DE1032436B - Heterogener Kernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Aus der Theorie der thermischen Reaktoren ergibt sich in Übereinstimmung mit der Erfahrung, daß heterogene Kernbrennstoffanordnungen gegenüber homogenen Anordnungen bezüglich der Neutronenökonomie vorteilhafter sind. Andererseits sind aber homogene Anordnungen technologisch günstiger, weil der Kernbrennstoff in diesem Falle leichter, nämlich kontinuierlich, aufgearbeitet werden kann. Um die Vorteile beider Reaktortypen zu vereinigen, hat man bereits den flüssigen Brennstoff im Kreislauf durch ein im Reaktorgefäß angeordnetes Röhrensystem umgewälzt, das dem aktiven Gitter entspricht und allseitig vom Moderator umgeben ist.

In wärmetechnischer Hinsicht bleibt aber auch hier der Nachteil bestehen, daß ein Teil der sich einstellenden Temperatur, größenordnungsmäßig etwa 10 bis 30%, in der Übergangszone vom Kernbrennstoff zum Brennstoff rohr bzw. zur Ummantelung, ferner in der Rohr- bzw. Mantelwand selbst und in der Übergangszone vom Rohr bzw. Mantel zum Kühlmedium abgebaut wird. Dieser kühltechnischen Schwierigkeit ist man bei Wärmeaustauschern bereits dadurch begegnet, daß man die flüssigen Wärmeträger direkt in Kontakt gebracht hat.

Ferner geht aber auch ständig ein Teil der Neutronen durch Einfang in den Brennstoffröhren bzw. der Bremistoffummantelung verloren.

Beim Gegenstand der Erfindung sind die genannten Nachteile vermieden, und zwar dadurch, daß der Kernbrennstoff als freier Strahl durch die Moderatorflüssigkeit geführt ist.

Der Reaktor besitzt zu diesem Zweck je ein System von Austritts- und Auffangdüsen in gitterartiger Grundrißanorduung, die sich gleichachsig in regelbarem Abstand einander gegenüberliegen. Im Betrieb bilden dann die Brennstoff-Flüssigkeits-Strahlen das aktive Gitter, wie es an sich etwa in Gestalt des Stabgitters allgemein bekannt ist.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel; es zeigt

Fig. 1 den neuen Reaktor mit der Düsenanordnung schematisch im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Waagerechtschnitt durch die Düsenanordnung gemäß Fig. 1 nach der Linie A-B,

Fig. 3 eine Austrittsdüse,

Fig. 4 eine Auffangdüse und

Fig. 5 den Reaktor im Leitungszuge der Aufbereitungskreisläufe für den Moderator und den Brennstoff.

Bei der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 ist der Kernbrennstoff in Gestalt der freien Strahlen 1 durch die Moderatorflüssigkeit 2 geführt. Das wird dadurch ermöglicht, daß innerhalb des Reaktorgefäßes 3 zwei Düsensysteme I, II vorgesehen sind, von denen das Heterogener Kernreaktor

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. Walter Humbach, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

2

System I aus den Verteilerleitungen 4 mit den dazugehörenden Austrittsdüsen 5 und das System II aus den Auffangdüsen 6 und den dazugehörenden Sammelleitungen 7 besteht. Das Düsensystem I (das obere in Fig. 1) ist mit seinem Zuleitungsrohr 8 fest mit dem Reaktorgefäß 3 verbunden, während das Düsensystem II (das untere) in axialer Richtung auf und ab bewegt werden kann.

Die Düsen liegen, wie schon gesagt, einander gleichachsig gegenüber und sind in gitterartiger Grundrißanordnung über den Reaktorquerschnitt verteilt. Mit Hilfe des Verstellmechanismus 9, der am Düsensystem II angreift, ist der Abstand zwischen den Düsensystemen I und II bis auf Null regelbar. In der Nullstellung dichten die Austrittsdüsen den freien Querschnitt der Auffangdüsen am Trichtergrund völlig ab. Dieser Umstand ist für das Anfahren des Reaktors von Bedeutung.

