DE1514964C3

DE1514964C3 - Schneller Leistungsbrutreaktor

Info

Publication number: DE1514964C3
Application number: DE1514964A
Authority: DE
Inventors: Howard S. Rustburg Barringer; Milton C. Lynchburg Edlund; Wayne H. Pointe Park Mich. Jens
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1964-05-28
Filing date: 1965-05-24
Publication date: 1974-02-21
Also published as: FR1480126A; NL6506554A; DE1514964B2; GB1035606A; US3260649A; BE664590A; DE1514964A1; SE305491B

Description

Die Erfindung betrifft einen schnellen Leistungsbrutreaktor mit einem Core-Volumen von mehr als Litern und mit im Core axial angeordneten, Brennstoffstäbe enthaltenden Brennelementen mit axial verlaufenden Kühlkanälen und nach oben gerichtetem Kühlmittelfluß, wobei ein aus metallischem Kühlmittel gebildeter Neutronenreflektor oberhalb des Core mit den Kühlmittelkanälen in Verbindung steht. Ein derartiger Reaktor ist aus »Directory of Nuclear Reactors«, Vol. IV, 1962, S. 219 bis 222, bekannt.

Brutreaktoren, insbesondere Versuchsbrutreaktoren, mit geringer thermischer Leistung sind schon seit längerer Zeit in Erprobung. In jüngster Zeit ist man dazu übergegangen, sehr große schnelle Leistungs-Brutreaktoren zu erzeugen, um eine möglichst günstige Ausnutzung des nuklearen Brennstoffes zu erreichen. Im allgemeinen besitzt das Core eines solchen Reaktors axial verlaufende Kühlmittelkanäle, durch die das Kühlmittel nach oben fließt. So sind im allgemeinen Reaktoren in der Weise konstruiert, daß ein eventuell auftretender Reaktivitätsanstieg nur durch das Einfahren von Kontrollstäben, die aus Absorbermaterial für langsame (thermische) Neutronen

6o" bestehen, kompensiert werden kann.

Verhältnismäßig kleine Reaktoren haben die Eigenschaft, einen negativen Kühlmittelvoidkoeffizienten oder -blasenkoeffizienten zu haben und verlieren an Reaktivität durch einen Verlust vonKühlmittel. Eine Gefahr, welche die Auslegung eines sehr großen schnellen Reaktors schwierig macht, liegt in dem positiven Kühlmittelblasenkoeffizienten, der vielen solchen Reaktorauslegungen eigen ist; bei solchen

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Reaktoren würde die Reaktivität auf einen Verlust ten (deutsche Auslegeschrift 1 060 998). Auch bei

von Kühlmittel hin anwachsen. diesem Reaktor folgt die Steuerung der Reaktivität

Ein Reaktor mit einem größen positiven Blasen- durch Regelstäbe. Zum Erzielen einer günstigen

köeffizienten ist nicht praxisgerecht, weil eine BIa- Kerngeometrie und zum Aufbau von Zweizonenreak-

senbildung eine sehr große Reaktivitätsänderung be- 5 toren ist es ferner bekannt, die Spaltzone ringförmig

wirken kartn und die Bildung von Blasen in der auszubilden (Siemens-Zeitschrift, Dezember 1959,

Praxis tatsächlich beispielsweise beim Sieden des Heft 12, S. 749).

Kühlmittels auftreten kann. Wenn das Kühlmittel in Es ist gegenüber den bekannten Reaktoren die einem Kühlmittelkanal einmal zu sieden angefangen Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor hat, Wird der Kanal durch den dem Kühlmittelsystem io zu schaffen, bei dem durch Verlust von Kühlmittel eigenen niedrigen Drück und das hohe spezifische aus einem beliebigen Kanal ein sofortiger Reaktivi-Volumenverhältnis des Kühlmitteldampfes zur Kühl- tätsverlust auftritt, der ohne Betätigen der Regelmittelflüssigkeit sehr schnell geleert. So kann die stäbe zu einer Reaktivitätsminderung für einen un-Dampfblasenbildung in einem Kanal das Einsetzen terkritischen Betrieb des Reaktors oder dessen Abeiner sehr großen Reaktivität zur Folge haben und is schaltung ausreicht.

potentiell zu einem Freiwerden von großen Energien Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten führen. Deshalb wäre das Druckgefäß, das für einen Reaktor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an Reaktor mit großem positivem Blasenkoeffizienten sich bekannter Weise die Brennelemente in Elementerforderlich ist, unerhört teuer. kästen angeordnet sind, die sich über die Brennstoff-

Der Grund dafür, daß größe Reaktoren einen po- 20 stäbe der Elemente hinaus erstrecken, daß das Core

sitiven Kühliriittelblasenköeffiziehten haben können, J_n ebenfalls an sich bekannter Weise ringförmig aus-

wogegen kleine Reaktoren einen negativen Kühlriiit- gebildet ist und daß der oberhalb der Brennstoffstäbe

telbläsenkoeffizienten aufweisen, liegt darin, daß die _m den Elementkästen befindliche Teil des Kühlmit-

beobachtete Wirkung das Resultat von zwei gegen- tels den Reflektor der Brennelemente bildet,

läufigen Vorgängen ist; sobald ein schneller Reaktor 25 Der Reaktor weist vorteilhafterweise eine ring-

Kühlmittel verliert, bewirkt ein anwachsender Neu- förmige Brutzone unter dem ringförmigen Core so-

tröneüverlust eine Verminderung der Reaktivität des _wi_e eine ringförmige Brutzone innen und außen um

