DE1244308B - Schneller Kernreaktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTTWt PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/31

Nummer: 1244 308

Aktenzeichen: U11820 VIII c/21 g

1 244 308 Anmeldetag: 18.Juni 1965

Auslegetag: 13. Juli 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellen Kernrekator mit einem Reaktorkern, welcher durch unter überkritischem Druck zugeführtes und in ihm auf überkritische Temperatur erhitztes Wasser gekühlt wird und einen einem Reaktivitätsanstieg beim Überfluten entgegenwirkenden epithermischen Neutronenabsorber aufweist.

Es ist bereits bekannt, unter überkritischem Druck stehende wäßrige Kühlmittel zur Kühlung von Kernreaktoren zu verwenden, die im Kern auf überkritische Temperaturen erhitzt werden (vgl. französische Patentschrift 1138 847). Bei überkritischem Druck über etwa 224 kg/cm³ findet kein deutlicher Phasenwechsel von Wasser statt, wenn die Temperatur über die kritische Temperatur (374° C) erhöht wird, und daher spricht man von »unter überkritischem Druck befindlichem wäßrigem Kühlmittel«, und zwar wegen der Unsicherheit, ob das strömungsfähige Mittel Wasser oder Dampf ist. Erst vor kurzem ist festgestellt worden, daß schnelle Reaktoren mit einem solchen Kühlmittel gekühlt werden können, und auf solche Reaktoren bezieht sich die Erfindung. Ein schneller Reaktor hat einen Reaktorkern mit einer schnellen Brennstoffzone, wodurch das Fehlen einer großen Menge an Moderator bedingt ist. Er hat somit die Fähigkeit, eine Spaltungs-Kettenreaktion mit einem Hochenergie-Neutronenfluß aufrechtzuerhalten; es soll hierbei davon ausgegangen werden, daß in der schnellen Brennstoffzone diese Reaktion mit einem im Durchschnitt über 1 keV liegenden Neutronen-Energiespektrum aufrechterhalten wird.

Durch die Moderatoreigenschaft eines wäßrigen Kühlmittels, das in einen schnellen Kernreaktor eingeführt wird, wird die mittlere Neutronenenergie herabgesetzt, d. h. das Neutronenspektrum v/ird weicher. Das »weichere« Spektrum hat eine Zunahme der nicht zu Spaltungen führenden Neutroneneinfänge im Verhältnis zur Spaltung des Brennstoffs und auch eine Abnahme sowohl des Ausmaßes der Spaltung in brütbaren Isotopen, wie z. B. U²³⁸, als auch der durchschnittlichen Anzahl der pro Spaltung erzeugten Neutronen zur Folge. Für den Fall, daß die Kühlmitteldichte infolge eines Temperaturanstiegs geringer wird, als dies dem Normalbetrieb entspricht, wird das Spektrum härter, und die vorstehend genannten Faktoren werden entsprechend weniger wirksam, was einen Zuwachs der Neutronenmenge zur Folge hat. Dieser Zuwachs der Neutronenmenge wirkt dem zunehmenden Entweichen von Neutronen aus dem Reaktorkern entgegen, welches auftritt, wenn die Kühlmitteldichte abnimmt. Somit besteht nicht nur ein kleinerer Bereich der Schneller Kernreaktor

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt, Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:
Ronald Tunstall Ackroyd,
Maurice Arthur Perks,
John Erskine Mann,
Allan Barker, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 19. Juni 1964 (25 457)

Reaktivitätsverringerung bei einem Kühlmittelverlust in einem kleinen Reaktorkern, wo ein Entweichen vorherrschend ist, sondern es kann sogar bei größeren Reaktorkernen, wo das Entweichen eine kleinere Rolle spielt, eine Reaktivitätszunahme auftreten. Wenn auch das Auftreten eines Kühlmittelverlustes in der Praxis sehr unwahrscheinlich ist, so ist es doch üblich, die Kernreaktoren so auszulegen, daß sie auch unter diesen Umständen sicher sind; sie sollten, mit anderen Worten, einen negativen Hohlraumkoeffizienten der Reaktivität besitzen.

