DE1414964B1 - Water-cooled nuclear reactor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Kernreaktor mit einem innerhalb eines Reaktorgefäßes angeordneten Kern aus Brennelementen, die eine homogene Mischung aus festem Metallhydrid als Moderatormaterial und festem spaltbarem Material enthalten.The invention relates to a water-cooled nuclear reactor with one arranged within a reactor vessel Core made of fuel elements, which is a homogeneous mixture of solid metal hydride as a moderator material and solid fissile material.

Ein derartiger Kernreaktor mit Uran-Zirkoniumhydrid-Brennstoffelementen, bei denen die Zirkonhydride in verschiedenen Phasen und Kombinationen auftreten, ist aus der Druckschrift »Nuclear Fuel Elements« von Henry H. Hausner und James F. S chum ar, 1959, S. 79 bis 93, bekannt; dort ist auf den S. 80 und 81 der Verhältniswert von Wasserstoff zu Zirkonium mit 1:1 angegeben. Außerdem ist in Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, 8. Auflage, System Nr. 42 (Zirkonium-Band), 1958, S. 197 bis 208 und insbesondere auf S. 205 unter anderem erwähnt, daß bei etwa 50 Atomprozent H eine Deltaphase mit kubisch flächenzentriertem Gitter existiert.Such a nuclear reactor with uranium-zirconium hydride fuel elements, in which the zirconium hydrides occur in different phases and combinations, is from the publication »Nuclear Fuel Elements ”by Henry H. Hausner and James F. Shum ar, 1959, pp. 79 to 93; there is on pages 80 and 81 the ratio of hydrogen to zirconium is given as 1: 1. Also is in Gmelin's Handbook of Inorganic Chemistry, 8th Edition, System No. 42 (Zirconium Band), 1958, Pp. 197 to 208 and in particular on p. 205 mentioned, inter alia, that at about 50 atomic percent H a delta phase with a face-centered cubic lattice exists.

Der derzeitige Stand der Technik sowie die Aufgaben und Erfordernisse für Reaktoren dieser Art sind ferner beispielsweise in der Zeitschrift »Nucleonics«, Bd. 17, Br. 2, Februar 1959, auf den S. 46 bis 60 beschrieben. Dort ist auf S. 48 gesagt, daß die gasgekühlte Anlage mit hoher Anreicherung im Vergleich mit einem System mit Wasserkühlung die Vorteile des geringeren Gewichts, der kleineren Anzahl von Einzelteilen bietet und dabei frei von dem Erfordernis einer Wasserergänzung aus der Umgebung ist.The current state of the art as well as the tasks and requirements for reactors of this type are also described, for example, in the journal "Nucleonics", Vol. 17, Br. 2, February 1959, on pp. 46-60. There it is said on p. 48 that the gas-cooled system with high enrichment in comparison with a system with water cooling the advantages of the lower weight, the smaller number of Offers individual parts and is free from the requirement of a water supplement from the environment.

Aus der britischen Patentschrift 879 282 ist es bekannt, Zirkoniumhydride als Moderator im Überhitzerteil eines Siedewasserreaktors zu verwenden und durch die räumliche Änderung der Wasserstoffdichte im Moderator die räumliche Flußverteilung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung zu glätten (vgl. insbesondere S. 3, Zeilen 108 bis 114). Aus dieser Patentschrift ist es ferner an sich bekannt, daß die Brennelemente von prismenförmigen Halteteilen gehalten sind, von denen jedes eine Anzahl im Abstand voneinander angeordneter Brennelemente enthält, und daß die prismenförmigen Anordnungen in dem Reaktordruckgefäß herausnehmbar angeordnet sind (vgl. insbesondere F i g. 7 und die dazugehörige Be-Schreibung). From British patent specification 879 282 it is known to use zirconium hydrides as a moderator in the superheater part of a boiling water reactor and by the spatial change of the hydrogen density to smooth the spatial flow distribution in the moderator both in the radial and in the axial direction (see in particular p. 3, lines 108 to 114). From this patent it is also known per se that the Fuel assemblies are held by prism-shaped holding parts, each of which is a number at a distance contains fuel elements arranged from one another, and that the prism-shaped arrangements in the reactor pressure vessel are arranged to be removable (cf. in particular FIG. 7 and the associated description).

Bremsstoffe mit festen Metallhydriden und das Arbeiten von Siedewasserreaktoren im epithermischen Spektrum sind ebenfalls schon an sich bekannt, man glaubte aber bisher, daß normales Leitungswasser in einem epithermischen Reaktor überhaupt nicht verwendet werden könne und daß bei derartigen Reaktoren das Sieden unter allen Umständen vermieden werden müsse (s. »Proceedings of the Second International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Bd. 10, S. 60 bis 64, Genf, September 1958).Braking agents with solid metal hydrides and the working of boiling water reactors in epithermal Spectrum are also already known per se, but it was previously believed that normal tap water was in an epithermal reactor could not be used at all and that with such reactors boiling must be avoided under all circumstances (see »Proceedings of the Second International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy ", Vol. 10, pp. 60-64, Geneva, September 1958).

Ein Reaktor, der mit siedendem Wasser arbeitet, muß in dem Kern eine erhebliche Dampfmenge bilden, um eine große Wärmemenge extrahieren zu können. Ein kleiner Kern erfordert daher eine starke Dampfkonzentration. Unter diesen Umständen ist die Stabilität und die Steuerung des Reaktors schwierig zu verwirklichen, weil sich die Neutronendämpfung vollständig in Wasser abspielt. Große Dampfmengen führen zu umfangreichen zufallsbedingten Schwankungen des Leistungspegels und zu ungewöhnlich umfangreichen Kontrollmaßnahmen, wenn große Mengen reaktionsfähiger Substanzen in dem Wasser eingeschlossen sind.A boiling water reactor must have a significant amount of steam in the core form in order to be able to extract a large amount of heat. A small core therefore requires a strong one Vapor concentration. Under these circumstances, the stability and control of the reactor is difficult to be realized because the neutron attenuation takes place completely in water. Large amounts of steam lead to extensive random fluctuations in power level and abnormal extensive control measures if there are large amounts of reactive substances in the water are included.

Eine geringe Dampfkonzentration kann durch Benutzung eines stark umlaufenden Kühlstromes erzielt werden. Dabei ergibt sich aber der Nachteil, daß außerordentlich große Pumpleistungen erforderlich werden würden, wenn man nicht bei einem umfangreichen Kern einen breiten Kühlspalt benutzen würde, um eine natürliche Zirkulation herbeizuführen, wie dies bei den EBWR-, ALPR- und VBWR-Anlagen der Fall ist.A low vapor concentration can be achieved by using a strong circulating cooling flow will. This has the disadvantage, however, that extremely large pump capacities are required would be if one did not use a wide cooling gap with a large core, to bring about a natural circulation, as is the case with the EBWR, ALPR and VBWR systems the case is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ίο Kernreaktor zu schaffen, der die nachstehend angeführten Forderungen erfüllt:The invention is based on the object to provide a ίο nuclear reactor that has the following Requirements met:

1. Der zu schaffende Kernreaktor soll als Moderatorsubstanz feste Stoffe benutzen, eine Heißwasserkühlung besitzen und erheblich größere Kraft- und Leistungsdichten als die bisher bekannten Kernreaktoren aufweisen.1. The nuclear reactor to be created should use solid substances as moderator substance, hot water cooling and have considerably greater power and power densities than the previously known nuclear reactors exhibit.

2. Der Reaktor soll ferner einen merklich verringerten Reaktivitätseffekt zeigen.2. The reactor should also show a markedly reduced reactivity effect.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem wassergekühlten Kernreaktor der eingangs geschilderten Art die Brennelemente im Kern ein epithermisches Neutronenenergiespektrum erzeugen und das Kühlwasser zum ( Sieden bringen.This object is inventively achieved in that in a water-cooled nuclear reactor of the type described, the fuel assemblies in the core of a epithermal neutron energy spectrum generate and bring the cooling water to the (boiling.

