DE2843346A1 - Kernreaktor - Google Patents

Description

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DIPL.-ING. SCHWABE DR. DS. 3ANDMAIR ¹ ° ^{4 Η}

PATENTANWÄLTE Postfach 860245 · 8000 München 86

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United Kingdom Atomic Energy Authority London SW 1Y4QP/Großbritannien

Kernreaktor

- Ansprüche -

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t (089) 988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850

988273 BERGSTAPFPATENT München . (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor für den Betrieb mit keramischem Brennstoff, d.h. mit einem Kernbrennstoff, welcher eine oder mehrere Verbindungen eines oder mehrerer spaltbarer Metalle, etwa Oxide oder Karbide derselben, sowie gegebenenfalls einen Brutstoff enthält. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine unter der Bezeichnung "Kern-Auffangtrog" bekannte Sicherheitseinrichtung, welche dazu dient, den im Reaktorkern vorhandenen Brennstoff aufzufangen und unschädlich zu machen, falls er bei Überhitzung des Reaktors oder ähnlichen Störungen schmelzen sollte. Ein Brennstoff, für welchen ein derartiger Auffangtrog verwendbar ist, ist beispielsweise ein Gemisch aus Plutonium- und Uranoxiden, wie es in einem gasgekühlten schnellen Brutreaktor verwendet wird.

Bei einem Auffangtrog kommt es in der Hauptsache darauf an, den geschmolzenen Brennstoff so aufzuteilen, daß keine kritischen Massen entstehen, und von der Schmelze möglichst viel Wärme abzuführen, damit die Brennstoffschmelze nicht zum Sieden kommt und dabei Spaltprodukte und Plutonium-Aerosole freisetzt, und damit das geschmolzene Material möglichst schnell erstarrt, bevor es den Reaktorbehälter durchdringt. Die auftretenden Schwierigkeiten werden dadurch vergrößert, daß keramische Kernbrennstoffe äußerst schlechte Wärmeleiter sind. Aus diesem Grunde ist eine Aufteilung in möglichst viele kleine Volumina erwünscht. Eine andere Schwierigkeit besieht darin, ein vorzeitiges Erstarren des geschmolzenen

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Brennstoffs im oberen Teil des Auffangtrogs zu vermeiden. Falls nämlich ein solcher Zustand eintritt, könnte die von der Schmelze ausgehende Wärmestrahlung erhebliche Schaden an den übrigen Teilen des Reaktors sowie an der Wärmeisolierung hervorrufen. Die Erfindung schafft deshalb einen mit keramischem Brennstoff arbeitenden Kernreaktor mit einem Sicherheits-Auffangtrog, welcher geeignet ist, eine Brennstoffschmelze in eine große Anzahl kleiner Volumina aufzuteilen und ein vorzeitiges Erstarren der Brennstoffschmelze in seinem oberen Bereich zu verhindern.

Bei einem mit keramischem Brennstoff arbeitenden Kernrwaktor mit einem Sicherheits-Auffangtrog, welcher eine Anzahl von unterhalb des Reaktorkerns nahe nebeneinander aufrecht stehend angeordneten Einsätzen enthält, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß jeder Einsatz einen Stapel von in gegenseitigen Abständen übereinander angeordneten Verlustplatten aus Metall aufweist, welche an ihrem Umfang ein solches Profil haben, daß sie zusammen mit denen benachbarter Einsätze eine Anzahl von in senkrechter Richtung verlängerten, über Hohlräume zwischen den gestapelten Platten untereinander verbundenen Durchlässen begrenzen.

Im Falle eines Zusammenschmelzen^ des Reaktorkerns kann das geschmolzene Material entlang den senkrechten Durchlässen ziemlich ungehindert zum unteren Teil des Auffangtrogs fließen und sich dabei durch die gesamte Anordnung der Einsätze hindurch verteilen, wobei es seine Wärme an