Zur Ermöglichung der Verstellbewegung ist der Ablauf des Düsensystems II teleskopartig gelagert, dergestalt, daß der Ablaufstutzen 10 des Systems innerhalb des Ablaufkanals 11 längs verschiebbar angeordnet ist. Das Eindringen von Moderatorflüssigkeit

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zwischen die Gleitflächen verhindert die elastische Membrandichtung 12.

Es sei schon jetzt erwähnt, daß die Anordnung selbstverständlich auch kinematisch umgekehrt arbeiten kann und daß ferner sowohl die Brennstoffflüssigkeit als auch der Moderator in einem kontinuierlichen Aufbereitungsverfahren umgewälzt werden. Dabei tritt die Brennstoffflüssigkeit bei 8 ein und bei 11 aus, während der Moderator durch die Zuleitung 13 in das Reaktorgefäß 3 ein- und durch die Austrittsleitung 14 austritt. ■ -

Ehe jedoch die Wirkungsweise der neuen Reaktoranordnung näher beschrieben wird, sei zunächst auf die im praktischen Betrieb zu erwartenden Vorgänge im Reaktorgefäß eingegangen.

Zunächst ist mit einer starken Vergiftung des Reaktors durch die bei der Kernspaltung entstehenden Spaltprodukte zu rechnen. Ferner besteht die Möglichkeit einer Verwirbelung des Moderators mit den Brennstoff-Flüssigkeits-Strahlen an deren Grenzflächen.

Der Gefahr einer zu starken Vergiftung und damit einer allmählichen Lahmlegung des Kernspaltungsprozesses wird durch das weiter oben bereits erwähnte kontinuierliche Aufbereitüngsverfahren, wie es sich bereits bei homogenen Reaktoren unter ähnlichen Verhältnissen bewährt hat, ohne weiteres begegnet.

Eine Verwirbelung von Brennstoff und Moderator wird dadurch weitgehend vermieden, daß die Brennstoff-Flüssigkeits-Strahlen so große Durchmesser erhalten, daß bei vorgegebener sekundlich durchzusetzender Brennstoff-Flüssigkeits-Menge eine weitgehend laminare Strömung entsteht. Dadurch bleibt der Durchmesser jedes Flüssigkeitsstrahles über seine Länge nahezu konstant. Die an der Peripherie der Flüssigkeitsstrahlen mitgeführten Moderatorteilchen werden durch die Trichterschirme der Auffangdüsen 6 des unteren Düsensystems II bei der Erfassung und Weiterleitung der Brennstoffstrahlen abgetrennt.

Es läßt sich aber auch noch durch besondere konstruktive Gestaltung der Austritts- und Auffangdüsen, wie sie in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist, eine weitergehende Verhütung der Verwirbelung bzw. eine mechanische Grobtrennung der vermischten Medien erreichen. Bevor jedoch auf diese Möglichkeit und die dadurch verbesserten Aufbereitungsverfahren der entsprechenden Kreislaufsysteme gemäß Fig. 5 näher eingegangen wird, sei nunmehr die Wirkungsweise des neuen Reaktors an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben.

Soll der Reaktor gemäß der Erfindung in Betrieb genommen werden, so ist zunächst bei leerem Reaktorgefäß 3 das Auffangdüsensystem II mit Hilfe des Verstellmechanismus 9 so weit an das Austritts düsensystem I heranzufahren, daß die Düsentrichter des Systems II von den Düsen des Systems I gegen ein Eintreten der Moderatorflüssigkeit abgedichtet sind (Nullstellung). Nunmehr wird die Moderatorflüssigkeit in das Reaktorgefäß bis zur vorgeschriebenen Standhöhe eingelassen.

Die Düsensysteme befinden sich bei eingefülltem Moderator regeltechnisch zunächst in einer Stellung, wie sie derjenigen bei stillgesetztem Reaktor entspricht. Die - im vorigen beschriebenen Verhältnisse liegen in dieser speziellen Form nur beim erstmaligen Anfahren des Reaktors vor.

