DE1168577B - Verfahren zum Steuern der Reaktivitaet eines Kernreaktors - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetäg:
Auslegetag:

Deutschem.: 21g-21/31

U 7074 VIII c /21g
14. April 1960
23 .April 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Reaktivität eines Kernreaktors, bei dem die in einem flüssigen Moderator befindlichen Spaltstoffstücke dadurch aufgeschwemmt werden, daß der aus dem Moderator und den Spaltstoffstücken bestehende aktive Teil sich in einem zylindrischen Behälter befindet, dessen Boden und dessen Deckel perforiert sind und daß der Moderator mit variabel einstellbarer Geschwindigkeit von unten nach oben durch diesen Behälter strömt.

Es ist bereits ein Kernreaktor bekannt, der aus einem Druckgefäß besteht, welches einen flüssigen Moderator und Stücke aus durch thermische Neutronen spaltbarem Material enthält. Bei diesem bekannten Reaktor wird der flüssige Moderator zu einem Bodenrost, über die gesamte Bodenfläche verteilt, gleichmäßig von unten nach oben durch den aktiven Teil geleitet. Bei einem Reaktorbetrieb dieser Art bilden sich Kanäle oder Taschen aus dem flüssigen Moderator, in denen die Spaltstoffpellets in wesentlich geringerer Dichte suspendiert sind als in anderen Teilen des Reaktors. Diese Strömungen sind sowohl örtlichen als auch zeitlichen Schwankungen unterworfen und daher ist die Leistungsabgabe des Reaktors völlig unbestimmt und kann auch schwer gesteuert bzw. eingestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des bekannten Reaktors wirksam zu beseitigen, so daß die abgegebene Leistung des Reaktors genau und zuverlässig eingestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Moderator nur im Zentralbereich des Behälters entlang der Behälterachse von unten nach oben strömt.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß eine Steuerung des Reaktors dadurch möglich ist, daß die Spaltstoffstücke in einem von innen nach außen kreisenden Schwebezustand gehalten werden, wobei die Spaltstoffstücke in einem schnelleren Strömungsstrom in der Mitte des Behälters hochgerissen werden und am Rande des Behälters wieder absinken. Diese Maßnahme ist überraschend einfach und wirksam. Vorzugsweise weist der Reaktor eine Masse von Brennstoffstücken von gleichmäßiger Größe auf. Bei geringer Oberflächengeschwindigkeit strömt das Strömungsmittel, in dem sich die Spaltstoffstücke befinden, durch die Zwischenräume der Schicht, die aus den Spaltstoffstücken gebildet wird, und die festen Teilchen verharren in ihrer Lage. Bei einer höheren Geschwindigkeit findet eine Bewegung der festen Teilchen mit einer geringen Vergrößerung des Schichtvolumens statt, und der Reibungswider-

Verfahren zum Steuern der Reaktivität eines
Kernreaktors

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Cleve Richard Anderson, Pasco, Wash. (VSt.A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. April 1959 (806 406)

stand an jedem festen Teilchen wird ausreichend hoch, so daß es ohne Kontakt mit anderen Teilchen gehalten wird. Da die die Schicht bildenden Teilchen voneinander durch das Strömungsmittel getrennt sind, kann die Schicht der Schwerkraft gegenüber keinen Widerstand leisten und verhält sich wie eine Flüssigkeit.

Solche Systeme sind als Wirbelschichten bekannt. Bisher war die Aufmerksamkeit in erster Lime auf Systeme gerichtet, bei denen das Strömungsmittel ein Gas ist. Es sind jedoch auch solche Systeme möglich, bei denen eine Flüssigkeit zur Erzeugung der Wirbelschicht dient. Im normalen Betrieb einer Wirbelschicht ist eine lebhafte Siedewirkung gewünscht, um den bestmöglichen Kontakt zwischen dem Strömungsmittel und den festen Teilchen zu erzielen. Obwohl »Kanalbildung« und »Schlagen« unerwünschte Erscheinungen sind — wobei unter »Kanalbildung« der Durchtritt von Strömungsmittelsäulen mit einem kleineren Durchmesser als die Schicht durch die Schicht hindurch, so daß ein großer Teil der Schicht ungestört bleibt, zu verstehen ist, und unter »Schlagen« eine Erscheinung zu verstehen ist, die auftritt, wenn Blasen oder gesonderte Strömungsmitteltaschen durch die Schicht hindurchtreten, so daß sich die Schicht zuckend ausdehnt und zusammenzieht — kann eine gewisse Ungleichmäßigkeit in den meisten Fällen bei einem Betrieb mit Wirbelschichten, die in der Literatur beschrieben worden sind, gebildet werden. Dem Fachmann auf dem Ge-

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biet der Kernreaktoren leuchtet es ohne weiteres ein, daß eine größere Ungleichmäßigkeit der erwähnten Art im Kern eines Kernreaktors nicht geduldet werden kann, da sonst eine stark schwingende Reaktivität im Reaktor auftreten würde und ein breiter Temperaturzyklusablauf innerhalb des einzelnen Brennstoffpellets.

Es wurde festgestellt, daß eine Schicht von festen Teilchen durch eine nach oben durch sie hindurchgerichtete Wasserströmung in den Wirbelzustand übergeführt werden kann, vorausgesetzt, daß die Schicht unter Bedingungen gehinderter Absetzung betrieben werden kann. Unter Bedingungen gehinderter Absetzung sind Bedingungen zu verstehen, bei welchen der Fall der Teilchen unter dem Einfluß der Schwerkraft durch die Schicht hindurch durch eine Masse von in Suspension befindlichen Teilchen gehindert wird. Eine Beschreibung einer besonderen Einrichtung zur Erzielung von Bedingungen gehinderter Absetzung und eine nähere Beschreibung des Verhaltens einer solchen Schicht wird im Laufe der Beschreibung gegeben.

