die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung getestet werden. Hierzu wird die Strömung des Strömungsmediums variiert, so daß die Neutronenabsorptionskugeln 30 in jede gewünschte Position gebracht werden können. Ferner kann das Rohrleitungsbauteil so ausgebildet sein (wie weiter unten näher erläutert), daß nur ein geringer Druck und eine geringe Strömung erforderlich sind, um die Neutronenabsorptionskugeln 30 im oberen Abschnitt und außerhalb des Kerns 12 zu halten. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Zeitdauer zum Absenken der Neutronenabsorptionskugeln in den Kern herabgesetzt ist, wenn die Strömung des Kühlmittels durch das Einlaßrohr 24 unterbrochen wird. Ferner kann das Steuerventil 36 mit einer automatischen oder manuellen Steuerung zur Herbeiführung einer Notabschaltung des Reaktors versehen sein, auch wenn die Kühlmittelströmung durch das Einlaßrohr 24 noch innerhalb des normalen Betriebsbereiches liegt.

Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des langgestreckten rohrförmigen Bauteils gemäß den Figuren 1 und 2. Das langgestreckte rohrförmige Bauteil 20 weist Durchgänge

8098U/0951

für die Einströmung des Strömungsmediums gemäß den Pfeillinien 44 auf. Das Kühlmittel hält die Neutronenabsorptionskugeln in einem hydraulisch gehaltenen geschichteten Bett der Länge L

in einem oberen Abschnitt des rohrförmigen Bauteils 20, welcher sich außerhalb der Kernzone des Reaktors befindet. Das langgestreckte rohrförmige Bauteil 20 weist ferner eine Einrichtung auf, welche die Neutronenabsorptionsbälle in einer definierten Zone des Strömungsmittelpfades zurückhält, z. B. eine Rückhalteeinrichtung in Form von mit Löchern versehenen Platten 28, in Form von Gittern, Sieben oder dgl. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Nebenstrompfad in Form eines Rohrs 21 vorgesehen, welches koaxial innerhalb des rohrförmigen Bauteils 20 angeordnet ist. Das Rohr 21 weist eine Vielzahl von Öffnungen 42 auf, welche über eine Länge L_ verteilt angeordnet sind und einen Durchtritt des Strömungsmediums gestatten.

Es wurde festgestellt, daß die Neutronenabsorptionskörper mit einer geringen Strömungsrate und mit einem geringen Druckabfall in einem hydraulisch getragenen geschichteten Bett gehalten werden können, wenn die Länge L_n zu der Länge L^ im

B S

Bereich von etwa 0,5 bis 1,2 liegt. Die Nebenstromeinrichtung führt dazu, daß etwa 50 % bis etwa 85 % des Gesamtvolumens des durch das rohrförmige Bauteil 20 strömenden Mediums über den Nebenstrompfad fließt. Im allgemeinen ist es bevorzugt, ein Verhältnis der Länge L_D zu L von etwa 0,9 : 1 bis etwa

B S

1 : 1 vorzusehen, so daß etwa 70 % bis 80 % des gesamten durch das Rohrleitungsbauteil strömenden Strömungsmediums über die Nebenstromleitung fließt. Wenn Einrichtungen zur Herbeiführung einer solchen Nebenströmung des die Neutronenabsorptionskugeln tragenden Strömungsmediums nicht vorgesehen sind, so ist es schwer, die Kugeln 30 oberhalb der Kernzone in einem schichtigen Bett zu halten. Die Aufrechterhaltung eines Schichtbetts erfordert in diesem Falle einen hohen Druckabfall über das Bett und beträchtlich erhöhte Strömungsraten. Darüber hinaus kann selbst wenn solche Vorkehrungen getroffen sind, nicht sichergestellt werden, daß alle Neutronenabsorptionskörper mit einem hohen Maß an