Das Anfahren des Reaktors beginnt nun in der Weise, daß zunächst die Brennstoffflüssigkeit im Kreislauf durch die Düsensysteme umgewälzt wird und daß anschließend, gegebenenfalls unter allmählicher Steigerung des Druckes in der Brennstoffleitung, das untere Düsensystem II allmählich mit Hilfe des Verstellmechanismus 9 vom Düsensystem I gelöst i und auf Abstand gebracht wird. Die Drucksteigerung soll so lange anhalten, wie sich der Abstand zwischen den Düsensystemen vergrößert. ■

Das allmähliche Aufabstandbringen der Düsensysteme bei gleichzeitiger Drucksteigerung in der ■ Brennstoffleitung hat den Vorteil, daß eine Verwirbelung der Brennstoffflüssigkeit mit der Moderatorflüssigkeit schon zu Anfang weitgehend vermieden wird. ■; Ferner bietet die Verstellung eines der Düsensysteme in axialer Richtung zugleich eine einfache Möglichkeit zur Reaktorregelung.

Die Verstellbewegung wird dabei zweckmäßig von den Überwachungsorganen des Reaktors gesteuert. Sobald diese bei Erreichen eines bestimmten Abstandes der Düsensysteme, also eines bestimmten Moderator-Brennstoff-Verhältnisses, das Kritischwerden des Reaktors signalisieren, wird der Verstellmechanismus 9 auf das den jeweiligen Leistungsbedarf steuernde Regelsystem umgeschaltet.

Um die Verwirbelung noch weiter herabzudrücken, sind auch andere als die in Fig. 1 dargestellten Düsenanordnungen anwendbar. In den Fig. 3 und 4 ist je eine verbesserte Austritts- bzw. Auffangdüse veranschaulicht.

Bei der Austrittsdüse gemäß Fig. 3 ist die eigentliche, schematisch dargestellte Brennstoffdüse 5 von einer weiteren Düse, der Moderatordüse 15, unter Belassung eines kreisringförmigen Zwischenraumes umgeben. Der Kragen 16 dieser Düse überragt den der inneren Düse der besseren Strahlführung wegen um einen bestimmten Betrag.

Im Betrieb erzeugt die Düse 15 einen hohlzylindrischen Moderatorhüllstrahl, der den Brennstoff-Flüssigkeits-Strahl mantelförmig umgibt und somit eine Verwirbelung desselben mit der im Reaktorgefäß praktisch ruhenden oder nur langsam umgewälzten Moderatorflüssigkeit an der Grenzschicht weitgehend verhindert. Ferner wird durch diese Anordnung der für die Umwälzung der letztgenannten Moderatormengen benötigte Leistungsaufwand stark verkleinert, da die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Brennstoffstrahl und diesen Moderatormengen durch den zwischengeschalteten Hüllstrahl, ohne eine zu starke Durchwirbelung zu erzeugen, groß gewählt werden kann.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß an der Grenzfläche zwischen einem Brennstoffstrahl ohne Moderatorhüllstrahl und der Moderatorflüssigkeit Grenzflächenwellen erzeugt werden, die eine zusätzliche Heterogenität und damit eine Verbesserung der Neutronenökonomie bewirken. Die Wellenlänge dieser Grenzflächenwellen kann durch die Wahl der Relativgeschwindigkeit von Brennstoffträger und Moderator praktisch beliebig, d. h. also auch bezüglich der kernphysikalischen Eigenschaften optimal eingestellt werden. Um die Relativgeschwindigkeit auf einen bestimmten Wert zu bringen, kann nicht nur die Geschwindigkeit des Brennstoffstrahles und die Öffnung der Austrittsdüse, sondern auch die Geschwindigkeit des umzuwälzenden Moderators variiert werden. Ein Mittel zur Unterdrückung der Verwirbelung'·■■;:

von Brennstoff und Moderator wurde bereits in der Verwendung eines Moderatorhüllstrahles im vorigen ',, näher angegeben. Selbstverständlich können auch mehrere Hüllstrahlen verwandt werden, deren Ge- *;' schwindigkeiten bis auf die der umzuwälzenden Mode- i|»

ratormengen abgestuft sein können. *|i

Um das Regenerierverfahren für den Moderator noch wirtschaftlicher zu gestalten, empfiehlt es sich, bei Verwendung von Austrittsdüsen gemäß Fig. 3 (also beim Arbeiten mit Hüllstrahl) ähnlich aufgebaute Auffangdüsen zu benutzen. Fig. 4 zeigt eine solche als Ausführungsbeispiel.

