DE3008472C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernstruktur für einen heterogenen Kernreaktor, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Kernstruktur ist durch die US-PS 31 54 471 bekannt. Dabei besteht der erste Typ von Brennelementen aus in radialer Richtung unterteilten rohrförmigen "seed"-Elementen, und der zweite Typ der Brennelemente, das sogenannte "blanket" ist eben­ falls durch in radialer Richtung unterteilte Elemente verwirk­ licht, die mit einer kreisförmig-konkaven Innenwand an der Außenwand der seed-Elemente anliegen, und zwar sind drei gleich­ mäßig über den Umfang des seed-Elementes verteilte blanket-Ele­ mente vorgesehen, die in ihrem Querschnitt mit der Kontur einer Hausstirnwand vergleichbar sind, wobei jedoch der Boden und eine Zwischendecke dieses Hauses zum Rundquerschnitt des seed- Elementes konzentrische Bogenstücke bilden. Das zentrale seed- Element und die drei über seinen Umfang verteilten blanket-Ele­ mente bilden nun ein Modul, und eine Vielzahl derartiger Module ergeben einen über den Kernquerschnitt geschlossenen Raster, wobei der Kernquerschnitt ein Sechseck bildet und an den Sechseckseiten noch Füllstücke, "filler blanket segments 39", angeordnet sind, damit an den Sechseckseiten des Kernes eine geschlossene glatte Fläche erhalten wird.

Als Spaltstoff wird bei dieser bekannten Kernstruktur U 235 in der Form von Urandioxid verwendet, als Brutstoff Thorium-232 in der Form von ThO₂, welcher unter dem Einfluß der Neutronen­ strahlung in U-233 umgewandelt wird, und während der Lebensdauer des Kerns wird der dabei erzeugte Spaltstoff U 233 gespalten und trägt damit zur Neutronenökonomie und zur Wärmeerzeugung bei. Jede der seed-Anordnungen innerhalb eines Moduls kann für sich kritisch sein, und die Regelung der Reaktivität erfolgt durch Bewegen eines zentralen Teils der seed-Elemente innerhalb eines koaxialen feststehenden Teils der seed-Elemente, so daß sich damit unterschiedlich große Massenanhäufungen des Spalt­ stoffs und eine unterschiedliche Neutronenfluenz ergeben. Da jedes Modul ein seed-Element enthält, was für sich kritisch werden kann, werden an die Präzision und Zuverlässigkeit der Steuerung des beweglichen Teils der seed-Elemente und an die Neutronenfluß-Meßeinrichtungen erhöhte Anforderungen gestellt. Das notwendige Bewegen des inneren Teils der seed-Elemente bedeutet, daß mehrere zehn Tonnen von Brennstoff bewegt werden müssen. Die kreisförmige Querschnittsfläche der seed-Elemente und die daran angepaßten bogenförmigen Wände der um den Außen­ umfang der seed-Elemente gruppierten Brutelemente hat zur Folge, daß sich zwischen den in diesen Elementen befindlichen Brennstoffstäben unterschiedliche Unterkanäle für die Kühlmittel­ strömung ausbilden. Es handelt sich um mehrere Arten von Unter­ kanälen, die sich aufgrund der teilweise bogenförmigen, teil­ weise geraden Wandbegrenzungen ergeben, so daß insgesamt eine inhomogene Kühlmittelströmung zwischen den Brennstäben sich ausbildet, was zu einer herabgesetzten Leistungsdichte führt, weil die Leistungsdichte durch die Unterkanäle vorgegeben wird, an denen der ungünstigste Strömungsverlauf sich ausbildet. Der geschilderte Aufbau der Module führt zu einer relativ verwickel­ ten Kühlmittelströmung; der bewegliche zentrale Teil der seed- Elemente wird zwar nur in einer Richtung von unten nach oben durchströmt, aber die daran angrenzenden Bereiche des fest­ stehenden Teils des seed-Elementes und der blanket-Elemente werden mäanderförmig in drei hintereinander liegenden Strömungs­ pfaden durchströmt.

Demgegenüber soll durch die vorliegende Erfindung eine Kernstruktur geschaffen werden, die ein heterogenes, starres Gebilde darstellt, bei der also zur Regelung der Reaktivität nicht die Bewegung eines Spaltstoff-Elementes erforderlich ist. Es sollen sich bei den einzelnen Modulen eindeutige Dreieck- Unterkanäle für die Kühlmittelströmung ergeben. Dies hat inso­ fern besondere Bedeutung, weil gemäß einem weiteren Merkmal der Aufgabe das Brut- bzw. Konversionsverhältnis nicht allein durch die Anzahl der Brennstäbe in den Spaltstoff- und Brut­ stoff-Elementen einstellbar sein soll, sondern auch durch eine geänderte Querschnittsform, ohne jedoch von einer polygonalen vorteilhaften Grundstruktur abzuweichen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einer Kern­ struktur gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die vorstehend definierte Aufgabe wird bei einer gattungs­ gemäßen Kernstruktur auch gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale nach den Patentansprüchen 2 und 3.

