DE1539006C3 - Schneller Atomkernreaktor - Google Patents
Schneller AtomkernreaktorInfo
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Description
Kühlmittelspalt des Reaktors nach dem Hauptpatent ein Material vorzusehen, bei dem ein parasitärer Neutroneneinfang
infolge der Erhärtung des normalen Betriebsneutronenflußspektrums nicht sonderlich
vermindert wird. Dieses Material kann die Neutronen auch mit einem geringeren Verlust an Neutronenenergie
reflektieren als das Kühlmittel und dadurch zu einer Einsparung der kritischen Masse des Bereichs
schnellen Brennstoffes führen. Auf Grund der Bedingung des nicht reduzierten Einfangs wird ein derartiges
Material nicht in wesentlichem Ausmaß zu dem Fluß in dem Spalt beitragen, wenn das Spektrum infolge
einer Kühlmittelleerstelle hart wird; ein ausgeprägtes Ansteigen wegen eines verminderten Einfangs
in dem Material könnte schwer den Neutronenverlust durch Leckverlust von dem Spalt aufheben. Die Erfindung
vermeidet daher diese Möglichkeit und läßt die Wirkung des Spaltes im wesentlichen unverändert.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die genannte Zone außer dem hohen Volumenanteil
an Kühlmittel einen hohen Volumenanteil an Strukturmetall aufweist.
Das Strukturmetall kann im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasis bestehen,
wobei auch das Strukturmetall des umgebenden Bereiches mit hohem Brütmaterialanteil im wesentlichen
aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasis bestehen kann.
Zweckmäßig liegen die Zone mit hohem Kühlmittelanteil und der Bereich mit hohem Brütmaterialanteil
in getrennten Kühlmittelströmungswegen, durch die ein abgezweigter Teil der Kühlmittelbeschickung
des Reaktors hintereinander geleitet wird, bevor er sich wieder mit dem Rest der Beschickung vereinigt,
um in mindestens einem Strömungsweg durch den schnellen Brennstoffbereich zu strömen.
Die Abzweigung des Teiles der Kühlmittelbeschikkung erfolgt oberhalb von Dampfvorwärmern und hai
dadurch eine niedrigere Temperatur als der Rest der Beschickung, der direkt dem Bereich schnellen
Brennstoffs zugeführt wird. Dabei sind die Dampfvorwärmer derart gestaltet, daß sie Kühlmittel bei unterkritischer
Temperatur erhalten, wodurch der Kühlmittelbeschickungsanteil, der durch die Zone mit
hohem Kühlmittelanteil und den Bereich mit hohem Brütmaterialanteil geleitet wird, ebenfalls eine unterkritische
Temperatur aufweist.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, das in der Zeichnung im Längsschnitt
dargestellt ist, hat der Kern 11 eines schnellen Atomkernreaktors, der durch ein über den kritischen
Punkt hinaus unter Druck gesetztes wäßriges Kühlmittel gekühlt wird, eine im großen und ganzen gerade
Zylinderform mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser (einschließlich Brutmantel) von annähernd
0,6. Ummantelte Platten, die als schnellen Brennstoff ein Gemisch der Dioxide von Uran und
Plutonium enthalten, sind aufrecht in langgestreckten Gehäusen 12 zusammengepackt, die oben offen sind
und an ihren unteren Enden Fortsätze in Form von hohlen Spitzen bzw. Bolzen 13 haben, die in Hülsen
bzw. Löcher eines gitterförmigen Tragebauteils 14 passen. Die Brennstofflänge L der Platten, die der in
der oben angegebenen Verhältniszahl von 0,6 enthaltenen Länge entspricht, macht nur einen Teil der Gesamtplattenlänge
aus, während der restliche Teil leer ist, um innerhalb der Platten an ihren unteren Enden
einen Hohlraum zu schaffen, der als Sammelbehälter zur Aufnahme von aus dem Brennstoff ausgeschiedenen
Spaltproduktgasen dient. Der gitterförmige Tragebauteil 14 trägt die Brennstoffaggregatgehäuse 12
in dichter Packung, so daß ein Bereich schnellen Brennstoffes gebildet wird, dessen Durchmesser
durch die Größe D angezeigt wird und der einen Kühlmittelvolumenanteil von etwa 22% aufweist.