Reaktors. Gleichzeitig vergrößert jedoch eine Här- das ringförmige Core auf.

tuhg des Neutronenenergiespektrums, d. h. eine Ver- I_n zweckmäßiger Ausgestaltung besteht jedes der Schiebung des Maximums des Spektrums zu höheren 30 im Core angeordneten Brennstoffelemente aus einem Energien (Anwachsen der Durchschriittsenergie der Bündel von Brerinstoffstäben und einem Elementim Core anwesenden Neutronen) die Reaktivität. In kasten, der die langgestreckten Brennstoffstäbe eineinem kleinen Reaktor führt dies zu einem Netto- schließt und sich oberhalb der Spitze der Brennstoffverlust äh Reaktivität, weil der Reaktivitätsverlust, stäbe weitererstreckt. Dabei enthält der größte Teil der von dem anwachsenden Neutronenverlust her- 35 jedes Brennstoffstabes spaltbares Material und bildet rührt, vorherrscht. Ein solcher Reaktor hat einen einen Brennstoffteil, während der untere Teil jedes negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten. Brennstoffstabes Brutmaterial enthält und als Brut-

Mit wachsender Coregröße spielt der Neutronen- zone ausgebildet ist.

verlust eine relativ untergeordnete Bedeutung bis zu in jedem Brennstoffelement bildet ferner der in

einer Größe, die von der Materialzusammensetzung 40 den Elementkästen oberhalb der Brennstoffstäbe be-

des Reaktorcores abhängt, bei der das Anwachsen findliche Teil des nach oben fließenden Kühlmittels

der Reaktivität infolge der Härtung des Neutronen- den Reflektorteil der Brennstoffelemente,

spektrums vorherrscht und der Reaktor einen posi- Als Kühlmittel ist in bevorzugter Weise ein flüs-

tiven Kühlmittelblasenkoeffizienten aufweist. siges Metali, beispielsweise Natrium vorgesehen. Als

Zu dem eingangs genannten schnellen Leistungs- ₄₅ Folge der Sickerverluste aus dem ringförmigen Core

reaktor ist folgendes zu bemerken: Einem Reakti- ist der Kühlmittelblasenkoeffizient klein, obgleich

vitätsanstieg durch Dampfblasenbildung in den _nOch positiv. Da der obere axiale Reflektor in Ver-

Kühlkanälen wird durch Einfahren von Regel- und bindung mit den Kühlmittelkanälen steht, ergibt ein

Steuerstäbe in den Kern entgegengewirkt, jedoch Verlust von Natrium aus den Kühlmittelkanälen

nicht durch Entleeren des flüssigen Reflektors in die 50 ebenso einen Verlust von Natrium aus dem Reflek-

betreffenden Kühlmittelkanäle. Der Nachteil bei dem tor, was zu einer negativen Reaktivitätsänderung im

bekannten Reaktor besteht darin, daß der lokale Core führt. Ebenso ergibt gemäß der vorliegenden

Reaktivitätsanstieg in einem Kühlkanal durch Sieden Ausführung eine Dampfblasenbildung des Kühlmit-

und Dampfblasenbildung des Kühlmittels nicht an telkanals eine Abnahme der Reaktivität.

Ort und Stelle, nämlich direkt im Kühlkanal durch 55 Jeder schnelle Reaktor mit einem positiven Kühl-

Einströmen von Kühlmittel begrenzt werden kann, mittelblasenkoeffizienten kann nach der hier ange-

sondern nur durch Betätigung des Steuer- und Re- gebenen Lehre ausgelegt werden, die eine drastische

gelstabsystems bzw. der Abschaltstäbe, die an be- Reduzierung des Blasenkoeffizienten ermöglicht. Die

stimmten Stellen in den Kern einfahren, welche kei- Erfindung findet unter anderem Anwendung in Re-

neswegs den betreffenden Kühlkanälen mit dem Re- 60 aktoren, die mit Leichtmetall gekühlt und mit PIu-

aktivitätsanstieg benachbart sein müssen. Eine Re- tonium 239 betrieben werden und soweit es sich

gelung direkt im Kühlmittelkanal ist nicht möglich. im allgemeinen um größere schwermetallgekühlte

Bei einem Ausfall des Steuer- und Abschaltsystems Reaktoren handelt. In Reaktoren, die Uran 235 als

kann ein schwerwiegender Reaktorunfall zustande Brennstoff verwenden, ist die Erfindung nur von

kommen. Weiterhin ist es auch bekannt, die Brenn- 65 Wichtigkeit, wenn sie bei größeren Reaktoren ange-

stoffstäbe der Brennelemente in Elementenkästen an- wandt wird.

zuordnen, die sich über die Brennstoffstäbe hinaus Die Erfindung ist in erster Linie für große Reak-

erstrecken, um den Kühlmittelfluß nach oben zu lei- toren gedacht. Es führt auch der steigende Einsatz

der Atomkernenergie zu großen schnellen Brutreaktoren, denn nur in diesen Reaktoren können die Uranreserven wirtschaftlich völlig ausgenutzt werden.