8098U/09B1

27U613

Zuverlässigkeit, welches für den Betrieb des Kernreaktors erforderlich ist, außerhalb der Kernzone gehalten werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei umfaßt ein langgestrecktes Rohrbauteil 100 ein unteres Ende mit einer Strömungsmittelverbindung, z. B. einer Vielzahl von Durchgängen 102 für den Eintritt des unter Druck stehenden Strömungsmediums. Der Bereich, welcher die Öffnungen 102 aufweist, befindet sich im allgemeinen innerhalb einer Druckkammer, welche z. B. durch die Bauteile 104 und 106 begrenzt ist. Ferner umfaßt das rohrförmige Bauteil 100 einen unteren Abschnitt, welcher innerhalb der Kernzone des Reaktors liegt, sowie einen oberen Abschnitt, welcher außerhalb der Kernzone liegt und vertikal über dem ersteren Abschnitt angeordnet ist, sowie in axialer Fluchtung mit diesem. Das rohrförmige Bauteil 100 umfaßt ferner eine Vielzahl von im wesentlichen kugelförmigen Neutronenabsorptionskörpern 108, welche während des normalen Betriebs des Reaktors in einem aufgrund der Strömung des Kühlmediums hydraulisch getragenen Bett oberhalb der Kernzone gehalten werden. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Nebenstromeinrichtung ein langgestrecktes Bauteil 110, welches koaxial innerhalb des rohrförmigen Bauteils 100 angeordnet ist. Einzelheiten dieser Ausführungsform werden anhand der Figuren 5 bis 7 näher erläutert. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform ist ferner ein thermisch betätigbares Abschaltventil 112 vorgesehen. Dieses dient dazu, die Strömung des Strömungsmediums durch das rohrförmige Bauteil 100 zu unterbinden, wenn die Kernzone eine vorbestimmte oder gewünschte Temperatur erreicht. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das rohrförmige Bauteil der Fig. 4 und die Figuren 6 und 7 zeigen vergrößerte Querschnitte entlang den Linien 6-6 und 7-7 der Fig. 5. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt das rohrförmige Bauteil 100 eine Nebenstrom-Einrichtung in Form eines langgestreckten Rohrs 110. Dieses umfaßt eine Vielzahl von sich in Axialrichtung erstreckenden Rippen 114 an seiner Außenperipherie. Diese bilden eine Vielzahl von schlitzförmigen Strömungspfaden 116. Gegebenenfalls kann zusätzlich das langgestreckte Rohr 110 eine Vielzahl von

8098U/0951

** 27U613

Öffnungen 118 aufweisen, welche rund um seine Peripherie verteilt sind. Diese Schlitze oder Öffnungen sollten jeweils eine Querschnittsfläche haben, welche beträchtlich kleiner ist als der Querschnitt der Neutronenabsorptionskörper, um zu verhind ern, daß sie in diese Schlitze oder Öffnungen eintreten und dort die Strömungspfade verstopfen. Im allgemeinen sind die Nebenstromwege derart ausgebildet, daß ihre Querschnittsfläche geringer ist als etwa 3/4 der Querschnittsfläche der Neutronenabsorptionskörper und vorzugsweise geringer als etwa 1/3 der Querschnittsfläche der Neutronenabsorptionskörper.

Bei der dargestellten Ausführungsform bildet das obere Ende des langgestreckten Rohrs 110 die Rückhalteeinrichtung für die Neutronenabsorptionskörper 108. Es ist in Form einer im wesentlichen flachen Platte 120 mit einer Vielzahl von Schlitzen 122 ausgebildet. Eine weitere Rückhalteeinrichtung für die Neutronenabsorptionskörper ist am unteren Ende des rohrförmigen Bauteils 100 in der Nähe der Kernzone angeordnet. Bei dieser Ausführungsform hat es die Gestalt einer Platte 124 mit einer Vielzahl von öffnungen 126 für den Durchtritt des Strömungsmediums.

Vorteilhafterweise umfaßt das rohrförmige Bauteil 100 auch eine Einrichtung zur Abschaltung der Strömung des Strömungsmediums, falls die Kerntemperatur einen vorbestimmten gewünschten Wert übersteigt. Zu diesem Zweck ist ein thermisch betätigbares Abschaltventil 112 vorgesehen. Dieses kann einen Permanentmagneten 128 umfassen, sowie ein ferromagnetisches Material 130, eine Vorspanneinrichtung, z. B. eine Feder 132, eine Befestigungseinrichtung 134 zur Verbindung der Feder 132 mit dem Magneten 128. Die Feder 132 wird durch die Anziehung zwischen dem Permanentmagneten 128 und dem ferromagnetischen Material 130 unter Kompression gehalten. Das ferromagnetische Material 130 hat einen Curie-Punkt, welcher überschritten wird, wenn die Kerntemperatur des Reaktors einen vorbestimmten Wert übersteigt, so daß in diesem Falle

