DE2908779A1

DE2908779A1 - Kernreaktor in form eines schnellen brueters mit fluessigmetallkuehlung

Info

Publication number: DE2908779A1
Application number: DE19792908779
Authority: DE
Inventors: John Andrew Gatley
Original assignee: Nuclear Power Co Ltd
Current assignee: Nuclear Power Co Ltd
Priority date: 1978-03-07
Filing date: 1979-03-06
Publication date: 1979-09-13
Also published as: JPS54126893A; US4225387A; FR2419566B1; FR2419566A1

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE 2 »'«

Postfach 86 02 45 · 8000 München 86

-3-

Anwaltsakte: 29 894

06. März 13/3

Nuclear Power Company Limited London/Großbr itannien

Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters mit Flüs-

sigmetallkühlung

VII/XX/Ha

909837/0743

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

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

988274 TELEX: Bayec Vereinsbank Manchen 453100 (BLZ 70020270) 983310 0524560BEROd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

Anwaltsakte: 29 894

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters mit Flüssigmetallkühlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einem Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters mit Flüssigmetallkühlung weist die Brennelementanordnung eine Vielzahl schlanker Brennelemente oder -stäbe auf, über welche ein Flüssigmetallkühlmittel, wie Natrium, geleitet wird. Vorteilhafterweise ist die Brennelementanordnung in eine Vielzahl austauschbarer Untergruppen aufgeteilt, die jeweils eine Anzahl Brennstäbe aufweisen, dievvon einer Hülle umgeben sind und einen Kopf zum Anheben haben. Die Untergruppen sind nebeneinander angeordnet und jede ist vorkragend durch eine am unteren Ende ausgebildete Spitze festgelegt, welche in einen die Brennelementanordnung tragenden Tragrost gesteckt ist. Die Untergruppen weisen in dem mittleren Bereich der Brennelementanordnung thermisch spaltbares Material auf, während die Untergruppen in dem äußeren Bereich Brütermaterial aufweisen. Während des Betriebs des Kernreaktors fängt das Brütermaterial Neutronen ein, die durch Spaltung in dem spaltbaren Material emittiert sind,

909837/0743

um weiteres spaltbares Material zu erzeugen. Wenn die Strahlung der Brennelementanordnung fortschreitet und der spaltbare Gehalt des Brütermaterials zunimmt, findet eine Spaltung eines Teils des gerade gebildeten spaltbaren Materials statt, so daß die abgegebene Leistung und infolgedessen die Kühlmitteltemperatur von den Brüteruntergruppen nach und nach zunimmt. Erhöhte und sich ändernde Temperaturen der Kühlmittelströme, die von der Brennelementanordnung wegfließen, rufen einen Zustand hervor, der in der Reaktortechnik schneller Brüter als thermisches Striping bekannt ist, einen Zustand, welcher wegen der schnellen Temperaturschwankungen ein Spalten in dem Reaktorstrukturmaterial zur Folge hat. In der Patentanmeldung P 28 53 133.3 der United Kingdom Atomic Energy Authority ist ein Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters mit Flüssigmetallkühlung beschrieben, in welchem jeweils zumindest einige der Brüteruntergruppen eine elektromagnetische Bremse zum Regulieren des Kühlmittelstromes durch die Untergruppe haben, wobei die Magnetfelder der magnetischen Bremsen temperatuempfindlich sind. In einer elektromagnetischen Bremsanordnung ist eine Leitung für den Flüssigmetallstrom durch ein quer gerichtetes Magnetfeld geführt, so daß, wenn das Flüssigmetall durch die Leitung und das Magnetfeld fließt, eine der Fluidströmung entgengewirkende Bremskraft durch die elektromagnetische Wechselwirkung aufgebaut wird. Die elektromagnetische Bremse dient dann dazu, den Kühlmittelstrom durch die Brüteruntergruppen zu begrenzen bzw. drosseln, wobei die Drosselung temperaturabhängig ist und mit höherer Temperatur abnimmt, so daß bei einer