Es ist nicht für jede praktische Ausführung eines beispielsweise 2500-Megawatt-thermisch-natriumgekühlten Reaktors von etwa 7800 Litern Corevolumen möglich, einen negativen Natriumblasenkoeffizienten an jedem Ort im Reaktor zu erreichen. Da ein Sieden an irgendeinem Ort in einem Kühlmittelkanal schnell zu einer Voidbildung oder Dampfblasenbildung in einen großen Teil des Kanals führt, genügt es vollauf, wenn eine Dampfblasenbildung in einem ganzen Kanal eine negative oder keine Änderung der Reaktivität hervorruft, wobei positive Blaseneffekte, die nur örtlich auftreten, zugelassen werden können.

Da der positive Reaktivitätseffekt der Natriumdampfblasenbildung primär von Absorptions- und spektralen Änderungen herrührt, kann eine Veränderung eines oder mehrerer der folgenden Parameter ein Verkleinern des Kühlmittelblasenkoeffizienten bewirken:

1. Volumenanteil an Natrium,

2. Kühlmittelzusammensetzung,

3. Brennstoffmaterial-Zusammensetzung,

4. Verhältnis der Corelänge zum Coredurchmesser,

5. Volumenanteil des Beryllium-Moderators,

6. ringförmige Abschirm- oder Brutzone im Core,

7. Reflektorzonen an den Coregrenzen.

Eine Analyse zeigt, daß Neutronen-Sickerverluste wesentlich zur Reduzierung des Kühlmittelblasenkoeffizienten beitragen.

Andere Abänderungen zeigen nicht erwünschte Effekte auf den Koeffizienten oder führen zu einem nicht tolerierbaren niedrigen Brutverhältnis. Es wäre daher ein Core mit hohen Sickerverlusten angebracht. Hohe Sickerverluste treten beispielsweise bei einem kreuzförmigen Core auf, das aber nicht wirtschaftlich in seiner Raumausnutzung ist und ein sehr großes Druckgefäß erfordert. Hohe Sickerverluste werden auch bei einem Core mit einem großen Verhältnis von Durchmesser zur Höhe erhalten; jedoch läßt eine solche Lösung sowohl die Brennstoff- als auch die Kapitalkosten sehr stark anwachsen, und es würden trotzdem noch sehr starke lokale positive Blaseneffekte auftreten.

Mit der vorliegenden Erfindung wird in vorteilhafter Weise ein großer, natriumgekühlter, schneller Reaktor mit einem niedrigen Natriumblasenkoeffizienten, hohem Brutverhältnis, wirtschaftlicher Verdoppelungszeit, langer Corelebensdauer, niedrigen Brennstoffkreislauf-Kosten und hoher Natriumaustrittstemperatur aus dem Core geschaffen.

Anschließend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben, wobei weitere Merkmale und Vorteile deutlich werden.

Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Kernreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem aufgeschnittenen Teil des oberen Deckels,

F i g. 2 einen vergrößerten horizontalen Teilquerschnitt durch das Core des Reaktors,

F i g. 3 einen weiter vergrößerten Vertikalschnitt durch das Core des Reaktors,

F i g. 4 einen vertikalen Aufriß eines Brennstoffelements, in welchem ein einzelner Brennstoffstab angedeutet ist,

F i g. 5 einen vergrößerten horizontalen Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4,

F i g. 6 einen vergrößerten Vertikalschnitt durch einen Brennstoff stab,

ίο F i g. 7 einen vertikalen Aufriß eines Brutelements, in welchem ein einzelner Brutstab angedeutet ist und

F i g. 8 einen vergrößerten horizontalen Schnitt entlang der Linie 8-8 in F i g. 7.

Gemäß F i g. 1 der Zeichnung weist ein Kernreaktor nach der vorliegenden Erfindung ein ringförmiges Core 10 auf, das in einem Druckgefäß 11 eingeschlossen ist. Das Core 10 ist radial von einer ringförmigen äußeren Brutzone 12 umgeben und umfaßt eine ringförmige innere Brutzone 13. Eine untere axiale Brutzone 14 ist unter und ein Reflektor 15 ist über dem ringförmigen Core 10 angeordnet. Der Reflektor 15 besteht aus dem gleichen Material, das für die Kühlung des Reaktors verwendet wird und ist so ausgelegt, daß er von sich aus entleert wird, wenn aus dem Reaktor Kühlmittel verlorengeht.

Eine innere zylindrische Schale 16 erstreckt sich im wesentlichen über dem Oberteil des Cores und wird von einem inneren Stützring 17 an ihrem Oberteil abgestützt und im Abstand vom Druckgefäß 11 gehalten. Eine ringförmige Gitterplatte 18 wird durch die zylindrische Schale 16 an ihrem unteren Ende abgestützt und trägt ihrerseits das Reaktor-Core und die damit verbundenen Brutzonen. Ein innerer Core-Stützzylinder 19 mit einem konvexen Boden 20 und Kühlmittelöffnungen 21 ist an der Innenfläche der ringförmigen Gitterplatte 18 befestigt. Innere und äußere Platten 22 und 23 schaffen eine seitliche Abstützung für das Core. Die Mitte des Zylinders 19 wird von (nicht gezeigten) Instrumentenkanälen eingenommen.

Eine oder mehrere Einlaßdüsen 24 durchdringen das Druckgefäß 11 über der Mittellinie des Reaktor-Cores, und eine oder mehrere Auslaßdüsen 25 in der inneren Schale 16 durchdringen ebenso das Druckgefäß 11 etwa in der gleichen Höhe. So dient die zylindrische Schale 16 als Schild, der das einströmende Kühlmittel vom ausströmenden Kühlmittel trennt. Auf dem Boden des Druckgefäßes 11 befindet sich eine Mulde 26, die eine unterkritische Anordnung des gesamten Cores gewährleistet, wenn es in die Mulde abschmilzt.