Gemäß Fig. 4 ist die Auffangdüse 6 von einem zylindrischen bzw. leicht konischen Fangblech 17 unter Belassung eines kreisringförmigen Zwischenraumes umgeben. Der Durchmesser dieses Fangblechzylinders ist so gewählt, daß er den Moderatorhüllstrahl ganz erfaßt. Zugleich ist der Auffangquerschnitt der Düse 6 selbst etwas kleiner als der Querschnitt des Brennstoffstrahles an dieser Stelle bemessen, so daß die Düse mit Sicherheit nur unvermischten Brennstoff erfaßt, während der Fangblechzylinder außer dem Strahl auch die verwirbelte Randzone des Brennstoffstrahles aufnimmt. Auf diese Weise wird bereits im Reaktor eine weitgehende Grobtrennung bzw. -reinigung vorgenommen. Die Fangblechzylinder stellen die Eintrittsenden eines zweiten vom Auffangdüsensystem II getrennten Ableitungssystems dar, das konstruktiv zum Auffangdüsensystem II in mannigfacher Weise, z. B. koaxial gelagert sein kann. Das gleiche gilt für die Austrittsdüsenanordnung nach Fig. 3. Auch hier sind die Moderatordüsen 15 die Austrittsenden eines vom Austrittsdüsensystem I getrennten Zuleitungssystems, das das zugeordnete Düsensystem I beispielsweiseweise wie das vorgenannte Ableitungssystem koaxial umschließt.

Das Ableitungssystem, das an die Fangblechzylinder anschließt, läßt sich auch dann mit Vorteil anwenden, wenn kein Moderatorhüllstrahl vorhanden ist.

Wenn auch die beschriebenen Maßnahmen getroffen worden sind, um eine Verwirbelung von Brennstoff und Moderator weitgehend zu verhindern, so wird sich eine solche praktisch nie ganz vermeiden lassen. Ferner kann auch eine genaue Zentrierung der Brennstoff-Flüssigkeits-Strahlen in Düsenachsenrichtung Schwankungen unterliegen. Es müssen daher auch aus diesem Grunde noch zusätzliche Mittel vorgesehen sein, die die Trennung oder Entmischung von Moderator und Brennstoff gestatten. Hierfür kommen die an sich bekannten Möglichkeiten, wie Zentrifugation, Fällung durch chemische Agenzien, durch Aussalzen, durch Konzentrationsfällung bei Temperaturänderung und Extraktion, in Betracht. Die genannten Methoden sind zweckmäßig auch der Aufbereitung von Moderator und Brennstoff zur Beseitigung der Spaltprodukte oder zur Gewinnung von gebrütetem Kernbrennstoff nutzbar zu machen.

Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist das Schaltbild einer auf den Reaktor gemäß der Erfindung abgestimmten Aufbereitungsanlage dargestellt. Die Aufbereitungskreisläufe enthalten zugleich Mittel, um die bei der Kernspaltung freigesetzte Wärme nutzbringend an entsprechende Verbraucher zu übertragen.

Der Kernreaktor 20 ist bei der Anordnung nach Fig. 5 in den Leitungszug zweier Aufbereitungskreisläufe eingeschaltet, von denen der in der Zeichnung rechts dargestellte Kreislauf den Brennstoffkreislauf darstellt, während der nach links gezeichnete Kreislauf den Moderatorkreislauf bezeichnet. Es ist also an einen Reaktorbetrieb ohne Benutzung von Moderatorhüllstrahlen gedacht.

