DE4431290C1 - Safe nuclear reactor with continuous loading and unloading - Google Patents

Safe nuclear reactor with continuous loading and unloading

Info

Publication number
DE4431290C1
DE4431290C1 DE4431290A DE4431290A DE4431290C1 DE 4431290 C1 DE4431290 C1 DE 4431290C1 DE 4431290 A DE4431290 A DE 4431290A DE 4431290 A DE4431290 A DE 4431290A DE 4431290 C1 DE4431290 C1 DE 4431290C1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
reactor
fuel
fuel elements
core
nuclear reactor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE4431290A
Other languages
German (de)
Inventor
Heiko Prof Barnert
Winfried Dr Scherer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority to DE4431290A priority Critical patent/DE4431290C1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE4431290C1 publication Critical patent/DE4431290C1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00Reactor types
    • G21C1/04Thermal reactors ; Epithermal reactors
    • G21C1/06Heterogeneous reactors, i.e. in which fuel and moderator are separated
    • G21C1/07Pebble-bed reactors; Reactors with granular fuel
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
    • G21C3/06Casings; Jackets
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

A nuclear reactor has a core (1) containing loosely loaded (2) polyhedral (for example cubic) shaped fuel elements (3) which can be continually loaded and unloaded. The fuel elements consist of thousands of very small, coated spherical shaped fuel particles contained within a ceramic housing. Components are provided (7, 8) for loading and unloading under gravity of the fuel elements. Pipelines (11, 12) are provided for the supply of the coolant and moderating medium (10), which can be light or heavy water or a mixture. The core shape is either cylindrical or annular with a central column. The fuel particle coating is a double layer of silicon or zircon carbide with an intermediate layer.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit im Reaktorcore befindlicher loser Schüttung von Brenn­ elementen in einer Form, die eine kontinuierliche Be- und Entladung erlaubt, und aus keramischen Werkstoffen nicht-moderierender Art, in denen der Brennstoff in Beschichteten Partikeln eingeschlossen ist, mit Reaktoreinbauten zur Führung und zur Zusammenführung der losen Schüttung von Brennelementen als durch Gravitation langsam bewegtes Fließbett, mit Ein­ richtungen zur kontinuierlichen Beladung und Entladung des Reaktorcores mit Brennelementen, die an die Reaktoreinbauten angeschlossen und durch den das Reaktorcore umschließenden Behälter hindurchgeführt sind, mit diesen Behälter und den Leerraum der losen Schüttung von Brennelementen ausfüllendem Medium als Kühlmittel, mit Einrichtungen zur Zufuhr und zur Abfuhr dieses Mediums in das Reaktorcore, und mit Einrichtungen zur Abschaltung und Regelung der Neutronenkettenreaktion, die außerhalb der losen Schüttung von Brennelementen und der führenden Reaktoreinbauten angeordnet sind (vgl. DE 26 31 237 A1).The invention relates to a nuclear reactor in the Loose bed of fuel located in reactor core elements in a form that continuously and discharge allowed, and made of ceramic materials non-moderating way in which the fuel in Coated particles is included with Reactor internals for guiding and merging of loose bulk fuel as through Gravity moving fluid bed, with on directions for continuous loading and unloading of the reactor core with fuel elements attached to the Reactor internals connected and through which Passing reactor core enclosing are with this container and the empty space of the loose Filling of fuel filling medium as Coolant, with devices for supply and for Removal of this medium into the reactor core, and with Devices for switching off and regulating the Neutron chain reaction outside of the loose Bulk fuel and the leading Reactor internals are arranged (see. DE 26 31 237 A1).

Es ist das Bestreben der Fachwelt, einen möglichst katastrophenfreien Kernreaktor zu konzipieren, d. h. einen Reaktor, bei dem keiner der denkbaren Katastrophenfälle, beispielsweise das Durchgehen der Neutronen-Kettenreaktion aufgrund des Einbaus von abbrandbedingter Überschußreaktivität und anderer destabilisierender Eigenschaften, eintreten kann.It is the aspiration of the professional world, one if possible to design a disaster-free nuclear reactor, d. H. a reactor in which none of the conceivable Disasters, such as going through the  Neutron chain reaction due to the incorporation of burn-off excess reactivity and others destabilizing properties.

Der neu konzipierte Kernreaktor sollte deswegen Brennelemente von einer Form haben, die eine konti­ nuierliche Be- und Entladung erlauben. Damit wird der Einbau von abbrandbedingter Überschußreaktivität und das damit verbundene Gefährdungs­ potential vermieden.The newly designed nuclear reactor should therefore Have fuel assemblies of a shape that is continuous Allow nuety loading and unloading. With that the Incorporation of excess reactivity due to combustion and the associated hazard potential avoided.