Ein oberer Abschlußdeckel 27 vom selben Durchmesser wie das Druckgefäß wird von einem Schraubring 28 nach unten gehalten, welcher an einem Flansch 29 am Oberteil des Druckgefäßes 11 angebracht ist. Der obere Abschlußdeckel 27 besteht aus einer geschweißten Schale, welche die aus einem Stück bestehenden Deck- und Bodenplatten 30 bzw. 31 umschließt. Die Bodenplatte 31 ist der Behälterabschlußkopf. Das Innere der Schale ist mit Pellets oder Sinterkörpern und/oder pulverartigem Abschirmmaterial 32 angefüllt. Unter der Bodenplatte 31 befindet sich eine lamellenartige Schicht von gasgefüllten thermischen Schilden 33, welche den Abschlußdeckel 27 vor dem hochtemperierten Kühlmittel schützen.
Der obere Abschlußdeckel 27 enthält einen nicht

7 8 ,

zentrisch angeordneten Durchlaß 34, der mit einem 42 im einzelnen gezeigt. Das Brennstoffelement uminneren Abschirmdeckel 35 versehen ist, der in der faßt einen Reflektor 54 an seiner Spitze. Ein Brenngleichen Weise aufgebaut ist wie der Abschlußdek- stoffteil 55 erstreckt sich über den größten Teil der kel 27. Der obere Deckel 27 kann in den Lagerstel- Länge des Elements. Unterhalb des Brennstoffteiles len 36 gedreht werden, um den Durchlaß 34 über 5 schließt eine kurze Brutzone 56 an. Die Brennstoffjedes Brennstoff- oder Brutelement einzustellen und elemente 42 enthalten ein hexagonales Bündel von so einen direkten Zugang von oben zu dem gesam- Brennstoffstäben 57, die innerhalb eines hexagonaten Core und den Brutzonen zu ermöglichen. Wenn len Elementkastens 58 fest angeordnet und von einer der Abschlußdeckel 27 gedreht werden soll, werden Anzahl von Abstandsgittern 59 und drei Verbindie Steuerstäbe 37 (s. Fig. 2) soweit wie möglich io dungsstangen60 abgestützt sind, welche Abstandseingefahren und anschließend die Steuerstabantriebe hülsen (nicht dargestellt) tragen und abwechselnd an 38 ausgeklinkt und in das Oberteil des Abschluß- den Ecken des hexagonalen Bündels angeordnet sind, deckeis 27 hineingezogen. Eine Stange 61 in der Mitte wird zur Betätigung

Aus der Darstellung von Fig. 1 gehen zwei wei- einer zusätzlichen mechanischen Halteklinke (nicht

tere Merkmale hervor, die dafür bestimmt sind, Teile 15 dargestellt) angewandt.

des Druckgefäßes vom heißen ausströmenden Kühl- Die Einlaßdüse 62 zum Brennstoffelement 42 ist mittel abzuschirmen. An erster Stelle ist ein ring- besonders ausgeführt, um die sonst oberhalb des förmiger Spalt über der maximalen Kühlmittelhöhe Cores angeordneten mechanischen Haltevorrichtunzu nennen, der mit Argongas innicht gezeigter Weise gen zu vermeiden. Wie dargestellt, ist der Quergefüllt ist. Dieser Spalt isoliert den oberen Teil des ao schnittsbereich des Einlaßteiles dieser Düse geringer Druckgefäßes 11 gegenüber jedem Wärmezugang als der Querschnittsbereich des Brennstoffelementes, mit Ausnahme an der Verbindungsstelle mit dem was die Niederhaltekraft verringert, die erforderlich inneren Stützring 17. Ebenso lassen öffnungen 40 ist, um das Element 42 bis zu dem Punkt zu fixieren, im inneren Stützring 17 Kühlmittel im Nebenschluß ab dem es durch sein eigenes Gewicht nach unten über einen Schild 41 fließen und verhindern dadurch, 25 gehalten wird.

daß das ausströmende Kühlmittel hoher Temperatur Die Brennstoffstäbe 57 bestehen aus einem äuße-

in Berührung mit dem Druckgefäß kommt. ren Hüllenrohr 63 aus nichtrostendem Stahl, welches

Gemäß F i g. 2 und 3 weist das Core 10 eine An- eine Anzahl von ausgefluchteten Brennstoffsinterkörzahl von langgestreckten hexagonalen Brennstoff- pern oder -pellets 64 mit einer axialen Öffnung 65 elementen 42 auf, während innere und äußere Brut- 30 enthält, und eine Anzahl von (nicht dargestellten) zonen 12 und 13 jeweils eine Anzahl von langge- Sinterkörpern aus Brutmaterial am Boden des Brennstreckten hexagonalen Brutelementen 43 enthalten. Stoffstabes aufweist, die ebenfalls mit einer axialen Um diese Brennstoff- und Brutelemente sind Ab- Öffnung versehen sind. Die axialen öffnungen 65 Standshalter 44 angeordnet, so daß die innere Brut- nehmen das Spaltgas auf und gestatten eine VoIuzone, das Core und die äußere Brutzone fest zwi- 35 menänderung im Falle eines Abschmelzens während sehen den inneren und äußeren seitlichen Stützplat- verschiedener instationärer Zustände. Die Brennstofften 22 und 23 bei Betriebstemperatur gehalten wer- und Brutsinterkörper enden kurz von dem Boden den. Die Brennstoffelemente 42 werden von der ring- des Hüllrohres 63, um ein Gasreservoir frei zu lassen, förmigen Gitterplatte 18 abgestützt. Jedes Element Das Gasreservoir und die axialen öffnungen schafpaßt mit einer Einlaßöffnung 45 in der Gitterplatte 40 fen genügend Raum, um die großen Mengen von 18 zusammen. Für jedes Brennstoffelement 42 ist Spaltgas, die bei einem Brennstoff mit hohem Abeine dauerhaft angeordnete, mit einer harten Ober- brand anfallen, aufzunehmen,
fläche versehene Einlaßausnehmung in der Gitter- Wolframsegmentscheiben 66 mit einer öffnung 67 platte 18 vorgesehen. in ihrem Mittelpunkt sind innerhalb des Hüllrohres