Es ist bereits bekannt, daß ein Kernreaktorkern, der von einem unter überkritischem Druck stehenden wäßrigen Kühlmittel gekühlt wird, auch bei einem Kühlmittelverlust dadurch gesichert werden kann, daß z. B. ein Prozentsatz Schwerwasser im Kühlmittel vorgesehen wird oder daß eine Verbund- zone aus Festmoderator und Spaltmaterial in die Schnellbrennstoffzone eingeführt wird. Diese Vorschläge lassen erkennen, daß der Fachmann sich gezwungen sieht, komplizierte Maßnahmen zu ergreifen, um annehmbare Grenzen der Reaktivitätsverringerung bei einem Kühlmittelverlust sicherzustellen. Ob und in welchem Ausmaß solche komplizierten Maßnahmen erforderlich sind, hängt davon ab, wie weit die Reaktivität bei einem Kühlmittelverlust außerhalb des gewünschten Randwertes liegen würde. Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines einfachen Mittels, um die Reaktivität nicht unnötig noch weiter zu erhöhen.

709 610/405

Es sei zunächst darauf hingewiesen, daß die Reaktivitätskennlinie als Funktion der Kühlmitteldichte eines durch unter überkritischem Druck stehendes wäßriges Kühlmittel gekühlten schnellen Kernreaktors für einen bestimmten Bereich von Reaktorkernkühlmittel-Bruchteilen die Tendenz zeigt, daß der Reaktorkern bei der maximalen Kühlmitteldichte von 1 g/cm³ überkritisch wird, was gemeinhin mit »Überfluten« des Kerns bezeichnet wird. Um einer Divergenz beim Uberfluten entgegenzuwirken, wird zweckmäßig das bekannte Mittel angewandt, im Reaktorkern einen epithermischen Neutronenabsorber vorzusehen, d. h. einen Absorber, der einen großen Einfangquerschnitt für Neutronen mit Energien im thermischen Bereich hat (vgl. die Zeitschrift »Nuclear Powers«, 1961, Oktober, S. 75). Ein derartiger Absorber wird zunehmend wirksam für den Neutroneneinfang, wenn das Neutronenenergiespektrum weicher wird, und wird so gewählt, daß er seine Spitzenwirksamkeit vor der 0,3-eV-Spaltresonanz des Pu²³⁹ erreicht, welches zu dem Reaktivitätsanstieg bei der Überflutung wesentlich beiträgt. Bekannte Absorber in dieser Kategorie sind Hafnium, Indium, Europium, und diese werden am wirksamsten in bekannter Weise von gleichmäßiger Dispersion im Brennstoffmaterial der Brennstoffelemente in den Kern eingeführt (vgl. britische Patentschrift 796 989 und das Reactor Handbook/Materials, Bd. I, PartD, Kap. 35).

Erfmdungsgemäß wird bei einem schnellen Kernreaktor der eingangs genannten Gattung der epithermische Absorber dort im Reaktorkern konzentriert, wo beim Normalbetrieb die Kühlmitteldichte kleiner als an irgendeiner anderen Stelle im Kern ist. Vorzugsweise ist der epithermische Absorber ausschließlich in diesem Teil des Reaktorkerns angeordnet. In dem in Frage stehenden Teil des Reaktorkerns ist die Zunahme der Dichte beim Überfluten größer als der Durchschnitt über den Kern als Ganzes, und daher ist die Wirkung des Absorbers beim Überfluten ausgeprägter. Umgekehrt ist die Abnahme der Dichte bei einem Kühlmittelverlust geringer und somit die Zunahme der Reaktivität unter diesen Umständen geringer als dann, wenn der Absorber überall gleichmäßig verteilt wäre.

Vorzugsweise bildet der Teil des Reaktorkerns mit niedriger Dichte das Kernzentrum — eine Anordnung, welche zweckmäßig durch einen Kühlmittelstrom mit mehreren hintereinandergeschalteten Durchgängen von außen nach innen erzielt wird.

Da der erste Durchgang im äußeren Teil des Kerns infolge einer relativ niedrigen Einlaßtemperatur eine genügend hohe Dichte des Kühlmittels aufweist, wird ein radiales Ausströmen der Neutronen bei Normalbetrieb wesentlich unterdrückt und dadurch die Flußverteilung im wesentlichen abgeflacht.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, die einen Längsschnitt durch einen schnellen Kernreaktor wiedergibt.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform ist ein schneller Kernreaktor mit einer thermischen Leistung von 42 MW, dessen Kern durch unter überkritischem Druck stehendes wäßriges Kühlmittel gekühlt wird, welches drei Durchgänge durch eine äußere, mittlere und eine zentrale Zone des Reaktorkerns ausführt, wobei der in der Zeichnung gezeigten Konstruktion folgende Angaben zugrunde liegen:

Grundabmessungen

Kerndurchmesser 665,5 mm

Abstand über die Flächen von sechseckigen Brennstoffgruppen 10,5 mm

Brennstoffgruppenabstand 10,5 mm

Brennstoffdicke 2,5 mm

Brennstoffplattendicke 3,0 mm

Brennstoffhüllendicke 0,25 mm

Brennstoffplattenabstand 3,36 mm

Brennstofflänge 475 mm

Brennstoff

Brennstoffvolumen 924,4 · IO³ mm³

Brennstoffgewicht 8,22 · IO⁵ g

Brennstoffdichte 8,94 g/cm³

Brennstoff gruppen

Gesamtzahl der Brennstoffgruppen

^a5 Anzahl von Brennstoffplatten pro Brennstoffgruppe

Anzahl von Brennstoffgruppen im ersten Durchgang

Anzahl von Brennstoffgruppen im zweiten Durchgang Anzahl von Brennstoffgruppen im dritten Durchgang

Kernvolumenbruchteile

Rostfreier Stahl (Umhüllung und

Brennstoffgruppeneinhüllung) 0,34

Kühlmittel 0,11

Cermet (60 % rostfreier Stahl

40% Oxyd) 0,55

Oberer Axialreflektor (610 mm) Volumenbruchteiie

Stahl 0,226

Kühlmittel bei der mittleren

Dichte von 0,227 g/cm³ 0,774

Volumenbruchteile des unteren Axialreflektors

Oben (76,2 mm)

Stahl 0,50

Kühlmittel bei 0,46 g/cm³ .... 0,50

Unten (305 mm)

Stahl 0,25

Kühlmittel 0,75

Radialrefiektor

Innen (150 mm)

Kühlmittel bei 0,808 g/cm³ Außen (254 mm)

Stahl

Brennstoffleistungen

Durchschnittleistung des ersten

Durchgangs (W/g) 51,6

Durchschnittsleistung des zweiten

Durchgangs (W/g) 50,0

Durchschnittsleistung des dritten

Durchgangs (W/g) 45,2

Spitzenleistung (W/g) 70,6

Claims (1)