In zweckmäßiger Weise sind in dem oben beschriebenen Kernreaktor zur Abflachung der radialen Energieverteilung im Kern die Brennelemente im Kern längs des Kernradius mit zunehmender Erhöhung der Wasserstoffkonzentration angeordnet.Conveniently are in the nuclear reactor described above to flatten the radial Energy distribution in the core the fuel elements in the core along the core radius with increasing increase the hydrogen concentration arranged.

Der entscheidende Vorteil des wassergekühlten oben beschriebenen Kernreaktors ist darin zu sehen, daß an sich bekannte Elemente miteinander so kombiniert sind, daß man einen ungewöhnlich kleinen Kernreaktor mit äußerst gedrängtem Aufbau erhält, der eine erhebliche Leistung abgeben kann. Außerdem ergibt sich auch eine höhere spezifische Leistung unter Verringerung der Reaktivitätswirkungen, die sich aus den Änderungen der Wasserkonzentration infolge des Siedevorgangs ergeben.The decisive advantage of the water-cooled nuclear reactor described above is to be seen in that per se known elements are combined with one another in such a way that one has an unusually small nuclear reactor with an extremely compact structure that can deliver a considerable amount of power. aside from that there is also a higher specific power while reducing the reactivity effects that result the changes in the water concentration as a result of the boiling process.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß in dem Kernreaktor normales Leitungswasser verwendet werden kann.Another advantage can be seen in the fact that normal tap water is used in the nuclear reactor can.

Für den Umlauf des Kühlmittels sind weniger als 2% der Reaktorleistung erforderlich.Less than 2% of the reactor power is required to circulate the coolant.

Bei einem Reaktor, der einen Flüssigkeits- oder Heißwassermoderator benutzt, müßte man die günstigste Menge des Austrittsdampfes auf etwa 2% begrenzen, bei einem Verhältnis der Zirkulation von 50:1, verglichen mit dem Wert von 10% und einem Verhältnis der Zirkulation von 10:1, bei dem oben beschriebenen Kernreaktor.In a reactor that uses a liquid or hot water moderator, one would have to choose the cheapest Limit the amount of outlet steam to around 2% with a circulation ratio of 50: 1 compared to the 10% value and a 10: 1 circulation ratio at the above described nuclear reactor.

Im folgenden soll der oben beschriebene Kernreaktor unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen näher erläutert werden. In der Zeichnung ist F i g. 1 eine Seitenansicht einer kompletten Reaktoranlage mit dem oben beschriebenen Kernreaktor, auf ein Fahrzeug aufgebaut;In the following, the nuclear reactor described above with reference to the drawing in are explained in more detail. In the drawing, F i g. 1 is a side view of a complete reactor plant with the nuclear reactor described above, mounted on a vehicle;

F i g. 2 die Ansicht eines Schnitts durch einen Teil des Dampfkondensators;F i g. 2 is a view of a section through part of the steam condenser;

F i g. 3 die Ansicht eines Teilschnitts durch den oben beschriebenen Kernreaktor;F i g. 3 is a view of a partial section through the nuclear reactor described above;

F i g. 4 die Ansicht eines Querschnitts nach Linie 4-4 der F i g. 3;
F i g. 5 eine schaubildliche Darstellung eines Brennelementes; F i g. 4 is a view of a cross section along line 4-4 of FIG. 3;
F i g. 5 is a diagrammatic representation of a fuel assembly;

F i g. 6 ein Schaubild der Phasen des Zirkon-Hydrids;
F i g. 7 eine Darstellung der relativen, radialenF i g. 6 is a diagram of the phases of zirconium hydride;
F i g. 7 shows a representation of the relative, radial

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Leistungsverteilung für verschiedene Wasserstoff- sich im Innern einer Hülse 59, welche durch die AbKonzentrationen und schirmungen 53 und den Neutronenschirm 54 und denPower distribution for different hydrogen itself inside a sleeve 59, which by the AbKonzentrations and shields 53 and the neutron screen 54 and the

F i g. 8 eine schematische Darstellung des Kreis- kugelförmigen Behälter 45 hindurchgreift,
laufes in der Kraftwerksanlage. Von einem oberen Flansch 60 des primären Druckin den Zeichnungen zeigt die F i g. 1 die Gesamt- 5 kesseis 48 wird ein Abschirmdeckel 61 getragen, der anlage des Kernreaktor-Kraftwerks. Sie besteht aus eine Anzahl von Bolzen 62 enthält, um eine Druckeinem Anhänger 20 mit einer größeren Anzahl von dichtung an der Dichtungsstelle 63 des Flansches 60 Rädern und dem elektrischen Teil 22 der Ausrüstung, aufrechtzuerhalten. Von dem mittleren Teil des einem luftgekühlten Dampfkondensator 24 auf dem Abschirmdeckels 61 ragt ein mittlerer Abschirmvorderen Teil des Anhängers 20 und einem Gefäß 26 io behälterteil 65 nach unten, der eine Reihe von Stufen auf dem rückwärtigen Teil des Anhängers. Der luft- 66 aufweist, um eine Radialströmung zu verhindern, gekühlte Dampfkondensator 24 ist auf Stützen 28 auf- Ferner ist eine Leitfläche 67 vorhanden, die das Kühlgebaut, so daß die Eingangsleitungen 29 und der mittel aus seinem längsgerichteten Richtungssinn in Ventilator 30 (s. F i g. 2) zwischen dem Rahmen des eine radial gerichtete Richtung auf den Kühlmittel-Anhängers 20 und dem Boden des Dampfkonden- 15 austritt 68 zu richtet. Der Kühlmittelaustritt 68 ist sators 24 installiert werden können. Der Dampf- an ein Ableitungsrohr 69 angeschweißt, welches in kondensator besteht aus einer Anzahl vertikal neben- einer abgedichteten Hülse 70 steckt,
einander angeordneter Kaskaden-Verdampfer 31 mit Innerhalb des mittleren Abschirmbehälterteils 65 progressiv abnehmenden Radien, die über dem Ven- befindet sich in dem unteren Teil ein Nickelreflektor 71 tilator 30 angeordnet sind und in einem Raum unter- 20 und eine obere Abschirmung 72 aus boriertem Zirkongebracht sind, der aus einer Kondensatoreinheit 32 Hydrid, welche Kühlschlagen enthält und den Rest mit vier Quadranten besteht. Jede Einheit 32 ist über des mittleren Abschirmbehälterteils 65 ausfüllt. Der einen Kopfteil mit dem Austrittsstutzen der Turbine mittlere Abschirmbehälterteil 65 kann aus mehreren, auf der kombinierten Welle 34 verbunden. Eine Anzahl nicht dargestellten Teilen bestehen, um eine abgevertikaler Stäbe (Binder) 33 und ein Deckel 35 ver- 25 dichtete Kammer zu bilden.F i g. 8 is a schematic representation of the circular-spherical container 45 reaching through it,
run in the power plant. Of an upper flange 60 of the primary print in the drawings, FIG. 1 the entire 5 boiler 48 is supported by a shielding cover 61, the system of the nuclear reactor power plant. It consists of a number of bolts 62 containing to maintain pressure on a trailer 20 with a greater number of seals at the sealing point 63 of the flange 60 of the wheels and the electrical part 22 of the equipment. From the middle part of an air-cooled steam condenser 24 on the shielding cover 61 protrudes a middle shielding front part of the trailer 20 and a vessel 26 io container part 65 down a series of steps on the rear part of the trailer. The air 66 has, in order to prevent a radial flow, cooled steam condenser 24 is on supports 28. There is also a guide surface 67, which builds the cooling, so that the inlet lines 29 and the medium from its longitudinal direction in fan 30 (see Fig. Fig. 2) between the frame of a radially directed direction towards the coolant trailer 20 and the bottom of the steam condensate 15 outlet 68 directed. The coolant outlet 68 is sators 24 can be installed. The steam - welded to a discharge pipe 69, which consists of a number of vertically next to a sealed sleeve 70 stuck in the condenser,
Cascade evaporator 31 arranged one another with progressively decreasing radii within the middle shielding container part 65, which are arranged above the fan in the lower part a nickel reflector 71 fan 30 and are housed in a space 20 and an upper shield 72 made of borated zirconium , which consists of a condenser unit 32 hydride, which contains cooling beats and the remainder with four quadrants. Each unit 32 is filled over the central shielding container part 65. One of the head part with the outlet connection of the turbine middle shielding container part 65 can consist of several connected on the combined shaft 34. A number of parts, not shown, exist in order to form a vertical rod (binder) 33 and a lid 35 compacted chamber.