Der neu konzipierte Kernreaktor sollte darüber hinaus, soweit möglich, positive Eigenschaften unterschied­ licher Kernreaktortypen in sich vereinen. So ist es be­ kannt (Oldekop, W. - Druckwasserreaktoren für Kernkraftwerke, Thiemig Taschenbücher, Band 51, 2. Aufl., 1974), daß Leichtwasser- moderierte Systeme so ausgelegt werden können, daß sie "unter-moderiert" sind und die Kettenreaktion betriebsbedingt nicht "durchgehen" kann:The newly designed nuclear reactor should also where possible, positive characteristics differ unite nuclear reactor types. So it is (Oldekop, W. - Pressurized water reactors for Nuclear Power Plants, Thiemig Paperbacks, Volume 51, 2nd ed., 1974) that light water moderated systems can be designed so that they are "under-moderated" and the chain reaction cannot "go through" for operational reasons:

Bei Leichtwasser-moderierten Systemen ergibt die Multiplikationskonstante im unendlich ausgedehnten System k für das Verhältnis (H/S) der Anzahl der Wasserstoffatome (H) des Moderators, Reflektors und Kühlmittels Leichtwasser (H₂O) und der Anzahl der spaltbaren Atome (S) des Brennstoffs Urandioxid (U₂O) im unvergifteten System ein Maximum für (H/S) = ca. 260. Dies ist das sogenannte optimale H/S-Verhältnis. Bei einer Auslegung mit einem H/S-Verhältnis unterhalb des Optimums, d. h. mit sogenannter "Unter-Moderation", führt die betriebs­ bedingte Verringerung der Dichte des Wassers, z. B. bei Temperatursteigerung und der störungsbedingte Verlust des Moderators Leichtwasser zu einer Abnahme der Multi­ plikationskonstanten. Dies ist eine unverlierbare, selbsttätig wirkende und stabilisierende Eigenschaft der Auslegung für die Neutronen-Kettenreaktion.With light water moderated systems this results Multiplication constant in the infinitely extended System k for the ratio (H / S) of the number of Hydrogen atoms (H) of the moderator, reflector and Coolant light water (H₂O) and the number of fissile atoms (S) of the fuel uranium dioxide (U₂O) in the non-poisoned System a maximum for (H / S) = approx. 260. This is that so-called optimal H / S ratio. With an interpretation with an H / S ratio below the optimum, d. H. with so-called "sub-moderation", leads the company conditional reduction in the density of water, e.g. B. at Temperature rise and the loss due to malfunction the moderator light water to a decrease of the Multi duplication constants. This is a captive,  self-acting and stabilizing property the design for the neutron chain reaction.

Eine Auslegung mit einem H/S-Verhältnis von oberhalb ca. 260, bei dem das System übermoderiert wäre, würde bei betriebsbedingter Verringerung der Dichte des Wassers, z. B. bei Temperatursteigerung und störungs­ bedingtem teilweisem Verlust, zu einem Anstieg der Multiplikationskonstanten führen. Dies wäre eine selbsttätig wirkende, destabilisierende Eigenschaft. Der Grund dafür ist die mit dem Anstieg der Multipli­ kationskonstanten verbundene Leistungssteigerung, die schlimmstenfalls zu einem Durchgehen der Neutronen- Kettenreaktion und damit zu einer Zerstörung der Brenn­ elemente und weiterer Barrieren bis hin zum Containment und zu Freisetzungen radioaktiver Stoffe führen kann.An interpretation with an H / S ratio of above 260, where the system would be overmodern with operational reduction in the density of the Water, e.g. B. with temperature increase and malfunction partial loss, an increase in Lead multiplication constants. This would be one self-acting, destabilizing property. The reason for this is that with the increase in the multipli cation constant associated performance increase, the in the worst case, a runaway of the neutron Chain reaction and thus destruction of the Brenn elements and other barriers up to containment and can lead to the release of radioactive substances.

Es ist weiterhin bekannt (Mamert, Ch., Wimmers, M., Ziermann, E.: Das Versuchskernkraftwerk der AVR - wich­ tige Ergebnisse eines anderen Reaktorkonzepts, S. 275- 284), daß die Technik der kontinuierlichen Beladung und Entladung des Hochtemperaturreaktors mit kugelförmigen Brennelementen den Vorteil hat, daß keine abbrandbedingte Überschußreaktivität notwendig ist. Der Grund dafür ist, daß kugelförmige Brennelemente eine Form haben, die eine kontinuierliche Be- und Entladung des Hochtemperaturreaktors erlaubt.It is also known (Mamert, Ch., Wimmers, M., Ziermann, E .: The AVR experimental nuclear power plant - wich results of another reactor concept, p. 275- 284) that the technique of continuous loading and Discharge of the high temperature reactor with spherical Fuel elements has the advantage that none combustion-related excess reactivity is necessary. Of the The reason for this is that spherical fuel assemblies Have shape that continuous loading and unloading of the high temperature reactor allowed.