909837/0743

höheren abgegebenen Leistung der Kühlmittelstrom größer wird, um dadurch die Kühlmitteltemperatur am Auslaß im wesentlichen konstant zu halten. Eine geringere Beschränkung oder Drosselung wird durch eine geringere Magnetflußpermeabilität der magnetischen Materialien aufgrund der erhöhten Temperatur hervorgerufen. Gegen zwei Nachteile der in der Patentanmeldung P 28 53 133.1 beschriebenen Ausführung wurde bereits angegangen. Wenn die Beschränkung oder Drosselung des Stroms durch die elektromagnetische Bremse hoch ist,wird zum einen der Kühlmitteldruck in der Untergruppenhülle hoch, was ein Dehnen der Hülle unter bzw. aufgrund einer Bestrahlungswarmdehnung zur Folge hat, und zum anderen hat eine elektromagnetische Bremse mit einer ausreichenden Kapazität verhältnismäßig große Abmessungen und es ist infolgedessen schwierig, sie in dem Aufbau einer Brennelementuntergruppe unterzubringen.

Die Erfindung soll daher einen Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters mit Flüssigmetallkühlung schaffen, bei welchem die Brennelementuntergruppen des schnellen Brüters mit einer elektromagnetischen Bremseinrichtung mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen versehene sind und bei welcher versucht ist, die Kühlmitteltemperatur am Auslaß von zumindest einigen der Brüteruntergruppen während der Lebensdauer der Brennelementanordnung im wesentlichen konstant zu halten, ohne die Untergruppe unter einen zu starken überdruck zu setzen. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Kernreaktor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art durch die Merkmale im kennzeichnenden

909837/0743

— Jo —

1-

Teil des Anspruchs 1 erreicht.

Bei der Erfindung dient die elektromagnetische Bremse dazu, die Strömung des kleineren Kühlmittelbruchteils zu beschränken, wenn die von der Brüteruntergruppe abgegebene Leistung niedrig ist, wobei der Gegendruck als ein Kraftsteuerbestandteil für die Fluidströmung-Steuereinrichtung dient, um dadurch das Strömen des größerenBruchteils durch die Untergruppe zu beschränken bzw. zu drosseln. In einer bevorzugten Äusführungsform sind die Fluidstrom-Steuereinrichtungen Ventile mit einem gesteuerten Wirbel, die nachstehend als Wirbelverstärker bezeichnet werden.

Die elektromagnetischen Bremsen sind gestaffelt bzw. nach und nach angeordnet, um den Widerstand der Fluidstrom-Steuereinrichtung auf das Kühlmittel zu verringern und um dadurch die Rate bzw. die Geschwindigkeit der Kühlinittelströmung durch die Untergruppen zu erhöhen, wenn die abgegebene Ausgangsleistung des Brüters während einer fortgesetzten Strahlung der Reaktorbrennelementanordnung ansteigt, so daß die Kühlmitteltemperatur am Auslaß der Brüteruntergruppen, welche (elektromagnetische) Bremsen aufweisen, im wesentlichen konstant gehalten wird. Bei den elektromagnetischen Bremsen können Polschuhe aus einer ferromagnetischen Legierung verwendet werden, deren Curiepunkt etwa gleich der geforderten Kühlmitteltemperatur am Auslaß der Brüteruntergruppen ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh-

909837/0743

23,^79

rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine schematische Schnittansicht;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Brü

ter-Brennelementuntergruppe ;

Fig.3 eine Teilansicht eines oberen Bereichs einer

Brüter-Brennelementuntergruppe;

Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine elektromagne

tische Bremse entlang der Linie IV-IV in Fig.3; und

Fig. 5 ein Leitungsdiagramm eines Kühlmittelstroms

durch die Brüter-Brennelementuntergruppe.

