DE1564029B2

DE1564029B2 - Bauteil zum Aufbau eines thermischen Reaktorkernes

Info

Publication number: DE1564029B2
Application number: DE1564029A
Authority: DE
Inventors: Francis Robert Bell; Robert Brokaw Duffield; Peter Rancho Santa Fe Fortescue
Original assignee: Gulf Oil Corp
Current assignee: Gulf Oil Corp
Priority date: 1965-09-08
Filing date: 1966-09-08
Publication date: 1974-04-25
Also published as: FI45493B; DE1564029A1; DE1564029C3; FI45493C; BE686539A; NL6612657A; US3413196A; CH457633A; SE326506B; GB1101600A; AT274165B

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil zum Aufbau eines thermischen Reaktorkernes aus hitzebeständigem Material, das eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit und gute Moderatoreigenschaften aufweist, mit zwei parallelen Endflächen und einer Mehrzahl von zu den Endflächen senkrecht verlaufenden Seitenflächen, wobei die Endflächen eine solche Form aufweisen, daß mehrerer solcher Bauteile unter gegenseitiger Anpassung zu einem zusammenhängenden Reaktorkerngebilde zusammengefügt werden können, mit einer Mehrzahl von sich von einer Endfläche zur anderen axial durch das Bauteil erstrekkenden Kühlkanälen und mit Brennstoffkammern, die zur Aufnahme von Kernbrennstoff dienen. Dieses Bauteil ist insbesondere für die Verwendung in gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktoren geeignet.

Bei Kernreaktoren, welche mit hoher Leistung arbeiten und ein Kühlmittel zur Abführung der Wärme von den Brennelementen im Reaktorkern benutzen, ist es wichtig, daß ein wirksamer Wärmeübergang vom Kernbrennmaterial in den Brennelementen auf den Kühlmittelstrom erzielt wird. Es ist weiterhin wichtig, daß die Temperaturen in den einzelnen Brennelementen auf einem konstanten Wert gehalten werden, um thermische Ausdehnungsgradienten im Brennelement so gering wie möglich zu halten. Bei derartigen Reaktoren, welche oft zur Erzeugung von brauchbaren Leistungen verwendet werden, ist es wesentlich, daß der Betrieb des Reaktorsystems mit anderen Systemen zur Erzeugung von brauchbaren Leistungen konkurrenzfähig ist. Ein wesentlicher, in die Leistungskosten eingehender Faktor ist die Aufwendigkeit der Brennelementherstellung. Es ist daher wesentlich, daß Brennelemente nicht nur hinsichtlich des Gesichtspunktes der Wärmeübertragung zwischen dem Kernbrennmaterial und dem Kühlmittelstrom, sondern auch im Hinblick auf geringe Kosten hergestellt werden.

Ein Bauteil der eingangs genannten Art ist aus der Zeitschrift »Nucleonics« vom März 1956, S. 37, Abb. 3, bekannt. Bei dem dort beschriebenen Bauteil handelt es sich um einen Moderatorblock mit Bohrungen zur Aufnahme von Brennstoffpatronen, die vom Boden des Reaktorkerns aus in die Bohrungen geschoben werden müssen, so daß dieses bekannte Bauteil allein nicht für den Aufbau eines Reaktorkerns geeignet ist, weil zusätzliche Einrichtungen zum nachträglichen Einschieben und Halten der Brennstoffpatronen erforderlich sind. Außerdem kann an den Verbindungsstellen der Kühlkanäle der einzelnen Bauteile Kühlgas ausströmen, was eine ungleichmäßige Kühlung zur Folge haben kann.

Weiterhin sind in der französischen Patentschrift 1 270 554 prismaförmige Blöcke aus Moderatormaterial beschrieben, die ebenfalls beim Aufbau eines Reaktorkerns Verwendung finden. Diese Blöcke weisen an ihren Stirnflächen Stifte bzw. entsprechende Ausnehmungen auf, so daß sie beim Zusammenfügen Halt aneinander finden. Diese Blöcke selbst enthalten weder Kanäle noch Brennstoff, vielmehr werden erst durch eine entsprechende Zusammenfügung mehrerer Blöcke Kanäle ausgebildet, in denen Brennelemente über Zuführungs- und Halteinrichtungen angeordnet werden müssen oder die als Kühlkanäle dienen können. Es ergeben sich hier im Prinzip die gleichen Nachteile wie bei den weiter oben erörterten bekannten Bauteilen.