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die Platten abgibt und dadurch relativ schnell erstarrt. Das erstarrte Material bildet dann eine große Anzahl von miteinander verbundenen, unterkritischen Massen, und eine nennenswerte Freisetzung von Spaltprodukten sowie Hitzeschäden am Reaktorbehälter sind weitgehend vermieden. Die Verlustplatfcen können von dem geschmolzenen Material zum Schmelzen gebracht werden, so daß sich eine aus dem Brennstoff und dem Metall gemischte Schmelze ergibt, welche eine gegenüber dem Brennstoff allein höhere Wärmeleitfähigkeit hat und dementsprechend schneller erstarrt. In der bevorzugten Ausfuhrungsform eines mit keramischem Brennstoff arbeitenden Kernreaktors sind die Verlustplatten des Auffangtrogs im wesentlichen sechseckig und haben an ihren Ecken Ausschnitte, welche zusammen langgestreckte, sich verjüngende Durchlässe bilden, und die Platten sind an aufrechtstehenden, hohlen Grafitsäulen angeordnet, welche eine von einem Kühlmittel durchströmte Rohrschlange enthalten und eine obere Plattform zum Abstützen von Brennstoffeinheiten des Reaktorkerns haben.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht einer Ausführungsform eines Kern-Auffangtrogs entsprechend der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

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Fig. 3 eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform eines Auffangtrogs im Schnitt entlang der Linie IH-III in Fig. 4-,

Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 eine in verkleinertem Maßstab dargestellte Schrägansicht eines einzelnen Einsatzes der Anordnung nach Fig. 3.

Fig. 1 und 2 zeigen einen Kern-Auffangtrog für die Verwendung in einem mit einem Brennstoffgemisch von PuOp/UOp arbeitenden, gasgekühlten schnellen Brutreaktor. Der Auffangtrog enthält eine Anordnung von zahlreichen, beispielsweise einhundert Einsätzen 1, von denen in Fig. 1 und in Fig. 2 sieben dargestellt sind. Jeder Einsatz Ί hat eine hohle Grafitsäule 2, welche am oberen Ende eine sechseckige Plattform 3 für die Aufnahme von (nicht gezeigten) Brennstoffeinheiten trägt. Die Plattform 3 ist von symmetrisch angeordneten Öffnungen 4 durchsetzt, von denen in Fig. 1 lediglich drei dargestellt sind, und welche als Sitze von Brennstoffeinheiten dienen, welche zusammen mit anderen von den Einsätzen Λ getragenen Einheiten den Reaktorkern bilden. Ein größerer Teil der Säulen 2 trägt jeweils ein Bündel von sieben Brennstoffeinheiten, während dreizehn über den gesamten Kern verteilte Säulen jeweils ein Bündel von nur sechs Brennstoffeonheiten und in der mittigen, siebenten Position ein Steuerelement tragen. Eine solche Säule ist in Fig. 1 dargestellt. Da

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es sich bei dem beschriebenen Beispiel um einen gasgekühlten Reaktor handelt, sind der Kern und das Kühlmittel in einem Druckbehälter enthalten, welcher in diesem Falle aus Spannbeton ist und einen in Fig. 1 teilweise dargestellten Boden 5 hat. Die Einsätze 1 stehen auf dem Boden 5» so daß dieser das Gewicht aller Einsätze und der Brennstoff einheiten trägt.

Im unteren Bereich hat jede Säule 2 eine rohrförmige Versteifung 7 aus rostfreiem Stahl, mit einer am oberen Ende vorhandenen Öffnung 9? welche mit der Bohrung 10 der Säule 2 fluchtet und den gleichen Durchmesser hat wie diese. Das untere Ende der Versteifung 7 reicht nicht ganz bis an das untere Ende der Grafitsäule 2 heran und sitzt auf einer an deren Innenseite geformten Stufe 11 auf. Die Säule 2 ist in eine Fußplatte 12 aus Grafit eingepaßt, welche ihrerseits auf einer mittels Kühlrohren 14 gekühlten Auskleidung 13 aus Stahl auf dem Boden 5 cles Behälters ruht;. Die Auskleidung 13 und der Boden 5 sind von einer Öffnung 15 durchsetzt, deren Zweck im folgenden erläutert wird.

Die Fußplatte 12 trägt einen Stapel von im dargestellten Beispiel fünfundzwanzig gußeisernen, auf die Grafitsäule aufgeschobenen Verlustplatten 16, welche jeweils eine große Oberfläche aufweisen und von mit ihnen einstückigen Zwischenstücken 17 in gegenseitigem Abstand gehalten sind. Anderenfalls können die Platten 16 auch aus Kupfer oder aus von dem Isotop U235 im wesentlichen befreitem Uran sein.