vollständigen die Anlage. Der Kern 75 ist unterhalb des mittleren Abschirm-Im Innern des Gefäßes 26 befindet sich der Sammler- behälterteils 65 angeordnet, wie dies im folgenden behälter 36, der Überhitzer 37, der Deionisator 38, die noch näher beschrieben werden soll. Der Ringraum Speisepumpe 39 für niederen Druck, die Zirkulations- zwischen dem mittleren Abschirmbehälterteil 65 und pumpe 40, der Separator 41, die kombinierte Wellen- 30 dem Kern sowie der primäre Druckkessel 48 sind einheit 34 und der Reaktorschirm sowie das mit 43 innerhalb einer ringförmigen Abschirmung angebezeichnete Druckgefäß. Der Raum des Behälters 26 ordnet, und der Reflektionszylinder 74 hat ein äußeres wird von einer Anzahl nicht dargestellter Behälter- Gehäuse 76 aus nichtrostendem Stahl. Nahe bei dem stützen getragen. Kern 75 befindet sich der Reflektor 77, der aus einem Der Reaktor, die Abschirmung und das Druck- 35 konzentrischen Nickelzylinder von 10 cm Wandstärke gefäß 43 sind im einzelnen in den F i g. 3 und 4 dar- besteht und aus einem Teil aus Hafniumhydrid von gestellt; sie bestehen im wesentlichen aus einem kugel- 5 cm Dicke innerhalb der Steuerwalze 79, die den förmigen Behälter 45, welcher oben eine Öffnung Durchmesser von 30 cm des Kerns 75 auf eine Länge besitzt, in die ein Stützflansch 46 durch Verschweißen von 43 cm umgibt. Innerhalb dieser kreiszylindrischen an den Stellen 47 dicht eingesetzt ist. Der Stützflansch 40 Reflektoranordnung befinden sich die zylindrischen 46 weist eine Anzahl von Bohrungen 44 auf, durch Bohrungen 78 zur Aufnahme der acht Steuerwalzen 79 die Bolzen nach unten greifen, um den primären (s. F i g. 4). Die mit Wasser geschmierten Lager-Druckkessel 48 zu halten. Ein Sekundärkessel 49 aus büchsen 80 für die Steuerwalzen 79 sind in den Reflek-Borstahl wird von (nicht dargestellten) Armen im tor 77 hineingearbeitet. Der obere Teil 81 der Reflek-Innern des Behälters 45 gehalten und ist gegen den 45 türanordnung aus Nickel wirkt als ein Stück der oberen Flansch des Druckgefäßes abgedichtet. Der oberen Abschirmung, und es folgt auf ihn ein Zylinder Stahlkessel 49 besitzt oben ein Halsstück 50 und einen 82 aus boriertem Zirkonhydrid. Der untere Reflektor kugelförmigen unteren Teil 51. Eine Isolationsschicht besteht aus metallischem Nickel und enthält den 52, in welcher Kühlschlangen untergebracht sind, Raum 83 für den Zutritt des Wassers. Die gesamte trennt den Sekundärkessel 49 von dem primären 50 radiale Reflektoranordnung einschließlich der Steuer-Druckkessel 48 und von der Abschirmung 53 aus walzen 79 kann als in sich geschlossene Einheit ab-Zirkon-Wasserstoffborat. Die Abschirmung 53 besitzt genommen werden. Auf diese Weise besteht der Reeine äußere kugelförmige Fläche, die in Berührung aktor also in radialer Richtung gesehen aus dem Kern, mit der Isolationsschicht 52 steht und eine innere einer 10 cm starken Nickelschicht mit einer 5 cm zylindrische Ausnehmung, in welcher der primäre 55 starken Auflage aus Hafniumhydrid oder boriertem Druckkessel 48 abgestützt ist. Zirkonwasserstoff in den Steuerwalzen, einer 19 mm Der untere Teil des primären Druckkessels 48 ist starken Schicht aus rostfreiem Stahl, einer 6,35 mm von einem feststehenden Neutronenschirm 54 um- starken Schicht aus boriertem Stahl, einem 5 cm geben, der aus einer Verkleidung 55 aus Borstahl be- dicken Teil aus Uran, einer 6,3 mm starken Schicht steht, die einen leeren Urankern 56 bedeckt. Die 60 aus boriertem Stahl, einer Strecke von 30 bis 40 cm Innenfläche der Abschirmung 53 in der Nähe der Ver- boriertem Zirkonwasserstoff und einem Stück von kleidung 55 des Neutronenschirmes 54 ist mit Kühl- 50 bis 68 cm starken Mantel aus boriertem Wasser, schlangen ausgerüstet, um die Temperaturgradienten Die Reaktorsteuerung und ihre Abstellung wird zu verkleinern. mit Hilfe von acht rotierenden Reflektortrommeln 79 Der Boden des primären Druckkessels 48 besitzt 65 bewirkt, die einen Durchmesser von 15,2 cm und eine einen Kühlmittelzutritt 57 (für Wasser), an welchen Länge von 45,7 cm haben. Jede dieser Trommeln hat ein Zuleitungsrohr 58 für das Kühlmittel angeschweißt einen Steuerbereich von ungefähr 160° Drehwinkel, ist. Die Rohrleitung 58 für das Kühlmittel befindet Die Walzen haben einen gemeinsamen Antrieb. Diecomplete the plant. The core 75 is below the central shield Im The collector container part 65 is arranged inside the vessel 26, as follows container 36, the superheater 37, the deionizer 38, which will be described in more detail. The annulus Feed pump 39 for low pressure, the circulation between the middle shielding container part 65 and pump 40, the separator 41, the combined shaft 30, the core and the primary pressure vessel 48 are unit 34 and the reactor shield as well as that marked with 43 within an annular shield Pressure vessel. The space of the container 26 is arranged, and the reflection cylinder 74 has an exterior is of a number of non-illustrated container housings 76 made of stainless steel. Next to that support worn. Core 75 is the reflector 77, which consists of a reactor, the shield and the pressure 35 concentric nickel cylinder with a wall thickness of 10 cm vessel 43 are shown in detail in FIGS. 3 and 4 and consists of a part of hafnium hydride of posed; they consist essentially of a spherical 5 cm thickness within the control roller 79, which the shaped container 45, which at the top has an opening diameter of 30 cm of the core 75 for a length has, in which a support flange 46 surrounds by welding of 43 cm. Inside this circular cylindrical is inserted tightly at points 47. The support flange 40 is the cylindrical reflector assembly 46 has a number of bores 44, through bores 78 for receiving the eight control rollers 79 the bolts grip down to the primary (see Fig. 4). The pressure vessels lubricated with water 48 to keep. A secondary boiler 49 from sleeves 80 for the control rollers 79 are in the Reflek boron steel is worked into gate 77 by arms (not shown). The upper part 81 of the Reflek interior of the container 45 and is held against the 45 door assembly made of nickel acts as a piece of the sealed upper flange of the pressure vessel. The upper shield, and it is followed by a cylinder Steel shell 49 has a neck piece 50 and a neck piece 82 made of borated zirconium hydride. The lower reflector spherical lower part 51. An insulation layer consists of metallic nickel and contains the 52, in which cooling coils are housed, space 83 for the access of the water. The whole separates the secondary vessel 49 from the primary 50 radial reflector assembly including the control pressure vessel 48 and from the shield 53 from rolling 79 can as a self-contained unit from zirconium hydrogen borate. The shield 53 has to be taken. In this way, the ree consists of an outer spherical surface which, in contact with the actuator, consists of the core, seen in the radial direction, with the insulation layer 52 and an inner layer of 10 cm thick nickel with a 5 cm cylindrical recess in which the primary 55 thick layer of hafnium hydride or borated Pressure vessel 48 is supported. Zirconium hydrogen in the control rollers, one 19 mm The lower part of the primary pressure vessel 48 is thick layer of stainless steel, a 6.35 mm thick from a fixed neutron screen 54 encircled by a layer of borated steel, a 5 cm thick give, the part made of uranium, a 6.3 mm thick layer, which consists of a cladding 55 made of boron steel which covers an empty uranium core 56. The 60 made of borated steel, a distance of 30 to 40 cm Inner surface of the shield 53 near the borne zirconium and a piece of clothing 55 of the neutron screen 54 is with cooling 50 to 68 cm thick jacket made of borated water, serpentines fitted to the temperature gradients The reactor control and its shutdown is to zoom out. with the help of eight rotating reflector drums 79. The bottom of the primary pressure vessel 48 has 65 causes that have a diameter of 15.2 cm and one a coolant inlet 57 (for water), 45.7 cm in length. Each of these drums has a supply pipe 58 welded on for the coolant a control range of approximately 160 ° rotation angle, is. The pipe 58 for the coolant is located. The rollers have a common drive. the