Schließlich sind in der deutschen Auslegeschrift 1190 592 ebenfalls Moderatorblöcke beschrieben, die zum Aufbau eines Reaktorkerns Ver-

Wendung finden können. Diese Blöcke weisen einen zentralen, axial angeordneten Kanal auf, der entweder als Kühlkanal oder zur Aufnahme von Brennelementen dienen kann. An der Stirnseite jedes dieser Moderatorblöcke ist jeweils ein um den Kanal konzentrisch angeordneter Zentrieransatz bzw. Rücksprung vorgesehen. Bei zwei in den Stirnseiten aneinandergrenzenden Moderatorblöcken greift jeweils der Zentrieransatz des einen Moderatorblocks in den Rücksprung des anderen Moderatorblocks ein. Dieser Moderatorblock weist jedoch nicht gleichzeitig Kühlkanäle und mit Kernbrennstoff gefüllte und verschlossene Brennstoffkammern auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das allein, sofern eine Vielzahl solcher Bauteile verwendet wird, den Aufbau eines Reaktorkerns ermöglicht und gleichzeitig einen guten Wärmeübergang vom Kernbrennstoff auf den Kühlmittelstrom gewährleistet sowie einfach in der Konstruktion und wirtschaftlich herstellbar ist und das trotzdem eine gute Strukturstabilität bei Betriebsbedingungen besitzt. Weiterhin soll dieses Bauteil den Austritt des Kühlmittels erleichtern, eine größere Strömungsmenge des Kühlmittels in dem Teil des Reaktorkerns gewährleisten, welcher auf höchsten Temperaturen arbeitet, und die einzelnen Bauteile im Reaktorkern sollen leicht auswechselbar . sowie sowohl radial als auch axial relativ zum Zentrum des Reaktorkerns während einer neuen Beschickung desselben mit Brennmaterial leicht in ihre Stellung gebracht werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Bauteil in an sich bekannter Weise an einer Endfläche eine Vielzahl von hervorstehenden Stiften und an der anderen Endfläche Ausnehmungen aufweist, deren Positionen denen der Stifte entsprechen, daß in ebenfalls an sich bekannter Weise, jeder Stift hohl und koaxial zu je einem Kühlkanal angeordnet ist, wobei das andere Ende derjenigen Kühlkanäle, deren eines Ende von einem Stift koaxial umfaßt ist, in eine der Ausnehmungen mündet, derart, daß die Kühlkanäle der Einzelbauteile durch axiales Übereinandersetzen der Bauteile über die Stifte miteinander verbindbar sind, und durch den ganzen Kern verlaufende Kühlkanäle bilden, und daß jede der Brennstoffkammern an beiden Enden abgeschlossen ist.

Durch diese Ausbildung wird der vorstehend in der Aufgabenstellung genannte technische Fortschritt erzielt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger, in den F i g. 1 bis 5 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Bauteils gemäß der Erfindung.

Fig. 2 eine schematische ebene Ansicht eines Teils eines Reaktorkerns, in dem die in F i g. 1 dargestellten Bauteile verwendet werden,

Fig.3 eine vergrößerte ebene Ansicht des in F i g. 1 dargestellten Bauteils,

Fig.4 einen Querschnitt längs der Linie4-4 in Fig. 3,

F i g. 5 eine der F i g. 4 entsprechende vergrößerte Teilansicht einer weiteren Bauteil-Ausführungsform.

Es hat sich gezeigt, daß als Brennelemente dienende Bauteile in vorteilhafte Weise aus festen Blökken aus hitzebeständigem Material hergestellt werden können, deren Höhe und Breite etwa gleich ist. Derartige Bauteile können zur Bildung eines Reaktorkerns seitlich und übereinander in vertikalen Gruppen zusammengefügt werden. Dabei sind die Bauteile in Querrichtung dicht aneinander angefügt, so daß unter Bildung eines zusammenhängenden Horizontalgefüges das Volumen des Reaktorkerns wirksam ausgenutzt wird. Die blockförmigen Bauteile besitzen einen geeigneten Horizontalquerschnitt; beispielsweise in Form eines regulären Polygons; bei einem derartigen polygonförmigen Querschnitt kann es sich um ein Sechseck handeln.

Jedes als Einzelbrennelement dienende Bauteil besitzt eine Vielzahl von Brennstoffkammern und Kühlkanälen mit gewünschter Orientierung, so daß das Kühlmittel axial durch die Kühlkanäle strömen kann und die im Kernbrennmaterial erzeugte Wärme absorbiert. Die Kühlkanäle erstrecken sich durch das gesamte Bauteil und sind mit Kühkanälen in anderen Bauteilen aneinandergereiht, so daß in einer einzigen vertikalen Säule von Bauteilen zusammenhängende vertikale Durchlässe für das Kühlmittel vorhanden sind, welche sich von oben nach unten durch den Reaktorkern erstrecken.

F i g. 1 zeigt ein sechseckiges Bauteil 11 aus einem festen Block 13 aus hitzebeständigem Material mit je einer parallelen ebenen oberen und unteren Endfläche 15 und 17 sowie mit sechs vertikalen Seitenflächen 19 von gleichen Abmessungen, welche senkrecht auf den Endflächen stehen. Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Höhe und die Breite des Blocks 13 etwa gleich; es können jedoch auch andere Abmessungen vorgesehen werden.