Die Brutelemente 43 werden von Verteilerkopf- 45 63 befestigt, um die Brennstoffsinterkörper 64 zu stücken 46 abgestützt, von welchen jedes Kühlmittel, trennen und mögliche Unfälle zu verhüten. Keradas in die Kopfstücke durch Öffnungen 47 in der mische Brennstoffelemente brauchen durch die ther-Gitterplatte 18 einströmt, einer Gruppe von Brut- mische Wärmeausdehnung des Brennstoffes unter elementen 43 zugeführt wird. Die Verteilerkopfstücke bestimmten Bedingungen keine prompte negative 46 sind entfernbar und enthalten Öffnungen 48, die 5° Rückkoppelung aufzuweisen, wie dies metallische so ausgelegt sind, daß sie eine geeignete Menge Kühl- Brennstoffe tun. Der zirkulierende Wärmefluß kann mittel zu jedem Element durchlassen. Der Kühlmit- horizontale Risse in dem keramischen Material hertelfluß zu den Brennstoff- und Brutelementen ist aus- vorbringen. Wird darauffolgend der Brennstoff ergelegt, die Reaktorausgangstemperatur bei etwa hitzt, dann könnte es möglich sein, daß der Brenn-650⁰C (1200⁰F) zu halten, ohne daß die Elemente, 55 stoff eine zufällige Form annimmt, welche den Ausin denen radiale Neutronen-Flußspitzen auftreten, dehnungseffekt nicht reproduzierbar und in einigen zerstört bzw. geschädigt werden. Fällen positiv macht. Das Vorhandensein von Ris-

Steuer- und Sicherheitsstäbe 37 werden nicht im sen bewirkt auch eine Anfälligkeit für die Möglich-Detail gezeigt, da sie in ihrer Ausführung herkömm- keit von Brennstoffabsetzung und schnelle Reaktivilich sind. Sie weisen ein hexagonales Führungsrohr 60 tätsänderung. Diese beiden Effekte werden durch 49 auf, das sich zu annähernd derselben Höhe wie die beschriebene Ausführung herabgesetzt,
die Brennstoffelemente 42 nach oben erstreckt. Das Wie zuvor beschrieben, stellt die Natriumreflektor-Führungsrohr 49 hat eine zylindrische Verlängerung zone 54 über dem Core einen sehr wichtigen Teil 50, welche durch die Gitterplatte 18 geführt ist und der vorliegenden Erfindung dar. Diese Zone wird ein konisches Übergangsstück 51 und ein Nasenstück 65 durch Verlängerung des hexagonalen Element-52 aufweist. Im Übergangsstück 51 sind Kühlmittel- kastens 58 über das obere Ende des Brennstoffstabes einlaßöffnungen 53 angeordnet. 57 geschaffen. Dadurch erstreckt sich eine Schicht

In den F i g. 4, 5 und 6 wird ein Brennstoffelement von Kühlmittel über die Spitze des Cores 10, um den

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Reflektor 15 zu bilden. Wie in den F i g. 7 und 8 gezeigt, enthalten die Brutelemente 43 ein hexagonales Bündel von Brutstoffstäben 68, die innerhalb eines hexagonalen Abstütz-Elementkastens 69 angeordnet sind. Ein Übergangsstück 70 und eine Stützdüse 71 sind an dem unteren Ende des Stütz-Elementkastens angeordnet. Das Bündel aus Brutstoffstäben 68 weist eine Dreiecks-Teilung auf, die durch vier in gleichem Abstand gehaltene Abstandsgitter 72 zustande kommt. Da die Leistung und der Plutoniumgehalt der Brutelemente gering sind, können alle Auswirkungen einer Brennstoffabsetzung vernachlässigt werden, und Segmentscheiben sind nicht erforderlich.

Der Reaktor umschließt ein ringförmiges Core, etwa 1,22 m (4 Fuß) hoch und etwa 0,61 m (2 Fuß) dick mit einem Corevolumen von 7830 Litern. Am Boden des Cores ist eine axiale Brutzone von 0,15 m (6 inch) Dicke, und am Oberteil des Cores befindet sich ein axialer Natriumreflektor mit einer Dicke von 0,46 m (18 inch). Die inneren und äußeren Durchmesser des Cores sind durch radiale Brutzonen von 0,46 m (18 inch) Dicke bestimmt. Der Reaktor erzeugt 2500 Megawatt-thermisch mit einem Brutverhältnis von 1,32 und einer Corelebensdauer von 836 Tagen.