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Walzen bestehen aus einem Teil aus Nickel 85 und schirmbehälterteils 65 eingepaßt ist. Auf diese Weise einem Teil aus Hafniumhydrid oder Borat 86, die wird die obere Abschirmung als Niederhaltung für mechanisch miteinander verbunden sind und dadurch die Brennelementanordnung benutzt. Im unteren vor dem Kühlwasser geschützt sind, daß sie mit einer Teil jedes prismenförmigen Teils 94 befindet sich ein Buchse 87 aus rostfreiem Stahl umgeben sind. Die 5 Stift 106, der die axiale Ausrichtung des prismen-Steuerwalzen sind auf Hohlwellen 88 befestigt, durch förmigen Teils 94 in der Längsrichtung aufrechterhält, die das Kühlwasser zirkuliert. Diese Wellen, die in Die Brennmaterialzusammensetzung ist eine Zirkon-Lagern 80 mit Wasserschmierung ruhen, ragen durch Hydrid-Uran-Legierung. Es können jedoch auch den Reflektionszylinder 74 und den Abschirmdeckel 61 andere Hydride mit gleichen Merkmalen benutzt bis zu dem Betätigungsantrieb 90 hindurch. Der An- io werden, siehe z. B. die Zeitschrift »Nucleonics«, Bd. 14, trieb besteht aus einem Elektromotor 91 mit sechs Nr. 11 vom November 1956, S. 146 bis 153. Polen. Er ist mit dem herausragenden Ende der Steuer- Die durchschnittliche wirksame Wasserstoffdichte walze durch eine elastische Schlupfkupplung 92 ver- in dem Zirkonhydrid-Uranium-Kern beträgt ungefähr bunden. Diese Kupplung ermöglicht die Herausnahme 3 · 10²² Wasserstoffatome/ccm während des Betriebs und den Wiedereinbau des Antriebs für Reparatur- 15 mit voller Leistung. Die anfängliche Kernladung zwecke, ohne daß die obere Abschirmung des Reaktors beträgt 15 kg U²³⁵. Der Wasserstoffgehalt der Brennentfernt werden muß. elemente ändert sich längs des Kernradius von etwaRollers consist of a part made of nickel 85 and screen container part 65 is fitted. In this way a part made of hafnium hydride or borate 86, which is used as a hold-down for the upper shielding for being mechanically connected to one another and thereby the fuel assembly is used. In the lower are protected from the cooling water that they are surrounded with a part of each prism-shaped part 94 is a socket 87 made of stainless steel. The 5 pins 106 which maintain the axial alignment of the prismatic control rollers are fixed on hollow shafts 88, through shaped part 94 in the longitudinal direction, which the cooling water circulates. These shafts, which rest in the fuel composition is a zirconia bearings 80 with water lubrication, protrude through hydride-uranium alloy. However, the reflection cylinder 74 and the shielding cover 61 can also use other hydrides with the same characteristics up to the actuating drive 90. The anio will be, see e.g. B. the magazine "Nucleonics", vol. 14, drove consists of an electric motor 91 with six No. 11 from November 1956, pp. 146 to 153. Poland. He is with the protruding end of the control The average effective hydrogen density roller connected by an elastic slip coupling 92 in the zirconium hydride uranium core is approximately bound. This coupling allows the removal of 3 · 10 ²² hydrogen atoms / cc during operation and the reinstallation of the drive for repair 15 at full power. The initial nuclear charge, without the upper shielding of the reactor, is 15 kg of U ²³⁵ . The hydrogen content of the fuel must be removed. elements changes along the core radius of about

Der Stator besteht aus einer dreiphasigen Einheit 2,4 · 10²² Wasserstoffatomen je Kubikmeter im Mittelmit keramischer Isolation und einer in der üblichen punkt bis etwa 5 · 10²² Wasserstoffatome je Kubik-Weise verteilten Wicklung. Wird der dreiphasige 20 meter am Umfang des Kerns. Auf diese Weise kann sinusförmige pulsierende Gleichstrom an den Stator eine gleichförmigere, radial gerichtete Energieverangelejt, dann dreht der Rotor die Steuerwalze mit teilung mit einem Verhältnis Spitzenwert zu Durchder Frequenz und dem Drehsinn der rotierenden schnittswert von ungefähr 1,1 erreicht werden, anstatt Statorpole. Diese Wirkungsweise ähnelt derjenigen des Wertes 1,3, der sich bei einer gleichförmigen eines Dreiphasen-Synchron-Motors. Wird dagegen 25 Wasserstoffkonzentration ergibt. Diese Verteilung ein konstanter Gleichstrom an den Stator angelegt, von Wasserstoff ermöglicht nicht nur die Erzielung dann bleiben dessen Pole im Raum stillstehen und einer höheren durchschnittlichen Dichte der Kernhalten den Rotor in einer festen Stellung fest. Das leistung, sondern ergibt auch einen gleichförmigeren Drehmoment des Antriebs steht in Wechselwirkung Brennmaterialabbrand. Diese Steigerung des Brennmit der Kraft einer wendeiförmigen Feder 93. Die 30 materialabbrandes ermöglicht eine längere Kern-Aufwicklung kann durch Umkehrung des Richtungs- lebensdauer. Der Urangehalt kann sich innerhalb sinns der elektrischen Energie des pulsierenden Gleich- weiter Grenzen ändern. Stroms durch Phasendrehung erfolgen. Die Hydrid-Legierung verhält sich praktisch wieThe stator consists of a three-phase unit 2.4 · 10 ²² hydrogen atoms per cubic meter on average with ceramic insulation and a winding distributed ^{in the usual point up to about 5 · 10 22 hydrogen atoms per cubic meter.} Will be three-phase 20 meters on the perimeter of the core. In this way, sinusoidal pulsating direct current to the stator can achieve a more uniform, radially directed energy, then the rotor rotates the control drum with a ratio of peak value to frequency and the direction of rotation of the rotating intersecting value of approximately 1.1, instead of stator poles. This mode of operation is similar to that of the value 1.3, which is found in a uniform of a three-phase synchronous motor. If, on the other hand, 25 results in hydrogen concentration. This distribution of a constant direct current applied to the stator of hydrogen not only enables the achievement then its poles remain stationary in space and a higher average density of the core keep the rotor in a fixed position. That power, but also results in a more uniform torque of the drive, interacts with fuel burn-up. This increase in the burning with the force of a helical spring 93. The material burn-off enables a longer core winding by reversing the directional life. The uranium content can change within the meaning of the electrical energy of the pulsating constant- wide limits. Current done by phase rotation. The hydride alloy behaves practically like