Der horizontale Querschnitt des Blocks 13 besitzt vorzugsweise die Form eines regulären Sechsecks, obwohl auch andere geeignete Formen vorgesehen werden können. Es können beispielsweise andere reguläre polygonale Formen wie Dreiecke oder Quadrate verwendet werden. Auch nicht reguläre Formen, welche ein Horizontalaneinanderfügen der Blöcke in zusammenhängender Form ermöglichen, können ebenfalls verwendet werden. Die dargestellte reguläre sechseckige Form ist jedoch bevorzugt, weil benachbarte Blöcke leicht zusammengefügt werden können, wobei eine Seitenfläche eines Blocks an der Seitenfläche eines angrenzenden Blocks anliegt (s. Fig.2). Damit wird der Raum zwischen den Blökken und als Folge davon der durch diesen Raum tretende Kühlmittelfluß so klein wie möglich gehalten, was für einen wirksamen Reaktorbetrieb günstig ist. Darüber hinaus ergibt sich durch die Zusammenfügung von sechseckigen Blöcken 13 eine relativ gute Querhalterung der einzelnen Blöcke. Grundsätzlich ist die Anordnung von aneinandergrenzenden Blocksäulen so beschaffen, daß lediglich zwischen den Seitenflächen 19 von Blöcken aneinandergrenzender Säulen ausreichend Raum vorhanden bleibt, welcher wegen der thermischen Ausdehnung erforderlich ist. Die Blöcke 13 können aus irgendeinem geeigneten hitzebeständigen Material hergestellt werden, das bei den betrachteten Betriebstemperaturen des Kernreaktors gute strukturelle Festigkeit und größenmäßige Stabilität besitzt. Weiterhin soll das hitzebeständige Material relativ gute thermische Leitfähigkeit, gute Neutronenbremseigenschaften und einen geringen Neutroneneinfangquerschnitt besitzen. Vorzugsweise wird dichtes Graphit verwendet. Nichtbestrahltes Graphit mit einen Wärmeübertragungskoeffizienten

von 0,1 Kalorien pro cm-Sekunde und ⁰C ist als geeignet zu betrachten.

Wie aus den F i g. 3 und 4 zu ersehen ist, besitzt jedes sechseckige Bauteil 11 eine Vielzahl von Brennstoffkammern 21 und eine Vielzahl von Kühlkanälen 23 mit zweierlei Abmessungen. Die Brennstoffkammern 21 werden hergestellt, indem Löcher von der oberen Endfläche des Blocks 13 gebohrt werden, welche sich nach unten bis in die Nähe der

Derartige Kernbrennmaterialpartikeln, welche als Triplexpartikeln bezeichnet werden, besitzen ein Zentrum aus Kernbrennmaterial einer Mischung von Urandicarbid und Thoriumdicarbid, einen inneren 5 Überzug aus porösem pyrolytischem Kohlenstoff von etwa 5 bis 50 μ Dicke, einen Zwischenüberzug aus dichtem thermisch leitendem laminarem pyrolytischem Kohlenstoff einer Dicke zwischen etwa 10 und 80 μ und einer ausgeprägten nicht zusammenhän-Unterseite des Blocks 13 erstrecken. Die Brennstoff- io genden äußeren Schicht aus dichtem thermisch leitenkammern werden vorzugsweise in Richtung parallel dem stengeligem pyrolytischem Kohlenstoff von etwa zu den Kühlkanälen 23 gebohrt. Die Brennstoff kam- 10 bis 80 μ Dicke.

mern 21 sind mit geeignetem Kernbrennmaterial 25 Nach Fertigstellung der Brennstoffkammern und

gefüllt. der Kühlkanäle 23 werden die Brennstoffkammern

Bei dem dargestellten Bauteil 11 sind keine Vor- 15 21 der Bauteile 11 mit Kernbrennmaterial 25 gefüllt, kehrungen getroffen, um Spaltprodukte aus den Die gewünschte Menge von Kernbrennmaterial wird Brennstoffkammern 21 abzuführen. Das verwendete durch Vibrationsverdichtung oder mit einer anderen Kernbrennmaterial 25 soll daher die Spaltprodukte Art der Verdichtung in die Brennstoffkammern eingut festhalten. Obwohl jede . geeignete Form von gefüllt. Die Brennstoffkammern 21 werden an ihrem Kernbrennmaterial 25 wie beispielsweise kompaktes 20 oberen Ende mit einem geeigneten Kolben 27 ver-Kernbrennmaterial oder eine Kernbrennmaterialpa- schlossen, welcher mit der oberen Endfläche 15 des ste verwendet werden kann, werden die Brennstoff- Blocks 13 bündig abschließt. Um die Ausdehnung kammern 21 jedoch vorzugsweise mit dichten Pak- des Kernbrennmaterials 25 während des Reaktorbekungen von mit einem Überzug versehenen Kern- triebes und ein Schrumpfen des beispielweise aus brennmaterialpartikeln gefüllt. Bei Verwendung von 25 Graphit bestehenden Blocks 13 als Folge der Neutrodichten Packungen von Kernbrennmaterialpartikeln nenbestrahlung zu ermöglichen, wird oberhalb der ist eine genaue Herstellung der Brennstoffkammer 21
in den Bauteilen 11 nicht erforderlich, um eine genaue Abmessungsübereinstimmung der Brennstoffkammern und des Kernbrennmaterials zu erreichen.