Ein den Bereich schnellen Brennstoffes umgebender radialer Brutmantel wird durch eine doppelte
ίο Reihe von Brutmaterialaggregatgehäusen 15 gebildet,
in denen aufrechte Reihen von umhüllten Stiften von natürlichem Urandioxyd enthalten sind, wobei der
Kühlmittelvolumenanteil ebenfalls bei etwa 22% liegt.
Zwischen dem Bereich schnellen Brennstoffes und dem radialen Brutmantelteilbereich befindet sich eine
ringförmige Zone 16, die durch innere und äußere im wesentlichen zylindrische Wandungen 17a bzw.
17b gebildet wird. Die Dicke der Zone einschließlich
der Wandungen beträgt etwa 7,62 cm und die Dicke der Wandungen ist derart, daß ein Kühlmittelvolumenanteil
von etwa 90% erhalten wird. Die Wandungen bestehen aus einer Legierung auf der Basis von
Zirkon, so daß folglich der ergänzende strukturelle Volumenanteil völlig aus der Legierung auf Zirkonbasis
besteht.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Teile dargestellt, die für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung
von Bedeutung sind, wobei es genügt, bezüglieh des Gehäuses für den Kern 11 darauf hinzuweisen,
daß der Behälter 18, in dem der Kern untergebracht ist, doppelwandig gestaltet ist, mit einem Zwischenraum
19 zwischen der inneren Wand 20 und der äußeren Wand 21, wobei die äußere Wand von Eintritts-
'büchsen 22 für Steuer- oder Regelstäbe und Einlaß- und Auslaßstutzen 23 bzw. 24 durchsetzt ist, die alle
zur Innenseite der inneren Wand 20 offen sind, die äußere Wand wird weiterhin am Kopf und am Boden
des Behälters von Hilfseinlaßstutzen 25 und 26 durchdrungen, die jedoch nur zum Zwischenraum 19 hin
offen sind.
Um die erforderliche Neutronenverlustkontrolle mittels des Kühlmittels in der ringförmigen Zone 16
zu erhalten, soll die Dichte dieses Kühlmittels hoch und folglich die Temperatur mindestens unterkritisch
sein. Unter der Voraussetzung, daß der Reaktor in einem direkten Umlauf verwendet wird, wird ein geringerer
Teil der Kühlmittelbeschickung, die zwischen der Förderpumpe und den Dampfvorwärmern einer
typischen Dampfturbinenanlage abgezweigt wird und deshalb eine verhältnismäßig tiefe Temperatur und
hohe Dichte hat, so zugeleitet, daß sie in ausreichender Menge in einem ersten Durchgang bzw. Strömungsweg
durch den radialen Mantel 15 und in einem zweiten Durchgang durch die kreisringförmige Zone
16 strömt, um in dieser Zone eine mittlere Dichte von etwa 0,8 g/cm3 zu ergeben. Um das Kühlmittel dieser
hohen Dichte durch den radialen Brutmantel und die ringförmige Zone zu leiten, wird dieses Kühlmittel
durch die Hilfseinlaßstutzen 25 und 26 in den Zwischenraum 19 zwischen den inneren und äußeren Behälterwänden
20 bzw. 21 eingeführt. Der Kühlmittelstrom hoher Dichte ist in der Lage, durch Öffnungen
27 in der inneren Wand 20 aus dem Zwischenraum in eine Kammer 28 einzuströmen, die von dem Rest
des Inneren des gitterförmigen Tragebauteils 14 durch eine ringförmige Trennwand 29 abgetrennt ist. Beim
Strömen von den Hilfseinlaßstutzen 25, 26 zu den
Öffnungen 27 hat das Kühlmittel hoher Dichte eine kühlende Wirkung auf die inneren und äußeren
Behälterwände und trägt in Verbindung mit schematisch bei 30 dargestellten Stahlabschirmungsplatten
bzw. -einbauteilen zur Bildung einer Abschirmung gegen Beschädigung der äußeren Wand durch vom
Kern her stammenden Neutronen bei, wobei mehrere Öffnungen, wie etwa bei 31 dargestellt, eine Strömung
in dem Zwischenraum 19 von einer Seite zu der andere η Seite des gitterf örmigen Tragebauteils 14 erlauben.
