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Hochkonverterreaktor
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Die Erfindung betrifft einen Hochkonverterreaktor mit einem Primärkühikreis
zur Wasserkühlung eines Reaktorkerns, der in dem Reaktordruckbehälter eines Druckwasserreaktors
mit Leichtwasserkühlung sitzt.
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In dem Aufsatz "High Conversion Ratio Plutonium Recycle in Pressurized
Water Reactors" von M.C. Edlund in Annals of Nuclear Energy, 1975, Vol. 2, Seiten
801 bis 807 wird der Vorschlag gemacht, die Brennstoffausnutzung von Kernbrennstoffen
durch die Verwendung von Plutonium zu verbessern, ohne daß dazu von der erprobten
Bauweise der bisher dominierenden wassergekühlten Kernreaktoren abgegangen wird.
Dabei ist allerdings die Bauweise solcher als Hochkonverterreaktoren bezeichneten
Kernreaktoren mindestens insofern offengelassen, als die großen Probleme der Kühlung
des Reaktorkerns einschließlich der Notkühlung und der sicheren Beherrschung von
Leistungsexkursionen ungelöst sind. Diese Probleme beruhen auf der größeren Energiedichte
solcher Reaktoren, die sich u.a. in einem vergleichsweise geringen Kernvolumen,
aber zugleich einem höheren Strömungswiderstand gegenüber dem Kühlmittel ausdrückt.
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Die Erfindung sucht deshalb eine konstruktive Ausbildung, die unter
weitgehender Beibehaltung der Konstruktionsmerkmale eines Leichtwasserreaktors zu
einem betriebssicheren und wirtschaftlichen Hochkonverterreaktor führt.
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Der normale Druckwasserreaktor soll dabei durch einen
oxidischen
Uranbrennstoff mit einer Anreicherung von höchstens 3,5,' charakterisiert und bei
einer Leistungsgröße von 2000 bis 4000 MWth etwa entsprechend der Standardbauweise
der Anmelderin ausgeführt sein, wie sie in der Druckschrift " "Druckwasserreaktor",
Bestellnummer KWU 295a, insbesondere Seite 4, angegeben ist.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Reaktorkern höchstens
die 0,7-fache Höhe des Druckwasserreaktorkernes aufweist und in dessen unterster
Lage angeordnet ist, daß in an sich bekannter Weise die mit Stahlhüllrohren versehenen
Brennstäbe zu hexagonalen Brennelementen gebündelt sind, daß jedes Brennelement
mit einem Absorberelement versehen ist und daß die Absorberelemente mehrerer Brennelemente
über spinnenförmige Verbindungsstücke mit einem gemeinsamen Antrieb gekoppelt sind.
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Bei der Erfindung wird zwar an sich Raum im Reaktordruckbehälter verschenkt,
weil die Größe eines Druckgefäßes für einen normalen Druckwasserreaktor beibehalten
wird.
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Aus diesem "verschenkten" Raum ergibt sich jedoch ein besseres Verhalten
für die Kühlung, insbesondere im Fall der Notkühlung, weil der Kühlmittel stand
über dem Reaktorkern in bezug auf die üblichen Anschlußstutzen des Primärkühlkreises
wesentlich erhöht ist. Mit dieser höheren Kühlmittelsäule können größere Wärmemengen
auch zum Beispiel in Naturumlauf, jedenfalls ohne nennenswerten Pumpendruck, abgeführt
werden. Außerdem kann der oberhalb des Kernes bestehende und in diesem Sinne durch
die Erfindung 1,gewonnene" Raum für Verbindungsstücke genutzt werden, die Absorberelemente
mit den Antrieben verbinden, weil solche Absorberelemente bei einem normalen Druckwasserreaktor
nur für höchstens ein Drittel der Brennelemente vorgesehen sind, während sie bei
dem
erfindungsgemäßen Hochkonverterreaktor jedem Brennelement Absorberelemente
zugeordnet sind.
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Das Verbindungsstück ist vorzugsweise so ausgebildet, daß es außer
einer lösbaren Kupplung mit dem Antrieb eine weitere lösbare Kupplung in jeder Verbindung
mit einem Absorberelement aufweist. Dies ermöglicht es, das Verbindungselement getrennt
auszubauen, so daß die Absorberelemente auch beim Brennelementwechsel oder nach
dem Endabbrand in den Brennelementen verbleiben, um den unterkritischen Zustand
sicherzustellen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Reaktordruckbehälter außer Anschlußstutzen des Primärkreises mindestens
zwei weitere Anschlußstutzen aufweist, von denen der eine in den oberen Teil und
der andere zum Boden des Reaktordruckbehälters führt. Die weiteren Anschlußstutzen
sitzen vorteilhaft in einem Deckel des Reaktordruckbehälters, wobei von dem einen
eine den Kern umgehende Leitung zum Boden des Reaktordruckbehälters führt. Diese
Ausbildung ermöglicht es, den Hochkonverterreaktor nach der Erfindung auch mit schwerem
Wasser als Kühlmittel zu betreiben, um die Konversionsrate zu verbessern, und dennoch
bei einem Brennelementwechsel eine Bedeckung des Reaktorkerns mit leichtem Wasser
zu haben, die die Abschirmwirkung des Wassers in der bisher bekannten Weise beim
Brennelementwechsel auszunutzen gestattet.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der beiliegenden
Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben, und zwar in der Gegenüberstellung
eines in Fig. 1 dargestellten Druckwasserreaktors mit dem in Fig. 2 gezeigten Hochkonverterreaktors
nach der Erfindung. Beide Figuren zeigen jeweils einen Vertikalschnitt durch den
Reaktordruckbehälter.