Grundsätzlich können alle Kernbrennmaterialpartikeln verwendet werden, welche Spaltprodukte festhalten und mit dem Material, aus dem der Block 13 hergestellt ist, verträglich sind. In einem Graphit-

. block können Kernbrennmaterialpartikeln verwendet 35 beispielsweise eine Mischung aus Steinkohlenpech werden,' welche mit Spaltprodukte zurückhaltenden und Graphitmehl, verwendet werden. Überzügen aus pyrolytischem Kohlenstoff versehen Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, sind die Brennstoffsind. Ersichtlich können jedoch auch andere Spalt- kammern 21 vorzugsweise in Dreieckform angeordprodukte zurückhaltende Kernbrennmaterialparti- net, d. h., sie liegen an den drei Ecken eines gleichkeln verwendet werden, welche mit einem Block 13 40 seitigen Dreiecks; es können jedoch auch andere Anaus Graphit verträglich sind. Ordnungsformen verwendet werden. Bei einer derar-

Das Kernbrennmaterial 25 kann spaltbare und/ tigen dreieckförmigen Anordnung der Brennstoffoder ergiebige (fertile) Materialien wie beispielsweise kammern 21 sind auch die Kühlkanäle 23 dreieckför-Uran, Thorium und Plutonium in angereicherter oder mig (mit geringerem Abstand) angeordnet, wobei ein nicht angereicherter Form enthalten. Das spezielle 45 Kühlkanal 23 grundsätzlich im Zentrum von jeweils Material wird dabei durch den Aufbau und die lei- sechs Brennkammern 21 angeordnet ist. Wie im zenstungserzeugenden Eigenschaften des Kernreaktorsy- tralen Bereich des Blocks 13 zu sehen ist, ist für jestems bestimmt. weils drei Brennkammern 21 ein Kühlkanal 23 vor-

Es kann jede geeignete Größe von überzogenen gesehen. An der Peripherie des Blocks 13 sind die Kernbrennmaterialpartikeln verwendet werden; vor- 50 Kühlkanäle 23 kleiner und haben etwa den gleichen zugsweise haben die Kernbrennmaterialpartikeln je- Durchmesser wie die Brennstoffkammern 21. Im doch Durchmesser (einschließlich des Überzuges) im Umfangsbereich führt ein Kühlkanal lediglich die Bereich von etwa 250 bis etwa 1000 μ. Die Überzüge Wärme von durchschnittlich zwei Brennstoffkamsollen ihre gute Beschaffenheit über die erwartete mern 21 ab, während im mittleren Bereich durch Lebensdauer des Brennelementes, welche gewöhnlich 55 einen Kühlkanal die Wärme von drei Brennstoffkametwa sieben Jahre beträgt, behalten und die gasförmi- mern abgeführt wird. Der dargestellte Block 13 weist gen Spaltprodukte gut festhalten. Generell sollen die 240 Brennstoffkammern, 61 große Kühlkanäle und Überzüge so aufnahmefähig sein, daß das Austreten 30 kleinere Kühlkanäle auf.

von Spaltprodukt-Edelgasen etwa 10~⁵ der Gesamt- Im dargestellten Block 13 haben die Kühlkanäle

menge der während der Lebensdauer des Brennele- 60 23 ebenso wie die Brennstoffkammern 21 eine konmentes erzeugten Edelgase nicht übersteigt. stante dreieckige Einteilung. Daher sind die Mittelli-

Beispiele für geeignete Überzugsmaterialien für nien der Kühlkanäle 23 und der Brennstoffkammern graphitgebremste Brennelementsysteme sind pyroly- 21 in jedem Bauteil in der gleichen Anordnung, tischer Kohlenstoff und Siliziumcarbid. Die Über- Ebenso sind die Durchmesser der Kühlkanäle 23 in zugsmaterialien sind jedoch nicht auf die angegebe- 65 jedem Block an einer bestimmten Stelle gleich. Die nen Stoffe begrenzt. Ein Beispiel für geeignete, mit Durchmesser der Brennstoffkammern können jedoch Überzügen versehene Kernbrennmaterialpartikeln in verschiedenen Bauteilen variieren. Derartige Unwird in der USA.-Patentanmeldung 324 176 gegeben. terschiede des Brennstoffkammerdurchmessers kön-

dichten Packung des Brennmaterials ein kurzer Zwischenraum gelassen. Beim Zusammenbau wird dieser Zwischenraum vorzugsweise mit einem Kolben 30 29 aus bei Wärme zerfallendem Material, wie beispielsweise aufgeschäumtes Polystyrol, angefüllt, das bei Aufheizen des Bauteils 11 auf die Reaktortemperatur carboniert und verdampft wird. Zur Befestigung der Kolben 27 kann ein geeigneter Kleber, wie

nen vorgesehen sein, um bestimmte Bauteile 11 mit größeren Mengen von Kernbrennmaterial zu beschicken. Bei zahlreichen Kernreaktoren kann es wünschenswert sein, an verschiedenen Stellen in Achsrichtung des Reaktorkerns unterschiedliche Beschickungen mit Kernmaterial zu verwenden.