Weiterhin ist bekannt (Schenk, W., Nabielek, H., Pott, G., Nickel, H.: Die Spaltproduktrückhaltung im Kugelbrennelement, S. 321-328), daß die Technik des Multi-Mikro-Einschlusses des Brennstoffs in "Beschichteten Partikeln" aus der Entwicklung und Anwendung der Familie der Hochtemperaturreaktoren, insbesondere der Hochtemperaturreaktoren mit kugelförmigen Brennelementen, vorteilhaft bezüglich der Hochtemperaturbeständigkeit und der hochtemperatur­ beständigen Rückhaltung radioaktiver Stoffe bis zu Temperaturen von z. B. 1600°C ist.It is also known (Schenk, W., Nabielek, H., Pott, G., Nickel, H .: Fission product retention in Kugelbrennelement, S. 321-328) that the technology of Multi-micro inclusion of the fuel in "Coated Particles" from Development and Application of the family of high temperature reactors, especially with the high temperature reactors  spherical fuel assemblies, advantageous in terms of High temperature resistance and the high temperature permanent retention of radioactive substances up to Temperatures of e.g. B. 1600 ° C.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kernreaktor zu konzipieren, der die genannten Vorteile des Leicht­ wasserreaktors und die genannten Vorteile des Hochtemperaturreaktors verbindet.It is an object of the invention to provide a nuclear reactor conceive of the advantages of the lightweight water reactor and the advantages mentioned High temperature reactor connects.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennelemente die Form eines raumfüllenden oder nahezu raumfüllenden Polyeders aufweisen und das Medium Leichtwasser (H₂O) oder Schwerwasser (D₂O) ist. Raum­ füllende Polyeder sind Würfel, Oktaederstumpf und Rombendodekaeder. Ein nahezu raumfüllender Polyeder ist der Tetraeder. Der Einsatz der Brennelemente in Polyeder-Form macht es - bei geeigneter Ladung der Brennelemente - möglich, zu einem Reaktor zu gelangen, der die vorteilhaften Eigenschaften der beiden Reaktor­ typen miteinander verbindet.This object is achieved in that the fuel elements take the form of a space-filling or have almost space-filling polyhedron and the medium Light water (H₂O) or heavy water (D₂O) is. Space filling polyhedra are cubes, stumps of octahedra and Rombendodecahedron. An almost space-filling polyhedron is the tetrahedron. The use of fuel elements in Polyhedron shape does it - with a suitable charge Fuel assemblies - possible to get to a reactor of the beneficial properties of the two reactor types connects with each other.

Beispielsweise kann bei Würfelform der keramischen Brennelemente das Verhältnis (H/S) der Wasserstoff- Atome (H) des Moderators, Reflektors und Kühlmittels Leichtwasser (H₂O) und der spaltbaren Atome (S) des Brennstoffs Urandioxid (UO₂) in einem Brennelement auf den relativ kleinen Wert, gemessen in der Form Wasservolumen/ (Würfelvolumen + Wasservolumen) von 20% eingestellt werden, so daß bei abnehmender Dichte, bzw. bei Verlust des Wassers kein Reaktivitätszuwachs eintritt.For example, the ceramic Fuel assemblies the ratio (H / S) of hydrogen Atoms (H) of the moderator, reflector and coolant Light water (H₂O) and the fissile atoms (S) of Uranium dioxide (UO₂) fuel in a fuel assembly the relatively small value, measured in the form Water volume / (cube volume + water volume) of 20% can be set so that with decreasing density or no loss of reactivity when water is lost entry.

Die direkte Übertragung der Technik des kugelförmigen Brennelementes mit Beschichteten Partikeln aus Moderations-neutralen keramischen Werkstoffen auf die Moderation durch Leichtwasser bedeutet wegen des Leer­ volumen-Anteils der losen Kugelschüttung von 39% trotz hoher Beladung mit Beschichteten Partikeln immer "Über- Moderation".The direct transfer of the technique of the spherical Fuel element with coated particles  Moderation-neutral ceramic materials on the Moderation by light water means because of the emptiness volume share of the loose ball filling of 39% despite high loading with coated particles always "over- Moderation ".

Die Verwendung würfelförmiger Brennelemente - anstelle der kugelförmigen Brennelemente - ermöglicht die Reduktion des Leervolumen-Anteils auf über 20%, so daß der daraus resultierende Verbesserungsfaktor für das Moderations-Verhältnis umgerechnet 2,56 beträgt. Infolge dieses Faktors und hoher Beladung liegt insgesamt "Unter-Moderation" vor.The use of cube-shaped fuel elements - instead of the spherical fuel elements - enables that Reduction of the empty volume portion to over 20%, so that the resulting improvement factor for the The moderation ratio is 2.56. As a result of this factor and high loading overall "sub-moderation".

Bei der Verwendung von beispielsweise Schwerwasser (D₂O) als Moderator, Reflektor und Kühlmittel liegt das optimale D/S-Verhältnis bei höheren Zahlenwerten als ca. 260. Dementsprechend kann der Leervolumenanteil der losen Schüttung auf höhere Zahlenwerte und/oder die Beladungsdichte auf niedrige Zahlenwerte eingestellt werden. Zusammengefaßt bedeutet dies, daß für schwer­ wasser-moderierte Systeme kugelförmige Brennelemente nach Art der Brennelemente des Hochtemperaturreaktors die Aufgabenstellung erfüllen.When using heavy water, for example (D₂O) as moderator, reflector and coolant optimal D / S ratio at higher numerical values than 260. Accordingly, the empty volume portion of the loose fill to higher numerical values and / or the Load density set to low numerical values will. In summary, this means that for difficult water-moderated systems spherical fuel assemblies according to the type of fuel elements of the high-temperature reactor fulfill the task.