Das Volumen von 35,24 dm³ des Kerns kann bei eine mechanische Mischung von Zirkon-Hydrid undThe volume of 35.24 dm ^{3 of} the core can be achieved with a mechanical mixture of zirconium hydride and

einem Rückzirkulationsverhältnis von 10 : 1 eine 35 Uran-Metall. Das Diagramm für die Zirkon-Wasser-a recirculation ratio of 10: 1 a 35 uranium metal. The diagram for the zircon-water

thermische Energie von 12 MW erzeugen. stoff-Phase ist in F i g. 6 wiedergegeben. In F i g. 6generate thermal energy of 12 MW. substance phase is shown in FIG. 6 reproduced. In Fig. 6th

Der Kern ist aus sechs prismenförmigen Teilen 94 ist auf der unteren horizontalen Achse die Wasserstoffzusammengesetzt, die Bündel von 159 einzelnen drei- konzentration in Atomprozenten, auf der oberen eckförmigen Brennelementen 95 enthalten (s. F i g. 5). horizontalen Achse das Verhältnis der Zahl von Jedes Brennelement 95 hat einen Durchmesser von 40 Η-Atomen zu der Zahl von Zr-Atomen und auf der 8 mm und eine Länge von 43,4 cm. Das Brennmaterial vertikalen Achse die Temperatur in ⁰C angegeben, aus Metallhydrid ist mit einer Schicht von 0,25 mm Das benutzte Brennelement arbeitet etwa bis zu aus nichtrostendem Stahl druckplattiert; eine Wick- 550⁰C und vorzugsweise zwischen etwa 300 und lung 96 aus Draht von 1,5 mm Stärke dient zur Auf- 550⁰C und weist ein Verhältnis von Wasserstoff zu rechterhaltung des lichten Raums für den Strömungs- 45 Zirkon von etwa 0,6 bis etwa 1,4 auf. Dadurch gelangt kanal. Die beiden Stangenenden eines jeden Brenn- der Brennstoff in den schraffierten Bereich der F i g. 6, elementes 95 ragen in eine obere bzw. untere Gitter- wo der Dissoziationsdruck unabhängig von der Zuplatte 97 keilförmiger Gestalt hinein. Die Gitterplatten sammensetzung ist, da der Brennstoff sich in einem 97 enthalten eine Anzahl von Bohrungen 98 für den Zweiphasenbereich (Alpha plus Delta) befindet. Der Kühlmitteldurchfluß, und die obere Gitterplatte hat 50 Brennstoff muß beim Erfindungsgegenstand in dem einen Abnahmezapfen 99 und einen oberen Trag- Bereich der Alpha-plus-Delta-Phase mit einem Atomansatz 100. Die gesamte Anordnung von Stäben und verhältnis von Wasserstoff zu Zirkon zwischen etwa Gitterplatten ist vorzugsweise in einem verschweißten 0,6 bis etwa 1,4 liegen, wobei der heißeste Teil des Gehäuse 10 aus nichtrostendem Stahl von 0,38 mm Brennstoffs unter etwa 56O⁰C liegt. In diesem Bereich Wandstärke untergebracht. 55 sind die Nachteile der spröden Deltaphase herab-The core is composed of six prism-shaped parts 94, the hydrogen is composed on the lower horizontal axis, the bundles of 159 individual three-concentration in atomic percent, contained on the upper corner-shaped fuel elements 95 (see Fig. 5). horizontal axis the ratio of the number of each fuel assembly 95 has a diameter of 40 Η atoms to the number of Zr atoms and on the 8 mm and a length of 43.4 cm. The fuel vertical axis shows the temperature in ⁰ C, is made of metal hydride with a layer of 0.25 mm. The fuel element used works up to about pressure-plated from stainless steel; A winding 550 ⁰ C and preferably between about 300 and 96 made of wire 1.5 mm thick is used to maintain 550 ⁰ C and has a ratio of hydrogen to maintaining the clear space for the flow of zirconium of about 0, 6 to about 1.4. This leads to the canal. The two rod ends of each fuel in the hatched area of FIG. 6, elements 95 protrude into an upper or lower grid where the dissociation pressure is independent of the wedge-shaped plate 97. The grid plate composition is because the fuel is contained in a 97 a number of holes 98 for the two-phase range (alpha plus delta) is located. The coolant flow, and the upper tie plate has 50 fuel must be in the subject invention in the one take-off pin 99 and an upper support area of the alpha-plus-delta phase with an atomic approach 100. The entire arrangement of rods and the ratio of hydrogen to zirconium between about grid plates is preferably in a sealed 0.6 to about 1.4, wherein the hottest part of the housing 10 is made of stainless steel of 0.38 mm fuel below about 56o C ^0. Housed in this area wall thickness. 55 the disadvantages of the brittle delta phase are reduced.

Der obere Tragansatz 100 (s. Fig. 3) greift in gesetzt. Außerdem enthält der Brennstoff die gleichen eine Nut in dem äußeren Gehäuse 76 ein. Ein Arm- Phasen in dem gleichen Verhältnis von Raumtempekreuz 21 liegt mit seinen paarweise zusammengehörigen ratur bis herauf zu 565° C. Deshalb sind die Probleme Flächen an der Innenseite des oberen Tragansatzes 100 des »Auf blasens« bei wiederholten thermischen Arbeitsan und verhindert, daß sich die prismenförmigen 60 gangen, die im allgemeinen mit einem Kreuzen der Teile 94, die das brennbare Material enthalten, nach Phasengrenze verbunden sind, beseitigt. Der untere oben bewegen. Das Armkreuz 21 besitzt eine Anzahl Grenzwert der Wasserstoffkonzentration ist durch von Speichen 23, die in einer Nabe 25 enden, die die extrem niedrig liegende Grenze der Wasserstoffihrerseits eine Verlängerung 27 besitzt, die in eine löslichkeit in Alpha-Zirkonium gegeben (ZrR_x, worin unter Federdruck stehende Hülse 42 eingreift. Die 65 χ kleiner ist als 0,1). Es muß infolgedessen eine aus-Hülse 42 ist gegen eine seitliche Verschiebung durch reichende Deltaphase vorhanden sein, damit genügend den rohrförmigen Teil 73 geschützt, der mit dem Wasserstoff in dem Zirkonhydridsystem vorhanden Halteteil 84 in der Leitfläche 67 des mittleren Ab- sein kann.The upper support lug 100 (see Fig. 3) engages in set. The fuel also includes the same groove in the outer casing 76. An arm phase in the same ratio of room temperature cross 21 is with its paired related temperature up to 565 ° C. Therefore, the problem areas on the inside of the upper support extension 100 of the "inflation" with repeated thermal work and prevents that the prism-shaped 60 corridors, which are generally associated with a crossing of the parts 94 containing the combustible material, after phase boundary, eliminated. Move the lower one up. The spider 21 has a number of limit values of the hydrogen concentration given by spokes 23 which end in a hub 25 which, in turn, has an extension 27, which is soluble in alpha zirconium (ZrR _x , where below Spring-loaded sleeve 42 engages. The 65 χ is smaller than 0.1). As a result, an out-of-sleeve 42 must be present against lateral displacement through reaching delta phase, so that the tubular part 73, the holding part 84 present with the hydrogen in the zirconium hydride system, can be sufficiently protected in the guide surface 67 of the central ab-.