Kühlmittelbedingungen Massenströmung 635 · IO5 g/herster Durchgangzweiter Durchgangdritter DurchgangEinlaßtemperatur (0C) 259384460Auslaßtemperatur (0C) 384460565Mittlere Temperatur (0C) 645407510Einlaßdichte (g/cm3) 0,810,230,10Auslaßdichte (g/cm3) 0,230,100,07Mittlere Dichte (g/cm3) 0,540,160,09 Der vorstehend spezifizierte Brennstoff ist in Brennstoffbaugruppen enthalten, die in aufrechter paralleler Beziehung zueinander dicht gepackt sind, um dadurch einen Reaktorkern zu bilden, der allgemein mit 11 bezeichnet ist. Jede Brennstoffgruppe weist ein an den Enden offenes sechseckiges Gehäuse 12 auf, in dem der Brennstoff in Form eines Paketes aus parallel im Abstand voneinander angeordneten Brennstoffplatten gehalten ist. Das Brennstoffmaterial in diesen Platten ist ein Keramik-Metall-Gemisch (Cermet) der gemischten Dioxyde aus Uran und Plutonium, die in einer Matrix aus rostfreiem Stahl dispergiert sind, wobei die Volumenverhältnisse 40% gemischte Oxyde und 60% rostfreier Stahl betragen und die gemischten Oxyde eine Anreicherung (d. h. ein Verhältnis von Plutonium- zu Plutoniumplus Uranatomen) von 70% darstellen. Um die oberen und unteren Axialreflektoren sowie die Verbindung der Reaktorkerndurchgänge untereinander zu bilden, sind die Gehäuse 12 der Brennstoffbaugruppen sowohl oben als auch unten durch hohlzylindrische Dorne 13 und 14 mit einem Außendurchmesser, der kleiner als der Abstand der Flachseiten des Gehäusesechsecks ist, verlängert; ein geeigneter Durchmesser beträgt etwa 51 mm. Die oberen Dorne 13 sind kurz und sitzen in Öffnungen 15 eines abnehmbaren Blocks 16. Die unteren Dorne 14 sind länger, um nach der Seite öffnende Schlitze 17 zu bilden. In bezug auf die äußere Reihe von Brennstoffgruppen sind die Schlitze 17 zum Radialreflektorraum 18 hin offen, der den Reaktorkern mit gleichmäßiger Breite umgibt; in bezug auf die anderen Brennstoffgruppen befinden sich die Schlitze 17 in Rohren 19 des KernhaIteaufbaus 20. Es ist nun ersichtlich, daß das Einlaßkühlmittel, das durch eine Kühlmitteleinlaßdüse 21 am oberen Ende eines Reaktordruckbehälters 22 eingelassen wird, der den Reaktorkern 11 aufnimmt, seinen Weg durch einen Ring von Perforierungen 23 und den Radialreflelctoraum 18 zu den Schlitzen 17 in den unteren Dornen 14 der äußersten Reihe von Brennstoffgruppen nimmt. Es soll noch bemerkt werden, daß der Radialrefiektor durch das Einlaßkühlmittel in dem Raum 18 zusammen mit einem umgebenden Ring aus Stahl 24 gebildet wird. Das Kühlmittel strömt an den Brennstoffgruppen der äußersten Reihe hinauf, um dadurch den ersten Durchgang auszuführen und wird dann in einem Hohlraum 25 des abnehmbaren Blocks 16 aufgenommen. Die Öffnungen 15 bezüglich der beiden äußeren Reihen von Brennstoffgruppen sind durch diesen Hohlraum 25 miteinander verbunden, wobei die übrigen Öffnungen 15 von dem Hohlraum durch Rohre 26 getrennt sind, die sie unmittelbar mit einer Auslaßleitung 27 verbinden. Daher folgt dem ersten Durchgang ein zweiter, nach unten verlaufender Durchgang durch die nächste Reihe von Brennstoffgruppen. Die Rohre 19 des Kernhalteaufbaus 20 stehen an ihren unteren Enden miteinander in Verbindung, und daher folgt dem zweiten Kühlmitteldurchgang ein dritter, nach oben verlaufender Durchgang durch die Gruppe von Brennstoffanordnungen, die aus der mittleren Anordnung und der sie unmittelbar umgebenden Reihe besteht. Bei Beendigung des dritten Durchgangs strömt das Kühlmittel durch die Rohre 26 und die Auslaßleitung 27 zu einer Kühlmittelauslaßdüse 28 am oberen Ende des Reaktorbehälters 22. Es sollen noch kurz die weiteren, sich aus der Zeichnung ergebenden Merkmale behandelt werden: Eine Auskleidung 29 mit einer Bodenöffnung 30 ist durch einen Spalt 31 von der Innenfläche des Reaktorbehälters 22 getrennt; mit einem dünnwandigen Innenbehälter 32, durch den der Kernhalteaufbau 20 getragen wird, bildet diese Auskleidung 29 einen weiteren Spalt 33. Von einer entsprechenden Stelle im Kühlkreislauf außerhalb des Behälters 22 wird Kühlmittel einer Einlaßdüse 34 bei überkritischem Druck und so niedriger Temperatur zugeführt, daß die mittlere Dichte beim Strömen von dieser Einlaßdüse zu einer Auslaßdüse 35 0,96 g/cm3 beträgt. Der Weg zwischen diesen Düsen verläuft durch die Spalte 31 und 33 und den unteren Reflektorraum 36. Die verhältnismäßig dicken Kühlmittel-Reflektorschichten, die den Reaktorkern auf allen Seiten umgrenzen, ermöglichen eine Reaktivitätskontrolle von so hohem Ausmaß, daß bei einer Kühlmitteldichte von Null, d. h. bei einem vollständigen Kühlmittelverlust, ein beträchtlicher Verlust an Reaktivität erfolgt. Um eine Reaktivitätsverringerung beim Überfluten sicherzustellen, wird Europiumoxyd dem Brennstoff als gleichmäßige Dispersion im Cermet-Brennstoffmaterial zugesetzt, aber dieser Zusatz ist auf den Brennstoff in den Baugruppen des zweiten und des dritten Durchgangs beschränkt, wobei die zugesetzte Menge 3 Volumprozent dieser beiden Durchgänge des Reaktorkerns entspricht. Es wird geschätzt, daß auf diese Weise die Reaktivitätsverringerung beim Überfluten 1,7% beträgt. Obgleich durch den Zusatz eine Herabsetzung des Wertes der Verringerung bei einem vollständigen Kühlmittelverlust entsteht, wird der erhaltene Wert trotzdem noch auf 4,9% geschätzt, und er ist viel besser, als er es dann gewesen wäre, wenn der epithermische Absorber gleichmäßig in allen Durchgängen verteilt gewesen wäre. Patentansprüche:

1. Schneller Kernreaktor mit einem Reaktorkern, welcher durch unter überkritischem Druck zugeführtes und in ihm auf überkritische Temperatur erhitztes Wasser gekühlt wird und einen