Die heiße Brennstoffflüssigkeit wird von der Pumpe im Betrieb zur Abgabe der Wärmeenergie durch den Wärmetauscher 22 und von dort weiter in die Trennanlage 23 gedruckt. In dieser findet die Entmischung von Moderator und Brennstoff sowie die Beseitigung von Spaltprodukten und gegebenenfalls eine Ergänzung der Brennstoffflüssigkeit statt. Die abgetrennten Moderatorbestandteile gelangen über die Leitung 24 in den Moderatorkreislauf, während die Brennstoffflüssigkeit mit Hilfe der Pumpe 25 wieder in den Reaktor 20 zurückgepumpt wird.

In gleicher Weise arbeitet der Aufbereitungskreislauf für den Moderator. Er enthält also ebenfalls zwei Pumpen 26 und 27, einen Wärmetauscher 28 und eine Trennanlage 29 mit der zum Brennstoffkreislauf führenden Leitung 30.

Arbeitet der Reaktor mit Hüllstrahlen (also bei Verwendung der Düsensysteme gemäß den Fig. 3 und 4), so ist noch ein dritter, ähnlich aufgebauter Aufbereitungskreislauf vorzusehen.

Der Reaktor arbeitet dann besonders günstig, wenn der Brennstoff und dessen Träger (Brennstoffflüssigkeit) und der Moderator aus Flüssigkeiten bestehen, die sich an sich schon gegenseitig nicht durchmischen. In diesem Fall behält der Brennstoffstrahl über seine ganze Länge eine definierte Grenzfläche und kann leichter zusammengeschalten werden.

Wenn der Brennstoff ganz oder teilweise als Aufschlämmung im Brennstoffträger mitgeführt wird, so empfiehlt sich die Verwendung von Wasser sowohl als Moderator als auch als Brennstoffträgerflüssigkeit und von schüttfähigem Uranoxyd als Brennstoff. Die Abtrennung des Moderators vom Brennstoff läßt sich leicht durch Zentrifugation erreichen.

Um den Eigen- und Investitionsbedarf für die Aufbereitung zu verringern, empfiehlt es sich, die aus verschiedenen Zonen einer einzelnen Auffangdüse stammenden Flüssigkeiten jeweils weiteren, verschieden wirksamen Trennanordnungen oder Anordnungen mit verschiedenem Durchsatz zuzuführen. In diesem Falle wären bei der Anordnung nach Fig. 5 noch weitere Moderatoraufbereitungskreisläufe hinzuzufügen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Heterogener Kernreaktor, bei dem sowohl der Kernbrennstoff als auch der Moderator in flüssiger Form umgewälzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff als freier Strahl durch die Moderatorflüssigkeit geführt ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er je ein System von Austrittsund Auffangdüsen in gitterartiger Grundriß anordnung besitzt, die sich gleichachsig mit regelbarem Abstand einander gegenüberliegen, so daß im Betrieb die Brennstoff-Flüssigkeits- Strahlen ein Gitter bilden, dessen Geometrie der eines Stabgitters entspricht.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritts- und Auffangdüsen unter Belassung eines kreisringförmigen Zwischenraumes jeweils von zylindrischen Düsenschirmen umgeben sind, die die Austritts- bzw. Auffangenden eines zweiten Düsensystems bilden.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Düsensystem zur Erzeugung und Weiterleitung von Flüssigkeitsstrahlen aus Moderatorsubstanz dient, die die Brennstoffstrahlen mantelförmig umhüllen.

5. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Düsenschirm der Austrittsdüsen über die Düsenöffnung für die Brennstoffflüssigkeit hinaus verlängert ist.

6. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Brennstoff- und Moderatorflüssigkeit je ein besonderes Kreislaufsystem mit Aufbereitungs- und Wärmetauschereinheiten vorgesehen ist.

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzgeschwindigkeit

in den Kreislaufsystemen verschieden einstell- ■ bar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Buch »Reaktor Handbook, Engineering«, S. 778ff., der Reihe »Selected Reference Material on Atomic Energy«, London, 1955.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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