Um die Ausrichtung der einzelnen Bauteile 11 in einer gestapelten Säule zu erleichtern, sind die Blöcke 13 mit Verbindungselementen an der oberen und unteren Endfläche versehen. Beim dargestellten Bauteil 11 werden zur Verbindung dienende Stifte 31 und Ausnehmungen 33 verwendet. Wie aus den Figuren zu ersehen ist, besitzt jedes der Bauteile 11 drei nach oben stehende Stifte 31, welche in die oberen Endflächen 15 der Blöcke 13 eingesetzt sind. In den unteren Endflächen 17 jedes Blocks 13 sind drei Ausnehmungen 33 vorgesehen, welche mit den Stiften zur Deckung gebracht sind. Werden die Bauteile 11 übereinandergestapelt, so halten die drei nach oben stehenden Stifte 31 an der Oberseite jedes Bauteils dieses genau in seiner Stellung und sorgen für J \ eine Querhalterung des nächsten darüber angeordneten Bauteils. Wie aus Fig.4 zu ersehen ist, sind die Brennstoff kammern 21 im Bereich der Ausnehmungen 33 ein wenig kürzer, um die Bildung der Ausnehmungen zu ermöglichen.

Wie aus Fi g. 3 zu ersehen ist, sind die Stifte 31 jeweils mit einem Kühlkanal 23 in Achsrichtung ausgerichtet. Die Stifte 31 sind grundsätzlich rohrförmig ausgebildet, so daß rohrf örmige Bohrungen 35 in den Stiften zur Verbindung der Kühlkanäle von aneinandergrenzenden Blöcken 13 dienen, um zusammenhängende vertikale Durchlässe für das Kühlmittel in einer Säule von Bauteilen 11 zu ermöglichen. Darüber hinaus ist die Tiefe der Ausnehmungen 33 ein wenig größer als die Höhe der Stifte 31, wie in F i g. 4 gestrichelt dargestellt ist. Durch diese Darstellung ist die Anordnung eines Stiftes in einer Säule von Bauteilen 11 ersichtlich. Durch die unterschiedlichen Abmessungen wird ein freier Raum 37 zwischen der horizontalen oberen Endwand 39 der Ausnehmungen 33 und dem oberen Ende der Stifte 31 in einer Säule von gestapelten Bauteilen 11 gebildet. Diese Anordnung erleichtert die richtige Handhabung des Bauteils 11 durch eine geeignete Brennelement-Handhabungsmaschine mit drei herabhängenden Armen, welche in Abstand voneinander angeordnet und so dimensioniert sind, daß sie in die mit den Stiften 31 ausgerichteten Kühlkanäle 23 eingeführt werden können. Wenn eine derartige Brennelement-Handhabungsmaschine in ihre Stellung gebracht ist, können (gestrichelt dargestellte) Finger an den unteren Enden der Arme radial in die freien Räume 37 eingebracht werden, so daß sie bei Anhebung durch die Brennelement-Handhabungsmaschine an den Endwänden 39 der Ausnehmungen 33 aufsitzen, und das höchste Bauteil 11 in einem Stapel von diesem abheben.

Wird an Stelle einer derartigen Brennelement-Handhabungsmaschine mit drei Armen eine andere Handhabungsanordnung verwendet, so kann das Bauteil 11 leicht zur Anpassung ah diese ausgebildet werden. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, eine Handhabungsmaschine mit lediglich einem einzelnen herabhängenden Arm zu verwenden. In diesem Fall kann das Bauteil 11 am besten ausbalanciert werden, indem der Angriffspunkt an seinem axialen Zentrum vorgesehen wird. Es kann daher wünschenswert sein, eine Gegenbohrung am unteren Ende des Kühlkanals 23 im axialen Zentrum des Bauteils anzubringen, um einen (nicht dargestellten) Anschlag zur Anhebung des Bauteils 11 zu bilden. Ist infolge von Größe und Gewicht des Bauteils ein größerer Handhabungskanal erforderlich, so können die sechs Brennstoffkammern 21 in der Nähe des zentralen Kühlkanals 23 entfallen, um den Raum für einen derartigen vergrößerten Handhabungskanal zu schaffen.

ίο An Stelle der dargestellten Verbindung durch drei Stifte und drei Ausnehmungen können auch andere Verbindungsanordnungen verwendet werden. Eine mögliche abgewandelte Ausführungsform ist in F i g. 5 dargestellt, in der die mit Beistrichen versehenen Bezugszeichen die gleichen Komponenten bezeichnen, wie in der vorstehenden Erläuterung die ohne Beistrich versehenen entsprechenden Bezugszeichen. Das Bauteil 11' besitzt einen sich nach unten erstreckenden Umfangsrand 45 an der unteren

so Außenkante des Blocks 13'. An der oberen Außenkante des Blocks 13' ist entsprechend eine passende Nut 47 vorgesehen. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß ein möglicher Kühlmittelabfluß reduziert wird, welcher radial aus den vertikalen Kühl-

s5 durchlassen an den Zwischenflächen zwischen angrenzenden gestapelten Blöcken 13 austritt.