Allen drei nebengeordneten Lösungen nach den Patentansprüchen 1 bis 3 ist gemeinsam, daß bei ihnen der erste und der zweite Typ von Brennelementen einen polygonalen Querschnitt aufweisen. Bei der ersten Lösung handelt es sich um die bevorzugte Ausführung mit hexagonalen Flächenmodulen, bei der zweiten und dritten Lösung handelt es sich um quadratische Module, aus denen der Kernquerschnitt bausteinartig zusammengesetzt wird.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß die Kernstruktur ein heterogenes starres Gebilde ist und sich durch die polygonale Grundstruktur eindeutig defi­ nierte Unterkanäle für die Kühlmittelströmung und ein gleich­ förmiges Wärmedehnungsverhalten über den Kernquerschnitt sich ergeben. Bei hexagonalen Flächenmodulen läßt sich durch die mehr oder weniger starke "Abplattung" der Brutstoff-Elemente das Brut- bzw. Konversionsverhältnis einstellen, was eine vor­ teilhafte Möglichkeit zusätzlich zur Wahl unterschiedlicher Brennstabdichten in den beiden Elementtypen darstellt. Im all­ gemeinen wird der erste Typ von Brennelementen den Spaltstoff enthalten, während die darum herum gruppierten Elemente den Brutstoff umfassen und im Querschnitt kleiner sind als der erste Typ von Brennelementen. Es ist aber durchaus möglich, die Anordnung umgekehrt zu treffen, wobei die Variationsbreite des nicht regelmäßigen Elements theoretisch kleiner oder größer in bezug auf die Kantenlänge des regelmäßigen Querschnittes sein kann.

Die vorstehend aufgeführten Vorteile gelten sinngemäß auch für die Gegenstände nach Anspruch 2 und 3. Darüber hinaus ist es denkbar, daß man die Erfindung mit Vielecken größerer Ecken­ zahl verwirklicht, die mit Hilfe von beispielsweise Dreiecken zu Modulen geringer Eckenzahl, etwa zu Sechsecken oder Vierecken ergänzt werden. Die zuvor genannten Ausführungsformen der Erfindung mit vier- und sechseckigen Querschnitten sind jedoch einfacher zu verwirklichen.

Zur Erläuterung der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung drei Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Zeichnung zeigt jeweils ausschnittsweise das sich aus den Elementquerschnitten ergebende Flächenmuster eines Reaktor­ kerns für einen Hochkonverterreaktor, der aus gleichen Modulen aufgebaut ist und mit Wasser gekühlt wird, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Kernstruktur im Ausschnitt mit einem sechseckigen Flächenmodul, einem zentralen Spaltstoff-Element, dessen Querschnitt ein regelmäßiges Sechseck bildet, und um dieses herum angeordnete Brutstoff-Elemente, deren Querschnitt von unregelmäßigen Sechsecken gebil­ det wird;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit quadratischen Modulen, bei welchen das zentrale Element einen quadra­ tischen Querschnitt hat und die um dieses gruppierten Elemente Rechteckquerschnitt aufweisen;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel im Ausschnitt zweier einander benachbarter Module einer Kernstruktur, bei denen die zentralen Elemente gleichfalls einen qua­ dratischen Querschnitt haben, jedoch die um ihren Umfang gruppierten Elemente den Querschnitt von recht­ winkligen Dreiecken aufweisen, und

Fig. 4 in verkleinerter Darstellung den Gegenstand nach Fig. 1, in sechsfacher Modul-Anordnung aneinandergereiht, zur besseren Illustration, wie der flächendeckende Raster bei einem Modul nach Fig. 1 erhalten wird.

In Fig. 1 ist eine Anordnung mit sechseckigem Element­ querschnitt dargestellt, bei der ein Brennelement des ersten Typs in Form eines Spaltstoffelementes 1 mit einem regelmäßig sechseckigen Querschnitt von sechs gleichen Brutstoffelementen 2 (Brennelemente des zweiten Typs) umgeben ist, deren sechs­ eckiger Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des Elementes 1 abgeflacht ist.

Das Spaltstoffelement 1 des Ausführungsbeispiels enthält 547 Brennstäbe 3 in dem in der Fig. 1 gezeichneten hexagonalen Raster, wobei die Reihen der Brennstäbe 3 in allen Hauptachsen des Sechsecks gleich geschichtet sind. Die Brennstäbe enthalten in stählernen Hüllrohren mit Kreisquerschnitt Tabletten mit oxidischem Uranbrennstoff mit 12% Anreicherung. Sie sind mit nicht weiter dargestellten Rippen gegeneinander distanziert und mit einem aus gleichen Platten 5 scharnierartig zusammengesetz­ ten Band 6 zusammengespannt. Als Scharniergelenke wirken Skelett­ stäbe 7.