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Jede Platte 16 hat im wesentlichen sechseckige Grundrißform mit an den Ecken gebildeten, bogenförmigen Ausschnitten 18, welche zusammen senkrechte Durchlässe 18a begrenzen (Fig. 2). Die Ausschnitte der oberen sieben Platten sind größer al die der übrigen, und zwei darunter angeordnete Platten haben Ausschnitte, deren Abmessungen abgestuft von denen der größeren zu denen der kleineren Ausschnitte überleiten. Der für die Aufnahme des niedergeschmolzenen Kerns verfügbare Raum besteht somit aus den Zwischenräumen zwischen den Rändern der Platten 16 einander benachbarter Einsätze 1, aus den Zwischenräumen zwischen einander benachbarten Platten 16 der einzelnen Einsätze 1 und aus den sich abwärts verjüngenden, durch die Ausschnitte geformten Durchlässen 18a, welche mit den Zwischenräumen zwischen den Platten strömungsverbunden sind. Jede Platte 16 kann einen in Fig. 1 für eine Platte gestrichelt dargestellten, Neutronen absorbierenden Einsatz 16a enthalten. Dieser kann etwa aus Bor bestehen und ist vollständig von Metall umgeben.

Die rohrförmige Versteifung 7 des in Fig. 1 gezeigten Einsatzes 1 umgibt einen zu den Steuereinrichtungen des Reaktors gehörigen, langen Stab 24-. Dieser erstreckt sich aufwärts durch die Bohrung 10 der Säule 2 in den Reaktorkern hinein,und abwärts durch die öffnung 15 des Bodens 5 hindurch zu (nicht gezeigten) Betätigungseinrichtungen, welche vorzugsweise in einer Kammer innerhalb des Druckgehäuses untergebracht sind. Die rohrförmige Versteifung

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ib

umgibt ferner eine von Wasser durchströmte Kühlschlange deren Zuleitung 20 und Rückleitung 21 ebenfalls durch die öffnung 15 des Bodens 5 hindurch zu einem außerhalb des Lruckbehälters angeordneten (nicht gezeigten) Wärmetauscher od. dergl. verlaufen. In einer anderen Ausführungsform kann jede Säule 2 auch zwei Kühlschlangen enthalten. Der übrige Teil des Innenraums der Versteifung 7 ist mit metallischem Kupfer 25 ausgefüllt, welches der Wärmeleitung von den Platten 16, der Säule 2 und der Versteifung 7 zur Kühlschlange 19 dient und außerdem eine Sicherung gegen das Undichtwerden der Kühlschlange 19 darstellt.

Ferner hat die Säule 2 einen Abweiserkegel 22 von einer der der Platten 16 entsprechenden Grundrißform und -größe, welcher an den Ecken ebenfalls Ausschnitte 18 aufweist. Der Raum zwischen den einen kleineren Durchmesser aufweisenden Teilen der Säulen 2 bildet zweckmäßig eine Einlaßkammer 23 für das zum Kühlen des Reaktors verwendete Gas, von welcher aus dieses dann aufwärts durch den Reaktorkern strömt.

In dem unwahrscheinlichen Falle, daß die Brennstoffeinheiten niederschmelzen, kann das geschmolzene Material durch die Öffnungen 4 in die Einlaßkammer 23 und von dieser aus entlang den Durchlässen 18a zum Boden des Auffangtrogs fließen. Dabei umströmt es die Platten 16 und wird von diesen bis zum Erstarren abgekühlt, so daß ein Sieden des Materials und die dadurch bewirkte Freisetzung von Spaltprodukten und Plutonium-Aerosolen vermeiden wird. Die

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erstarrte Masse wächst dabei von unten nach oben. Die Wärmekapazität der Platten 16 wird durch Wärmeübertragung zur Kühlschlange 19 und durch das Schmelzen der Platten selbst vergrößert, wobei sich das geschmolzene Metall gleichmäßig mit dem geschmolzenen Reaktormaterial vermischt und damit die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Die Fußplatte 12 aus Grafit schützt die Auskleidung 13 des Bodens vor der Berührung mit dem zunächst schmelzflüssigen Material. Außerdem wird über die Kühlrohre 14 Wärme abgeführt, um das Durchbrennen des Druckbehälterbodens zu verhüten. In dem Auffangtrog wird die erstarrte Masse dann sicher in unterkritischen Einzelmengen zurückgehalten.