Die Erfindung soll zunächst in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben werden, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Ansicht im senkrechten Schnitt durch einen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeigneten Kernreaktor,

F i g. 2 eine Ansicht im waagrechten Schnitt nach der Ebene 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 in schematischer Darstellung eine Ansicht eines Kreislaufsystems mit dem Reaktor,

F i g. 4 eine Ansicht in schematischer Darstellung und im senkrechten Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Reaktors,

Fig. 5 in schematischer Darstellung eine Ansicht im senkrechten Schnitt einer anderen Ausführungsform eines Kernreaktors,

Fig. 6 eine schematische Darstellung im waagerechten Schnitt nach der Ebene 6-6 der Fig. 5,

F i g. 7 in schematischer Darstellung eine Ansicht im waagerechten Schnitt der gleichen Ausführungsform wie in F i g. 5, jedoch mit anders angeordneten Leitwänden,

Fig. 8, 9 und 10 graphische Darstellungen, welche zeigen, wie die beschriebenen Reaktoren geregelt werden können.

Es sei zunächst ein Reaktor in Verbindung mit der F i g. 1 und 2 beschrieben. Der Reaktor besitzt ein Reaktorgei'äß 20, das aus einem äußeren zylindrischen Mantel 21 mit einem oberen und einem unteren gewölbten Kopf 22 bzw. 23 besteht, einen aktiven Teil 24 im Gefäß und einen ringförmigen Reflektor 25, welcher den aktiven Teil umgibt. Der Reaktor ist wie gewöhnlich von einer nicht gezeigten geeigneten Abschirmung eingeschlossen.

Der aktive Teil 24 befindet sich in einem Käfig 26, der durch einen zylindrischen Innenmantel 27 gebildet wird, der zum zylindrischen Mantel 21 konzentrisch ist und einen konischen oder trichterförmigen Teil 29 an seinem unteren Ende aufweist, sowie ein oberes Gitter 30 und ein unteres Gitter 31. Wie sich aus der Zeichnung ergibt, ist der aktive Teil 24 vom Reflektor 25 durch den Innenmantel 27 getrennt, der von einem zylindrischen perforierten Stützring 32 getragen wird, welcher auf Stützschienen 33 ruht, die am Reaktorgefäß 20 befestigt sind.

Das obere und das untere Gitter 30 bzw. 31 trennen Auslaß- und Einlaßkammern 34 und 35 von dem aktiven Teil 24. Die Auslaßkammer 34 wird durch das obere Gitter 30, den oberen Kopf 22 und durch einen anschließenden Teil des Außenmantels 21 gebildet. Die Einlaßkammer 35 wird durch das untere Gitter 31, den unteren Kopf 23, den Trichter 29 und einen anschließenden Teil des Außenmantels 21 gebildet. Durch den oberen Kopf 22 ist eine Auslaßleitung 36 etwa in der Mittellinie des Reaktorgefäßes 20 geführt, so daß sie mit der Auslaßkammer

ίο 34 in Verbindung steht. Durch den unteren Kopf 23 ist etwa an der Mittellinie des Reaktorgefäßes eine Einlaßleitung 37 geführt, die sich nach oben in die Einlaßkammer 35 erstreckt und mit einer Düse 38 endet, die sich unmittelbar unter dem unteren Gitter 31 befindet.

Der aktive Teil 24 enthält Brennstoff, der aus Pellets aus einem Neutronenspaltstoff besteht, der in einem korrosionsbeständigen Material von niedrigem Einfangquerschnitt für Neutronen eingehüllt ist. Der Brennstoff kann beispielsweise Uran oder eine Uranverbindung sein, die mit U²⁸⁵ angereichert ist, oder eine Legierung von Uran und Plutonium. Das Umhüllungsmaterial kann Aluminium oder Zirkon sein, oder aus Legierungen hiervon bestehen.

Der Brennstoff wird in den Reaktor durch eine Beschickungsleitung 39 eingeführt. Die Beschickungsleitung 39 ist durch den oberen Kopf 22 an einer Stelle etwa in der Mitte zwischen der Mittellinie des Reaktors und dessen Rand hindurchgeführt und erstreckt sich durch die Auslaßkammer 34 und das obere Gitter 30 in den aktiven Teil 24 des Reaktors. In der Beschickungsleitung 39 befinden sich zwei Absperrventile 40 und 41. Der Brennstoff kann dem aktiven Teil 24 während des Betriebs des Reaktors zugeführt werden. Brennstoff in Pelletform wird nach unten durch das Ventil 40 in den Abschnitt der Beschickungsleitung 39 zwischen den Ventilen 40 und 41 eingeleitet, wobei das Absperrventil 41 geschlossen gehalten wird. Hierauf wird das Ventil 40 geschlossen und das Ventil 41 geöffnet, so daß die Brennstoffpellets in den aktiven Teil 24 des Reaktors fallen. Wie sich aus dem Nachfolgenden ergibt, wird der Brennstoff in einen Teil des Reaktors eingeleitet, in welchem die Gesamtströmung der Brennstoffpellets nach unten gerichtet ist, so daß der neue Brennstoff in die Schicht der Brennstoffpellets weich ohne heftige Zusammenstöße und gegen einen verhältnismäßig niedrigen Staudruck eintritt.