8098U/0951

- IA -

das ferromagnetische Material seine magnetischen Eigenschaften einbüßt. In diesem Falle wird der Permanentmagnet 128 aufgrund der Federkraft der Feder 132 zur dichtenden Anlage an der Innenwandung 136 des rohrförmigen Bauteils 100 gebracht, so daß die Strömung des Strömungsmediums durch die Öffnungen 102 stromauf vom Ventil 112 und die Öffnungen 126 stromab vom Ventil unterbunden wird. Auf diese Weise erhält man ebenfalls eine automatische sichere Abschaltung des Reaktors, wenn die Kerntemperatur einen vorbestimmten Temperaturwert übersteigt, z. B. im Falle einer vorübergehenden Überlastung.

Natürlich können Konstruktionsdetails des Ventils 112 variiert werden. Es kann zusätzlich Spaltmaterial, z. B. bei 138, vorgesehen sein, um die Auslösung des Ventils zu verstärken. Ferner kann es in einigen Fällen erwünscht sein, Widerstandsheizelemente vorzusehen, um eine externe Auslösung der Ventileinrichtung herbeiführen zu können. Wenn ein thermisches oder extern betätigbares Ventil vorgesehen ist, so kann es erwünscht sein, eine Einrichtung zur Zurückschaltung des Ventils in seine normale offene Position vorzusehen. Zum Beispiel könnte in dem langgestreckten Rohr 110 eine Innenstange 140 vorgesehen sein, um die Bauteile 128 und 130 wieder zwangsmäßig durch mechanische Einwirkung in Kontakt miteinander zu bringen, sobald die Temperatur des Bauteils 130 wieder unter den Curie-Punkt gesunken ist. Ferner könnte auch ein Abschaltventil oberhalb des oberen Bereichs des rohrförmigen Bauteils z. B. oberhalb der flachen Platte 120 in Fig. 5 angeordnet sein und dieses Ventil könnte elektrisch, thermisch, mechanisch oder auf eine andere Weise betätigt werden.

Wenn das Kühlmedium ein bei hoher Temperatur flüssiges Metall ist, z. B. Natrium, Kalium oder dgl., so ist es häufig erwünscht, eine Einrichtung zur Zurückführung des Kühlmediums, welches zur Stützung der Neutronenabsorptionskörper dient, in eine Zone niederen Drucks, welche sich auf Kühlmitteleinlaßtemperatur befindet, vorzusehen. Zum Beispiel könnte das Kühlmittel gesammelt und zu einem Primärkühlmittelpumpeneinlaß zurückgeführt werden. Da das die Neutronen-

8098U/0951

absorptionskugeln verlassende Kühlmittel sich auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur befindet als das Kühlmittel, welches durch die Brennelemente strömt, kann es erwünscht sein, derartige Vorkehrungen zu treffen, um mögliche thermische Verzerrungen des Reaktoraufbaus oberhalb der Kernzone auf ein Minimum zu beschränken. Solche Verzerrungen könnten hervorgerufen werden durch Undefinierte Mischpfade der jeweiligen Strömungen des Kühlmediums. Ferner könnte durch eine solche Vorkehrung die effiziente Nutzung des Reaktorkühlmediums verbessert werden.

Ferner muß betont werden, daß die Neutronenabsorptionskörper nicht genau kugelförmig sein müssen und z. B. auch eine ellipsoide Gestalt haben können. Ferner ist bei den bevorzugten Ausführungsformen die Nebenstromeinrichtung in Form von Öffnungen, Durchgängen oder Schlitzen an einem zentral angeordneten langgestreckten Bauteil vorgesehen . Es ist jedoch ersichtlich, daß die Nebenstrompfade auch in Form von Schlitzen oder Öffnungen an der Außenperipherie des rohrförmigen Bauteils ausgebildet sein können, so daß in diesem Falle das Strömungsmedium in ein die Außenperipherie umgebendes Gehäuse strömen kann. Vorstehend wurde die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen erläutert. Es können selbstverständlich eine Vielzahl von Abwandlungen vorgenommen werden.