In den Brutstoffelementen 2 sind dagegen jeweils 198 Stäbe 4 mit einem größeren Durchmesser untergebracht, wobei in der einen Richtung 15 Reihen und in der anderen Richtung 18 Reihen hintereinander geschichtet sind. Die Brennstäbe 4, die wiederum Hüllrohre aus Stahl haben, enthalten hier oxidischen Uranbrenn­ stoff in Tablettenform mit einer Anreicherung von 2%. Sie sind mit einem Band 9 umspannt, das auf gegenüberliegenden Seiten aus zwei mit den Platten 5 übereinstimmenden Teilen 5′ und vier dazwischenliegenden Teilen 8 besteht, die um 50% kürzer sind als die Teile 5, 5′.

Das beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit A bezeichnete Flächenmodul umfaßt, wie die strichpunktierte Begrenzungslinie a andeutet, das Spaltstoffelement 1 und jeweils die Hälfte der sechs umgebenden Brutstoffelemente 2. Mithin hat das Flächen­ modul A wiederum einen sechseckigen Querschnitt. Fig. 4 zeigt, daß unter Zugrundelegung des Flächenmoduls A nach Fig. 1 eine flächendeckende Kernstruktur herstellbar ist. Diese Figur spricht für sich selbst.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 umfaßt das quadratische Flächenmodul B ein ebenfalls quadratisches Element 10, das als Spaltstoffelement dient und mit vier gleichen, den Brutstoff enthaltenden Elementen 11 mit rechteckigem Querschnitt umgeben ist. Der rechteckige Querschnitt besitzt eine längere Seite 12, die um die Länge der kürzeren Seite 13 größer ist als die Seitenlänge des Quadrats. Insgesamt sind die rechteckigen Elemente 11 jeweils so angeordnet, daß sie mit einer längeren Seite 12 am quadratischen Element 10 anliegen, wobei eine kürzere Seite 13 mit der angrenzenden Seite des Quadrats 10 fluchtet. Die Elemente 10 und 11 können wiederum Brennstäbe mit kreisförmigem Querschnitt in einem entsprechenden rechteckigen Raster umfassen.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind in quadra­ tischen Flächenmodulen C quadratische Elemente 20 von jeweils vier gleichen rechtwinkligen Dreiecken 21 eingeschlossen. Die längere Kathete 22 der Dreiecke 21 ist um die Länge des Quadrats 20 größer als die Länge der kürzeren Kathete 23. Die Dreiecke 21 liegen mit der längeren Kathete 22 am Quadrat 20 an, und zwar so, daß die kürzere Kathete 23 wieder mit der anschließen­ den Seite des Quadrats 20 fluchtet.

Bei den vorstehenden Betrachtungen ist der Elementquerschnitt mathematisch vereinfacht betrachtet worden. Die Fig. 1 zeigt jedoch, daß die Elemente aus Gründen der Herstellbarkeit an einzelnen Stellen, insbesondere im Bereich der Ecken, von der idealen, d. h. mathematischen Form abweichen können, ohne daß damit die technische Lehre der Erfindung verlassen wird.

Claims (3)

1. Kernstruktur für einen heterogenen Kernreaktor, mit einem Reaktorkern, der aus einzelnen länglichen Brennelementen zusammengesetzt ist, wobei ein erster Typ von Brennelementen von einem zweiten Typ von Brennelementen umgeben ist und der erste und der zweite Typ ein polygonales Flächenmodul ergeben, das - um seinen Außenumfang herum zusammengesetzt mit weiteren Brennelementen des ersten und zweiten Typs - eine flächen­ deckende Kernstruktur ergibt, der eine Vielzahl von gleich­ artigen polygonalen Flächenmodulen zugrundeliegt, bei dem der zweite Typ von Brennelementen (2; 11; 21) einen anderen Quer­ schnitt als der erste Typ von Brennelementen (1; 10; 20) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Typ von Brennelementen einen poly­ gonalen Querschnitt aufweisen und daß um jeweils ein Brenn­ element (1) des ersten Typs mit regelmäßig sechseckigem Quer­ schnitt sechs Brennelemente (2) des zweiten Typs gruppiert sind, deren Kontur nur in der an dem Brennelement (1) des ersten Typs anliegenden Seite (5′) und der gegenüberliegenden Seite (5′) mit der Kantenlänge (5) des regelmäßigen Querschnitts übereinstimmt (Fig. 1).

2. Kernstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß um ein quadratisches Brennelement (10) des ersten Typs vier gleiche Brennelemente (11) mit einem rechteckigen Querschnitt gruppiert sind, dessen längere Seite (12) um die Länge der kürzeren Seite (13) größer als die Seitenlänge des Quadrats (10) ist (Fig. 2).

3. Kernstruktur nach Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß um ein quadratisches Brennelement (20) des ersten Typs vier gleiche Brennelemente (21) mit dem Querschnitt eines rechtwinkligen Dreiecks gruppiert sind, dessen längere Kathete (22) um die Länge des Quadrates (20) länger als die kürzere Kathete (23) ist und am Quadrat (20) anliegt.