Die Entnahme von Brennstoff aus dem Reaktor erfolgt durch eine Brennstoffentladeleitung 42, die mit einem Tellerventil 43 ausgerüstet ist. Die Entladeleitung 42 befindet sich in radialem Abstand von der Mittellinie des Reaktors und ist durch den unteren Kopf 23 hindurch in die Einlaßkammer 35 geführt und steht ferner mit einer Brennstoffentladekammer 44 in Verbindung, die unter dem unteren trichterförmigen Teil 29 des Innenmantels 27 angeordnet ist. Die Brennstoffentladekammer 44 wird durch einen Teil des unteren trichterförmigen Teils 29 des Innenmantels 27, eine unterbrechungsfreie Verlängerung 45 des unteren Gitters 31 und eine U-förmige, senkrechte Leitwand 46 gebildet. An der Brennstoffentladekammer 44 erstreckt sich der untere trichterförmige Teil 29 des Innenmantels 27 nicht ganz bis zum Gitter 31, so daß eine Brennstoffentladeöffnung 47 bleibt, welche die Brennstoffentladekammer 44 mit dem aktiven Teil 24 verbindet. Die Leitwand 46 und der Teil 29 des Innenmantels 27

bilden einen Umlaufkanal 48, der einen freien Umlauf des Moderatorkühlmittels durch die Brennstoffentladekammer 44 ermöglicht.

Die Brennstoffentladeleitung 42, in der sich zwei Absperrventile 49 und 50 befinden, dient als Einlaß zur Ergänzung des Kühlmittelmoderators. Das letztere erhält zur Leitung 42 durch die Rohrleitung 51 Zutritt, die mit der Leitung 42 an einem Bereich zwischen dem Ventil 49 und dem unteren Kopf 23 verbunden ist. ίο

Das Entladen des Brennstoffes geschieht dadurch, daß das Tellerventil 43 geöffnet wird, so daß die Brennstoffkugeln in die Brennstoffentladeleitung 42 fallen können, worauf wechselweise die Absperrventile 49 und 50 geöffnet werden. Das Ergänzungskühlmittel kann dazu verwendet werden, den entladenen Brennstoff zu kühlen.

Eine unterbrechungsfreie ringförmige Platte 52 bildet eine Verlängerung des oberen Gitters 30 zwischen dem Innenmantel 27 des Käfigs 26 und dem Mantel 21 des Reaktorgefäßes 20, während eine unterbrechungsfreie ringförmige Platte 53 zwischen dem Innenmantel 27 des Käfigs 26 und dem Mantel 21 des Reaktorgefäßes 20 am oberen Ende des trichterförmigen Teils 29 des Mantels 27 angeordnet ist. Die ringförmigen Platten 52 und 53 schließen zusammen mit dem zylindrischen Mantel 21 und dem Innenmantel 27 den Reflektor 25 völlig ein. Der Reflektor 25 ist mit einer Reflektoreinlaßleitung 67 und einer Reflektorauslaßleitung 69 versehen. In Fig. 1 ist ferner ein Spiegelführrohr 55 dargestellt.

Eine Umgehungsleitung 56, die mit einem federbelasteten Ventil 57 versehen ist, verbindet die Auslaßkammer 34 mit der Einlaßkammer 35. Diese Leitung leitet Kühlmittelmoderatoren um den aktiven Teil 24 des Reaktors herum, wenn z. B. ein Signal aus der üblichen Sicherheitsschaltung das Ventil 57 öffnet. Durch einen Verlust an Kühlmittelmoderator wird selbsttätig die Notabschaltung des Reaktors herbeigeführt, ohne daß ein Signal von der Sicherheitsschaltung erforderlich ist.

Im Betrieb wird der aktive Teil 24 des Reaktors mit der erforderlichen Anzahl Brennstoffpellets über die Beschickungsleitung 39 gefüllt. Solange sein Moderator zwischen diesen Pellets vorhanden ist, ist es unmöglich, daß die Brennstoffmasse innerhalb des aktiven Teils 24 kritisch wird. So dann wird der Kühlmittelmoderator in das Reaktorgefäß 20 durch die Einlaßleitung 37 eingeleitet. Der Kühlmittelmoderator fließt in den aktiven Teil 24 durch das untere Gitter 31. Die Geschwindigkeit dieser Flüssigkeit wird dann erhöht, bis sie ausreicht, einige Pellets im aktiven Teil anzuheben. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten verbleibt die Schicht im zusammengefallenen Zustand und die Urananreicherung ist derart, daß der Reaktor mangels ausreichender Abbremsung unterkritisch bleibt. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erhöht wird, nimmt das Schichtvolumen zu, bewegen sich die Brennstoffpellets und zirkulieren (werden in den Wirbelzustand übergeführt), und das Moderatorvolumen nimmt je Volumeneinheit des Brennstoffs zu.

Als Folge der Veränderung im Volumenverhältnis des Moderators zum Brennstoff wird der Reaktor kritisch.