8098U/0951

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

M. Λ Kernreaktor mit einem Druckgefäß, einem spaltbares Material aufweisenden Kern und einem Steuersystem, welches eine Vielzahl von in regelmäßiger Verteilung im Druckgefäß angeordneten langgestreckten, von einem in das untere Ende eintretenden und aus dem oberen Ende austretenden Strömungsmedium durchströmbaren Rohrbauteilen aufweist, deren jedes einen ersten, sich durch den Kern erstreckenden Abschnitt und einen zweiten außerhalb des Kerns und über dem ersten Abschnitt liegenden zweiten Abschnitt umfaßt und eine Vielzahl von getrennten Körpern mit einem Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt enthält, die unter dem Einfluß der einander entgegenwirkenden Kräfte des Strömungsmediums und der Schwerkraft selektiv in den beiden Abschnitten positionierbar sind und bei Unterbrechung der Strömung des Strömungsmediums die ersten Abschnitte der Rohrbauteile im wesentlichen füllen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von im Bereich des zweiten Abschnitts eines jeden Rohrbauteils (2O,2O',1OO) angeordneten Nebenströmungspfaden (21,42; 110,116,118), deren jeder eine kleinere Querschnittsfläche als die kugelförmigen Körper (30,108) hat und durch ein Verhältnis der Länge (L_) des mit den Nebenströmungspfaden versehenen Teils der Rohrbauteile (2O,2O',1OO) zu der Länge (L ) des unter dem hydraulischen Einfluß des Strömungsmediums im zweiten Abschnitt ausgebildeten Schichtbetts der Körper (30,108) von etwa 0,5 : 1 bis 1,2 : 1, so daß im normalen Reaktorbetrieb ein Teil des Strömungsmediums das Schichtbett der Körper (30) umgeht und durch Einrichtungen (28;120,124) zur Verhinderung einer Bewegung der Vielzahl der Körper (30,108) über den ersten bzw. zweiten Abschnitt eines jeden Rohrbauteils (2O,2O',1OO) hinaus.

8098U/0951

ORIGINAL INSPECTED

**274Λ613
2. Kernreaktor anch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbauteile (20,20',10O) vertikal angeordnet sind und einen gleichförmigen Querschnitt haben und daß der zweite Abschnitt der Rohrbauteile (2O,2O',1OO) jeweils über dem Kern (12) liegt und axial mit dem ersten Abschnitt fluchtet.
3. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (30,108) mit einem Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt einen im wesentlichen gleichförmigen Durchmesser aufweisen, welcher genügend kleiner ist als der Durchmesser des durch die Rohrbauteile (2O,2O',1OO) gebildeten Strömungspfades, so daß die Körper (30,108) in den Rohrbauteilen (2O,2O',1OO) frei bewegbar sind.
4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beaufschlagung mit dem unter Druck stehenden Strömungsmedium die Gesamtheit der Körper (30,108) mit Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt der Rohrbauteile (2O,2O',1OO) überführbar sind unter Bildung eines hydraulisch getragenen Schichtbetts der Körper.
5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial in jedem Rohrbauteil (2O,2O',1OO) ein langgestrecktes Rohr (21,110) angeordnet ist, welches die Nebenströmungspfade (42,116,118) über eine zumindest einem Teilbereich des zweiten Abschnitts des Rohrbauteils (2O,2O',1OO) entsprechende Länge aufweist.
6. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 50 % bis 85 % des Strömungsmediums im normalen Reaktorbetrieb das Schicht bett der Körper (30,108) über die Nebenströmungspfade gehen.

8098U/0951

27U613
7. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Nebenströmungspfade bildenden Axialrippen (114) an der Außenperipherie des langgestreckten Rohrs (21,110).
8. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein stromauf von den Rohrbauteilen (2O,2O^!,1OO) gelegenes thermisch betätigbares Abschaltventil (36,112) zur Unterbrechung der Strömung des Strömungsmediums durch die Rohrbauteile (2O,2O',1OO) wenn die Kerntemperatur einen vorbestimmten Temperaturwert übersteigt.
9. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte Rohr (21,110) eine Vielzahl von Durchgängen (42,118) aufweist, deren Querschnittsflächen wesentlich kleiner sind als die Querschnittsfläche der Körper (30,108).

8098U/0951