In Fig.1 ist ein Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters mit Flüssigmetallkühlung mit einer Brennelementanordnung 1 dargestellt, der in einen Pool 2 eines flüssigen Natriumkühlmittels in einem Primärbehälter 3 eingetaucht ist. Der Primärbehälter ist von der Decke eines Containment- oder Sicherheitsgewölbes 4 abgehängt und ist mit einer Anzahl Kühlmittelpumpen 5 und Wärmeaustauschern 6 versehen, von welchen jeweils nur eine dargestellt ist. Die auf einem Trägerrost 7 gehalterte Brennelementanordnung 1 ist zusammen mit den Wärmeaustauschern in

909837/0743
ORIGINAL INSPECTED

einem Kernbehälter 8 untergebracht, während die Pumpen 5, welche das Kühlmittel zu dem Tragrost befördern, außerhalb des Kernbehälters angeordnet sind. Die Kern- oder die Brennelementanordnung 1 weist eine Anzahl auswechselbarer Untergruppen 9 auf, welche von dem Tragrost 7 nahe beieinander angeordnet aufrecht stehen. Steuerstäbe 10 und eine Meßgeräteanordnung 11 durchdringen die Decke des Gewölbes. Die Brennelementanordnung 1 weist einen mittleren Bereich mit Untergruppen 9, welche spaltbares oder Treibermaterial enthalten, und einen äußeren ringförmigen Bereich mit Untergruppen auf, die brütbares oder Brütermaterial enthalten. Jede der Brüteruntergruppen hat eine ringförmige elektromagnetische Bremse, die später noch beschrieben wird, und ein Fluidventil in der Ausführungsform mit einem gesteuerten Wirbel, d.h. einen Wirbelverstärker zum Regulieren der Kühlmittelströmung durch die Brüteruntergruppen. Die Magnetfelder der elektromagnetischen Bremsen sind temperaturempfindlich, so daß der Kühlmittelstrom erhöht wird, wenn die abgegebene Brüterleistung während einer fortgesetzten Strahlung der Brennelementanordnung zunimmt. Die Rate bzw. die Geschwindigkeit des KühlmittelStroms durch die Untergruppen wird dadurch nach und nach größer, um dadurch die Kühlmitteltemperatur am Auslaß im wesentlichen konstant zu halten.

Die in Fig.2 dargestellten Untergruppen 9 weisen jeweils einen mittleren Brennelementabschnitt 12, einen das untere Ende festlegenden Abschnitt 13 und einen rohrförmigen oberen Endabschnitt 14 "auf. Der Brennelementabschnitt 12 weist ein Bündel von lang-

909837/0743

gestreckten Brennstäben 15 auf, die in einer rohrförmigen Hülle 16 mit sechseckigem Querschnitt eingeschlossen sind; die Brennstäbe sind in der Hülle an ihren unteren Enden durch ein Gitter 17 getragen und sind an verschiedenen Stellen entlang ihrer Länge durch zellenartige Gitter 18 in Wabenform versteift. Der das untere Ende festlegende Abschnitt 13 weist einen vorderen Ansatz 19 auf, der in Sockeln 20 in einem die Brennelementeanordnung tragenden Aufbau 21 in Eingriff steht, und weist öffnungen 22 auf, durch welche das Kühlmittel von außen in den Aufbau fließen kann. Der rohrförmige obere Abschnitt 14, welcher einen Auslaß für den Kühlmittelstrom festlegt, weist einen Kopf 25 zum Hochheben auf.

Die Stäbe der Brennelementuntergruppen 9 in dem mittleren Abschnitt der Brennelementanordnung enthalten spaltbare Materialien, beispielsweise Mischoxyde aus Pu239 und U235, obwohl an jedem Ende der Stäbe eine Menge brütbaren Materials, beispielsweise des Oxyds U238 vorhanden ist. Die Stäbe der Brennelementuntergruppen in dem äußeren Bereich, der den mittleren Bereich der Brennelementanordnung umgibt, enthalten brütbares oder Brütermaterial, beispielsweise ein Oxyd von U238.