Um die Reaktivität im Reaktor aufrechtzuerhalten, werden einige Brennstoffpellets im Reaktor durch die Brennstoffentladeleitung 42 entfernt und zusätzliche Brennstoffpellets durch die Beschickungsleitung 39 eingeführt. Die Brennstofflebensdauer beträgt etwa 1 Jahr. Es ist jedoch nicht möglich, nur diejenigen Pellets zu entfernen, die über ihre volle Lebensdauer im Reaktor gewesen sind, da das Entfernen wahllos geschieht. Um den wirksamsten Gebrauch vom Brennstoff zu machen, werden die gering bestrahlten Kugeln von den hoch bestrahlten Kugeln getrennt und zum Reaktor zurückgeführt. Ein Verfahren zum Sortieren der bestrahlten Kugeln besteht darin, sie einzeln oder in Gruppen an einem Gammazähler vorbeizuführen und die gering bestrahlten Kugeln zum Reaktor zurückzuführen. Ein anderes Verfahren zum Sortieren der bestrahlten Kugeln besteht in der Ausnutzung des Dichteunterschiedes zwischen hoch bestrahlten und gering bestrahlten Kugeln. Die Kugeln, die am längsten im Reaktor gewesen sind, haben die höchste Dichte, da die verhältnismäßig leichte Aluminiumumhüllung teilweise von der Kugel weg korridiert worden ist. Am Ende eines Jahres ist der Unterschied im spezifischen Gewicht ausreichend groß, so daß die Kugeln nach ihrem Dichteunterschied voneinander getrennt werden können.

Die gering bestrahlten Kugeln werden zusammen mit ausreichend neuen Kugeln zur Aufrechterhaltung der Reaktivität des Reaktors zu diesem zurückgeleitet. Hoch bestrahlte Kugeln können unter Anwendung der üblichen chemischen Verfahren zur Wiedergewinnung des von Spaltprodukten freien Plutoniums und verbliebenen Urans behandelt werden.

Zur näheren Beschreibung des Betriebs des Reaktors wird auf F i g. 3 verwiesen. Das Moderatorkühlmittel wird aus dem Behälter 58 durch eine Pumpe 59 über die Einlaßleitung 37 und die Düse 38 in die Einlaßkammer 35 des Reaktorgefäßes 20 gepumpt. Dieses Kühlmittel fließt durch die Brennstoffschicht im aktiven Teil 24 des Reaktors nach oben und bewirkt die erforderliche Überführung in den Wirbelzustand und dient ferner als Moderator unter gleichzeitiger Wärmezufuhr aus den Brennstoffkugeln. Das Kühlmittel tritt aus dem Reaktorgefäß 20 durch die Auslaßleitung 36 zu einem primären Wärmeaustauscher 60 aus und gibt seine Wärme an ein sekundäres Kühlmittel ab, das zur Erzeugung nutzbarer Leistung verwendet wird. Aus dem primären Wärmeaustauscher 60 wird das Kühlmittel zum Behälter 58 zurückgeleitet.

Die primäre Reaktivitätsregelung geschieht durch Drosseln der Strömung des Kühlmittelmoderatorkreislaufes, wodurch das Moderator-Brennstoff-Verhältnis und der Neutronenverlust aus dem Reaktor verändert wird. Wie in F i g. 3 gezeigt, wird die Kühlmittelströmung in das und aus dem Reaktorgefäß 20 entweder nach der Reaktorperiode oder nach der Höhe des Neutronenflusses durch Ventile 61 und 62 geregelt, die in der Einlaßleitung 37 bzw. in der Auslaßleitung 36 angeordnet sind. Die Meßgeräte für diese Zwecke sind mit 63 und 64 bezeichnet, während ein Neutronenschweißgerät bei 65 gezeigt ist.

Die sekundäre Regelung wird durch die Regelung der Reflektorhöhe erzielt. Dies geschieht durch die Regelung des Volumens der in den Reflektor 25 über die Leitung 67 mit Hilfe einer Umkehrpumpe 100 gepumpten Reflektorflüssigkeit und der den Reflektor 25 durch die Leitung 69 verlassenden Reflektorflüssigkeit.

Im Betrieb wird die Reflektorflüssigkeit aus einem Behälter 66 in den Reflektor 25 mit einer gewünsch-

ten Geschwindigkeit mit Hilfe der Pumpe 100 gepumpt. Die Reflektorflüssigkeit verläßt den Reflektor
25 durch die Leitung 69 und gelangt über ein Drosselventil 68 zu einem Wärmeaustauscher 70, in welchem sie gekühlt und dann zum Reflektorbehälter 66
zurückgeführt wird. Die Höhe der Reflektorflüssigkeit im Reflektor kann dann mit Hilfe des Drosselventils 68 geregelt werden. Zur Erhöhung der Höhe
der Reflektorflüssigkeit im Reflektor wird das Dros-

Zustand oder auf k_eff~l,0. Die Überführung in den Wirbelzustand für einen geringfügig überkritischen Punkt auf dieser gleichen Kurve ermöglicht den Aufbau des Flusses und eine Leistungserzeugung. Wenn 5 sich der Kern aufheizt, beginnt die Reaktivität abzufallen, sofern nicht ein größerer Abstand zwischen den Pellets durch verstärkte Wirbelschichtbildung erzeugt wird. Daher ist, wenn die Temperatur auf diejenige des normalen Betriebs zunimmt, eine fortselventil 68 geringfügig geschlossen, um die Flüssig- io laufend verstärkte Überführung in den Wirbelzustand keitsströmung aus dem Reflektor herabzudrosseln. erforderlich. Dies bedingt die Bewegung dieses An-Sie kann dann zur Aufrechterhaltung eines neuen fahrpunktes von der 20° C-Kurve über eine Kurven-Flüssigkeitsspiegels eingestellt werden. Zur Verringe- schar, die allen Temperaturen bis zu 250° C entrang der Höhe der Flüssigkeit im Reflektor wird das spricht, wobei ständig eine konstante Reaktivität Drosselventil 68 geringfügig geöffnet. Um die Höhe 15 aufrechterhalten wird. Graphisch ergibt dies eine der Flüssigkeit rasch herabzusetzen, wird die Um- seitliche Bewegung vom kalten, sauberen, geringfügig kehrpumpe 100 verwendet, um die Flüssigkeit un- überkritischen Punkt zur 250° C-Kurve. Die Reakmittelbar aus dem Reflektor 25 zum Reflektorbehäl- tivität kann dann durch eine weitere Steigerung der ter 67 zu pumpen. Überführung in den Wirbelzustand aufrechterhalten