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Der Reaktordruckbehälter 1 ist ein zylindrisches Stahlgefäß mit einem
Kugelboden 2 und einem Befestigungsflansch 3 am oberen Ende, der zum Aufspannen
eines gewölben Deckels 4 dient. Dicht unterhalb des Flansches 3 sind um den Umfang
verteilt Anschlußstutzen 5 für einen helßen Strang und Anschlußstutzen 6 für einen
kalten Strang eines nur in Fig. 1 schematisch dargestellten Primärkühlkreises 7
mit einem Dampferzeuger 8 und einer Hauptkiihlmittelpumpe 9 vorgesehen.
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Der Reaktordruckbehälter 1 umschließt einen konzentrisch angeordneten
Kernbehälter 10, in dem beim Druckwasserreaktor Brennelemente 11 mit quadratischem
Querschnitt so nebeneinandergesetzt sind, daß ein Reaktorkern 12 mit der Kernhöhe
H1 von 4 m oder mehr entsteht. ublicherweise sind bei einem Druckwasserreaktor von
zum Beispiel 3780 MWth 193 Brennelemente mit einer maximalen Anreicherung von 3,296
vorgesehen. Von diesen enthalten 53 ein als Steuerelement bezeichnetes Absorberelement,
das in der Fig. 1 bei 13 zu sehen ist.
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Die Steuerelemente 13 werden von nicht weiter dargestellten äußeren
Antrieben betätigt, die durch Stutzen 14 im Deckel 4 greifen und mit den Absorberelementen
13 über Verbindungsstangen 15 gekoppelt sind. Die Antriebe besitzen dabei eine lösbare
Kupplung oberhalb der Verbindungsstangen, so daß die Absorberelemente 13 zur Schnellabschaltung
des Reaktors unter der Wirkung der Schwerkraft in den Reaktorkern 12 einfallen können.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Hochkonverterreaktor
ist der Reaktorkern 20, der aus hexagonalen Brennelementen mit Stahlhüllrohren für
die Brennstäbe zusammengesetzt ist, nur ca. 2,5 m hoch.
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Seine Kernhöhe H2 beträgt deshalb nur das 0,64-fache
der
Kernhöhe H1. Dabei liegt, wie ein Vergleich der Fig.1 und 2 zeigt, die Kernunterkante
in derselben Höhe wie beim Kern 12, nämlich praktisch am Beginn der Krümmung des
Kugelbodens 2.
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Der über dem Kern 20 liegende Raum bis zu den Anschlußstutzen 5 und
6 mit der Höhe H3 von ca. 2,1 m bildet im normalen Betrieb ein zusätzliches Reservoir
für das zur Kühlung verwendete leichte oder schwere Wasser. Außerdem nimmt dieser
Raum die zur Betätigung der nicht weiter dargestellten Absorberelemente dienenden
Verbindungsstücke 21 auf, die dafür sorgen, daß jedes der eingesetzten hexagonalen
Brennelemente 22 mit einem Absorberelement versehen werden kann.
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Die Verbindungsstücke 21 sind mit spinnenförmigen Armen ausgerüstet,
die über mehrere benachbarte Brennelemente greifen und über nicht sichtbare Kupplungen
mit den jeweils einem Brennelement 22 zugeordneten Absorberstäben verbunden sind.
Weitere lösbare Kupplungen an der mit 23 bezeichneten Oberseite der Verbindungsstücke
21 oder aber im Bereich der nicht dargestellten Antriebe, die auf Rohrstutzen 24
des Deckels 4 sitzen, ermöglichen eine Abtrennung, bei der die Absorberelemente
nicht nur unter der Wirkung der Schwerkraft in den Kern 20 einfallen können, sondern
auch dort verbleiben,wenn die Verbindungsstücke ausgebaut werden, damit die einzelnen
Brennelemente zusammen mit ihren zugehörigen Absorberelementen für einen Brennelementwechsel
zur Verfügung stehen.
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Der Deckel 4 ist, wie Fig. 2 zeigt, zusätzlich mit zwei Anschlußstutzen
26 und 27 versehen. Der Stutzen 26 führt im Inneren des Reaktordruckbehälters 1
zu einem Auslaß unmittelbar an der Deckelunterseite. Vom Stutzen 27 führt
dagegen
eine Leitung 28 unter Umgehung des Reaktorkerns 20 zur Unterseite des Reaktordruckbehälters.
Die trichterförmig aufgeweitete Mündung 29 liegt in der Mitte des Kugelbodens 2.
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Mit den Anschlußstutzen 26 und 27 kann für den Fall, daß der Hochkonverterreaktor
nach Fig. 2 mit schwerem Wasser als Kühlmittel betrieben wird, ein Austausch dieses
schweren Wassers gegen leichtes Wasser vorgenommen werden, bei dem die Dichteunterschiede
zwischen schwerem und leichtem Wasser ausgenutzt werden. Bei abgefahrenem Reaktor,
d.h. praktisch drucklosem Primärkreis 7 und möglichst niedriger Temperatur, und
nach dem Austausch des schweren durch leichtes Wasser kann der Deckel 4 abgebaut
werden, so daß ein Brennelementwechsel in der bei Leichtwasserreaktoren üblichen
Art ausgeführt werden kann, bei dem eine größere Menge von Brennelementen 22, zum
Beispiel ein Drittel des gesamten Kernes 20 ausgebaut und durch frische Brennelemente
22 ersetzt wird.
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4 Patentansprüche 2 Figuren