Jede der Brüter-Brennelementuntergruppen hat, wie schematisch in Fig.2 und 5 dargestellt ist, ein Fluidventil 29 in der Art eines gesteuerten Wirbels, durch welches ein Hauptteil des Kühlmittels von dem am unteren Ende ausgebildeten Ansatz 19 durch eine Drossel (gag) 30 strömt, um dadurch in Wärmeaus-

909837/0743

2906779

tausch mit den Brennstoffstäben 15 zu stehen. Ein kleinerer Bruchteil des Kühlmittels strömt von einer vor der Drossel 30 liegenden Stelle über eine Leitung 31 durch eine elektromagnetische Bremse 24, die in dem oberen Abschnitt der Untergruppe angeordnet ist. Die Leitung 31 belegt eine normale Gitterstelle in einem Bündel Brennstäben, die in Form eines Gitters angeordnet sind, dvh. sie belegt eine Stelle, die in einer herkömmlichen Untergruppe normalerweise von einem der Brennstäbe eingenommen wird. In Fig.5 ist der Widerstand auf den Kühlmittelstrom, der dem Bündel der Brennstäbe zuzuschreiben ist, mit 32 bezeichnet, und es gibt eine Temperaturkopplung 33 zwischen dem Hauptstrom des Kühlmittels und der elektromagnetischen Bremse.

Der Aufbau und die Ausführung der vorgesehenen elektromagnetischen Bremse 24 ist in Fig.3 und 4 dargestellt, in welchen ein Teil des mittleren Brennelementabschnittes 12 dargestellt ist, dessen Hülle 16 durch einen rohrförmigen oberen Endabschnitt 14 verlängert ist. Der Brennelementabschnitt 12 weist ein Endgitter 29 auf, von welchem Stäbe 29a in gabelförmig ausgebildete Enden von Brennstäben 15 vorstehen, von denen nur einer in Fig.3 dargestellt ist.Die in Fig.4 dargestellte elektromagnetische Bremse 24 weist einen bogenförmigen Permanentmagneten 26 und komplementär dazu ausgebildete, bogenförmige Polschuhe 27 aus ferromagnetischem Material auf, welche den magnetischen Kreis schließen. Die in Form eines Rohrs ausgebildete Leitung 31, welche einen Platz in dem Brennstabbündel einnimmt, der

909837/0743

ORiGINAL INSPECTED

normalerweise von einem Brennstab belegt ist, geht in einen Durchlaß 28 für den kleineren Anteil der Strömung des Flüssigmetalls über und ist durch die Enden der Polschuhe 27 und durch einen Füllstreifen 27a gebildet. Die Leitung mündet in eine Bohrung des rohrförmigen oberen Endabschnitts 14. Die Polschuhe haben einen Curiepunkt, dessen Temperatur im wesentlichen gleich der geforderten Kühlmitteltemperatur am Auslaß der Untergruppe ist. Die Bremswirkung der elektromagnetischen Einrichtung hängt von der Stärke des über den Durchlaß 28 geleiteten Magnetflusses und der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels ab, wobei umlaufende Ströme in dem Flüssigmetall in einer Ebene senkrecht zu der Kühlmittel-Strömungsrichtung aufgebaut werden. Die umlaufenden Ströme induzieren eine dem Kühlmittelstrom entgegenwirkende Kraft.

Während des Betriebs des Kernreaktors wird das aus dem unteren Bereich des Pools entnommene Flüssigmetallkühlmittel nach oben durch die Brennelementuntergruppen geleitet, wobei ein Wärmeaustausch mit den Brennstäben 15 von den oberen Abschnitten aus stattfindet. Während des Betriebs des Reaktors werden Neutronen, die durch Spaltungen in dem spaltbaren Bereich der Brennelementanordnung emittiert sind, durch das brütbare Material eingefangen, um dadurch in diesem einen spaltbaren Gehalt zu schaffen, welcher allmählich zunimmt, wenn die Bestrahlung fortschreitet. Einiges von dem gerade geschaffenen spaltbaren Material in den Brüteruntergruppen wird gespalten, wobei die Spaltrate zunimmt, wenn der Gehalt an spaltbarem Material grö-

909837/0743

43 29"