Aus der Kammer 28 kann das Kühlmittel hoher Dichte in die Brutmaterialaggregatgehäuse 15 eintreten,
durch die es einen ersten nach oben gerichteten Strömungsverlauf nimmt. Die Gehäuse 15 sind an ihren
oberen Enden im Gegensatz zu den Brennstoffaggregatgehäusen 12 geschlossen, sie weisen jedoch im
Bereich dieser Enden Schlitze 32 auf, die untereinander und mit entsprechenden Schlitzen durch die äußere
Wandung 176 der ringförmigen Zone 16 übereinstimmen, so daß das Kühlmittel hoher Dichte fin
diese Zone durch Querströmen einfließt und einen zweiten nach unten gerichteten Strömungsweg zwischen
den inneren und äußeren Wandungen 17a, Y7b der ringförmigen Zone nimmt. Weitere Offnungen 33
in dem gitterförmigen Tragebauteil 14 ermöglichen es, daß das Kühlmittel hoher Dichte aus der ringförmigen
Zone in den Hauptinnenraum des gitterförmigen Tragebauteils ausfließt, von wo aus das Kühlmittel
durch Schlitze 34 in die Spitzen bzw. Bolzen 13 der Brennstoffaggregatgehäuse 12 einfließen kann, um
sich mit der Hauptkühlmittelbeschickung zu vereinigen und zu vermischen, die in voll vorerwärmtem Zustand
durch die Einlaßstutzen 23 zugeführt wird und in die Gehäuse durch die offenen Enden der Spitzen
bzw. Bolzen einströmt. Die vereinigte Strömung folgt einefn einzigen nach oben gerichteten Strömungsweg
durch den Bereich schnellen Brennstoffes, der durch die Brennstoffaggregatgehäuse 12 gebildet ist, um auf
einen Kühlmittelauslaßzustand von 246,1 at und 565° C zu gelangen, wobei dieses Auslaßkühlmittel
aus dem Behälter durch die Auslaßstutzen 24 abgeleitet wird.
Berechnungen, die für eine 1000 MW(E)-Einheit oder -Anlage dieser Ausführungsform, bei der leichtes
Wasser als Kühlmittel verwendet wird, durchgeführt wurden, zeigen an, daß der Kühlmittelaussparungsfaktor
negativ ist, in gleicher Weise wie die Reaktivität auf das »Berieseln bzw. Strömen«, d. h. die Kühlmitteldichte
wächst auf ihr Maximum von 1 g/cm3 an. Die zuletzt genannte negative Änderung wird ohne
den Zusatz eines epithermen Giftstoffes in dem Kern erreicht und ist in großem Umfang auf den geringen
Kühlmittelanteil in dem Bereich schnellen Brennstoffes zurückzuführen. Wenn, wie es vorzuziehen ist, die
Ummantelung der Stifte in dem radialen Brutmantel ebenso aus einer Legierung auf Zirkonbasis besteht,
ist ein Gesamtbrutverhältnis (d. h. Anzahl der gebildeten Plutoniumatome zur Anzahl der vernichteten)
von 1,36 erreichbar. Bei axialen Brutmänteln, die ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen, würde
diese Verhältniszahl noch höher liegen. Obwohl im obigen nur leichtes Wasser als Kühlmittel erwähnt ist,
ist die Erfindung auch dort anwendbar, wo schweres Wasser oder eine Mischung von leichtem und schwerem
Wasser verwendet wird.