Aus DE 27 22 508 A1 bzw. aus US 5 015 437 ist zwar die Verwendung von blockförmigen bzw. prismenförmigen Brennelementen bekannt. Der blockförmige Aufbau nach DE 27 22 508 A1 dient jedoch keinem besonderen Zweck. Die Druckschrift US 5 015 437 lehrt, daß ein prismen­ förmiger Aufbau der Brennelemente eine spezielle Anord­ nung bzw. Aufbau des Reaktorcores ermöglicht. Der Fach­ mann kann diesen Druckschriften somit nicht entnehmen, polyederförmige Brennelemente anspruchsgemäß zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe einzusetzen. From DE 27 22 508 A1 or from US 5 015 437 is the Use of block-shaped or prism-shaped Fuel elements known. The block-shaped structure after However, DE 27 22 508 A1 serves no special purpose. US 5 015 437 teaches that a prism shaped structure of the fuel assemblies a special arrangement tion or structure of the reactor core enables. The subject one can therefore not infer from these publications Polyhedral fuel assemblies to the solution according to the requirements use the task of the invention.  

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Reaktors weist Reak­ toreinbauten zur Führung der losen Schüttung von Brenn­ elementen in der Form eines Zylinders oder eines Zylin­ ders mit Mittelsäule auf. Es ist bekannt (Barnert, H., Singh, J.: Design Evaluations of a Small High-Tempera­ ture Reactor for Process Heat Applications, Nuclear Engineering and Design 109 (1988), S. 245-251), daß derar­ tig geformte Cores zu einer selbsttätigen Abfuhr der Nachwärme führen.Reak has an expedient embodiment of the reactor built-in gates for guiding the loose bulk of kiln elements in the form of a cylinder or a cylin with a central column. It is known (Barnert, H., Singh, J .: Design Evaluations of a Small High-Tempera ture Reactor for Process Heat Applications, Nuclear Engineering and Design 109 (1988), pp. 245-251) that derar shaped cores for automatic removal of the Lead post-heat.

Weiterhin ist bekannt (Schenk, W., Gontard, R., Nabielek, H.: Performance of HTR Fuel Samples under High-Irradiation and Accident Simulation Conditions, with Emphasis on Test Capsules HFR-P4 and SLPI, Jül- 2992, November 1994; Kugeler, K., Neis, H., Ballensiefen, G. (Herausg.): Fortschritte in der Ener­ gietechnik für eine wirtschaftliche, umweltschonende und schadensbegrenzende Energieversorgung, Prof. Dr. Rudolf Schulten zum 70. Geb., Monografien des Forschungszentrums Jülich, Band 8, 1993), daß die Be­ schichtung der Beschichteten Partikel in der besten fertig entwickelten Form des sogenannten TRISO-Parti­ kels aus vier Schichten besteht: Der Pufferschicht und drei dichtenden Beschichtungen, diese sind die innere Schicht aus Pyro-Kohlenstoff, die gasdichte Schicht aus Siliziumkarbid und die äußere Schicht aus Pyro-Kohlen­ stoff. Die herstellungsbedingte Undichtigkeit der gas­ dichten Beschichtungslage aus Siliziumkarbid beträgt bekanntermaßen (Schenk, W., Nabielek, H., Pott, G., Nickel, H.: Die Spaltproduktrückhaltung im Kugelbrenn­ element, S. 321-328) etwa 10-5, d. h. unter 100 000 her­ gestellten Partikeln ist etwa eines herstellungsbedingt nicht gasdicht. It is also known (Schenk, W., Gontard, R., Nabielek, H .: Performance of HTR Fuel Samples under High-Irradiation and Accident Simulation Conditions, with Emphasis on Test Capsules HFR-P4 and SLPI, Jül-2992, November 1994 ; Kugeler, K., Neis, H., Ballensiefen, G. (ed.): Advances in energy technology for an economical, environmentally friendly and damage-limiting energy supply, Prof. Dr. Rudolf Schulten for the 70th year, monographs of the Research Center Jülich , Volume 8, 1993) that the coating of the coated particles in the best fully developed form of the so-called TRISO particle consists of four layers: the buffer layer and three sealing coatings, these are the inner layer made of pyrocarbon, the gas-tight Layer of silicon carbide and the outer layer of pyro-carbon. As is known, the manufacturing-related leakage of the gas-tight coating layer made of silicon carbide (Schenk, W., Nabielek, H., Pott, G., Nickel, H .: The fission product retention in the spherical combustion element, pp. 321-328) is approximately 10 -5 , ie among 100,000 particles produced, one is not gas-tight due to the manufacturing process.