Diese Ausführung verwendet eine Kombination aus einem dünnen Ring, welcher die Auswirkung eines Natriumverlustes im Core gering hält, wenn auch etwas positiv (in dieser Auslegung), und einem Natriumreflektor über dem Core, welcher den Effekt einer Dampfblasenbildung im Kanal gleich 0 oder negativ macht, sogar im Falle der an und für sich kritischen mittleren Kanäle. Ein Verlust von Natrium aus dem ganzen Core verursacht einen Reaktivitätszuwachs von ungefähr 30 Cent; sobald eine Dampf- blasenbildung des Reflektors berücksichtigt wird, beträgt die Reaktivitätsverminderung 2,8 Dollar. Ein Verlust von Kühlmittel aus dem Core, allein in den Kanälen, die das innere Drittel des Cores ausmachen, bewirkt ein Reaktivitätsanwachsen von ungefähr 1,5 Dollar. Eine Reflektordampf blasenbildung verringert dies auf einen vernachlässigbaren Reaktivitätseffekt. Im Gegensatz dazu würde ein zylindrischer Reaktor mit großem Volumen, der etwa die gleiche Leistung entwickelt, bei Entleeren des Kühlmittels aus dem Core einen Reaktivitätszuwachs von über 10 Dollar haben. Eine Entleerung des Cores kann entweder als Folge eines Kühlmittelausfalls oder wegen Sieden des Kühlmittels auftreten. Ein Unfall, der zum Sieden im oberen Teil des Cores führt, ist im allgemeinen nicht zu befürchten, ist jedoch nicht völlig auszuschließen. In einem solchen Fall entleert sich der Reflektor ausgiebiger als das Core, und die sich daraus ergebende Reaktivitätsänderung ist negativ. Bei Auftreten des Siedens im axialen Mittelpunkt könnte eine Dampfblasenbildung im Reflektor nicht schnell genug erfolgen, um eine negative Reaktivitätsänderung zu erzeugen. Jedoch gibt es andere Möglichkeiten, um einen derartigen Unfall unter Kontrolle zu halten.

Zum Vorteil eines niedrigen Natriumblasenkoeffizienten kommen die folgenden anderen Vorteile der ringförmigen Ausführung:

Ii Das Brutverhältnis ist 1,32, und die Verdopplungszeit beträgt deshalb ungefähr 15 Jahre bei

.einem 100%igen Betriebsfaktor. Dieses Brut-., Verhältnis und diese Verdopplungszeit sind besser als in einer zylindrischen Ausführung ähnlicher Zusammensetzung wegen der ansteigenden Sickerverluste zur radialen Brutzone, wo das Brüten wirkungsvoll gestaltet werden kann.

2. Die Unbestimmtheit bzw. Abweichung der Anfangsreaktivität der Ladung von dem berechneten Wert ist für das ringförmige Core kleiner wegen der relativ hohen Wirksamkeit des Brennstoffes an den Kanten. Eine Unsicherheit von 5% in der veranschlagten Reaktivität bedingt eine entsprechende Unsicherheit von 36⁰Zo bei der Beladung zum Erreichen des kritischen Zustands eines zylindrischen Cores und nur von 17% bei einem ringförmigen Core.

3. Die ringförmige Auslegung ergibt eine ausgezeichnete relative Leistungsverteilung, d. h. Verhältnis lokaler Leistung zu mittlerer Leistung. Diese Verteilung gestattet eine hohe durchschnittliche Leistungsabgabe des Cores für die gewählten thermischen Kriterien und kompensiert den Nachteil der höheren kritischen Masse, die wegen der größeren Sickerverluste in der ringförmigen Ausführung notwendig ist.

Die mechanische Ausführung des Cores ist grundsätzlich einfach mit sich daraus ergebenden geringen Kosten der wesentlichen Konstruktionselemente, erleichtert die ferngesteuerte Brennstoffwiederaufarbeitung und die Brennstoffhandhabung. Andere Mechanismen als die Steuerelemente in zylindrischen Führungsrohren, die sich festfressen oder festklemmen könnten, sind während des Betriebes vollkommen aus dem Reaktor entfernt. Wegen der hydraulisch günstigen Gestaltung der Brennstoffelemente werden keine oberen Haltevorrichtungen benötigt, und im Core und der Brutzone wird ein paralleler Aufwärtsfluß angewandt, um das Oberteil des Reaktors von Strukturmaterial freizuhalten, das bei einer Wiederbeschickung mit Brennstoff stören könnte.

Die folgende Aufstellung enthält einige der wichtigen Reaktorangaben:

Thermische Reaktorleistung (Mw)

Core*) 2125

Innere radiale Brutzone*) ...... 185

Äußere radiale Brutzone *) 190

Insgesamt 2500

*) In der Mitte des Gleichgewichts-Brennstoffkreislaufes.