Als Hilfsmittel zur Milderung eines Leistungsmaximums an der Peripherie des Bereichs schnellen
Brennstoffes kommt die Anordnung einer dünnen Schicht von Brennstoff mit geringem Anteil an spaltbarem
Material zwischen der ringförmigen Zone und der Peripherie des Bereichs schnellen Brennstoffes in
Betracht. Die Verringerung des Anteils an spaltbarem Material kann ohne Beeinflussung des Kühlmittelvolumenanteils
durch Austausch des spaltbaren Materials gegen entweder ein inertes Streckmittel, z.B.
Magnesia, oder zusätzliches brütbares Material erreicht werden. Im Fall der letztgenannten Alternative
kann die Schicht mit einem geringen Anteil an spalt-'barem Material als Teil des radialen Brutmantels (den
Bereich mit hohem Anteil an brütbarem Material) betrachtet werden. Die ringförmige Zone liegt dann zwar
nicht genau an der Berührungsfläche der beiden Bereiche, aber sie liegt noch nahe genug daran, um als
benachbart dieser Berührungsfläche betrachtet werden zu können. Eine Verringerung des Brutverhältnisses
kann das Ergebnis sein; das Brutverhältnis entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
würde dann bei etwa 1,25 liegen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Schneller Atomkernreaktor mit einem im wesentlichen zylinderförmigen schnellen Brenn-Stoffbereich,
welcher von Bereichen umgeben ist, die ein größeres Verhältnis von brütbarem zu spaltbarem Material als das des schnellen Brennstoffbereichs
aufweisen, wobei die Bereiche durch strömendes Wasser von überkritischem Druck und
unterkritischer Temperatur gekühlt werden, und wobei zwischen diesen beiden Bereichen eine
Zone vorhanden ist, die frei von brütbarem und spaltbarem Material ist, die nahe der Grenzfläche
zwischen diesen Bereichen liegt und die sich mindestens über eine der sich aus den Endflächen und
der radialen Umfangsfläche zusammensetzenden Außenflächen des schnellen Brennstoffbereiches
erstreckt, wobei diese Zone eine Dicke aufweist, die größer ist als die mittlere freie Weglänge der*
Neutronen im Kühlmittel bei einem Neutronenenergiespektrum, wie es im schnellen Brennstoffbereich
während des Normalbetriebes des Reaktors vorhanden ist und wobei diese Zone einen
größeren Volumenanteil an Kühlmittel aufweist als jeder der beiden vorgenannten Bereiche, nach
Patent 1439839, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zone außer dem hohen Volumenanteil
an Kühlmittel einen hohen Volumenanteil an Strukturmetall aufweist.
2. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturmetall
im wesentlichen aus Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasis besteht.
3. Schneller Atomkernreaktor nach An-Spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturmetall
des umgebenden Bereiches mit hohem Brütmaterialanteil ebenfalls im wesentlichen aus <■<■
Zirkon oder einer Legierung auf Zirkonbasis besteht.
4. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone
mit hohem Kühlmittelanteil und der Bereich mit hohem Brütmaterialanteil in getrennten Kühlmittelströmungswegen
liegen, durch die ein abgezweigter Teil der Kühlmittelbeschickung des Reaktors hintereinander geleitet wird, bevor er sich
wieder mit dem Rest der Beschickung vereinigt, um in mindestens einem Strömungsweg durch den
schnellen Brennstoff bereich zu strömen.
5. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigung
des Teiles der Kühlmittelbeschickung oberhalb von Dampfvorwärmern erfolgt und dadurch
eine niedrigere Temperatur als der Rest der Beschickung hat, der direkt dem Bereich schnellen
Brennstoffs zugeführt wird.
6. Schneller Atomkernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dampfvorwärmer derart gestaltet sind, daß sie Kühlmittel bei unterkritischer Temperatur erhalten,
wodurch der Kühlmittelbeschickungsanteil, der durch die Zone mit hohem Kühlmittelanteil
und den Bereich mit hohem Brütmaterialanteil geleitet wird, ebenfalls eine unterkritische Temperatur
aufweist.
Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellen Atomkernreaktor mit einem im wesentlichen zylinderförmigen
schnellen Brennstoffbereich, welcher von Bereichen umgeben ist, die ein größeres Verhältnis
von brütbarem zu spaltbarem Material als das des schnellen Brennstoffbereichs aufweisen, wobei die
Bereiche durch strömendes Wasser von überkritischem Druck und unterkritischer Temperatur gekühlt
werden, und wobei zwischen diesen beiden Bereichen eine Zone vorhanden ist, die frei von brütbarem und
spaltbarem Material ist, die nahe der Grenzfläche zwischen diesen Bereichen liegt und die sich mindestens
über eine der sich aus den Endflächen und der radialen Umfangsfläche zusammensetzenden Außenflächen
des schnellen Brennstoffbereiches erstreckt, wobei diese Zone eine Dicke aufweist, die größer ist als die
mittlere freie Weglänge der Neutronen im Kühlmittel bei einem Neutronenenergiespektrum, wie es im
schnellen Brennstoffbereich während des Normalbetriebes des Reaktors vorhanden ist und wobei diese
Zone einen größeren Volumenanteil an Kühlmittel aufweist als jeder der beiden vorgenannten Bereiche,
nach Patent 1439 839.
Durch »Nuclear Science and Engineering« 4 (1958), insbesondere Seite 760, Fig. 9, ist es bekannt,
zwischen Brennstoff- und Brutzone eine von brüt- und spaltbarem Material freie Zone einzuschalten.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen schnellen Atomkernreaktor, der durch ein über den kritischen
Punkt hinaus unter Druck gesetztes wäßriges Kühlmittel gekühlt wird. Da bei überkritischen Drücken
(über 225,65 ata) keine deutliche Phasenänderung von Wasser zu Dampf vorliegt, wenn die Temperatur
über die kritische Temperatur (374° C) erhöht wird, feesteht folglich eine Unsicherheit darüber, ob man
das Medium Wasser oder Dampf nennen soll.
Die Moderatoreigenschaft von in einen schnellen Reaktor eingeführtem wäßrigen Kühlmittel setzt das
Neutronenenergiespektrum herab bzw. macht es weicher. Das weichere Spektrum erhöht den unproduktiven
Neutroneneinfang, bezogen auf die Spaltung im Brennstoff, und setzt sowohl den Betrag der Spaltung
in brütbaren Isotopen, wiez. B. U238, als auch die mittlere
Anzahl der je Spaltung erzeugten Neutronen herab. In dem Fall, wo die Kühlmitteldichte auf Grund
eines Temperaturanstiegs niedriger wird, als es dem normalen Betrieb entspricht, wird das Spektrum härter,
so daß die obenerwähnten Faktoren in entsprechender Weise weniger wirksam werden, was einen
daraus folgenden Anstieg der Neutronenzahl bedingt. Diesem Anstieg der Neutronenzahl wirkt ein größerer
Neutronenverlust des Kerns entgegen, der als Folge der verminderten Kühlmitteldichte auftritt. Es besteht
somit nicht nur in kleinen Kernen, in denen ein Verlust bzw. ein Leck herrscht, ein geringer Spielraum für eine
Reaktivitätsschwächung bei Kühlmittelverlust, sondern auch in größeren Kernen, bei denen ein Verlust
eine geringere Rolle spielt, kann sogar ein Reaktivitätsgewinn eintreten. Wenn auch das Auftreten eines
Kühlmittelverlustes in der Praxis als nahezu unwahrscheinlich angesehen werden kann, ist es doch für
Atomkernreaktoren eine Bedingung, in dieser Hinsicht sicherzugehen. Kurz ausgedrückt, der Reaktor
sollte einen negativen Kühlmittel-Blasenkoeffizienten oder Leerraumkoeffizienten haben.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Atomkernreaktors nach dem Hauptpatent, und ihr
liegt die Aufgabe zugrunde, in Verbindung mit dem
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Legal Events
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---|---|---|---|
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