Ein vollständiges Herunterbrennen von 3,1 kg U²³⁵ ist erforderlich für eine Kernlebensdauer von 5000 Stunden. Diese Analyse basiert auf einer gleichförmigen Wasserstoffkonzentration in dem Kern von 3,1 · 10²² H/cm³. Die Volumenteile der Kernzusammen-Setzung sind folgende: 56% Brenner-Moderatorstäbe; 10% Plattierung aus rostfreiem Stahl und Drahtarmierung und schließlich 34% Kühlmittel. Infolgedessen würde der Durchschnittsbetrag von Nh in den Brennelementen ungefähr 2 · 10²² Wasserstoffatome/cm³ betragen. Wegen dieses niedrigen Durchschnittswertes von Nh ist es möglich, den NH-Wert in verschiedenen radialen Bereichen des Kerns erheblich zu ändern, bevor die Beschränkung von Nh von etwa 5,4 · 10²² Wasserstoffatomen/cm³ überschritten wird. Ein Nh-Wert von 5,4 ist der Übergang von der Alpha-Delta-Phase zu dem Hydrid in der Delta-Phase (s. F i g. 6). Durch Erhöhung der Wasserstoffkonzentration in Richtung auf den Umfang des Kerns erhält man eine gleichförmigere radial gerichtete Leistungsverteilung, als man sie mit gleichförmiger radial gerichteter Brennelementfüllung erreichen kann. Auf diese Weise kann die gesamte Reaktorleistung und die gesamte Lebensdauer des Kernmaterials dadurch erhöht werden, daß man die relative radiale Leistungsverteilung zu Spitzenwert zu durchschnittlicher Leistung verringert. F i g. 7 zeigt die relative radiale Leistungsverteilung unter der Voraussetzung, daß sämtliche Reflektortrommeln in die Stellung verdreht werden, in der sie in Abhängigkeit von verschiedenen Wasserstoffverteilungen die höchste Reaktionsfähigkeit aufweisen. In F i g. 7 ist auf der horizontalen Achse der Kernradius und auf der vertikalen Achse die relative Leistung, d. h. das Verhältnis der Leistung am Ort des jeweiligen Kernradiuswertes zur durchschnittlichen Leistung aufgetragen. Der Kern ist willkürlich für die Zwecke der schaubildlichen Darstellung in drei gleiche Volumenbereiche aufgeteilt, obwohl man natürlich auch ungleichmäßige Volumenbereiche verwenden kann.A complete burn down of 3.1 kg of U ²³⁵ is required for a core service life of 5000 hours. This analysis is based on a uniform hydrogen concentration in the core of 3.1 x 10 ²² H / cm ³ . The volume parts of the core composition are as follows: 56% burner moderator rods; 10% stainless steel plating and wire armouring and finally 34% coolant. As a result, the average amount of Nh in the fuel assemblies would be approximately 2 · 10 ²² hydrogen atoms / cm ^3. Because of this low average value of Nh, it is possible to change the NH-value significantly in different radial regions of the core before the limitation of Nh of about 5.4 · 10 ²² hydrogen atoms / cm ^{3 is} exceeded. An Nh value of 5.4 is the transition from the alpha-delta phase to the hydride in the delta phase (see FIG. 6). By increasing the hydrogen concentration towards the periphery of the core, a more uniform radially directed power distribution is obtained than can be achieved with a uniform radially directed fuel assembly. In this way, the overall reactor performance and the overall life of the core material can be increased by reducing the relative radial power distribution from peak value to average power. F i g. 7 shows the relative radial power distribution under the prerequisite that all reflector drums are rotated into the position in which they have the highest reactivity depending on different hydrogen distributions. In Fig. 7, the core radius is plotted on the horizontal axis and the relative power, ie the ratio of the power at the location of the respective core radius value to the average power, is plotted on the vertical axis. The core is arbitrarily divided into three equal volume areas for the purposes of the graphical representation, although uneven volume areas can of course also be used.

Prompter Temperaturkoeffizient 2 · 10-⁵/°C
Steuerung und Abschaltwert fürPrompter temperature coefficient 2 × 10 ^-5 / ° C
Control and switch-off value for

den Stab 20% δ k/kthe bar 20% δ k / k

Maximale Brennertemperatur ... 492,8 ⁰C
Maximale Brennertemperatur anMaximum burner temperature ... 492.8 ⁰ C
Maximum burner temperature

der Oberfläche 315°Cthe surface 315 ° C

Kühlmittel-Siedetemperatur 298,7⁰CCoolant boiling temperature 298.7 ⁰ C

Kühlmitteltemperatur am Einlaß 28O⁰CCoolant temperature at inlet 280 ⁰ C

Kühlmitteldruck 857,6 kg/cm² Coolant pressure 857.6 kg / cm ²

Siedetemperatur 298,7° CBoiling temperature 298.7 ° C

(857,5 kg/cm²)(857.5 kg / cm ² )

Kondensiertemperatur 108,7⁰CCondensing temperature 108.7 ⁰ C

(14,0 kg/cm²)
Temperatur des unterkühlten(14.0 kg / cm ² )
Temperature of the supercooled

Kondensats 63,3°CCondensate 63.3 ° C

Dampfstrom 18 800 kgSteam flow 18,800 kg

Kondensatorstrom 15 007 kgCapacitor current 15 007 kg

Dampfentzug 3,580 kgSteam withdrawal 3.580 kg

Tabelle IITable II

Bereich
Bereich
Bereicharea
area
area

Kern
Wasserstoff
anteilcore
hydrogen
proportion of

1,251.25

1,61.6

Nh · 10²² H-Atome/cm³
Kern (heiß,
Durchschnittswert) Nh · 10 ²² H atoms / cm ³
Core (hot,
Average value)

2,42
3,02
3,862.42
3.02
3.86

„ ! Kern (kalt,"! Core (cold,

stoff" Durchschnittswert) substance "average value)

2,36
3,43
4,932.36
3.43
4.93

3,62
3,22
5,063.62
3.22
5.06

Tabelle I
KerncharakteristikenTable I.
Core characteristics

Kernvolumen 35,4 dm³ Core volume 35.4 dm ³

Kerndurchmesser 32,3 cmCore diameter 32.3 cm

Brennelementlänge 42,7 cmFuel element length 42.7 cm

Anzahl der Brennelemente 954Number of fuel assemblies 954

Brennelementdurchmesser 7,937 mmFuel element diameter 7.937 mm

Brennstoffanteil 56 %Fuel share 56%

Abstand zwischen den Brennelementen 1,524 mmDistance between the fuel elements 1.524 mm

Dicke der Plattierung 0,254 mmPlating thickness 0.254 mm

Anteil an plattiertem Stahl 10%Proportion of clad steel 10%

Kühlmittelanteil 34%Coolant content 34%

Urangehalt 15 kg (U²³⁵)Uranium content 15 kg (U ²³⁵ )

Zirkongehalt 102 kgZircon content 102 kg

Wasserstoffgehalt 1,2 kgHydrogen content 1.2 kg

Wasserstoffdichte in demHydrogen density in that

Brennstoff 2,4 bis 5,0 · 10²² Fuel 2.4 to 5.0 · 10 ²²

H-Atome/cm³
Effektive Wasserstoff dichte in demH atoms / cm ³
Effective hydrogen density in that

Reaktor (volle Leistung) 3 · 10²² Reactor (full power) 3 · 10 ²²

H-Atome/cm³
Effektive Anteile an verzögertenH atoms / cm ³
Effective proportions of delayed

Neutronen 0,0085Neutrons 0.0085

Neutronen-Entstehungszeit 8,5 · 10~^e seeNeutron formation time 8.5 · 10 ~ ^e see

4040

45 Das relative totale Wasserstoffatom-zu-Zirkonatom-Verhältnis im Bereich 1 für die Kurven 110 bis 114 beträgt 1,0. In dem Bereich 2 beträgt es 1,0 für die Kurve 110 und 1,25 für die Kurven 111 bis 114; in dem Bereich 3 beträgt es 1,0, 1,4, 1,5, 1,6 bzw. 1,7 für die entsprechenden Kurven 110 bis 114. Wie man sieht, kann man eine umfangreiche Wiederherstellung der Verteilung der radialen Leistung durch Änderung des Wasserstoffgehalts und damit eine erhebliche Verlängerung der Kern-Lebensdauer erzielen. Die Kurve 113 zeigt die bevorzugte Verteilung, weil das Leistungsverhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung nur ungefähr 1,05 beträgt.45 The relative total hydrogen atom to zirconium atom ratio in region 1 for curves 110 to 114 is 1.0. In area 2 it is 1.0 for curve 110 and 1.25 for curves 111 to 114; in the area 3 it is 1.0, 1.4, 1.5, 1.6 and 1.7 for the corresponding curves 110 to 114. As can be seen, one can extensively restore the distribution of the radial power by changing it of the hydrogen content and thus a considerable extension of the core service life. Curve 113 shows the preferred distribution because the power ratio of peak power to average power is only about 1.05.