Um Regelstäbe zur Regelung der Ausgangsleistung des Reaktorkerns anbringen zu können, sind in einigen der Bauteile 11 Regelstablöcher 41 vorgesehen, welche sich vollkommen durch diese erstrecken und einen vertikalen Kanal bilden. In diesem Kanal kann ein zylindrischer Regelstab eingesetzt werden. Ein Bauteil 11 mit einem Paar von Regelstablöchern 41 ist in F i g. 2 dargestellt. Die Gesamtanzahl der verwendeten Regelstäbe hängt natürlich vom Gesamtaufbau des Reaktors ab.

Die Regelstablöcher 41 sind an Stellen im Block 13 vorgesehen, an denen sich keine Stifte und Ausnehmungen befinden und an denen sie die geringste Störung des Schemas der Brennstoffkammern 21 hervorrufen. Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, besitzt der zentrale Block 13 in dieser Gruppe von Bauteilen zwei Regelstablöcher 41, welche auf einer Verbindungslinie zwischen zwei gegenüberliegenden Ecken des Sechsecks liegen.

Die Regelstablöcher 41 sind geringfügig größer als die Durchmesser der Regelstäbe, so daß keine Verbindung zwischen den Regelstäben und den Innenwänden der Regelstablöcher besteht. Da eine genaue Ausrichtung der Bauteile 11 in einer vertikalen Säule durch die Stifte und Ausnehmungen sichergestellt ist, sind keine Regelstab-Führungsrohre vorgesehen. Die zylindrischen Innenwände der Regelstablöcher 41 liegen zur Auf- und Abwärtsbewegung der Regelstäbe aufeinander auf. Der ringförmige Spalt, welcher sich aus der Differenz der Durchmesser der Regelstablöcher 41 und der Regelstäbe ergibt, bildet vertikale Durchlässe für das Kühlmittel während des Reaktorbetriebs. Dieser Kühlmittelstrom führt die in den Brennstoffkammern 21 neben den Regelstablöchern 41 erzeugte Wärme ab und hält die Regelstäbe kalt.

Ein aus benachbarten Säulen von sechseckigen Bauteilen 11 gebildeter Reaktorkern hat mehrere triftige Vorteile gegenüber Reaktorkernen, welche aus einer Vielzahl von länglichen, zylindrischen Brennelementen hergestellt wird, wobei der offene Raum zwischen den Brennelementen als weites

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Durchlaßnetzwerk für den Kühlmittelstrom dient. Ein aus sechseckigen Bauteilen 11 gebildeter Reaktorkern kann in einfacher Weise unterschiedliche Strömungen führen, indem Düsen an den Eintrittsenden der Kühlmitteldurchlässe angeordnet werden. Auf diese Weise kann eine größere Kühlmittelmenge durch die zentralen Bauteile 11 fließen, in denen die Spitzenleistung erzeugt .wird, so daß die Auslaß temperatur des Kühlmittels aus diesen Durchlässen etwa mit der mittleren Auslaßtemperatur des Kühlmittels im gesamten Reaktor übereinstimmt.

Ein aus angrenzenden Säulen von lösbaren Bauteilen 11 gebildeter Reaktorkern ermöglicht eine axiale Bewegung der Bauteile·in einer speziellen Säule oder zwischen verschiedenen. Säulen während einer neuen Beschickung eines Teiles des Reaktorkerns. Ein derartiges Verschieben von solchen Bauteilen kann durchgeführt werden, um ein gleichmäßigeres Ausbrennen des Kernbrennmaterials in den einzelnen Bauteilen 11 zu gewährleisten. Es ist bekannt, daß der Neutronenfluß an den oberen und unteren Begrenzungen einer vertikalen Säule von Brennelementen geringer ist als in der Nähe des axialen Zentrums der Säule. Es ist daher erwünscht, die als Brennelemente wirkenden Bauteile zwischen diesen Stellungen zu verschieben, um das Ausbrennen des Kernbrennmaterials in „den verschiedenen Bauteilen 11 gleichmäßig zu machen. Darüber hinaus erleichtert eine derartige Kernreaktoranordnung auch das Wechseln von Bauteilen zwischen den Säulen; dies kann zur Ausgleichung der verschiedenen Alter der Bauteile 11 vorteilhaft sein.

Darüber hinaus erleichtert eine derartige Kernanordnung die Mischung des nach oben fließenden Kühlmittels verschiedener, auf unterschiedlichen Temperaturen befindlicher Kühlmitteldurchlässe, während sich das Kühlgas im Bereich des oberen Reflektors befindet. Wird die Mischung an dieser Stelle durchgeführt, so befindet sich das in die obere Füllkammer eines Reaktors eintretende Gas vor seinem Wiederaustritt auf einer gleichmäßigen mittleren Temperatur, so daß heiße Stellen kein Problem werden; im anderen Fall müßten derartige heiße Stellen in der oberen Füllkammer kompensiert werden.