	Reaktor-Ausmaße	1,22 m
Core		3,96 m
Höhe		2,74 m
Mittlerer	Außendurchmesser ...
Mittlerer	Innendurchmesser ....	1,83 m
Innere radiale	Brutzone	2,74 m.·■■■■
Höhe		1,83 m .
Mittlerer	Außendurchmesser,. ,..
Mittlerer	Innendurchmesser ,'..'.,

Äußere radiale Brutzone

Höhe 1,83 m

Mittlerer Außendurchmesser ... 4,88m

Mittlerer Innendurchmesser 3,96 m

Axiale Brutzone

Höhe 0,15 m

Mittlerer Außendurchmesser ... 3,96 m

Mittlerer Innendurchmesser .... 2,74 m

Corevolumen 78301

Zusammensetzung (Volumprozente) Core und axiale Brutzone

. Brennstoff und Aussparung 29,4

Natrium. 40,0 ,

Struktur- und Hüllenmaterial ... 30,6

Innere und äußere radiale Brutzone

Brennstoff und Aussparung . 55

Natrium 30

Struktur- und Hüllenmaterial ... 15

Kerndaten

Kritische Masse (Pu239+Pu241) 2910 kg (U238+Pu240/Pu239+Pu241) 4,57 kg

Brutverhältnis

Core 0,52

Radiale Brutzone 0,76

Axiale Brutzone 0,04

Insgesamt 1,32

Mittlere Spaltenenergie (keV) ... 190 Mittlere Neutronenlebensdauer .. 4,l-10~⁷(sec) Abbau an spaltbaren Pu (Core)

(kg pro Vollastjahr) 1040

Aufbau an spaltbaren Pu (insgesamt)

(kg pro Vollastjahr) 1370

Verdoppelungszeit

(bei lOO°/oigem Lastfaktor)

(Jahre) 14,7

Brennstofflebensdauer (Vollast)

(Tage) 836

Steuerelemente

Sicherheit (Anzahl) 12

Gesamtwirksamkeit (% A k/k) .. 2,4 Temperaturüberschreitung und

Regelung (Anzahl) 6

Gesamtwirksamkeit (⁰IoA k/k) .. 1,2

Brennstoffverbrauch (Anzahl) .. 30

Gesamtwirksamkeit (⁰ZoA k/k) .. 6 Absorber-Material, 9O°/oige

Dichte der theoretischen Dichte B₄C

Core-Wirkungsweise

Leistungsdichte (kw/1) 282

Spezifische Leistung (kw/kgPu).. 733 Durchschnittliche lineare Wärmeerzeugung (kw/dm) etwa 2,6 kw/m

Leistungsverteilung

axial 1,29

radial 1,18

\"ma,x/"mltt\.) 1,52

Core-Brennstoffdimensionen

Brennstoffelemente (Anzahl) ... 498

Stäbe pro Element (Anzahl) 123

Breite eines hexagonalen Elementes (flach) ..: 11,3 cm

Stabaußendurchmesser 0,762 cm

Stablänge

Core-Brennstoffteil 1,22 m

Axialer Teil aus Brutmaterial ... 0,15 m

Spaltgasreservoir 0,15 m

Insgesamt 1,52 m

Abstand zwischen den Elementen 0,13 cm Sinterkörper-Material, Mischung aus 20,8 °/o angereichertem PuO₂ — UO₂ Sinterkörperdichte in °/o der theoretischen 95

Hüllrohrmaterial 316 SS

Hüllrohrwandstärke 0,7 mm

Natriumfluß (im Element an der Stelle der maximalen Flußüberhöhung) 9,7· 10⁴ kg/h

Druckabfall durch die Stäbe (im Element an der Stelle der maximalen Flußüber- .^!

höhung) 2,455 kg/cm*

Brennstoff-Dimensionen der radialen Brutzone Brutelemente

Innere radiale Brutzone

(Anzahl) 276

Äußere radiale Brutzone

(Anzahl) 582

Insgesamt 858

Stäbe pro Element (Anzahl).. 37

Breite des hexagonalen Elements 11,30 cm

Stabaußendurchmesser 1,542 cm

Länge der Stäbe 1,83 m

Sinterkörpermaterial (3% angereichertes UO₂)

Sinterkörperdichte in % der theoretischen 95 °/o

Hüllrohrwandstärke 0,38 mm

Hüllrohrmaterial 316 SS

Natriumfluß (im Element an der Stelle der maximalen Flußüberhöhung in der inneren Brutzone) 3,104 · 10⁴ kg/h

Druckabfall durch die Stäbe (im Element an der Stelle der maximalen Flußüberhöhung in der inneren Brutzone) 0,455 kg/cm²

Primär-System

mittelblasenkoeffizienten des Cores durch Verringern der Dicke des Coreringes noch verbessert werden und die Abmessungen der ringförmigen Brutzonen abgeändert werden, um die Bruteigenschaften des Reaktors zu verbessern.

Darüber hinaus kann, obgleich die bevorzugte Ausführung eine Anreicherung von 20,8% erfordert, eine Änderung der Corezusammensetzung (Volumen-, anteile von Brennstoff, Aufbau und Kühlmittel) erwünscht sein, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, wozu die erforderliche Anreicherung geändert werden müßte.

Gesamter Kühlmittelumlauf (einschließlich 5% Nebenstrom).. 5,13-10⁴kg/h

(10,64 l/min)

Gesamtkühlmitteltemperaturanstieg 121° C

Kühlmitteltemperaturanstieg beim

Durchströmen des Cores 128,3° C

Kühlmitteltemperaturanstieg

durch die radiale Brutzone ... 128,3° C Kühhnitteleintrittstemperatur ... 510° C Gesamt-Coredruckabfall,

ungefähr 3,15 kg/cm²

Kühlmittelkreise (Anzahl) Primäre Wärmeaustauscher (Anzahl)

Primäre Pumpen (Anzahl) '6

Material des Primärsystems .... 316 SS Abschließend kann festgestellt werden, daß

1. der hier beschriebene Reaktor einen niedrigen Natriumblasenkoeffizienten aufweist und sich deshalb in den üblichen Situationen, wie z. B. beim Ausfahren der Steuerstäbe oder bei Kühlmittelverlust, ohne Einfahren der Steuerstäbe, selbst reguliert,