Der Temperaturkoeffizient der Reaktivität des Brennstoffs ist 2-10-7⁰C. Die totale Brennstoff-Reaktivität nimmt vom kalten zum heißen Zustand weniger als 1 % δ k/k ab. Die Wirkung des Brennstoffabbrands beträgt 1,6 · δ k/k, während die Wirkung des Aufbaues von Spaltprodukten nach einer Betriebszeit von 5000 Stunden 0,9 · δ k/k beträgt. The temperature coefficient of the reactivity of the fuel is 2-10-7 ⁰ C. The total fuel reactivity decreases from cold to hot by less than 1% δ k / k. The effect of the fuel burn-up is 1.6 · δ k / k, while the effect of the build-up of fission products after an operating time of 5000 hours is 0.9 · δ k / k.

In der nachstehenden Tabelle ist die Änderung der Reaktivität während des Betriebes wiedergegeben.The following table shows the change in reactivity during operation.

5555

6060

65 Reiner Fluß im kalten Zustand bis volle
Leistung im reinen Zustand (heiß) ....65 Pure flow in the cold state to full
Pure performance (hot) ....

Xenon-Vergiftung bei voller Leistung ...Xenon poisoning at full power ...

Temperaturkoeffizient des Brennstoffs, im
Verhältnis Kaltleistung zu Voll-LeistungTemperature coefficient of the fuel, im
Ratio of cold output to full output

Brennstoffabbrand und Vergiftung durch
Spaltprodukte Fuel burn and poisoning through
Fission products

Summetotal

<5k/k<5k / k

-11% -2,7%-11% -2.7%

-1%-1%

'-2,5%'-2.5%

-17,2 %-17.2%

Diese Gesamthöhe kann auf sehr verschiedene Weise verringert werden. Der Betrag für den Brennstoffabbrand und das Spaltprodukt kann durch Verwendung brennbarer Giftstoffe in den BrennelementenThis overall height can be reduced in very different ways. The amount for the fuel burn and the fission product can be produced by using combustible toxins in the fuel assemblies

009 525/18009 525/18

verringert werden. Der Wasserbetrag kann durch Verwendung brennbarer Giftstoffe, durch Verringerung der Brennstoff ladung und Erhöhung der Wasserstorfkonzentration in den Brennelementen reduziert werden. Auf diese Weise würde der Kern zum mindesten annähernd thermisch ausgeglichen sein. Der Brennelementabstand von 1,524 mm kann bis auf 0,762 mm herabgesetzt werden. Die Änderung der Reaktivität infolge der Änderung der Dichte des Wassers könnte durch Verwendung von D₂O als xo siedendes Kühlmittel um etwa 50% herabgesetzt werden.be reduced. The amount of water can be reduced by using combustible toxins, reducing the fuel load and increasing the hydrogen concentration in the fuel assemblies. In this way the core would be at least approximately thermally balanced. The fuel element spacing of 1.524 mm can be reduced to 0.762 mm. The change in reactivity as a result of the change in the density of the water could be _{reduced by about 50% by using D 2} O as the xo-boiling coolant.

Der Brennstoff in Form von kristallinem Zirkon-Hydrid-Uran bildet ein mechanisches System mit diskreten Energieniveaus für das gebundene Proton. Dieses Quantensystem bewirkt ein epithermisches Neutronenspektrum mit einer Durchschnittsenergie, die größer ist als ungefähr 0,1 Elektronenvolt bei Raumtemperatur. Unter diesen Bedingungen ist der Temperaturkoeffizient der Reaktivität 2 · 10~⁵/° C von Raumtemperatur bis zu der Betriebstemperatur. Dieser Wert nimmt bei Temperaturen oberhalb der Betriebstemperatur 371,1⁰C erheblich zu, weil der Koeffizient der thermischen Ausdehnung und die Bindung des Wasserstoffs anfängt, sich ähnlich wie freier Wasserstoff bei höheren Temperaturen zu verhalten. Dieser hohe negative Temperaturkoeffizient stellt sich extrem rasch ein und unterstützt in erheblichem Maße die Stabilisierung des Reaktorbetriebs.The fuel in the form of crystalline zirconium hydride uranium forms a mechanical system with discrete energy levels for the bound proton. This quantum system produces an epithermal neutron spectrum with an average energy that is greater than approximately 0.1 electron volts at room temperature. Under these conditions, the temperature coefficient of reactivity 2 × 10 ^-5 / ° C from room temperature up to the operating temperature. This value increases at temperatures above the operating temperature of 371.1 ⁰ C significantly, because the coefficient of thermal expansion and the bond of the hydrogen begins to behave similarly to free hydrogen at higher temperatures. This high negative temperature coefficient occurs extremely quickly and supports the stabilization of the reactor operation to a considerable extent.

Die Energieumwandlung ist in F i g. 8 dargestellt und wandelt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 12 000 kW thermischer Reaktorleistung in 2375 Brutto-Kilowatt elektrischer Energie um. Von dem heißen Ausgang des Reaktors wandelt der Turbogenerator 2680 kW in mechanische Wellenleistung um, wobei 9580 kW durch den Kondensator wieder in die Umgebungsluft gelangen und 580 kW den ersten vier Turbinenstufen in Form von Feuchtigkeit entzogen werden, die dem System über den Regenerativerhitzer wieder zugeführt werden.The energy conversion is shown in FIG. 8 and converts in the illustrated embodiment 12,000 kW of thermal reactor power into 2,375 gross kilowatts of electrical energy. From the hot one The output of the reactor converts the turbo generator 2680 kW into mechanical shaft power, whereby 9580 kW get back into the ambient air through the condenser and 580 kW the first four Turbine stages in the form of moisture are withdrawn from the system via the regenerative heater be fed back.

Die aus dem Reaktorkern 75 austretende Strömung wird in dem Dampfseparator 41 in die Flüssigkeitsphase und in die Dampfphase aufgespaltet. Die Flüssigkeit wird am Boden des Separatorbehälters gesammelt und über eine Mündung für die Kontrolle des Pegelstandes in die Rohrleitung der Rückzirkulationspumpe entleert. Der Kondensat-Rückfluß wird ferner mit dem zurückkehrenden Fluß gemischt, bevor er, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird, wieder durch den Kern hindurchgepumpt wird.The flow emerging from the reactor core 75 is split in the vapor separator 41 into the liquid phase and the vapor phase. The liquid is collected at the bottom of the separator tank and emptied into the pipeline of the recirculation pump via an outlet for checking the level. The condensate reflux is also mixed with the returning flow before it is pumped back through the core, as will be explained in more detail below.

Der Separator 41 liegt parallel zu einem Sammler 36, um die Hilfskühlung absperren zu können und um die Ausgleichswirkung der Last zu stabilisieren.The separator 41 lies parallel to a collector 36 in order to be able to shut off the auxiliary cooling and to stabilize the balancing effect of the load.

Die Leitung 102 liefert Dampf mit einem Druck von 840 kg/cm² in einer Menge von 18 800 kg/Std. in die Turbine 101. Die Turbine 101 treibt eine Welle 103 an, auf der der Wechselstromgenerator 104 und die Hochdruckspeisepumpe 105 sitzen. Ein Kühler 37 dient dazu, die Kondensation des überhitzten Dampfes zu fördern, wenn er über ein Drosselventil an der Turbine 101 vorbeigeleitet wird.The line 102 supplies steam at a pressure of 840 kg / cm ² in an amount of 18,800 kg / hour. into the turbine 101. The turbine 101 drives a shaft 103 on which the alternator 104 and the high-pressure feed pump 105 are seated. A cooler 37 serves to promote the condensation of the superheated steam when it is conducted past the turbine 101 via a throttle valve.