Unerwünschte Veränderungen im Flüssigkeitsspie- 20 werden, um die Leistung bei jeder gewünschten gel werden durch ein Fühlrohr 55 ermittelt. Zur Periode zu erhöhen. Sobald die Betriebsleistung Rückführung des Flüssigkeitsspiegels auf seine ge- (bei 250° C) erreicht ist, fällt die Reaktivität auf wünschte Höhe können Regelorgane üblicher Art £_eff=l,00 ab. Der Reaktivitätsverlust infolge des verwendet werden. negativen Temperaturkoeffizienten wird nun durch

Die Kurven der F i g. 8 bis 10 beziehen sich auf 35 den vergrößerten Pelletabstand kompensiert. Kernreaktoren, bei denen annähernd kugelförmige In F i g. 9 zeigen die größeren Brennstoffkugeln

Pellets zur Anwendung kommen, die z. B. aus Uran- eine größere Reaktivität als die kleineren Kugein bei dioxyd mit einer Umhüllung aus Aluminium be- dem gleichen Feststoffanteil (auf der hohen Feststoffstehen, anteilseite des Scheitels). Diese Reihenfolge ist in >

Fig. 8 zeigt eine Kurvenschar für verschiedene 30 Fig. 10 für beide gezeigte Temperaturen umgekehrt. Kugeldurchmesser in Zentimeter (Kurvenparameter). Da der einzige in Betracht kommende Unterschied in Sie gibt das Verhältnis zwischen der Strömungs- den beiden Diagrammen dargestellten Werte, welcher geschwindigkeit des Kühlmittels (Ordinate) und dem die Reihenfolge der Kurven beeinflußt, die Kern-Raumanteil des Kühlmittels (Abszisse) wieder. Die größe ist, ist der beobachtete Unterschied in der Kurven zeigen daher, welche Kühlmittelgeschwindig- 35 Wirkung der Kugelgröße der Lebensdauer der Neukeit angewendet werden soll, wenn ein gewünschter tronen zuzuschreiben, die ihrerseits auch von der Raumanteil des Kühlmittels für Brennstoffelemente Flußwölbung und damit von der Kerngröße abhängt, von verschiedenen Größen erzielt werden soll. Wenn die Schicht bis zu einem Betriebspunkt in

F i g. 9 und 10 geben eine Darstellung der Wech- den Wirbelzustand übergeführt wird, bei welchem der selbeziehung des Feststoffanteils (Abszisse, eins minus 40 Reaktor überkritisch ist und diese Strömungs-Zwischenraumanteil) und dem effektiven Multipli- geschwindigkeit konstant gehalten wird, steigt die kationsfaktor (Ordinate) für verschiedene Kugel- Reaktorleistung und -temperatur mit einer Periode durchmesser (Parameter, ohne Umhüllung) bei 20 an, die k_ett — 1 proportional ist. Die Moderatordichte und 250° C für zwei bestimmte Reaktoren wieder. nimmt bei zunehmender Temperatur ab, was eine Beschränkungen bei der Anwendung dieser Kurven 45 augenblickliche Verringerung der Reaktivität zur auf einen in Betrieb befindlichen Reaktor bestehen Folge hat, da der Kern dann einen effektiv höheren darin, daß der effektive Multiplikationsfaktor gerin- Feststoffanteil hat. Dies ist gerade so, wie wenn der ger als 1,00 sein muß, wenn die Schicht zusammen- Betriebspunkt sich (während eines infinitesimalen gefallen und der Reaktor kalt und sauber ist, und Zeitintervalls) zu einem niedrigeren Feststoffanteil daß der Punkt, an welchem der effektive Multiplika- 50 auf der &_eff-Kurve bewegt, die der Temperatur zu tionsfaktor gleich 1,00 plus Abweichung für Xenon diesem Zeitpunkt entspricht. Diese Wirkung ist je- und Samarium unterhalb des Scheitels der Kurve auf doch eine virtuelle Zunahme im Feststoffanteil, da der linken Seite liegen muß. Dieser letztere Punkt ist das tatsächliche Volumenverhältnis sich nicht geder Wirbelschichtsbetriebspunkt, und dieser Punkt ändert hat. Nach einer gewissen Zeitverzögerung, die muß weit vom flachen Teil der Kurve abliegen, da- 55 durch die Massenträgheit des Systems bedingt ist, mit Veränderungen der Wirbelschicht eine zur Rege- findet jedoch eine wirkliche Feststoffanteilerhöhung lung wirksame Veränderung des Multiplikationsfaktors verursachen. Unter Berücksichtigung der voranstehenden Beschränkungen ist es klar, daß die beschriebenen Kurven zeigen, wie die Veränderung der 60 k_e{[ zur Folge hat. Obwohl der Reaktor nach diesen Geschwindigkeit des Kühlmittels die Reaktivität des beiden Wirkungen überkritisch bleiben kann, wird Reaktors beeinflußt. die Periode des Temperaturanstiegs länger, als sie