ßer wird, mit der Folge, daß die abgegebene Leistung der Brüteruntergruppen allmählich größer wird. Die elektromagnetischen Bremsen 24 dienen dazu, die Strömung des kleineren Bruchteils des Kühlmittels zu drosseln, wobei der Gegendruck als Steuerelement für das Fluidventil dient, um dadurch die Strömung des Hauptanteils durch die Brüteruntergruppen zu drosseln. Die Drosselung des kleineren Strömungsanteils ist temperaturabhängig und nimmt bei höherer Temperatur des Hauptteils der Strömung am Auslaß ab, so daß bei einer erhöhten abgegebenen Leistung der gesamte Kühlmittelstrom durch die Untergruppe größer wird, wodurch die Temperatur des Kühlmittels am Auslaß im wesentlichen konstant gehalten wird. Die geringere Drosselung durch das Fluidventil wird hervorgerufen durch einen verminderten Gegendruck in der Leitung 31, welcher wiederum durch die verringerte Magnetflußpermeabilität der magnetischen Materialien hervorgerufen ist, die :sich aus der erhöhten Temperatur ergibt. Die Hülle der Untergruppe wird hierbei nicht unter einen starken überdruck gesetzt, da die Strömungsdrosselung des Hauptteils des Kühlmittelstroms in dem Fluidventil erfolgt, welches strömungsaufwärts von den Brennstäben angeordnet ist, so daß eine Dehnung der Hülle unter der Strahlungswarm- oder-kriechdehnung größtenteils vermieden ist. Da die elektromagnetische Bremse erforderlich ist, um nur den kleineren Bruchteil der Küh3.mittelströmung, nämlich einen verhältnismäßig kleinen Bruchteil zu steuern, kann eine Bremse ausreichender Kapazität mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen vorgesehen sein, so daß dadurch deren Unterbringung in der

909837/074 3

- ■

Untergruppe leicher möglich ist. Die Verwendung von kleineren Dauermagneten hat auch die vorteilhafte Wirkung einer Verringerung der Kobaltmenge in dem System.

Ende der Beschreibung

909837/0743 ORIGINAL INSPECTED

Claims

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

Postfach 860245 · 8000 München 86

Anwaltsakte: 29 894

Patentansprüche

^ Kernreaktor in Form eines schnellen Brüters mit Flüssigmetallkühlung/ mit einer Brennelementanordnung, in welcher jeweils wenigstens einige der Brüteruntergruppen eine elektromagnetische Bremse zum Regulieren des Kühlmittelstroms durch die Untergruppe aufweisen, wobei die Magnetfelder der elektromagnetischen Bremsen temperaturempfindlich sind, dadurch g ekenn ze ichnet, daß der Kühlmittelstrom durch jede der Untergruppen, die elektromagnetische Bremsen (24) aufweisen, in größere und kleinere Bruchteile aufgeteilt wird, wobei der größere Bruchteil des Stroms mittels einer Fluidstrom-Steuereinrichtung (29) und danach durch ein Bündel von Brennstäben C32) geschaffen ist, während der kleinere Bruchteil des Stroms mittels der elektromagnetischen Bremse (24) geschaffen ist, wobei die elektromagnetische Bremse auf die Temperatur des Hauptstroms am Auslaß anspricht und ein Steueranteil der Kraft für die Fluidstrom-Steuereinrichtung aus dem Gegendruck des kleineren Strömungsanteils abgeleitet wird.

909837/0743 "² "

Bankkonten: Hypo-Bank Manchen 4410122850 (BLZ 70Ο200Π) Swift Code: HYPO DE MM Bayer Vereinsbank München 4S3I0O (BLZ 7002)270) Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

(089)988272 Telegramme: 988273 EERGSTAPFPATENT Manchen 988274 TELEX: 9S3310 0S24S60 BERG d

2 O C ώ ? 7 9
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidstrom-Steuereinrichtungen Ventile (29) in der Art von gesteuerten Wirbeln sind.
3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Bruchteil des Kühlmittelstroms mittels einer Leitung (31) zugeführt wird, welche eine normale Gitterstelle in einem Bündel von in Form eines Gitters angeordneten Brennstäben einniinmt.
4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Bremse (24) einen bogenförmig ausgebildeten Dauermagneten (26) und dazu komplementäre bogenförmige Polschuhe (27) aus ferromagnetischem Material aufweist, welche den magnetischen Kreis schließen, wobei die Leitung (31, 28) zwischen den aneinanderstoßenden Enden der bogenförmigen Polschuhe (27) verläuft.

909837/07^3