Die in Fig. 3 bis 5 dargestellte Ausführungsform hat einen ähnlichen Aufbau wie die in Fig. 1 und 2 gezeigte, mit einer Anzahl von Einsätzen 11, welche jeweils eine Säule, eine Plattform, Sitzöffnungen, eine rohrförmige Versteifung, eine Fußplatte, eine Kühlschlange, eine Kupferfüllung und eine Stange für die Steuerung des Reaktors enthalten. Die genannten Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. 1 und 2. Jeder Einsatz 11 enthält hier jedoch nur dreizehn sechseckige Verlustplatten 30, welche an den Ecken jeweils einen Ausschnitt 31 haben und unter Zwischenlage einer Zwischenplatte 32 auf der Fußplatte 12 gestapelt sind. Die Platten 30 sind mittels Zwischenstücken 33 aus Grafit in gegenseitigen Abständen gehalten und von einem sechseckigen Mantel 34 aus rostfreiem Stahl umgeben. Dieser hat in dem einen kleineren

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Durchmesser aufweisenden Bereich der Säule 2 große Zugrifföffnungen 35 und ist mit seinen oberen und unteren Enden an die Plattform 3 bzw. an die auf der Fußplatte 12 ruhende Zwischenplatte 32 angepaßt. Der Eaum für die Aufnahme von niedergeschmolzenem Kernmaterial ist hier der Innenraum des Mantels 3^, welcher sich an benachbarten Mänteln in Anlage befindet, d.h. also der Zwischenraum zwischen den Platten 30 und die von den Ausschnitten 31 gebildeten Durchlässe.

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Leerseite

Claims (5)

DR. BHRG DIPL.-ING. STAPF 9 ρ / ο ο / ο DIPL.-ING. SCHWABE DR D3. SANDMAIR ^ 0 H J νΐ ^f Ö PATENTANWÄLTE Postfach 860245 · 8000 München 86 Anwaltsakte 29 4-97 P_a_t_e_n_t_a_n_s_£_r_ü_c_h_e

1.) Mit keramischem Brennstoff arbeitender Kernreaktor —. s

mit einem Sicherheits-Auffangtrog, welcher eine Anzahl von unterhalb des Reaktorkerns nahe nebeneinander aufrecht stehend angeordneten Einsätzen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einsatz (1) einen Stapel von in gegenseitigen Abständen übereinander angeordneten Verlustplatten (16) aus Metall aufweist, welche an ihrem Umfang ein solches Profil haben, daß sie zusammen mit denen benachbarter Einsätze eine Anzahl von in senkrechter Sichtung verlängerten, über Hohlräume zwischen den gestapelten Platten untereinander verbundenen Durchlässen (18a) begrenzen.

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»(089)988272 Telesrasisiis: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850

988273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 700 200 U) Swift Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bayet Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 983310 0524SSOBERGd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustplatten (16) des Auffangtrogs im wesentlichen sechseckig sind und zur Bildung der länglichen, sich verjüngenden Durchlässe (18a) ausgeschnittene Ecken haben, und daß die Platten auf einer aufrechtstehenden hohlen Säule (2) aus Grafit angeordnet sind, welche eine von einem Kühlmittel durchströmte Rohrschlange (19) enthält und eine obere Plattform (3) zum Abstützen von Brennstoffeinheiten des Eeaktorkerns aufweist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustplatten (16) aus Gußeisen, Kupfer und/oder von dem Isotop U235 im wesentlichen befreitem Uran sind.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustplatten (16) jeweils eine Masse eines Neutronen absorbierenden Materials (16a) enthalten.

5. Kernreaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Kühlmittel durchströmte Rohrschlange (19) jedes Einsatzes in einer Kupfermasse (25) eingebet et ist, welche der Wärmeleitung zwischen den Verlustplatten (16), der Grafitsäule (2) und der Kühlschlange (19) dient.

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