Diese Kurven können als Vorhersage der effek- ohne diese dämpfend wirkende Regelschleife sein tiven Multiplikation beim Anfahren verwendet wer- würde. Der Wirbelschichtaufbau ergibt daher eine geden. Vor der Wirbelschichtbildung hat die Schicht 65 wisse Selbstregelung und bei niedrigen anfänglichen eine regellos dichte Packung, ist kalt und anfänglich Zufallswerten von k_e!t~ 1 einen ausfallssicheren Besauber. Wie die kalte Kurve zeigt, bringt eine gewisse trieb. Sofort, nach dem Spaltungen stattfinden, wird Wirbelschichtbildung den Reaktor in den kritischen Xenon erzeugt, dessen Konzentration mit zunehmen-

infolge einer Veränderung des Unterschiedes in der Dichte zwischen dem Brennstoff und dem Wasser statt, was eine etwas langsamere Verringerung im

der Leistung zunimmt. Diese Zunahme der Konzentration findet statt, bis das Leistungsniveau des normalen Betriebs erreicht ist und setzt sich für einige Zeit nachher fort, bis bei einer konstanten Leistung ein Vergiftungsgleichgewicht aufrechterhalten wird. Während dieses Xenonübergangszustandes muß die Überführung in den Wirbelzustand noch weiter verstärkt werden, um den Abfall im thermischen Nutzfaktor aufzuheben und einen gerade kritischen Zustand aufrechtzuerhalten. Zu dem Zeitpunkt, in welchem die Xenonkonzentration einen Gleichgewichtswert erreicht, ist der Wirbelzustand des normalen Betriebs erreicht. Es wird angenommen, daß eine Abweichung von 30 mk (0,030 des k_etl) für den Xenon-und Samariumzuwachs erforderlich ist. Eine Regelabweichung vonlOmk kann erforderlichenfalls durch eine Reflektorhöhenveränderung errreicht werden. Nachfolgende Übergangswirkungen infolge von Brennstoffabbrand und der Konzentration von nicht sättigbarem Gift wird durch eine Veränderung der Reflektorhöhe und eine günstige Veränderung in der Neutronenverlust-Ökonomie kompensiert.

Ein weiterer außerordentlich wichtiger Vorteil der beschriebenen Reaktoren ist die Gleichmäßigkeit der Schicht der Brennstoffteilchen im Wirbelzustand. Wie angegeben, wird diese Gleichmäßigkeit durch den Betrieb der Schicht unter Bedingungen gehinderter Absetzung erzielt. Um Bedingungen gehinderter Absetzung zu erzielen, muß der Wassereinlaß so angeordnet werden, daß ein Spitzengeschwindigkeitsprofil erhalten wird. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, einen konischen Strömungsverteiler zu verwenden und das Wasser in dessen Mitte eintreten zu lassen. Die zunehmende Geschwindigkeit des Wassers in der Nähe des konischen Strömungsverteilers ist höher als sie in der Nähe des oberen Endes ist, was durch die konische Form in der Nähe des unteren Endes der Säule bedingt ist. Teilchen, die bis zu einem Punkt gefallen sind, der dem konischen Verteiler nahe liegt, treffen daher hier auf einen größeren Widerstand, so daß einige von ihnen nicht mehr weiter fallen können. Sie können auch nicht steigen. Dies hat zur Folge, daß eine Masse von Teilchen oberhalb des konischen Teils eingefangen wird und sich in der Masse ein Druck aufbaut. Hierauf bewegen sich Teilchen längs des Weges des geringsten Widerstandes nach oben, welches gewöhnlich die Mitte der Säule ist, bis sie einen Bereich niedrigeren Druckes an oder in der Nähe der Oberseite der abgesetzten Masse erreichen, in welchem sie unter den Bedingungen, unter denen sie vorher fielen, weiter fallen. Wenn Teilchen von unten zur Mitte ansteigen, fallen die Teilchen von der Seite in den entstehenden Hohlraum. Auf diese Weise wird ein allgemeiner Umlauf erzielt.

Aus F i g. 1 bis 3 ergibt sich, daß die Flüssigkeit in das Reaktorgefäß 20 durch die Düse 38 eintritt, die sich in der Mitte des Reaktorgefäßes befindet und die Brennstoffpellets in der Mitte des Reaktors anhebt. Die Kugeln kehren dann zum Boden des Gefäßes am Umfang desselben zurück. Dies ist als der Rauchringeffekt bekannt. Dieser Effekt setzt Kugelzusammenstöße auf ein Mindestmaß herab und begünstigt einen weichen Pelletumlauf.

Die Verwendung eines Düseneintritts ermöglicht eine gesonderte Überführung in den Wirbelzustand bei allen Geschwindigkeiten mit Ausnahme der allerhöchsten im Gegensatz zur aggregativen Wirbelschichtbildung. Eine aggregative Wirbelscbichtbildung ist eine Überführung in den Wirbelzustand, bei welcher die Teilchen sich in Haufen oder Gruppen bewegen, während die gesonderte oder getrennte Überführung in den Wirbelzustand, wie der Name sagt, der Zustand ist, bei welchem sich die Teilchen einzeln bewegen. Die Geschwindigkeiten, welche für den Reaktor erforderlich sind, sind diejenigen, bei welchen eine getrennte Überführung in den Wirbelzustand erzielt wird. Andererseits führt ein mit einem Plattenverteiler erzieltes gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil zu einer aggregativen Überführung in den Wirbelzustand mit Hohlraumbereichen in der Schicht. Diese Beobachtungen sind das Ergebnis von Versuchen, mit der Überführung in den Wirbelzustand, die zur Untersuchung der Parameter unternommen werden, welche Feststoffdispersionen in einer Feststoffschicht beeinflussen und um die Wechselbeziehungen der Werte bei der Überführung in den Wirbelzustand mit der Reaktorbauart zu ermitteln. Die Versuche wurden mit zwei Arten von massiven Stahlkugeln durchgeführt, und zwar mit einer Kugel von 19,05 mm aus Chromstahl und einer Kugel von 9,53 mm aus geringwertigem Stahl. Die Kugeldichte betrug 7,33716 g/ccm. Es wurden fünf verschiedene Strömungsverteiler verwendet:

a) eine Platte mit einer Dicke von 3,18 mm und einem Außendurchmesser von 20,32 cm und Bohrungen von 3,18 mm mit Mittelabständen von 6,35 mm bei einer freien Fläche von 23%;

b) eine Platte mit einer Dicke von 3,18 mm und einem Außendurchmesser von 20,32 cm und Bohrungen Von 4,37 mm mit Mittelabständen von 11,11 mm bei einer freien Fläche von 16% sowie mit einem Flansch von einer Dicke von 12,70 mm und einem Durchmesser von 34,29 cm;

c) ein konischer Düsenverteiler mit einem Innendurchmesser von 10,16 cm an seiner engsten Stelle und einem Innendurchmesser von 149,23 mm an seiner breitesten Stelle, der eine perforierte Platte mit einem Durchmesser von 10,16 cm am schmalen Ende des Kegels enthielt;

d) ein konischer Düsenverteiler mit einem Breitenbereich von 16,21 cm Innendurchmesser bis 21,29 cm Innendurchmesser, der vierzehn Rohrdüsen von 12,70 mm mit Mittenabständen von 38,10 mm enthielt, die an dem schmalen Ende des Kegels mit dem Innendurchmesser von 16,21 cm gruppiert waren;

e) ein konischer Düsenverteiler mit einem Breitenbereich von 10,16 cm Innendurchmesser bis 22,86 cm Innendurchmesser, der fünf Rohrdüsen von 19,05 mm in einem mittig angeordneten Rohr von 63,50 mm bei im schmalen Ende des Kegels angeordneter Düse enthielt.

Die Versuche zeigten, daß die Kugeln mit einem Durchmesser von 19,05 mm in 22,86-cm-Rohren eine weiche Überführung in den Wirbelzustand ergeben, ohne daß eine Kanalbildungsströmung auftrat, oder große Hohlräume in der Schicht entstanden, wenn ein konischer Strömungsverteiler verwendet wurde. Ferner konnte die Weichheit der Schicht über einen weiten Bereich der Schichtausdehnung bei Wirbelschichthöhen von etwa 27,94 bis fast 76,20 cm aufrechterhalten werden. Andererseits ergab die Überführung in den Wirbelzustand mit perforierten

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Strömungsverteilern aus flachen Platten eine starke Turbulenz oder Kanalbildung in den Schichten sowohl der 9,53- als auch der 19,05-mm-Kugeln mit Ausnahme der 9,53-mm-Größe in dem 22,86-cm-Rohr bei geringen Ausdehnungen. Die Turbulenz zeigte sich durch die Bildung meßbarer Hohlräume in den Schichten und durch stark schwankende Schichtzwischenflächen aus. Aus dieser Reihe von Beobachtungen wurde die Schlußfolgerung gezogen, daß eine optimale Gleichmäßigkeit mit einer Schicht von einer statischen Tiefe erzielt wird, die annähernd gleich dem Schichtdurchmesser ist und durch einen Strömungsverteiler von konischer Geometrie in den Wirbelzustand übergeführt wird.

Beste Ergebnisse wurden bei der Verwendung des Verteilers e) erzielt, bei welchem die Verteilungsdüsen so nahe als möglich an der Mitte eines konischen Verteilers angeordnet sind. Die Verteiler c) und d) ergaben ebenfalls im allgemeinen annehmbare Ergebnisse, jedoch nicht so gute Ergebnisse wie der Verteiler e).

Nachstehend seien die Vorteile des beschriebenen Reaktors zusammengefaßt:

1. Der Reaktor führt selbsttätig eine Notabschaltung mit einer hohen Geschwindigkeit bei einer zufälligen Verringerung der Moderator-Kühlmittel-Strömung durch, da der Verlust an Reaktivität beim Zusammenfallen der Wirbelschicht bei der Betriebstemperatur außerordentlich rasch ist. Dies ist dadurch bedingt, daß die hochnegative Temperatur des aktiven Gitters zur Folge hat, daß die in den zusammengefallenen Zustand übergeführte Schicht eine wesentlich geringere Reaktivität bei der Betriebstemperatur als bei Raumtemperatur hat;

2. der Reaktor hat Selbstregelneigung infolge der Reaktivität und Wirbelschichtbildungsveränderungen, die sich aus einer Veränderung der Dichte des Moderatorkülmittels ergeben;

3. eine starke Leistungsexkursion erfährt eine Selbstlöschung durch Dampfblasenbildung;

4. der Reaktor hat ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften;

5. der Brennstoff wird gleichmäßig bestrahlt;

6. der Reaktor hat den Reaktivitätsvorteil von heterogenen Reaktoren gegenüber homogenen Reaktoren und trotzdem den Vorteil, daß der Brennstoff kontinuierlich und leicht beschickt und entladen werden kann;