Zur Verbesserung der herstellungsbedingten Gasdichtig­ keit ist es vorteilhaft, die Beschichtungslage aus Siliziumkarbid der bekannten Technik des Beschichteten Partikels nunmehr als "Doppel-Schicht mit Zwischen­ schicht", also als gasdichte Beschichtungslage aus Siliziumkarbid, als Zwischenbeschichtungslage aus Pyrokohlenstoff und als gasdichte Beschichtungslage aus Siliziumkarbid auszuführen. Der Vorteil besteht darin, daß durch die Herstellung der Doppelschicht mit Zwischenschicht die Eintrittswahrscheinlichkeit der herstellungsbedingten Gasundichtigkeit weiter abge­ senkt wird auf Werte weit unterhalb von 10-5, nach einfacher mathematischer Rechnung z. B. auf 10-10. Ein weiterer Vorteil ist, daß die herstellungsbedingte Kontamination der weiter außen liegenden Beschichtungs­ lagen gegenüber dem Stande der Technik weiter reduziert wird. Weiterhin ist vorteilhaft, daß infolge der Ausführung als Doppel-Schicht mit Zwischenschicht die hochtemperaturbeständige Rückhaltung radioaktiver Stoffe weiter verbessert und zu höheren Temperaturen als z. B. 1600°C verschoben wird. Der Grund dafür ist die Einengung der Streuung um die mittlere Versagens­ temperatur von z. B. 1900°C.To improve the production-related gastightness, it is advantageous to carry out the coating layer made of silicon carbide of the known technology of the coated particle now as a "double layer with intermediate layer", that is to say as a gas-tight coating layer made of silicon carbide, as an intermediate coating layer made of pyrocarbon and as a gas-tight coating layer made of silicon carbide. The advantage is that by the production of the double layer with intermediate layer, the probability of occurrence of the production-related gas leakage is further reduced to values far below 10 -5 , according to simple mathematical calculation, for. B. to 10 -10 . Another advantage is that the production-related contamination of the coating located further outside is further reduced compared to the prior art. It is also advantageous that due to the execution as a double layer with an intermediate layer, the high-temperature-resistant retention of radioactive substances is further improved and at higher temperatures than e.g. B. 1600 ° C is shifted. The reason for this is the narrowing of the scatter by the mean failure temperature of e.g. B. 1900 ° C.

Anstelle der Verwendung von Siliziumkarbid für die gasdichten Beschichtungslagen kann es zweckmäßig sein, eine oder alle beiden Beschichtungslagen aus Zirkon­ carbid herzustellen.Instead of using silicon carbide for the gas-tight coating layers it may be appropriate one or all two layers of zirconia to produce carbide.

Ausführungsformen der Reaktoren, der polyederförmigen Brennelemente und der Beschichteten Partikel sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert:Embodiments of the reactors, the polyhedral Fuel elements and the coated particles are in the drawing is shown schematically and are in the following:

Es zeigen Show it  

Fig. 1 einen Leichtwasserreaktor mit Brennelement­ schüttung, Fig. 1 dividend a light-water reactor fuel assembly,

Fig. 2 ein würfelförmiges Brennelement, Fig. 2 shows a cube-shaped fuel assembly,

Fig. 3 einen Reaktor höherer thermischer Leistung, und Fig. 3 shows a reactor of higher thermal performance, and

Fig. 4 ein beschichtetes Partikel im Schnitt. Fig. 4 shows a coated particle in section.

Die in Fig. 1 dargestellte Reaktor weist ein Reaktor­ core 1 auf mit darin befindlicher loser Schüttung 2 von Brennelementen 3 in einer Form, die eine kontinuierli­ che Be- und Entladung erlaubt. Die Brennelemente be­ stehen aus keramischen Werkstoffen nicht-moderierender Art, in denen der Brennstoff in Beschichteten Partikeln 4 gemäß Fig. 2 eingeschlossen ist. Der Reaktor weist ferner Reaktoreinbauten zur Führung 5 und zur Zu­ sammenführung 6 der losen Schüttung von Brennelementen als durch Gravitation langsam bewegtes Fließbett auf und Einrichtungen zur kontinuierlichen Beladung 7 und Ent­ ladung 8 des Reaktorcores mit Brennelementen, die an die Reaktorbauten angeschlossen und durch den das Reaktorcore umschließenden Behälter 9 hindurchgeführt sind. Der Reaktor besteht weiterhin aus diesen Behälter und den Leerraum der losen Schüttung von Brennelementen ausfüllender Flüssigkeit 10, z. B. Leichtwasser, Schwerwasser oder Mischungen davon, die zugleich Moderator, Reflek­ tor und Kühlmittel ist, sowie aus Einrichtungen zur Zufuhr 11 und zur Abfuhr 12 dieser Flüssigkeit in das Reaktorcore und aus Einrichtungen zur Abschaltung und Regelung 13 der Neutronenkettenreaktion, die außerhalb der losen Schüttung von Brennelementen und der führenden Reaktoreinbauten angeordnet sind. The reactor shown in Fig. 1 has a reactor core 1 with therein a loose bed 2 of fuel elements 3 in a form which allows a continuous loading and unloading. The fuel assemblies are made of non-moderating ceramic materials, in which the fuel is enclosed in coated particles 4 according to FIG. 2. The reactor also has reactor internals for guiding 5 and for merging 6 of the loose bed of fuel elements as a fluid bed which is slowly moved by gravitation and devices for continuous loading 7 and unloading 8 of the reactor core with fuel elements which are connected to the reactor structures and through which the reactor core enclosing container 9 are passed. The reactor further consists of this container and the empty space of the loose bed of fuel filling liquid 10 , for. B. light water, heavy water or mixtures thereof, which is also a moderator, reflector tor and coolant, and from facilities for supplying 11 and discharging 12 of this liquid into the reactor core and from facilities for switching off and controlling 13 the neutron chain reaction, which is outside the bulk material of fuel elements and the leading reactor internals are arranged.