Das dargestellte Bauteil 11 besitzt eine Anordnung der Kühlkanäle 23 und der Brennstoffkammern 21, bei der die Wärme aus den Brennstoffkammern wirksam abgeführt wird und damit die maximale Temperatur des Blocks 13 aus hitzebeständigem Material auf einem geringeren Wert gehalten wird, als bei anderen praktischen Brennelementanordnungen. Darin kann ein beachtenswerter Vorteil liegen, da bei Verwendung von Graphit für den Block 13 die unterschiedliche thermische Ausdehnung und Kontraktion zusammen mit der Kontraktion infolge von Neutronenbestrahlung zu erheblichen Spannungen in den einzelnen Graphitblöcken führen kann. Diese Spannungen sind um so geringer, je kleiner die maximale Temperatur der Grapbitstärke gehalten werden kann.

Im folgenden wird ein Beispiel für einen Kernreaktor gegeben, bei welchem ein Reaktorkern aus den in den F i g. 1 bis 4 dargestellten Bauteilen gebildet wird.

Beispiel

Mehrere sechseckförmige Bauteile 11 werden aus dichten Graphitblöcken hergestellt, wobei das Graphit eine Dichte von etwa 1,8 bis 1,9 g/cm³ besitzt.

Die Höhe der Blöcke 13 zwischen der oberen und der unteren Endfläche beträgt etwa 39,62 cm. Der Horizontalquerschnitt des Blocks 13 besitzt die Form eines regelmäßigen Sechsecks mit einer Abmessung von etwa 36,07 cm über den Flächen. Die keine Regelstablöcher 41 enthaltenden Bauteile besitzen 91 Kühlkanäle und 240 Brennstoffkammern. Die größeren Kühlkanäle 23 haben Durchmesser von etwa 1,651 cm, und die kleineren Kühlkanäle haben

ίο Durchmesser von etwa 1,454 cm. Dreißig kleinere Kühlkanäle sind in einer Umfangsreihe entlang der Seitenkanten des sechseckigen Blockes 13 angeordnet, wobei sich Brennstoffkammern 21 und Kühlkanäle 23 abwechseln. Die Kühlkanäle 23 sind dreieckförmig angeordnet, wobei die Dreiecksseitenlänge etwa 3,06 cm beträgt.

Die Durchmesser der Brennstoffkammern 21 variieren ein wenig zwischen Blöcken 13 im axialen Zentrum einer Säule und Blöcken 13 in den Außenbereichen der Säule. Die Durchmesser der Brennstoffkammern 21 variieren von etwa 1,32 und etwa 0,762 cm. Der Abstand zwischen den äußersten Punkten der Umfangskühlkanäle und Brennstoffkammern sowie der Seitenflächen 19 des Blocks beträgt etwa 0,635 cm. Die Brennstoffkammern sind von der oberen Endfläche 15 nach unten gebohrt und enden etwa 0,64 cm über der unteren Fläche des Blocks 13. Die Regelstablöcher 41 haben einen Durchmesser von etwa 8,275 cm und dienen zur Aufnähme eines Regelstabes mit einem Durchmesser von etwa 7,925 cm. Die minimale Stegdicke des Graphits zwischen aneinandergrenzenden Brennstoffkammern und Kühlkanälen beträgt etwa 0,43 cm.

Aus diesen sechseckigen Bauteilen wird ein Kernreaktor hergestellt, indem aus zwölf übereinandergestapelten Bauteilen gebildete vertikale Säulen zur Herstellung der aktiven Kernzone verwendet werden. Zur Bildung einer oberen und einer unteren Reflektorzone werden zusätzliche Graphitblöcke gleicher Abmessungen, welche jedoch lediglich Kühlkanäle und Regelstablöcher besitzen, oberhalb und unterhalb der Bauteile 11 angeordnet.

Zur Kühlung des Reaktorkerns wird Helium mit den folgenden Parametern verwendet:

...

	Parameter	Wert	hr-m-°C
50	Gesamte Kernflußmenge ..	1,6755·10« kg/hr
	Anteil des am Kern vorbei		1326,7⁰C
	fließenden Kühlmittels
	(für Seitenreflektor- und
	Regelstabkühlung)	8%
55	Gesamte Kernleistung	843 mw (t)
	Kerneintrittstemperatur ...	426,7° C
	Kernaustrittstemperatur ...	775° C
	Kerndruckabfall	0,385 kg/cm²
60	Radiale Spitzenleistung/
	Mittlere Leistung	1,6
	Kühlmitteldruck	31,5 kg/cm² (abs.)
	Graphit-Wärmeleitfähigkeit
	(für Seitenreflektor- und
65	Regelstabkühlung)	Ή 57
	Maximale Brennpackungs-
	temperatur

Der Reaktorkern wird aus 247 Säulen der beschriebenen Art gebildet, woraus sich eine Gesamtzahl von 2964 sechseckigen Bauteilen 11 ergibt. Bei Verwendung von 74 Regelstäben beträgt die gesamte Horizontalfläche der aktiven Zone des Reaktorkerns (einschließlich der Fläche der Regelstablöcher) etwa 278,708 dm². Der Abstand zwischen (kalten) angrenzenden Bauteilen 11 beträgt etwa 36,1 cm.