2. der niedrige Natriumblasenkoeffizient einen abnorm großen Anstieg der Reaktivität während ungewöhnlicher aber möglicher Ereignisse verhindert, die ein Sieden oder weitere Natriumdampfblasenbildung (Void) im Core verursachen,

3. die ringförmige Coreausbildung sich trotz ihres mittleren Loches auf den Aufbau nicht ungünstig auswirkt, sondern eine Verbesserung ist,

4. die Brennstoffkosten gering sind und daß

5. ein hoher Abbrand erreicht wird, wie er den keramischen Oxidbrennstoffen eigen ist und daß die Möglichkeit besteht, große Beträge an Überschuß-Reaktivität mit einer relativ kleinen Anzahl von Steuerelementen zu steuern, sowie daß eine gute Neutronenökonomie es ermöglicht, über eine lange Zeit ohne Brennstoffwiederbeschickung zu arbeiten, und Anlagen mit hoher Beanspruchung möglich sind.

Es ist zu bemerken, daß die vorstehend angegebe- Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht

nen Abmessungen und die Corezusammensetzung auf die hier angegebenen Details beschränkt ist, sonnicht notwendigerweise ein Optimum darstellen. Zum dem daß im Rahmen der angegebenen Spezifikatio-Beispiel können die Void-Eigenschaften bzw. Kühl- 45 nen Abänderungen zulässig sind.

Reaktorgefäß

Außendurchmesser 6,10 m

Höhe über alles 7,62 m

Material 316 SS

35

40

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schneller Leistungsbrutreaktor mit einem Core-Volumen von mehr als 800 Litern und mit im Core axial angeordneten, Brennstoffstäbe enthaltenden Brennelementen mit axial verlaufenden Kühlkanälen und nach oben gerichtetem Kühlmittelfiuß, wobei ein aus metallischem Kühlmittel gebildeter Neutronenreflektor oberhalb des Core mit den Kühlmittelkanälen in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Brennelemente (42) in Elementkästen (58) angeordnet sind, die sich über die Brennstoffstäbe (57) der Elemente hinaus erstrecken, daß das Core (10) in ebenfalls an sich bekannter Weise ringförmig ausgebildet ist und daß der oberhalb der Brennstoffstäbe (57) in den Elementkästen befindliche Teil des Kühlmittels den Reflektor (15) der Brennelemente bildet.

2. Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ringförmige Brutzone (14) unter dem ringförmigen Core (10) sowie durch eine ringförmige Brutzone (13 bzw. 12) innen und außen um das ringförmige Core (10).

3. Reaktor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der im Core (10) angeordneten Brennstoffelemente (42) aus einem Bündel von Brennstoffstäben (57) und einem Elementkasten (58) besteht, der die langgestreckten Brennstoffstäbe (57) einschließt und sich oberhalb der Spitze der Brennstoffstäbe (57) weite erstreckt.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Teil jedes Brennstoffstabes (57) spaltbares Material enthält und einen Brennstoffteil (55) bildet, während der untere Teil jedes Brennstoffstabes (57) Brutmaterial enthält und als Brutzone (56) ausgebildet ist.

5. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Brennstoffelement (42) der in den Elementkästen (58) oberhalb der Brennstoffstäbe (57) befindliche Teil des nach oben fließenden Kühlmittels den Reflektorteil (54) der Brennstoffelemente (42) bildet.

6. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein flüssiges Metall vorgesehen ist.

7. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Natrium ist.

8. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Core (10) eine Höhe von 1,22 m (4 Fuß), einen äußeren, mittleren Durchmesser von 3,96 m (13 Fuß) und einen inneren, mittleren Durchmesser von 2,7 m (9 Fuß) aufweist.

9. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Core (10) von einer 0,46 m (l^l'jFuß) breiten ringförmigen Brutzone (12) umgeben ist und daß eine 0,46 m (l^l'a Fuß) breite ringförmige Brutzone (13) von dem ringförmigen Core eingeschlossen ist. während eine axiale Brutzone (14) von 0,15 m (6 inch) unter dem ringförmigen Core (10) und ein axialer Reflektor (15) von 0,45 m

(18 inch) über dem ringförmigen Core (t0) angeordnet sind.

10. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zum Hinaufführen des flüssigen Metalls durch die axiale Brutzone (14) durch das ringförmige Core (10) und den axialen Reflektor (15), wobei die reflektierenden Eigenschaften des axialen Reflektors (15) vom ununterbrochenen Fluß des Kühlmittels abhängig sind und eine Entleerung des ringförmigen Cores (10) von sich aus den axialen Reflektor (15) entleert.

11. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß hexagonale Brennstoffelemente (42) im Ring angeordnet sind.

12. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente (42) aus einem hexagonalen Elementkasten (58) und einem hexagonalen Bündel von Brennstoffstäben (57) bestehen, die von dem hexagonalen Elementkasten (58) eingeschlossen sind, der sich 0,45 m (18 inch) über die Spitze der Brennstoffstäbe (57) erstreckt, um den Reflektorteil (54) zu begrenzen und daß die Brennstoffstäbe (57) eine um 20,8% angereicherte PIutoniumdioxid-Urandioxidmischung enthalten, die den Brennstoffteil (55) der Brennstoffelemente (42) bildet, und ein um 0,3¹Vo angereichertes Urandioxid, das als die Brutzone (56) der Brennstoffelemente (42) ausgebildet ist.