Das Polyeder-förmige Brennelement 3 in Fig. 2, darge­ stellt am Beispiel des würfelförmigen Brennelements, in dem der Brennstoff in Beschichteten Partikeln 4 einge­ schlossen ist, besteht aus der inneren Matrix 14 einer Mischung aus keramischem, nicht-moderierendem Werkstoff und Beschichteten Partikeln sowie aus der äußeren Schicht 15, die keine Beschichteten Partikeln enthält und aus dem gleichen nicht-moderierenden, keramischen Werkstoff wie die Matrix besteht. Die Abmessung des würfelförmigen Brennelements beträgt z. B. Würfelmaß 50 mm. Die Matrix enthält bei einem Würfelmaß von z. B. 44 mm einige 10.000 bis um 100.000 Beschichtete Partikel. Das Beschichtete Partikel mit TRISO-Beschichtung der bekannten Technologie (Fig. 2) besteht aus dem Brenn­ stoffkern 16 und der Beschichtung 17. Diese besteht aus 4 Beschichtungslagen: Der Pufferschicht aus Kohlen­ stoff 18, der inneren Beschichtungslage 19, aus Pyro­ kohlenstoff, der gasdichten Beschichtungslage 20 aus Siliziumkarbid und der äußeren Beschichtungslage 21 aus Pyrokohlenstoff.The polyhedron-shaped fuel element 3 in Fig. 2, Darge represents the example of the cube-shaped fuel element, in which the fuel is included in coated particles 4 , consists of the inner matrix 14 of a mixture of ceramic, non-moderating material and coated particles and from the outer layer 15 , which contains no coated particles and consists of the same non-moderating ceramic material as the matrix. The dimension of the cube-shaped fuel element is z. B. Cube size 50 mm. With a cube size of z. B. 44 mm some 10,000 to 100,000 coated particles. The coated particle with TRISO coating of the known technology ( FIG. 2) consists of the fuel core 16 and the coating 17th This consists of 4 coating layers: the buffer layer made of carbon 18 , the inner coating layer 19 , made of pyro carbon, the gas-tight coating layer 20 made of silicon carbide and the outer coating layer 21 made of pyrocarbon.

Der in Fig. 3 dargestellte Reaktor höherer thermischer Leistung ist im wesentlichen wie der Reaktor niedriger thermischer Leistung gemäß Fig. 1 aufgebaut, weist aber - anstelle der einfacher Zylinderform "Zylinderform mit Mittelsäule" 22 auf. Die Mittelsäule besteht aus Reaktoreinbauten 23 zur Führung der losen Schüttung im zentralen Bereich des Reaktorcores, sowie aus Einrich­ tungen 24 zur Regelung und Abschaltung der Neutronen­ kettenreaktion und aus Wärmespeichereinbauten 25 im zentralen Bereich.The reactor of higher thermal power shown in FIG. 3 is constructed essentially like the reactor of low thermal power according to FIG. 1, but has — instead of the simple cylindrical shape “cylindrical shape with central column” 22 . The center column consists of reactor internals 23 for guiding the loose bed in the central region of the reactor core, as well as devices 24 for regulating and switching off the neutron chain reaction and heat accumulator internals 25 in the central region.

Das in Fig. 4 dargestellte beschichtete Partikel 4 gemäß der Erfindung ist dadurch vom Stande der Technik unterschieden, daß die gasdichte Beschichtungslage 20 (gemäß Fig. 2) aus Siliziumkarbid als "Doppelbeschich­ tung mit Zwischenschicht" hergestellt ist und also aus der inneren gasdichten Beschichtungslage 201 aus Siliziumkarbid, der Zwischenschicht 202 und der äußeren gasdichten Beschichtungsanlage 203 aus Siliziumkarbid besteht. Dabei kann es weiterhin vorteilhaft sein, beide oder eine der beiden, z. B. die innere Beschich­ tungslage, aus Zirkonkarbid anstelle aus Siliziumkarbid herzustellen. Die Beschichtung 17 auf den Brennstoff­ kern 16 besteht also aus den folgenden Beschichtungs­ lagen mit den typischen Lagenstärken, aufgeführt von innen nach außen: Pufferschicht: 80 µm, innere Be­ schichtungslage: 30 bis 40 µm, innere gasdichte Beschichtungslage: 20 bis 40 µm, Zwischenschicht: 10 bis 20 µm, äußere gasdichte Beschichtungslage: 20 bis 40 µm, und äußere Beschichtungslage: 30 bis 40 µm. Für niedrige Betriebstemperaturen, wie z. B. in einem Leichtwasserreaktor von etwa 300 bis 400°C, kommen die geringeren Abmessungen der Beschichtungslagen in Frage, für höhere Betriebstemperaturen, wie z. B. in einem Hochtemperaturreaktor von z. B. 600°C, eher die höheren Werte der Abmessungen der Beschichtungslagen.The coated particle 4 according to the invention shown in FIG. 4 is distinguished from the prior art in that the gas-tight coating layer 20 (according to FIG. 2) is made of silicon carbide as a "double coating device with an intermediate layer" and thus from the inner gas-tight coating layer 201 consists of silicon carbide, the intermediate layer 202 and the outer gas-tight coating system 203 made of silicon carbide. It may also be advantageous to use both or one of the two, e.g. B. the inner coating layer, zirconium carbide instead of silicon carbide. The coating 17 on the fuel core 16 thus consists of the following coating layers with the typical layer thicknesses, listed from the inside out: buffer layer: 80 μm, inner coating layer: 30 to 40 μm, inner gas-tight coating layer: 20 to 40 μm, intermediate layer : 10 to 20 µm, outer gastight coating layer: 20 to 40 µm, and outer coating layer: 30 to 40 µm. For low operating temperatures, e.g. B. in a light water reactor of about 300 to 400 ° C, the smaller dimensions of the coating layers come into question for higher operating temperatures, such as. B. in a high temperature reactor of z. B. 600 ° C, rather the higher values of the dimensions of the coating layers.