7. der Reaktor hat den Vorteil, daß »process piping« erforderlich ist und keine Regelstäbe notwendig sind.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 sowie in Fig. 5 bis 7 sind diejenigen Teile, deren Funktion gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 3 unverändert ist, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 dient die gleiche Flüssigkeitsströmung, welche als Kühlmittelmoderator dient, als Reflektorflüssigkeit. Wie ersichtlich, ist die ringförmige Platte 53 bei dieser Ausführungsform nicht vorhanden, so daß zwischen der Einlaßkammer 35 und dem Reflektor 25 eine Verbindung besteht. Der einzige Unterschied, den dies im Bereich des Reaktors zur Folge hat, besteht darin, daß ein anderes Verfahren zur Reflektorregelung erforderlich ist. Die Höhe des Reflektors wird durch den Druck des darüber befindlichen Heliums geregelt. Für die Zufuhr des Heliums sind eine Heliumeinlaßleitung 72 und eine Heliumauslaßleitung 73, die mit dem oberen Ende des Reflektorbereiches 35 verbunden sind, vorgesehen. Die Regelung des Heliumdruckes oberhalb der Reflektorflüssigkeit kann durch an sich bekannte Mittel geschehen. Durch eine Veränderung in diesem Druck wird offensichtlich der Spiegel der Reflektorflüssigkeit verändert.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5, 6 und 7 dargestellt. Fig. 5, 6 und 7 zeigen eine Leitwand 74, die von Flügeln 75 gebildet wird. Jeder Flügel 75 kann durch eine Stange 76 verschwenkt werden, so daß die Flügel 75 zur Bildung eines Rohres, wie in den F i g. 5 und 6 gezeigt, geschlossen oder wie in F i g. 7 gezeigt, geöffnet werden können.

Die Leitwand 74 hat die Aufgabe, die nach oben strömenden Brennstoffpellets in der Mitte des Reaktors von den nach unten strömenden Pellets am Umfang des Reaktors zu trennen. Hierdurch werden zwei Dinge erreicht: Es werden heftige direkte Zusammenstöße zwischen Kugeln, die sich im Reaktor in entgegengesetzten Richtungen bewegen, verhindert, und es wird möglich gemacht, das Brennstoff-Moderator-Verhältnis so einzustellen, daß es sich in der Nähe des optimalen Wertes für eine hohe Reaktivität in der Mitte des Reaktors und in der Nähe des optimalen Wertes nahe dem Umfang zur Plutoniumerzeugung befindet. Um dies zu erreichen, wird die Schicht in der Mitte des Reaktors verdünnt, so daß eine nahezu optimale Reaktivität erzielt wird. Die Pellets, die in dem vergleichsweise großen Mittelbereich des Reaktors ansteigen, werden in dem kleineren Ringteil zusammengedrängt, so daß das Moderator-Brennstoff-Verhältnis viel niedriger ist. Hierdurch wird die Reaktivität in dem ringförmigen Teil verringert, jedoch das Plutonium-Umwandlungs-Verhältnis erhöht. Beispielsweise kann das Moderator-Brennstoff-Verhältnis in der Mitte des Reaktors etwa 2:1 betragen, während gleichzeitig das Moderator-Brennstoff-Verhältnis im ringförmigen Teil 0,4:1 beträgt. Wenn die Flügel, wie gezeigt, verstellbar sind, ist es möglich, den Reaktor als Einzonen- oder als Zweizonenreaktor zu betreiben.

Eine weitere in der Zeichnung nicht gezeigte Ausführungsform ist ein Wirbelschichtreaktor, bei welchem das Moderatorkühlmittel so eingeleitet wird, daß es durch den Reaktor in der Nähe des Umfangs des Reaktorgefäßes nach oben strömt, so daß die Brennstoffpellets in der Mitte des Reaktors nach unten fallen. Auf diese Weise kann der Fluß des Reaktors abgeflacht werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Steuern der Reaktivität eines Kernreaktors, bei dem die in einem flüssigen Moderator befindlichen Spaltstoffstücke dadurch aufgeschwemmt werden, daß der aus dem Moderator und den Spaltstoffstücken bestehende aktive Teil sich in einem zylindrischen Behälter befinden, dessen Boden und dessen Deckel perforiert sind, und daß der Moderator mit variabel einstellbarer Geschwindigkeit von unten nach oben durch diesen Behälter strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der Moderator nur im zentralen Bereich des Behälters entlang der Behälterachse von unten nach oben strömt.

2. Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, der von einem zylindrischen Druckgefäß umgeben ist, in dem sich ein zylindrischer Behälter mit perforiertem Deckel und perforiertem Boden befindet, welcher den aktiven Kern des Reaktors enthält, der in einem flüssigen Moderator Spaltstoffstücke enthält, die aus durch thermische Neutronen spaltbarem Material bestehen und die von korrosionsbeständigen Hüllen umgeben sind, bei dem eine Einlaßleitung für den Moderator in den Boden hinein und eine Auslaßleitung aus dem Deckel herausgeführt ist, und bei dem Einrichtungen zum Beschicken und Entnehmen der Spaltstoffstücke vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische, den aktiven Teil des Reaktors einschließende Behälter einen trichterförmigen Boden hat und daß die Einlaßleitung in eine Düse gerade unterhalb der Mitte des per-

forierten Bodens des Behälters mündet und daß eine bezüglich ihrer Förderleistung verstellbare Pumpe vorgesehen ist, um den Moderatorstrom zu verändern.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Trennwand innerhalb des Behälters, der den aktiven Teil des Reaktors enthält und konzentrisch so zu diesem angeordnet ist, daß sie die Pellets, die sich durch den Moderatorstrom in der Mitte des Behälters nach oben bewegen, und die, die sich nach abwärts bewegen, voneinander trennt.

4. Reaktor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Moderator Wasser ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 952 919.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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