Die Brennstoffkammern 21 sind mit einer dichten Packung von kugeligen Kernbrennmaterialpartikeln gefüllt, welche spaltproduktfesthaltende Überzüge besitzen. Diese kugeligen Kernbrennmaterialpartikeln haben einen mittleren Außendurchmesser von etwa 500 μ (einschließlich des Überzuges). Die Partikeln enthalten eine feste Lösung von Urandicarbid und Thoriumdicarbid, wobei das Atomverhältnis zwischen Thorium und Uran etwa 13:1 beträgt. Die zentralen Kerne dieser Kernbrennmaterialpartikeln haben etwa Abmessungen von 300 μ, wobei ein Triplex-Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff diesen zentralen Kern umgibt. Die innere Schicht aus porö-

sem Kohlenstoff ist etwa 30 μ dick. Die Dicke der Zwischenschicht aus laminarem pyrolytischem Kohlenstoff beträgt 35 μ, während die äußere Schicht aus stengeligem pyrolytischem Kohlenstoff etwa 35 μ beträgt. Das verwendete Uran ist um etwa 93 °/o angereichert. Im gesamten Reaktorkern werden etwa 1400 kg von angereichertem Uran-235 verwendet.

Die maximale Brennmaterialpackungstemperatur von etwa 1326,7° C ist im Vergleich mit einem heliumgekühlten Reaktor zur Erzeugung der gleichen Leistung mit zylindrischen Graphitbrennelementen mit einem Durchmesser von etwa 11,94 cm sehr günstig, da sie um etwa 55,56° C tiefer liegt. Darüber hinaus beträgt die maximale Graphittemperatur in den sechseckigen Bauteilen (abgesehen von sporadischen heißen Stellen) etwa 1237,8° C, während sie bei einem anderen vergleichbaren Reaktor um 55,56° C höher liegt.
Es zeigt sich also, daß der aus sechseckigen Bauteilen 11 gebildete Reaktorkern günstig für den Betrieb in einem Leistungsreaktor ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bauteil zum Aufbau eines thermischen Reaktorkernes aus hitzebeständigem Material, das eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit und gute Moderatoreigenschaften aufweist, mit zwei parallelen Endflächen und einer Mehrzahl von zu den Endflächen senkrecht verlaufenden Seitenflächen, wobei die Endflächen eine solche Form aufweisen, daß mehrerer solcher Bauteile unter gegenseitiger Anpassung zu einem zusammenhängenden Reaktorgebilde zusammengefügt werden können, mit einer Mehrzahl von sich von einer Endfläche zur anderen axial durch das Bauteil erstreckenden Kühlkanälen und mit Brennstoffkammern, die zur Aufnahme von Kernbrennstoff dienen, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (11) in an sich bekannter Weise an einer Endfläche eine Vielzahl von hervorstehenden Stiften (31) und an der anderen Endfläche Ausnehmungen (33) aufweist, deren Position denen der Stifte (31) entsprechen, daß in ebenfalls an sich bekannter Weise jeder Stift (31) hohl und koaxial zu je einem Kühlkanal (23) angeordnet ist, wobei das andere Ende derjenigen Kühlkanäle (23), deren eines Ende von einem Stift (31) koaxial umfaßt ist, in eine der Ausnehmungen (33) mündet, derart, daß die Kühlkanäle (23) der Einzelbauteile (11) durch axiales Ubereinandersetzen der Bauteile (11) über die Stifte (31) miteinander verbindbar sind und durch den ganzen Kern verlaufende Kühlkanäle bilden, und daß jede der Brennstoffkammern (21) an beiden Enden abgeschlossen ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Endflächen (15, 17) als Polygon mit vorgegebener Gestalt ausgebildet ist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmungen (33) größer als die Höhe der Stifte (31) ist, so daß ein freier Raum (37) zur Aufnahme einer Brennelement-Handhabungsvorrichtung für die Bewegung der Bauteile ausgebildet ist.

4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als hitzebeständiges Material Graphit Verwendung findet, daß die Endflächen des Blocks (13) die Form eines regulären Sechsecks besitzen, daß die Kühlkanäle (23) in Dreieckform angeordnet sind und daß die Brennstoffkammern (21) durch parallel zu den Kühlkanälen (23) verlaufende Kanäle gebildet sind, welche in Dreiecksform angeordnet sind, wobei die Seitenlänge dieser Dreiecke kleiner als die Seitenlänge der Dreiecke der Kühlkanäle ist.

5. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Stifte und Ausnehmungen ein sich nach unten erstrekkender Umfangsrand (45) an der unteren Außenkante des Blocks (13') und an der oberen Außenkante eine entsprechend passende Nut (47) vorgesehen sind.