Claims (4)

1. Kernreaktor mit im Reaktorcore befindlicher loser Schüttung von Brennelementen in einer Form, die eine kontinuierliche Be- und Entladung erlaubt, und aus keramischen Werkstoffen nicht-moderierender Art, in denen der Brennstoff in Beschichteten Partikeln eingeschlossen ist,
mit Reaktoreinbauten zur Führung und zur Zusammenführung der losen Schüttung von Brennelementen als durch Gravitation langsam bewegtes Fließbett,
mit Einrichtungen zur kontinuierlichen Beladung und Entladung des Reak­ torcores mit Brennelementen, die an die Reaktor­ einbauten angeschlossen und durch den das Reaktor­ core umschließenden Behälter hindurchgeführt sind,
mit diesen Behälter und den Leerraum der losen Schüttung von Brennelementen ausfüllendem Medium als Kühlmittel,
mit Einrichtungen zur Zufuhr und zur Abfuhr dieses Mediums in das Reaktorcore und
mit Einrichtungen zur Abschaltung und Regelung der Neutronenkettenreaktion, die außerhalb der losen Schüttung von Brennelementen und der führenden Reaktoreinbauten angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (3) die Form eines raum­ füllenden oder nahezu raumfüllenden Polyeders aufweisen und das Medium Leichtwasser (H₂O) oder Schwerwasser (D₂O) ist.
1. nuclear reactor with a loose bed of fuel elements located in the reactor core, in a form which permits continuous loading and unloading, and of non-moderating ceramic materials in which the fuel is enclosed in coated particles,
with reactor internals for guiding and merging the loose bed of fuel elements as a fluid bed moving slowly due to gravity,
with devices for the continuous loading and unloading of the reactor core with fuel elements which are connected to the reactor and are passed through the container surrounding the core of the reactor,
with this container and the empty space of the loose bed of fuel filling medium as coolant,
with facilities for feeding and discharging this medium into the reactor core and
with facilities for switching off and regulating the neutron chain reaction, which are arranged outside the loose bed of fuel elements and the leading reactor internals,
characterized in that the fuel elements ( 3 ) have the shape of a space-filling or almost space-filling polyhedron and the medium is light water (H₂O) or heavy water (D₂O).
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoreinbauten zur Führung der losen Schüttung Zylinderform oder Zylinderform mit Mittelsäule aufweisen.2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized, that the reactor internals to guide the loose Fill cylindrical shape or cylindrical shape with Have center column. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte Beschichtungslage der Beschichtung des Beschichteten Partikels als Doppelbeschichtung mit Zwischenschicht ausgeführt ist.3. Nuclear reactor according to claim 1 or 2, characterized, that the gas-tight coating layer of the Coating the coated particle as Double coating with intermediate layer is. 4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden oder eine der beiden gasdichten Beschichtungslagen der Doppelbeschichtung mit Zwischenschicht aus Zirkonkarbid besteht.4. Nuclear reactor according to claim 3, characterized, that the two or one of the two gas-tight Coating layers of the double coating with Intermediate layer consists of zirconium carbide.
DE4431290A 1994-09-02 1994-09-02 Safe nuclear reactor with continuous loading and unloading Expired - Fee Related DE4431290C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4431290A DE4431290C1 (en) 1994-09-02 1994-09-02 Safe nuclear reactor with continuous loading and unloading

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4431290A DE4431290C1 (en) 1994-09-02 1994-09-02 Safe nuclear reactor with continuous loading and unloading

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE4431290C1 true DE4431290C1 (en) 1996-01-04

Family

ID=6527264

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE4431290A Expired - Fee Related DE4431290C1 (en) 1994-09-02 1994-09-02 Safe nuclear reactor with continuous loading and unloading