Der größere Teil der Dampfmenge, welche durch die Turbine strömt, wird in der sechsstufigen Turbine vollständig entspannt. In den ersten vier Stufen wird die Feuchtigkeit extrahiert, gesammelt und dem Regenerativerhitzer 107 zugeführt. Aus der Turbine kommt Dampf mit 17,5 kg/cm² und 92% Sättigung durch ein Hilfsabsperrventil heraus und wird aus einem Sammelbehälter in die vier luftgekühlten Dampfkondensatoren 24 geleitet. Der austretende Dampfstrom gelangt durch den Einlaßstutzen am oberen Ende des Kondensators in diesen hinein, strömt in horizontaler Richtung durch die Lamellenrohre, und das Kondensatwasser wird durch die drei Abschnitte hindurchgeleitet, wo es auf 64,4° C abgekühlt wird.The greater part of the amount of steam that flows through the turbine is completely expanded in the six-stage turbine. In the first four stages, the moisture is extracted, collected and fed to the regenerative heater 107. Steam at 17.5 kg / cm ² and 92% saturation comes out of the turbine through an auxiliary shut-off valve and is passed from a collecting container into the four air-cooled steam condensers 24 . The exiting steam stream enters the condenser through the inlet nozzle at the upper end of the condenser, flows horizontally through the lamellar tubes, and the condensate water is passed through the three sections, where it is cooled to 64.4 ° C.

Der Strom des Kondensats kehrt durch den zweiten Behälter über ein zweites Hilfsabsperrventil zurück, von wo aus er in den Deionisierungsbehälter 38 strömt. Der Strom des Kondensats gelangt dann in die Niederdruckpumpe 39. Das aus der Pumpe herauskommende Kondensat wird durch Rohrleitungen durch das Wassersystem und durch das Zirkonhydrid und die Uran-Primärabschirmung geleitet, wobei es diesen Teilen die Wärme entzieht. Die mit 106 bezeichnete Abschirmung weist gemäß F i g. 3 Kühlschlangen 64 auf, durch welche das Kondensat hindurchgeht. Das Kühlmittel für die Abschirmung gelangt dann in den Regenerativerhitzer 107, wo es durch die abgezogene Turbinenfeuchtigkeit (3580 kg/ Std.) auf 101,6⁰C erwärmt wird. Von dem Regenerativerhitzer gelangt die gemischte Strömung zusammen ( mit dem Kühlmittel aus den Lagern und dem Generator in die Hochdruckpumpe 105, in welcher ihr Druck auf 856 kg/cm² erhöht wird. Der Ausgang aus der Pumpe 105 wird mit dem Ausgang aus dem Dampfseparator 41 gemischt und die komprimierte Wassermenge durch die Rücklieferungspumpe 40 in den Reaktorkern hinein und durch diesen hindurchgepumpt, mit Ausnahme des Nebenschlusses 109 für die Reflektorkühlung.The flow of condensate returns through the second container via a second auxiliary shut-off valve, from where it flows into the deionization container 38. The flow of condensate then enters the low pressure pump 39. The condensate emerging from the pump is piped through the water system and through the zirconium hydride and uranium primary shield, removing heat from these parts. The shield designated by 106 has, according to FIG. 3 cooling coils 64 through which the condensate passes. The coolant for the shield then enters the Regenerativerhitzer 107 where it is heated by the extracted turbine moisture (3580 kg / hr.) To 101.6 ⁰ C. From the Regenerativerhitzer the mixed flow passes together (with the coolant out of the bearings and the generator in the high pressure pump 105, in which its pressure to 856 kg / cm ² is increased. The output from the pump 105 is connected to the output from the steam separator 41 mixed and the compressed amount of water is pumped into and through the reactor core by the return pump 40 , with the exception of the shunt 109 for the reflector cooling.

Der Reaktor wird vorzugsweise mit einem Druck von 840 kg/cm² betrieben, kann aber auch in dem Bereich von etwa 700 bis 1050 kg/cm² betrieben werden. Der elektrische Teil der Anlage ist in F i g. 8 durch den Linienzug 22 eingeschlossen; er stellt eine normale Ausrüstung dar und soll daher hier nicht näher beschrieben werden.The reactor is preferably operated at a pressure of 840 kg / cm ² , but can also be operated in the range from about 700 to 1050 kg / cm ² . The electrical part of the system is shown in FIG. 8 enclosed by the line line 22; it represents normal equipment and will therefore not be described in more detail here.

Claims (8)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Wassergekühlter Kernreaktor mit einem innerhalb eines Reaktorgefäßes angeordneten Kern i aus Brennelementen, die eine homogene Mischung aus festem Metallhydrid als Moderatormaterial und festem spaltbarem Material enthalten, d adurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente im Kern ein epithermisches Neutronenenergiespektrum erzeugen und das Kühlwasser zum Sieden bringen.1. Water-cooled nuclear reactor with a core arranged within a reactor vessel i from fuel assemblies, which are a homogeneous mixture of solid metal hydride as moderator material and solid fissile material, characterized in that the fuel assemblies generate an epithermal neutron energy spectrum in the core and bring the cooling water to the boil. 2. Wassergekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abflachung der radialen Energieverteilung im Kern die Brennelemente im Kern längs des Kernradius mit zunehmender Erhöhung der Wasserstoffkonzentration angeordnet sind.2. Water-cooled nuclear reactor according to claim 1, characterized in that for flattening the radial energy distribution in the core, the fuel elements in the core along the core radius are arranged with increasing increase in the hydrogen concentration. 3. Wassergekühlter Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffgehalt des als Metallhydrid verwendeten Zirkonhydrids sich längs des Kernradius von etwa 2,4 · 10²² Wasserstoff-Atomen/cm³ im Mittelpunkt bis etwa 5 · 10²² Wasserstoff-Atomen/cm³ am Umfang des Kerns ändert.3. Water-cooled nuclear reactor according to claim 2, characterized in that the hydrogen content of the zirconium hydride used as the metal hydride is along the core radius of about 2.4 · 10 ²² hydrogen atoms / cm ³ in the center to about 5 · 10 ²² hydrogen atoms / cm ^{3 changes} at the perimeter of the core. 4. Wassergekühlter Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abflachung der radialen Energieverteilung im Kern eine Anzahl diskreter Bereiche im Kern vorhanden4. Water-cooled nuclear reactor according to claim 2, characterized in that for flattening due to the radial energy distribution in the core, there are a number of discrete areas in the core sind, von denen jeder einen Teil der Brennelemente enthält, und daß jedes der Brennelemente eines Bereichs einen anderen Wasserstoffgehalt aufweist als die Brennelemente eines anderen Bereichs.each of which contains a part of the fuel assemblies, and that each of the fuel assemblies is one Area has a different hydrogen content than the fuel elements of another area. 5. Wassergekühlter Kernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die diskreten Bereiche einen ersten zentralen Bereich mit einer ersten Wasserstoffkonzentration umfassen und mindestens einen konzentrischen äußeren Bereich mit einer gegenüber einem inneren Bereich höheren Wasserstoffkonzentration.5. Water-cooled nuclear reactor according to claim 4, characterized in that the discrete Regions include a first central region having a first concentration of hydrogen and at least one concentric outer region with one opposite to an inner region higher hydrogen concentration. 6. Wassergekühlter Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kon-6. Water-cooled nuclear reactor according to claim 5, characterized in that the con- zentrischen Bereiche Wasserstoffkonzentrationen aufweisen, die das 1,25- bis l,7fache der Wasserstoffkonzentration des zentralen Bereichs betragen.central areas have hydrogen concentrations that are 1.25 to 1.7 times the hydrogen concentration of the central area. 7. Wassergekühlter Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente (95) von prismenförmigen Halteteilen (94) gehalten sind, von denen jedes eine Anzahl im Abstand voneinander angeordneter Brennelemente (95) enthält.7. Water-cooled nuclear reactor according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the fuel elements (95) are held by prism-shaped holding parts (94), each of which includes a number of spaced apart fuel assemblies (95). 8. Wassergekühlter Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die prismenförmigen Halteteile (94) in dem Reaktordruckgefäß (48) herausnehmbar angeordnet sind.8. Water-cooled nuclear reactor according to claim 7, characterized in that the prism-shaped Holding parts (94) are removably arranged in the reactor pressure vessel (48). Hierzu 2 Blatt Zeichnungen For this purpose 2 sheets of drawings