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4431290C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2807563A1 (en) * 2000-04-07 2001-10-12 Framatome Sa NUCLEAR FUEL ASSEMBLY FOR A LIGHT WATER COOLED REACTOR COMPRISING A NUCLEAR FUEL MATERIAL IN THE FORM OF PARTICLES
WO2004102585A2 (en) * 2003-05-16 2004-11-25 Pebble Bed Modular Reactor (Proprietary) Limited A nuclear reactor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3140235A (en) * 1962-11-23 1964-07-07 Loranus P Hatch Downflow packed bed nuclear fission reactor
DE2631237A1 (en) * 1976-07-12 1978-01-19 Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh Pebble-bed reactor with renewable inner side reflector - composed of spheres of different sizes to improve packing factor
DE2722508A1 (en) * 1977-05-18 1978-11-23 Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh High temp. gas cooled reactor in concrete vessel - has primary circuit components in separate concrete vessels suspended below
US5015437A (en) * 1989-11-17 1991-05-14 Westinghouse Electric Corp. Graphite core blocks for high temperature gas-cooled reactor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3140235A (en) * 1962-11-23 1964-07-07 Loranus P Hatch Downflow packed bed nuclear fission reactor
DE2631237A1 (en) * 1976-07-12 1978-01-19 Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh Pebble-bed reactor with renewable inner side reflector - composed of spheres of different sizes to improve packing factor
DE2722508A1 (en) * 1977-05-18 1978-11-23 Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh High temp. gas cooled reactor in concrete vessel - has primary circuit components in separate concrete vessels suspended below
US5015437A (en) * 1989-11-17 1991-05-14 Westinghouse Electric Corp. Graphite core blocks for high temperature gas-cooled reactor

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BARNERT, H. und SINGH, J.: Design Evaluations of a Small High-Temperature Reactor for Process Heat Applications. In: Nuclear Engineering and Design, Vol. 109 (1988), S. 245-251 *
OLDEKOP, W.: Druckwasserreaktoren für Kernkraft- werke, Thiemig Verlag, 2. Aufl., 1974 *
PETERSEN, K.: Der Hochtemperaturreaktor - Technik und Anwendungen, In: Kernenergie, Bd. 25, 1981, H. 1, S. 24-31 *
SCHENK,W., GONTARD, R., NABIELEK, H.: Performance of HTR Fuel Samples under High-Irradiation and Accident Simulation Conditions, with Emphasis on Test Capsules HFR-P4 and SL.PI. In: Report Jül-2992, November 1994 *
SCHÖNING, J. u. SCHWARZ, D.: Die HTR-Baulinie und ihre Einsatzmöglichkeiten, In: VGB Kraftwerkstechnik, Bd. 65, 1985, H. 1, S. 11-17 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2807563A1 (en) * 2000-04-07 2001-10-12 Framatome Sa NUCLEAR FUEL ASSEMBLY FOR A LIGHT WATER COOLED REACTOR COMPRISING A NUCLEAR FUEL MATERIAL IN THE FORM OF PARTICLES
WO2001078080A1 (en) * 2000-04-07 2001-10-18 Framatome Anp Nuclear fuel assembly for a reactor cooled by light water comprising a nuclear fuel material in particle form
WO2004102585A2 (en) * 2003-05-16 2004-11-25 Pebble Bed Modular Reactor (Proprietary) Limited A nuclear reactor
WO2004102585A3 (en) * 2003-05-16 2005-02-10 Pebble Bed Modular Reactor Pty A nuclear reactor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69632070T2 (en) SPALT BREED NUCLEAR REACTOR
KR102626243B1 (en) Process for rapid processing of SiC and graphitic matrix TRISO-containing pebble fuels
DE1283408B (en) Method for controlling a nuclear reactor
DE4431290C1 (en) Safe nuclear reactor with continuous loading and unloading
WO1995004994A1 (en) Sintered compact made of uranium-containing nuclear fuel
US3668283A (en) Process for the fabrication of nuclear fuel elements
DE1514961B2 (en) Fuel element for gas-cooled nuclear reactors
DE19636563C1 (en) Nuclear reactor fuel assemblies with high burn-up and process for their production
DE1489195A1 (en) Nuclear reactor fuel
DE1464625A1 (en) High temperature nuclear reactor
DE1102919B (en) Nuclear reactor with a protection against excessively high temperature increases in the reactor core
DE60319583T2 (en) NUCLEAR FUEL ROD
DE2347817C2 (en) Pebble bed reactor with a single pass of the fuel elements
Ploetz Ceramic materials for nuclear reactor controls and poison
DE1948821C3 (en) Reactor core with burnable, self-shielding neutron absorber
DE2229715A1 (en) FUEL ELEMENT ARRANGEMENT AND NUCLEAR REACTOR INCLUDING THIS
DE1234868B (en) Nuclear reactor fuel element
WO1994005012A1 (en) Fuel pellet for liquid cooled nuclear reactors
CA1079873A (en) Nuclear fuel stress corrosion prevention
Delage et al. Outcomes of the FP-7 project PELGRIMM investigating pelletized and sphere-packed oxide fuels for Minor-Actinides transmutation in a Sodium Fast Reactor.
DE1564739C3 (en) Nuclear reactor fuel rod and method of forming the coating on the tablets of the nuclear reactor fuel rod
DE2241873A1 (en) METHOD OF OPERATING A HIGH TEMPERATURE REACTOR
WO2002035552A1 (en) Method for handling nuclear waste from a nuclear facility and transport and/or storage container for waste of this type
DE1789108A1 (en) Nuclear reactor fuel
Brunet MARIUS IV: a critical experiments programme on CGA type lattices

Legal Events

Date Code Title Description
8100 Publication of the examined application without publication of unexamined application
D1 Grant (no unexamined application published) patent law 81
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee