DE1589802B1

DE1589802B1 - Leisternkernreaktor mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivitaet

Info

Publication number: DE1589802B1
Application number: DE19641589802D
Authority: DE
Inventors: West Gordon Bruce; Clifford Charles Edward; Hopkins George Robert
Original assignee: GULF ATOMIC Inc
Current assignee: GULF ATOMIC Inc
Priority date: 1963-02-18
Filing date: 1964-02-18
Publication date: 1971-04-22
Also published as: GB984656A; US3257285A

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungs- steigt der Neutronenfluß in den Bereichen an, in kernreaktor, dessen Reaktivität einen prompten nega- denen sich die Blanket-Elemente befinden. Die bei tiven Temperaturkoeffizienten aufweist, mit einem diesem bekannten Kernreaktor vorgesehene, als Druckgefäß, in dem sich eine als Kühlmittel und Kühlmittel und Moderator dienende Flüssigkeit Moderator dienende Flüssigkeit befindet, mit einem 5 durchfließt den Reaktor dabei jedoch nicht in einer in der Flüssigkeit angeordneten Kern, der Anord- solchen Weise, daß ein prompter negativer Tempenungen von gas- und flüssigkeitsdichten, in Abstand raturkoeffizient erzielt wird.

voneinander angeordneten Brennstoffelementen ent- Es ist im übrigen auch schon ein Kernreaktor

hält, um die herum Durchtrittskanäle für die als Kühl- bekannt (belgische Patentschrift 529 777), bei dem mittel und Moderator dienende Flüssigkeit freigelas- io ein Kühlmittel nacheinander durch Spalte zwischen sen sind, und mit einer Einrichtung zum Umwälzen den Brennstoffelementanordnungen und durch die der als Kühlmittel und Moderator dienenden Flüssig- Brennstoffelemente umschließende Kanäle geleitet keit durch die Durchtrittskanäle. wird. Mit Hilfe dieser bekannten Anordnung ist es

Es sind bereits Kernreaktoren bekannt (französische jedoch nicht ohne weiteres möglich, eine Reaktivität Patentschrift 1289 098, USA.-Patentschrift 2787 593), 15 mit einem prompten negativen Temperaturkoeffibei denen mit einem flüssigen Kühlmittel gearbeitet zienten zu erzielen.

wird, das gleichzeitig die Funktion eines Moderators Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,

ausübt. Dabei sind in einem Fall Brennstoffelement- einen einfachen Weg zu zeigen, wie vorzugehen, um anordnungen mit in Abstand voneinander aufge- einen Leistungskernreaktor auf relativ einfache bauten Brennstoffelementen vorgesehen, um die 20 Weise zu realisieren, dessen Reaktivität einen prompherum Durchtrittskanäle für die als Kühlmittel die- ten negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und nende Flüssigkeit freigelassen sind. Von Nachteil bei dem jeweils die gesamte verfügbare überschüssige bei diesen bekannten Kernreaktoren ist jedoch, daß Reaktivität eingeführt werden kann, ohne daß dabei sie keinen prompten negativen Temperaturkoeffizien- eine Beschädigung auftritt und ohne daß Spaltproten aufweisen, durch welchen eine Erhöhung dei 25 dukte freigesetzt werden.

Brennstofftemperatur in einem Kernreaktor unmit- Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe

telbar zu einer verringerten Reaktivität führt. bei einem Leistungskernreaktor der eingangs genann-

Es ist ferner eine Anordnung des Reaktordruck- ten Art erfindungsgemäß dadurch, daß innerhalb behälters eines Hochleistungs-Druckreaktors in einem des aktiven Bereichs des Kerns zwischen den Brennaus einem Berg ausgesprengten Raum bekannt (deut- 30 Stoffelementanordnungen ein zylinderförmiger Spalt sehe Auslegeschrift 1 046 790), bei der der Reaktor- vorgesehen ist, der wesentlich breiter als der norbehälter selbst nur eine verhältnismäßig geringe male Abstand zwischen den Brennstoffelementen ist, Wandstärke hat und bei der Mittel vorgesehen sind, und daß die Flüssigkeit in einander entgegengesetzter die die Druckspannungen, denen die Decke, die Richtung in an sich bekannter Weise erst durch die-Wände und der Boden des genannten Behälters unter- 35 sen Spalt und dann durch die die Brennstoffelemente worfen sind, weiterleiten, so daß letztlich der Ge- umschließenden Durchtrittskanäle geleitet ist. Die birgsstock den Druck abfängt. Bei dieser bekannten Erfindung bringt gegenüber den bisher bekannten Anordnung sind zwar einzelne Rohre im brennstoff- Leistungskernreaktoren den wesentlichen Vorteil mit freien Bereich für die Aufnahme des Reaktorkühl- sich, daß auf relativ einfache Weise, nämlich allein mittels vorgesehen. Von Nachteil hierbei ist jedoch 40 durch die Bereitstellung eines Spaltes zwischen den ebenfalls, daß ein prompter negativer Temperatur- Brennstoffelementanordnungen in dem aktiven Bekoeffizient nicht unmittelbar und automatisch erzielt reich des Kerns mit einer wesentlich größeren Breite wird. Vielmehr ist es bei dieser bekannten Anord- als dem normalen Abstand zwischen den Brennstoffnung ebenso wie bei den eingangs betrachteten be- elementen entspricht und durch die genannte Hinkannten Kernreaktoren erforderlich, bei Ansteigen 45 durchleitung der Flüssigkeit durch den Spalt und die der Temperatur des Kernbrennstoffes Steuerelemente Druchtrittskanäle eine Reaktivität mit einem prompin den Reaktorkern einzuführen. ten negativen Temperaturkoeffizienten erzielt wird.

Es ist ferner ein Atomreaktorkern bekannt (deut- An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung

sehe Auslegeschrift 1054 603), bei dem die Brenn- nachstehend näher erläutert. Es zeigt Stoffelemente in Magazinen angeordnet und gege- 50 F i g. 1 einen Grundriß eines Kernreaktors mit benenfalls zwischen den Brennstoffelementen und/ gewissen Merkmalen gemäß der Erfindung, der in oder der Magazinwand Abstandshalter vorgesehen dem unteren Teil eines Abschirmtanks angeordsind, wobei die Magazinwände in einer solchen net ist,

Blechstärke ausgeführt sind, daß sie sich unter dem F i g. 2 einen Vertikalschnitt entlang der Linie 2-2

Druck des Wassers an den Brennstoffelementen bzw. 55 in F i g. 1,

den Abstandshaltern anlegen. Von Nachteil bei die- F i g. 3 einen vergrößerten Vertikalschnitt entlang

sem bekannten Atomkernreaktor ist jedoch ebenfalls, der Linie 3-3 in F i g. 1,

daß hier kein prompter negativer Temperaturkoeffi- F i g. 4 einen horizontalen Teilschnitt entlang der

zient erzielt wird. Linie 4-4 in Fig. 3, wobei Teile weggebrochen sind,

Es ist ferner ein Kernreaktor bekanntgeworden 60 um die Konstruktion der Brennstoffelementanord-(britische Patentschrift 885 891), bei dem in einem nungen besser zeigen zu können, sogenannten Seed-und-Blanket-Reaktor 32 söge- F i g. 5 einen vergrößerten vertikalen Teilschnitt

nannte Seed-Elemente vorgesehen sind, die ange- durch den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Steuerreichertes Uran enthalten. Die die betreffenden Seed- mechanismus, Elemente umgebenden Blanket-Elemente enthalten 65 Fig. 6 einen horizontalen Teilschnitt entlang der dabei in erster Linie Brutmaterial. Mit zunehmender Linie 6-6 in F i g. 5,

Betriebsdauer des Reaktors brütet das Brutmaterial Fig.7 eine vergrößerte perspektivische Ansicht

in den Blanket-Elementen spaltbares Material. Damit einer Brennstoffelementanordnung und von Brenn-

I 589 802

3 4

Stoffwerkzeugen für einen Kernreaktor in den Wie besonders in F i g. 3 dargestellt ist, hat das

F i g. 1 bis 4, Druckgefäß 10, das aus einem Material mit einem

Fig. 8 einen vergrößerten Grundriß der Brenn- guten Widerstandsvermögen gegen Versprödung

stoff elementanordnung in F i g. 7, durch energiereiche Neutronen, wie aus rostfreiem

F i g. 9 einen Vertikalschnitt entlang der Linie 9-9 5 Stahl, hergestellt ist, eine im wesentlichen rohrf örmige

in F i g. 8, Seitenwand 26 und einen elliptischen Boden 27, der

Fig. 10 eine Vorderansicht eines der Brennstoff- einstückig mit der Seitenwand26 ausgebildet ist. Der

elemente in Fig. 7 und obere Teil der Seitenwand 26 ist verjüngt, um die

Fig. 11 bis 13 vergrößerte Vorderansichten von Druckbelastung auf einen im wesentlichen flachen

Brennstoffelementen in F ί g. 7, von denen Teile weg- io Deckel 28 zu verringern, der an dem verjüngten Teil

gebrochen sind, um deren Aufbau zu zeigen. der Seitenwand 26, beispielsweise durch Bolzen 30,

Der in der Zeichnung dargestellte Kernreaktor hat entfernbar befestigt ist. Eine geeignete Dichtung 31

ein Druckgefäß 10, das auf dem Boden eines was- ist zwischen dem verjüngten Bereich und dem Deckel

sergefüllten Abschirmtanks 11 gelagert ist. Die reak- 28 vorgesehen, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung

tive Kernanordnung 12 ist in dem Druckgefäß 10 15 zu gewährleisten.

gelagert, welche reaktive Kernanordnung eine An- Der zentrale Teil des Deckels 28 ist mit einem sich zahl von vertikal verlaufenden, länglichen Brennstoff- nach unten erstreckenden, hohlen Ansatz 32 verelementen 13 aufweist. Ein im wesentlichen ring- sehen, um die Kühlmittelmenge in dem Druckgefäß förmiger Reflektor 15 ist zwischen dem Kern 12 und 10 möglichst gering zu halten. Der Ansatz 32 kann dem Druckgefäß 10 angeordnet. Der Reflektor 15 20 mit einem Abschirmmaterial 33, beispielsweise mit ist in Segmente unterteilt, die radial relativ zu dem Blei usw., ausgefüllt werden, um die Strahlungsititen-Kern 12 durch einen Steuermechanismus 16 bewegt sität zu verringern, die nach oben aus dem Kern werden können, um die Reaktivität des Kerns zu 12 in das Druckgefäß 10 austritt. Eine Klappe 35 für steuern. Eine Einrichtung 17 ist vorgesehen, um einen den hohlen Ansatz ist auf den Deckel, beispielsweise sich im wesentlichen vertikal erstreckenden ringför- 25 durch Bolzen 36, entfernbar befestigt,
migen Kühlmittelkanal in dem Kern 12 zu begrenzen.- Um Spannungsbeanspruchungen möglichst gering Eine im wesentlichen vertikal verlaufende zylindrische zu halten, sind das Druckgefäß 10 und der Deckel Ummantelung 18 ist zwischen dem Kern 12 und dem 28 beispielsweise allseitig durch einen wasserdichten Reflektor 15 vorgesehen. Das obere Ende des ring- Doppelmantel (nicht dargestellt) isoliert, welcher das förmigen Kanals 17 steht in Verbindung mit einem 30 Druckgefäß 10 umgibt. Thermisches Isoliermaterial Bereich zwischen dem Druckgefäß 10 und der Um- (nicht dargestellt) wie Glaswolle ist zwischen dem mantelung 18. Eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein Doppelmantel und dem Druckgefäß angeordnet,
organisches Kühlmittel (z.B. Diphenyl, Terphenyl Wie besonders in Fig.3 dargestellt ist, wird der oder Mischungen davon), das sowohl als Kühlmittel im folgenden zu beschreibende Kern 12 in dem unteals auch als Moderator dient, wird durch einen Ein- 35 ren Teil des Druckgefäßes 10 durch eine Stützeinrichlaß 20, der in dem Druckgefäß 10 vorgesehen ist, tung 37 für den Kern zentral gestützt. Die Stützeinnach unten durch den Bereich zirkuliert, der zwischen richtung 37 weist eine horizontal verlaufende kreisder Ummantelung 18 und dem Druckgefäß 10 liegt, förmige Platte 38 aus einem geeigneten Material wie sowie durch den Kanal 17 nach oben durch die rostfreiem Stahl auf, die auf einer Reihe von Blöcken Brennstoffelemente 13 und dann nach außen durch 4° 40 aufliegt, die in Umfangrichtung in einem Abstand einen Auslaß 21, der in dem Druckgefäß 10 vor- voneinander entlang dem Randteil des Bodens 27 gesehen ist und mit der Ummantelung 18 in Verbin- angeordnet sind. Die Blöcke 40 sind geeignet mit dem dung steht. Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ab- Druckgefäß 10 verbunden, indem sie z. B. daran anschirmtank begrenzt einen im wesentlichen zylindri- geschweißt sind. Die Stützplatte 38 ist mit einer Reihe sehen Schacht 22 zur Aufnahme des Druckgefäßes 45 von Öffnungen 41, angrenzend an deren Peripherie 10. Die Wände des Abschirmtanks 11 bestehen aus und unter der Kanalbegrenzung 17, versehen, damit einem geeigneten Material zur Strahlungsabschir- Kühlmittel in den unteren Teil des Druckgefäßes 10 mung, beispielsweise aus Beton. Der Schacht 22 wird fließen kann.

mit einer Flüssigkeit wie Wasser gefüllt, die als Strah- Um thermische Spannungen in dem Druckgefäß 10 lungsabschirmung und Kühlmittel dient. Das Wasser 50 möglichst gering zu halten, werden thermische Abwird durch nicht dargestellte Einrichtungen zirku- schirmungen 42 und 43 aus einem geeigneten Mateliert, gekühlt und demineralisiert. Die Tiefe des rial wie rostfreiem Stahl zwischen der Kernanordnung Schachts 22 wird durch den Betrag der über dem und dem Druckgefäß vorgesehen. Wie besonders in Druckgefäß 10 in dem Schacht22 gewünschten Ab- Fig.3 dargestellt ist, ist eine der thermischen Abschirmung bestimmt. Die Breite des Schachts 22 wird 55 schirmungen 43 direkt unter der Kernanordnung 12 durch den Betrag der Abschirmung bestimmt, die zur vorgesehen. Diese Abschirmung weist eine sich hori-Verringerung der Aktivität der Neutronen auf einen zontal erstreckende, im wesentlichen kreisförmige gewünschten Wert in der Grenzzone des Schachts 22 Platte 45 auf, die geeignet durch die Stützplatte 38 benötigt wird. für den Kern in einem Abstand davon getragen wird, Das Druckgefäß 10 ist auf dem Boden des Schachts 60 beispielsweise mit Hilfe konzentrischer Ringe 46, die 22 durch vier Füße 23 abgestützt, die mit dem Druck- an die Stützplatte und die Stützplatte 45 angeschweißt gefäß verbunden sind und sich davon nach außen sind. Die Ringe 46 sind mit einer Anzahl von öfferstrecken. Die Füße 23 sind auf zwei parallelen nungen 47 versehen, durch die Kühlmittel hindurch-I-Trägern 25 montiert, die auf dem Boden des treten kann.

Schachts 22 ruhen. In dieser Weise kann der Boden 65 Die andere thermische Abschirmung 42 ist zwi-

des Druckgefäßes von dem Boden des Schachts 22 sehen dem Kern 12 und der Seitenwand 26 des

in einem Abstand angeordnet werden, so daß Wasser Druckgefäßes 10 vorgesehen. Wie in Fig. 3 gezeigt

unter dem Gefäß 10 frei zirkulieren kann. ist, ist diese thermische Abschimung 42 im wesent-

5 6

lichen rohrförmig ausgebildet und angrenzend an die bung werden die am Ende vorgesehenen Haltevor-Seitenwand26 des Druckgefäßes in einem Abstand richtungen durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, davon angeordnet. Die rohrförmige thermische Ab- während ein Buchstabe zugefügt wird, welcher sich schirmung 42 ruht auf der Stützplatte 38, und ihre auf die Haltevorrichtung für die betreffende Gestalt Lage kann durch eine Anzahl von Führungsstiften 48 5 eines Brennstoffelements bezieht. Entsprechende bestimmt werden, die von der Unterkante der Ab- Teile der Haltevorrichtungen werden mit den gleischirmung 42 vorragen, welche Stifte in entspre- chen Bezugszeichen bezeichnet, sowie mit den Buchchende Führungsöffnungen 50 in der Stützplatte 38 stäben des zugeordneten Brennstoffelements, hineinragen. Nicht dargestellte Abstandshalter sind Die untere Haltevorrichtung 57 α des zentralen am oberen Ende der Abschirmung 42 vorgesehen, io Brennstoffelements 13 α enthält einen oberen Endteil um einen Abstand zwischen der Abschirmung 42 60 a, der geeignet mit dem Rohr 52 a verbunden ist, und der Seitenwand 26 des Druckgefäßes 10 einzu- einen zentralen, länglichen, sich nach unten verhalten. Um die Entfernung der Abschirmung 42 zu jungenden Teil 61a sowie einen unteren mit einem vereinfachen, ist diese unterteilt. Gewinde versehenen Teil 62 a, der einen verringerten

Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, enthält der 15 Durchmesser besitzt, damit sich eine Schulter 63α

Kern 12 eine Anzahl von Brennstoffelementanord- zum Abstützen des Gewichts des Brennstoffelements

nungen, die auf der Stützplatte 38 für den Kern 13 a ergibt.

ruhen. Die Brennstoffelementanordnungen 51 be- Wie in F i g. 9 dargestellt ist, ist der untere Endstehen jeweils aus einer Anzahl von länglichen, ver- teil 62 a jedes der zentralen Brennstoffelemente 13 a tikal verlaufenden Elementen 13, die in drei ver- 20 in eine entsprechende Anordnungsöffnung 65 in schiedenen Konfigurationen gehaltert werden. Wie einer sich horizontal erstreckenden unteren Bündelbesonders in F i g. 4 dargestellt ist, ist eine einzelne, Stützplatte 66 aus geeignetem Material wie rostfreiem im wesentlichen zylindrische Brennstoffanordnung Stahl angeordnet. Die untere Bündel-Stützplatte 66 51a in dem zentralen Teil des Kerns (also dem Teil der zylindrischen Brennstoffelementanordnung 51a des Kerns, der durch die den Kanal begrenzende Ein- 25 besitzt einen im wesentlichen kreisförmigen Umriß richtung 17 umschlossen ist) angeordnet. Sechs im (vgl. Fig.4). Die Stützplatte66 der dreieckförmigen wesentlichen dreieckförmige Brennstoffelementanord- Brennstoffelementanordnung 51 b besitzt im wesentnungen51Z> und sechs im wesentlichen rechteckige liehen einen trapezförmigen Umriß, während der-Brennstoffelementanordnungen51c sind wahlweise jenige der rechteckigen Brennstoffelementanordnunum den ringförmigen Raum angeordnet, der zwischen 30 gen 51 c ein Ausschnitt eines Ringes ist. dem ringförmigen Kanal 17 und den Reflektoren 15 Wie besonders in Fig. 9 dargestellt ist, ist eine liegt. Mutter 67 auf den Gewindeteil 62 a aufgeschraubt,

Wie in den F i g. 10 bis 13 dargestellt ist, hat jedes um das Brennstoffelement 13 α in der unteren Stützder Brennstoffelemente 13 ein im wesentlichen läng- platte 66 zu haltern. Die Unterseite der unteren Stützliches Rohr 52 aus einem Material, das bei hohen 35 platte 66 besitzt Gegenbohrungen an jeder der öff-Temperaturen beständig ist und einen hohen Wider- nungen 65, in welche eine Mutter 67 aufgenommen stand gegen eine Versprödung durch energiereiche wird.

Neutronen aufweist, wie beispielsweise rostfreier Wie in den Fig.9 und 13 dargestellt ist, hat die Stahl. Das Rohr 52 jedes Brennstoffelements 13 ist obere Endbefestigung 56 α jedes der Brennstoffelemit einer wendeiförmigen Rippe 53 versehen, die 40 mentel3a einen unteren Teil 68 a, der geeignet mit sowohl als Abstandshalter für die Brennstoffelemente dem Rohr 52 a verbunden ist, sowie einen sich nach 13 in der Anordnung als auoh als Kühlmittelführung oben verjüngenden Teil 70 a. Das obere Ende des dient, indem sie eine Drehkomponente der Kühl- Brennstoffelements 13 α ist deshalb frei in der Brennmittelgeschwindigkeit verursacht. Eine Drehkompo- Stoffelementanordnung 51 angeordnet, nente für das Kühlmittel verbessert die Wärme- 45 Die Brennstoffelemente mit den in Fig. 11 darübertragungseigenschaften des Brennstoffelements. gestellten Endbefestigungen (im folgenden als befe-Das Rohr 52 ist mit Brennstoff 55 gefüllt, der im stigende Brennstoffelemente 13 b bezeichnet) sind an folgenden noch zu beschreiben ist, und ist an seinem der Außenseite der Brennstoffelementanordnung 51 oberen und unteren Ende durch Haltevorrichtungen angeordnet und werden zur Halterung der unteren

56 bzw. 57 aus einem geeigneten Material wie rost- 50 Stützplatte 56 in einem Abstand von einer oberen freiem Stahl abgeschlossen, die beispielsweise mit den Stützplatte 70 der Brennstoffelementanordnung 51 Rohren verschweißt sind. Freie Zwischenräume 58 verwandt, welche obere Stützplatte 70 wie die untere sind in dem Brennstoffelement zwischen dem Brenn- Stützplatte 66 ausgebildet ist.

stoff und den Haltevorrichtungen 56 und 57 vorge- Die untere Haltevorrichtung 57 b jedes befestigensehen, damit sich ein Zwischenraum für die Ansamm- 55 den Brennstoffelements 13 b ist wie die untere Haltelung irgendwelcher freigesetzter Gase sowie eine Iso- vorrichtung 57 a des zentralen Brennstoffelements lation von dem Brennstoff ergibt, um Temperatur- 13 a ausgebildet. Der Gewindeteil 62 & jedes Befegefalle entlang deren Länge zu verringern. stigungs-Brennstoffelements 13 b ist an der unteren Die dargestellten Vorrichtungen 56 und 57 besit- Stützplatte 66 in entsprechender Weise befestigt, wie zen eine unterschiedliche Gestalt. Die spezielle 60 in Verbindung mit der Befestigung der unteren Halte-Gestalt hängt von der Lage und der strukturellen vorrichtung 57 a der zentralen Brennstoffelemente Funktion des Brennstoffelements 13 in der betreffen- 13 α erläutert wurde. Die obere Haltevorrichtung 56 b den Brennstoffelementanordnung 51 ab. Das Brenn- jedes befestigenden Brennstoffelements 13 b ist entstoffelement 13 mit den Haltevorrichtungen 56 und sprechend wie die untere Befestigungseinrichtung

57 in Fig. 13 (im folgenden als zentrale Brennstoff- 65 57& ausgebildet. Zu diesem Zweck weist die obere lemente 13 α bezeichnet) nimmt den Hauptanteil des Haltevorrichtung 56 b einen länglichen sich nach Bereichs der betreffenden Brennstoffelementanord- unten verjüngenden Teil 71 b und einen oberen Genung51 ein. Zum Zwecke der folgenden Beschrei- windeteil 72 b auf, dessen Durchmesser zur Ausbil-

7 8

dung einer Schulter 73 b zum Abstützen der oberen Brennstoffelementanordnungen 51 b und 51 c vor-Bündel-Stützplatte 70 verjüngt ist. Der obere Ge- gesehen ist, um einen Durchtritt von Wasser von dem

windeteil wird von einer entsprechenden Öffnung 75 unteren Abschnitt des Druckgefäßes 10 zu den Brennin der oberen Stützplatte 70 aufgenommen und an Stoffelementen 13 zu ermöglichen. Vier im wesent-

der oberen Stützplatte 70 durch eine Mutter 76 befe- 5 liehen dreieckige Öffnungen 88 sind in der Stützplatte

stigt, die von einer Gegenbohrung 77 in der Stütz- 38 für den Kern unter der im wesentlichen zylindri-

platte70 aufgenommen wird, die über der Öffnung sehen Brennstoffelementanordnung 51 α zum selben

75 vorgesehen ist. Zweck vorgesehen. In den unteren Abschnitt fließt

Wie in F i g. 4 dargestellt ist, ist die zylindrische Wasser durch die öffnung 41, die in der Stützplatte Brennstoffelementanordnung 51 α mit sechs zur Be- io angrenzend an die rohrförmige thermische Abschirfestigung dienenden Brennstoffelementen 13 b ver- mung und unter dem ringförmigen Kanal vorgesehen, die im gleichen Abstand auf einem Kreis ange- sehen ist.

ordnet sind, dessen Zentrum dem Zentrum der Brenn- Längliche Schlitze 90 sind in der unteren Bündelstoffelementanordnung entspricht. Die dreieckför- Stützplatte 66 vorgesehen, damit Kühlmittel in die migen Brennstoffelementanordnungen 51 b weisen 15 betreffenden Brennstoffelementanordnungen 51 einjeweils drei der zur Befestigung dienenden Brennstoff- treten kann. Diese Schlitze 90 besitzen eine solche elemente 13 b auf, von denen eines in jeder Ecke Größe, daß der Betrag des Kühlmittelflusses in die der Brennstoffelementanordnung 51 b vorgesehen ist. einzelnen Anordnungen 51 vbn der Unterseite der Die rechteckförmigen Brennstoffelementanordnungen Stützplatte 38 für den Kern gesteuert werden kann, 51c sind jeweils mit vier der zur Befestigung dienen- 20 wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Strömung den Brennstoffelemente versehen, von denen eines in und des Drucks über den Brennstoffelementanordjeder Ecke angeordnet ist. nungen 51 erzielt werden kann.

Die Brennstoffelemente mit den am Ende vor- Eine Anzahl irregulär ausgdbildeteter, vertikal vergesehenen Haltevorrichtungen gemäß F i g. 12 (im laufender Durchflußseperatoren 91 aus einem gefolgenden als Umfangs-Brennstoffelemente 13c be- 25 eigneten Blech (z.B. aus rostfreiem Stahl) sind, wie zeichnet) sind entlang dem Umfang jeder der Brenn- aus F i g. 4 ersichtlich ist, zwischen der Ummantestoffelementanordnungen angeordnet und finden zur lung 18 und den angrenzenden peripheren Brennstoff-Halterung der oberen Enden der zentralen Brenn- elementen 13, zwischen der Kanalbegrenzung 17 Stoffelemente 13 α in einer geeigneten Lage in den sowie den angrenzenden peripheren Brennstoffelebetreffenden Brennstoffelementanordnungen Verwen- 30 menten angeordnet. Die Seperatoren 91 stimmen in dung. Dazu werden die Umfangs-Brennstoffelemente ihrer Gestalt mit den peripheren Brennstoffelementen 13 c in den betreffenden Brennstoffelementanordnun- 13 überein und sind angrenzend an diese angeordnet, gen so gehalten, daß eine seitliche Bewegung der Um- Die Seperatoren 91 werden ihrer Lage beispielsweise fangs-Brennstoffelemente 13 c beschränkt wird, daß durch Verschweißen an voneinander getrennten Stelaber gleichzeitig eine Längsbewegung ermöglicht 35 len mit der angrenzenden Ummantelung 18 oder der wird. Die untere Haltevorrichtung 57 c der Um- Kanalbegrenzung 17 gehalten. Diese Seperatoren 91 fangs-Brennstoffelemente 13 c weist einen oberen verhindern ein Vermischen des nach oben durch den Teil 60 c auf, der geeignet mit dem Rohr 52 c verbun- Hauptkörper der betreffenden Brennstoffelementanden ist, einen länglichen, sich nach unten verjüngen- Ordnung 51 fließenden Kühlmittels und des nach den zentralen Teil 61 c sowie einen unteren Endteil 40 oben durch die Zwischenräume 92 zwischen den 78 c mit verringertem Durchmesser. Wie in F i g. 9 Seperatoren 91 und der angrenzenden Ummantelung dargestellt ist, wird der untere Endteil 78 c in einer 18 oder den Kanal 17 fließenden Kühlmittels. Die entsprechenden Öffnung 80 in der unteren Stützplatte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in den 66 aufgenommen. Die obere Haltevorrichtung 56 c Zwischenräumen 92 wird durch Verwendung nicht hat einen unteren Teil 68 c, der geeignet mit dem 45 dargestellter Verschlußwände in den oberen Enden oberen Ende des Rohres 52 c verbunden ist, einen der Zwischenräume 92 und geeignet dimensionierter, länglichen, sich nach oben verjüngenden zentralen nicht dargestellter Austrittsöffnungen in den Ver-Teil 81c sowie einen oberen Endteil 82 c mit verrin- schlußwänden verringert. Diese verringerte Strögertem Durchmesser, der von einer entsprechenden mungsgeschwindigkeit verhindert eine zu starke Kühöffnung 83 in der oberen Stützplatte 70 aufgenom- 50 lung der peripheren Brennstoffelemente 13 und dient men wird. ebenfalls als Isolierung, wodurch verhindert wird,

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die daß zu große Wärmemengen zwischen dem nach

Brennstoffelementanordnungen 51 in dem Kern durch oben durch die Brennstoffelementanordnungen 51

eine Reihe von Führungsstiften 85 in geeigneter Lage fließenden Kühlmittel und dem nach unten durch den

angeordnet, die sich von der unteren Stützplatte 66 55 Kanal 17 und aus der Ummantelung 18 heraus-

nach unten erstrecken. Wie in F i g. 9 dargestellt ist, fließenden Kühlmittel übertragen werden,

sind die Führungsstifte 85 an den unteren Gewinde- Wie in den F i g. 6 bis 9 dargestellt ist, ist in jeder

teile 62 a ausgewählter zentraler Brennstoffelemente oberen Bündel-Stützplatte 70 eine Öffnung 93 zur

13 α befestigt. Die Führungsstifte 85 werden von ent- Aufnahme eines Greiferwerkzeugs 95 vorgesehen. Zu

sprechenden öffnungen 86 für Führungsstifte in der 60 diesem Zweck weist die öffnung 93 einen im wesent-

Stützplatte 38 für den Kern aufgenommen. Die unte- liehen dreieckigen zentralen Teil 96 und einen Schlitz

ren Enden der Führungsstifte sind gefast, um das 97 mit einem abgerundeten Ende auf, das sich von

Einsetzen der Führungsstifte 85 in die Führungs- jeder Ecke des dreieckförmigen Teiles 96 erstreckt,

öffnungen 86 zu vereinfachen. Die Unterseite der Stützplatte 70 ist mit Aussparun-

Wie in F i g. 4 dargestellt ist, ist die Stützplatte 38 65 gen 98 versehen, die sich nach außen von den im

für den Kern mit im wesentlichen rechteckigen Öff- wesentlichen gestreckten Kanten des dreieckförmigen

nungen 87 versehen, von denen jeweils eine unter zentralen Teils 96 der Öffnungen 93 erstrecken. An-

jeder der dreieckförmigen und rechteckförmigen dere Öffnungen 100 sind in der Stützplatte 70 vor-

gesehen, um einen Durchtritt von Kühlmittel zu ermöglichen.

Das dargestellte Werkzeug 95 weist eine Stange 101 auf, an deren Ende ein Aufnehmer 102 vorgesehen ist. Der Aufnehmer besitzt eine derartige Gestalt und Größe, daß er in die Öffnung 93 eingeführt werden kann. Zu diesem Zweck hat der Aufnehmer 102 drei rechteckige Finger 103, die sich radial von der Stange mit Winkeln von 120° gegeneinander erstrecken. Ein im wesentlichen zylindrischer Verriegelungsring 104 ist an dem Stab 101 über dem Aufnehmer 102 vorgesehen. Der Verriegelungsring wird relativ zu dem Aufnehmer durch ein Rohr 105 bewegt, das um die Stange 101 angeordnet und an seinem unteren Ende mit dem Verriegelungsring 104 verbunden ist.

Bei der Benutzung wird der Aufnehmer 102 mit der Öffnung 93 in der Stützplatte 70 ausgerichtet und in die Öffnung 93 abgesenkt, wonach die Stange 101 so gedreht wird, daß die Finger 103 in die Aussparungen 98 in der Stützplatte 70 gelangen. Der Aufnehmer 95 wird dann in dieser Lage durch Absenken der Verriegelungseinrichtung 105 arretiert. Die Brennstoff elementanordnung 51 kann dann aus dem Kern 12 herausgehoben werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält jedes Brennstoffelement 13 eine feste, homogene Mischung aus Zirkoniumhydrid und stark angereichertem Uran mit mehr als 90 °/o Uran 235. Vorzugsweise wird die Zirkoniumhydrid-Zusammensetzung so ausgewählt, daß der Brennstoff bei den verhältnismäßig hohen Temperaturen beständig ist, die in dem Leistungsreaktor auftreten können. Zu diesem Zweck wird eine höhere Hydridverbindung (eine Zusammensetzung, bei der das Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Zirkoniumatomen größer als etwa 1,5 :1 ist) ausgewählt, weil eine derartige Verbindung einphasig ist (Gamma) und deshalb keiner thermischen Phasentrennung bei einem thermischen Zyklus ausgesetzt ist. Ferner beseitigt das Fehlen einer zweiten Phase bei den höheren Hydriden das Problem großer Volumenänderungen, die bei Phasenumwandlungen auftreten, welche bei etwa 530° C bei niedrigeren Hydriden auftreten. Darüber hinaus findet eine geringfügige thermische Diffusion von Wasserstoff bei den höheren Hydriden statt, wodurch Volumenänderungen und Krackvorgänge, welche mit einer derartigen Diffusion auftreten, vermieden werden. Die Temperaturgrenze eines höhere Hydride enthaltenden Brennstoffelements wird deshalb nur durch den dynamischen Partialdruck des Wasserstoffs begrenzt.

Zur Erzielung optimaler Ergebnisse wird vorzugsweise eine Zusammensetzung verwandt, bei der das Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Zirkoniumatomen 1,7:1 beträgt. Der Wasserstoffdruck im Gleichgewichtszustand beträgt für eine derartige Zusammensetzung etwa eine Atmosphäre bei 800⁰C. Dadurch wird ein beträchtlicher Spielraum hinsichtlich Änderungen der Brennstofftemperatur zugelassen, ohne daß ein hoher innerer Gasdruck in dem Brennstoffelement erzeugt wird.

Die Menge von Zirkoniumhydrid und Wasser, die in dem Bereich des Reaktorkerns verwandt wird, hängt von der gewünschten Größe des Kerns und dem gewünschten Temperaturkoeffizienten ab. Um die kleinste kritische Masse zu erzielen, enthält das Brennstoffelement vorzugsweise einen größeren Anteil an Zirkoniumhydrid. Das Volumen des Kühlmittels beträgt vorzugsweise ein Drittel. Ein zufriedenstellendes Brennstoffelement enthält etwa 8 Gewichtsprozent Uran, während der Kern zu etv/a einem Drittel aus Wasser besteht.

Jedes Brennstoffelement 13 enthält ferner vorzugsweise Erbium. Das Erbium dient als abbrennbares Gift in dem Reaktor und trägt ebenfalls beträchtlich zu dem prompten negativen Temperaturkoeffizienten

ίο der Reaktivität bei. In Verbindung mit dem ersteren verringert das Erbium den Betrag der überschüssigen Reaktivität, die in dem Reaktor bei Beginn der Lebensdauer des Reaktors vorhanden ist. Erbium besitzt einen Absorptionsquerschnitt, der etwa gleich demjenigen von Uran 235 bei der Betriebstemperatur des Reaktors von etwa 300⁰C ist. Deshalb gleicht der Verbrauch des Erbiums den Verbrauch von spaltbarem Material aus, wodurch die effektive Lebensdauer der Brennstoffelemente verlängert wird.

Wie bereits erwähnt wurde, trägt Erbium zu dem negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität bei. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß der Absorptionsquerschnitt von Erbium etwas sinkt, bis die Temperatur der Neutronen größer als etwa 200° C ist, und daß dann der Querschnitt von Erbium scharf ansteigt. Andererseits ist der Querschnitt von Uran 235 etwa umgekehrt proportional der Neutronentemperatur. Wenn die Temperatur des Brennstoffelements ansteigt, wird deshalb der Anteil von in dem Erbium absorbierten Neutronen relativ zu den in dem Uran absorbierten Neutronen erhöht, wodurch die Reaktivität erniedrigt wird. Da der Querschnitt von Erbium fällt, bis die Neutronentemperatur etwa 200° C beträgt, erfordert die Anwesenheit von Erbium keine großen Beträge überschüssiger Reaktivität in dem Reaktor, um den Reaktor auf seine Betriebstemperatur zu bringen.

Das Erbium kann in dem Brennstoff homogen verteilt oder darin an gewissen Stellen angehäuft vorgesehen sein. Brennstoffelemente 13 mit homogen verteiltem Erbium werden in der Nähe der Ummantelung 18 und in der Nähe der einen Kanal begrenzenden Einrichtung 17 verwandt, wo der Beitrag zum Temperaturkoeffizienten der Reaktivität weniger wichtig ist und wo ein schneller Abbrand erwünscht ist, um Reaktivitätsschwingungen auf einem Minimum zu halten. Die Brennstoffelemente mit Anhäufungen von Erbium werden in dem Hauptteil des Kerns verwandt. Bei dieser Konfiguration wurde festgestellt, daß sich der Abbrand von Brennstoff und der Abbrand von Erbium gut ausgleicht.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die stückige Verteilung von Erbium in einem Draht 106 (Fig. 11 bis 13), der in die Brennstoffelemente eingeschlossen wird, indem eine axiale Bohrung durch die Brennstoffzusammensetzung vor dem Hydrieren gebohrt wird. Der Erbiumdraht wird dann in die Bohrung eingesetzt, und die Brennstoffzusammensetzung kann durch das Rohr 52 aus rostfreiem Stahl umhüllt und dann hydriert werden. Das Hydrieren bewirkt eine Ausdehnung der Brennstoffzusammensetzung, was zu einem engen Sitz gegen das Rohr 52 und ebenfalls gegen den Erbiumdraht 106 führt. Da das Erbium nicht unabhängig von dem Brennstoff entfernt werden kann, wird die Sicherheit des Reaktors erhöht.

Wenn das inhomogen verteilte Erbium abbrennt, wird der Temperaturkoeffizient durch zwei konkur-

rierende Faktoren beeinflußt. Ein Verlust von Erbium ergibt eine Erniedrigung des prompten negativen Temperaturkoeffizienten. Wenn jedoch das Erbium abbrennt, schirmt es sich aber selbst weniger ab, wodurch sein effektiver Absorptionsquerschnitt ansteigt. Dadurch wird der prompte negative Temperaturkoeffizient erhöht. Die Wirkung dieser Effekte kann in einem gewissen Ausmaß beeinflußt werden, indem die Größe und der Durchmesser des Erbiumdrahts geeignet gewählt werden. Die Größe und der Durchmesser des Erbiumdrahts beeinflussen ebenfalls den Abbrand des Erbiums.

Für gewisse Verwendungszwecke kann Lutecium (Kassiopeium) oder eine Mischung von Erbium und Lutecium an Stelle von Erbium Verwendung finden. Lutecium hat im wesentlichen gleiche Eigenschaften wie Erbium.

Im allgemeinen benötigt ein Reaktor mit einem starken prompten negativen Temperaturkoeffizienten ebenfalls eine große überschüssige Reaktivität, um den Reaktor von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur zu erhitzen. Diese große überschüssige

Reaktivität, die bis zu Erreichen der Betriebstemperatur des Reaktors sinkt, erfordert einen entsprechend großen Betrag von in dem Reaktor vorzusehender Steuerung. Um den Betrag der überschüssigen Reaktivität zu verringern, die in dem Reaktor erforderlich ist, um ihn auf seine Betriebstemperatur zu bringen, wird der dargestellte Reaktor mit einer Einrichtung zur Kompensation der Erniedrigung der Reaktivität auf Grund des Temperaturanstiegs des Kühlmittels versehen, ohne daß dadurch der prompte negative Temperaturkoeffizient nachteilig beeinflußt wird. Dies wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Verwendung eines brennstofffreien Bereichs in dem Kern erzielt, der durch den ringförmigen Kühlmittelkanal 17 in dem Kernbereich begrenzt wird und einen Kühlmittelkanal 107, der zwischen der Ummantelung 18 und dem Reflektor 15 liegt. Als Kühlmittel dienender flüssiger Moderator wirkt in diesen Bereichen wie ein Gift für die Gesamtreaktivität. Wenn deshalb die Kühlmitteltemperatur erhöht und die Dichte dadurch erniedrigt wird, wird die Reaktivität des Reaktors erhöht. Diese Erhöhung gleicht den Reaktivitätsverlust auf Grund des negativen Temperaturkoeffizienten des Reaktors aus. Allgemein ist der Einfluß auf die Reaktivität um so größer, je dicker der Kanal ist.

Wie in F i g. 3 dargestellt ist, enthält die ringförmige Kanalbegrenzung 17 zwei konzentrische, vertikal verlaufende rohrförmige Elemente 108 und 110, die an ihren oberen Enden miteinander verbunden sind. Das obere Ende des ringförmigen Kanals 17 steht mit der Außenfläche der Ummantelung 18 über eine Reihe von Leitungen 111 in Verbindung. Die Leitungen 111 dienen ebenfalls zur Halterung des Kanals, so daß dessen unteres Ende in einem Abstand über der Stützplatte 38 für den Kern liegt. Deshalb fließt der größere Teil des Kühlmittels, das durch den ringförmigen Kanal fließt, radial in die unteren Enden der Brennstoffelementanordnungen 51. Es ist zu bemerken, daß der brennstofffreie Bereich nicht kreisförmig sein muß, sondern beispielsweise auch sechseckig sein kann, was von der Konfiguration der Brennstoffelementanordnungen abhängt.

Wie bereits erwähnt wurde, wird der äußere Kühlmittelkanal 107 durch die vertikal verlaufende, rohrförmige Ummantelung 18 begrenzt, welche den Kern 12 und die Innenfläche des Reflektors 15 umgibt. Die Ummantelung 18 ragt von der Oberseite des Druckgefäßes 10 herab. Das obere Ende der Ummantelung 18 ist mit einem nach außen verlaufenden Flansch 112 versehen, der in einer ringförmigen Aussparung 113 in dem verjüngten Bereich der Seitenwand 26 aufgenommen wird. Die Unterkante der Kernummantelung ist in einem Abstand von der Stützplatte 38 für den Kern angeordnet, um darunter einen Durchtritt in radialer Richtung von Kühlmittel in die Brennstoffelementanordnungen zu ermöglichen.

Wie in den F i g. 3 und 9 dargestellt ist, ist der Reflektor 15 aus einem geeigneten moderierenden Material wie Beryllium ringförmig ausgebildet und konzentrisch um den Kernmantel 18 in einem Abstand davon angeordnet. Der Reflektor 15 erstreckt sich im wesentlichen von der Oberseite zu der Unterseite des Körpers der Brennstoffelemente 13. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel findet ein Reflektor 15 zur Steuerung der Reaktivität des Reaktors Verwendung. Zu diesem Zweck ist der Reflektor 15 in acht Abschnitte unterteilt, die in radialer Richtung zur Änderung der Reaktivität bewegt werden.

Wie in den F i g. 3, 5 und 6 dargestellt ist, wird jeder der Reflektorabschnitte 15 bei seiner radialen Bewegung durch zwei starr angeordnete voneinander getrennte, sich horizontal erstreckende Führungsstäbe geführt. Jeder Führungsstab 115 ist mit dem einen Ende an dem Druckgefäß 10 beispielsweise durch Verschrauben befestigt. Das andere Ende des Stabes 115 wird in einer entsprechenden Öffnung 116 in einen bogenförmigen Arm 117 aufgenommen, der geeignet mit der Stützplatte 38 für den Kern verbunden ist. Zwei parallel verlaufende Bohrungen mit Büchsen

120 sind in einem halternden Paßstück 121 vorgesehen, das beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht und geeignet an dem unteren Ende jedes Reflektorabschnitts 15 befestigt ist. Die Büchsen 120 sind auf den Führungsstäben 115 verschiebbar angeordnet.

Jedes der dargestellten Segmente 15 wird durch einen gesteuerten Antriebsmechanismus in radialer Richtung bewegt, der am besten aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist. Der Antriebsmechanismus 16 hat eine horizontal verlaufende Antriebswelle 122, welche sich durch eine öffnung 123 in dem Druckgefäß 10 erstreckt und an ihrem anderen Ende mit dem Paßstück 121 starr verbunden ist. Zu diesem Zweck ist das Ende der Welle 122 mit einem Endteil 124 mit verringertem Durchmesser versehen, der in einer entsprechenden Öffnung 125 in dem halternden Paßstück

121 aufgenommen wird. Das innere Ende der Antriebswelle 122 wird in dem Paßstück 121 durch Verschraubung des Endteils 124 mit einer Mutter 126 gehaltert. Das innere Ende der Öffnung 125 weist eine Gegenbohrung auf, in der die Mutter 126 aufgenommen wird.

Die Welle 122 wird bei ihrem Verlauf durch die thermische Abschirmung 42 durch eine Rohrkupplung 127 geschützt, die geeignet mit dem Druckgefäß 10 verbunden ist. Der äußere Endteil der Welle 122 ist mit einem Gewinde versehen, an dem eine längliche, zylindrische Antriebsmutter 128 angreift. Die Antriebsmutter 128 ist in einem konzentrisch angeordneten Stutzen 129 drehbar gelagert, welcher mit dem Druckgefäß 10 durch zwei horizontal getrennte Lager 130 geeignet verbunden ist, die an beiden Enden der Antriebsmutter 128 angeordnet sind. Die

13 14

Lager 130 werden in einer geeigneten Lage auf der 152 über eine elektromagnetische Kupplung 157 und Antriebsmutter 128 durch eine Abstandshülse 131 ein Getriebe 158 verbunden ist. Zu diesem Zweck gehaltert, die konzentrisch in dem Stutzen 129 ange- wird eine vertikal verlaufende Antriebswelle 150 des ordnet ist. Der innere Endteil der Antriebsmutter 128 Getriebemotors 156 mit dem oberen Ende einer besitzt einen verringerten Durchmesser und verläuft 5 vertikal verlaufenden Welle 161 verbunden, die in über die Lager 130 hinaus. Eine Flüssigkeitsabdich- dem Gehäuse 154 drehbar gelagert ist. Das untere tung 132 ist auf dem inneren Endteil der Antriebs- Ende der Welle 161 ist mit der oberen Hälfte der mutter 128 vorgesehen, um einen Flüssigkeitsaustritt Kupplung 157 verbunden. Die untere Hälfte der aus dem Druckgefäß zu verhindern. elektromagnetischen Kupplung 157 ist mit dem oberen In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine io Ende einer vertikal verlaufenden Hohlwelle 162 verEinrichtung 133 auf der Antriebsmutter 128 vorge- bunden. Die Hohlwelle 162 ist auf einer vertikal versehen, um diese in einer derartigen Richtung vorzu- laufenden Stange 163 drehbar gelagert, welche entlang spannen, daß der Reflektor in seine radiale Endlage der Achse der Hohlwelle 162 angeordnet ist. Der bewegt wird. Wenn die Antriebsverbindung zu der Stab 163 ist starr an dem Gehäuse 154 befestigt. Eine Antriebsmutter 128 freigegeben wird, wie im folgen- 15 Abwärtsbewegung der Hohlwelle 162 wird durch den beschrieben werden soll, wird also der Reflektor einen Bund 165 verhindert, der auf der Stange 163 15 schnell in seine äußere Endlage bewegt, wodurch angeordnet ist. Die Hohlwelle 162 wird mit der Abdie Reaktivität des Reaktors schnell verringert wird. triebswelle 152 durch das Getriebe 158 gekuppelt, Dadurch ergibt sich ein sehr guter Schnellschluß für das zwei ineinandergreifende Stirnzahnräder 166 und den Reaktor. Wie in F i g. 5 dargestellt ist, ist die zur 20 167 enthält, die an der Hohlwelle 162 bzw. der AbVorspannung dienende Einrichtung eine Schrauben- triebswelle 152 befestigt sind.

feder 133, die an einem zentralen Teil mit verringer- Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel findet tem Durchmesser der Antriebsmutter 128 angeordnet ein Potentiometer 168 Verwendung, das durch das ist. Das äußere Ende der Feder 133 ist mit dem Stirnzahnrad 167 gedreht wird, um eine Anzeige der Stutzen 129 und das andere Ende mit der Antriebs- 25 Reflektorlage auf einem nicht dargestellten Steuerpult mutter 128 verbunden. des Reaktors zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist Die dargestellte Antriebsmutter 128 ist mit einer das Potentiometer 168 in dem Gehäuse 154 starr beAntriebswelle 134 mit zwei ineinandergreifenden festigt. Die Welle des Potentiometers 168 ist mit einer Kegelzahnrädern 135 und 136 verbunden. Zu diesem vertikal verlaufenden Welle 170 verbunden, die in Zweck ist eines der Kegelzahnräder 135 an der An- 30 dem Gehäuse 154 drehbar gelagert ist. Die Welle 170 triebsmutter 128 beispielsweise durch dessen Anord- ist mit der Abtriebswelle 152 durch das Stirnzahnrad nung auf einem verjüngten Ansatz 137 der Antriebs- 167 verbunden, das an der Abtriebswelle 152 und mutter 128 befestigt. Das Kegelzahnrad 135 ist an einem Stirnzahnrad 171 befestigt ist, das an der Welle dem Ansatz 137 durch eine Mutter 138 befestigt, die 170 angeordnet ist.

mit einem Gewindeteil 140 des Ansatzes 137 ver- 35 Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird schraubt ist. Eine Unterlegscheibe 140 ist zwischen Wasser, das z. B. durch einen nicht dargestellten dem Kegelzahnrad 135 und der Antriebsmutter 128 Dampfgenerator hindurchgeleitet wurde, dem Druckangeordnet, um das äußere Lager 130 geeignet zu gefäß über eine Leitung 172 zugeführt, die mit dem haltern. Das äußere Kegelzahnrad 136 ist mit dem Einlaß 20 in Verbindung steht, welcher, wie in Fig. 3 Ende einer vertikal verlaufenden Welle 141 verbun- 40 dargestellt ist, einen Stutzen in dem oberen Teil der den. Die Welle 141 erstreckt sich durch eine Öffnung Seitenwand des Druckgefäßes 10 ist. Das Wasser tritt in einer oberen Wand eines Gehäuses 143 für die in das Druckgefäß 10 ein und wird gleichmäßig ent-Kegelzahnräder 135 und 136, welches Gehäuse 143 lang des Umfangs des Druckgefäßes 10 verteilt. Das an dem Stutzen 129 geeignet befestigt ist. Die Welle Wasser gelangt dann durch vier parallele ringförmige 141 ist in dem Gehäuse 143 mittels zweier Lager 145 45 Wege, und zwar zwischen der thermischen Abschirangeordnet, die in einer vertikal getrennten Lage mung42 und der Seitenwand 26 des Gefäßes, zwidurch eine Abstandshülse 146 gehaltert werden, die sehen der thermischen Abschirmung 42 und dem zwischen den Lagern 145 und in der Öffnung 142 in Reflektor 15, den Kanal 107 zwischen dem Reflektor der oberen Wand angeordnet ist. Eine Abwärtsbewe- 15 und der Kernummantelung 18 sowie den ringgung der Welle 141 relativ zu den Lagern 145 wird 50 förmigen Kanal 17 in dem Kern 12. Am unteren Ende durch einen Bund 147 ausgeschlossen, der mit der des Gefäßes wird die Strömung vereinigt, umgekehrt Welle 141 über dem oberen Lager 145 verbunden ist. und dann nach oben durch die beiden Kernbereiche Eine Flüssigkeitsabdichtung 148 ist auf der Welle 141 geführt. Über der Kernanordnung wird die Strömung über dem Bund 147 vorgesehen. wieder vereinigt und tritt durch eine horizontal ver-Wie in Fig. 5 dargestellt ist, ist das obere Ende 55 laufende Leitung 173 aus, die zwischen dieUmmanteder Welle 141 durch ein unteres Universalgelenk 150 lung 18 und dem Auslaß 21 geschaltet ist, der die mit der Antriebswelle 134 verbunden, die sich nach Form eines Stutzens besitzt und mit dem oberen Teil oben zu der Oberseite des Abschirmtanks 11 er- der Seitenwand 26 verbunden ist. Der Auslaß 21 ist streckt. Das obere Ende_ der Antriebswelle 134 ist mit einer horizontal verlaufenden Leitung 174 verüber ein Universalgelenk^ 151 mit einer vertikal ver- 60 bunden, die mit dem Dampfgenerator in Verbindung laufenden Abtriebswelle .152 einer Antriebs- und An- steht.

Zeigeeinrichtung 153 verbunden. Die Welle 152 ist in Für gewisse Verwendungszwecke kann eine orga-

einem Gehäuse 154 drehbar gelagert, das beispiels- nische Flüssigkeit wie Diphenyl, Terphenyl oder eine

weise durch einen Arm 155 auf der Oberkante des Mischung dieser beiden an Stelle von Wasser ver-

Abschirrntanks 11 angebracht ist. 65 wandt werden.

Die Welle 152 wird durch einen üblichen Getriebe- Bei einem Ausführungsbeispiel des Reaktors gemäß

motor 156 gedreht, der über dem Gehäuse 154 und der Erfindung finden die folgenden Parameter Ver-

an diesem befestigt ist, und der mit der Antriebswelle wendung:

Reaktorleistung [MW (t)]

Leistungsdichte im Brennstoff bereich (kW/Liter)

Kernlänge (cm)

Abmessungen des Brennstoffbereichs (cm) Innerer Abschnitt (Außendurchmesser) Äußerer Abschnitt (Innendurchmesser)

Äußerer Abschnitt (Außendurchmesser)

Volumen des Brennstoffbereichs (Liter)

Innerer Bereich

Äußerer Bereich

Anzahl von Brennstoffelementen

Innerer Abschnitt

Äußerer Abschnitt

10

90 61

20,3 31,0 53,6

19,8 92,1

Abmessungen der Wasserkanäle (cm) Innerer Ring (Innendurchmesser) . Inneren Ring (Außendurchmesser) Äußerer Ring (Innendurchmesser) Äußerer Ring (Außendurchmesser)

Volumen der Wasserkanäle (Liter)

Innerer Ring

Äußerer Ring

Abmessungen des Reflektors (cm)

Innerer Durchmesser

Äußerer Durchmesser

Ί400

~20,6 ~30,7 ~53,9

~57,7

~25,1 ~20,3

Neutronenfluß

Mittlerer thermischer Fluß,

0 bis 1 eV (n/cm² -see) 2 ·

Mittlerer schneller Fluß,

> 1 eV (n/cm² -see) 1 ·

Verhältnis des Scheitelwerts zum mittleren thermischen Fluß

Thermischer Absenkungsfaktor

[Φ (Brennstoff) / Φ (Zelle)]

Spezifikation der Brennstoffelemente

Außendurchmesser

Länge des aktiven Teils ..
Dicke der Umhüllung aus
rostfreiem Stahl

Zirkoniumhydrid

Uran

-58,0 -78,3

1013

10«

3,8

0,9

Verhältnis des Scheitelwerts zur durchschnittlichen Leistungsdichte 1,6

Anfängliche Kernladung

[voll angereichertes U-235] (kg) ~25

Verbrauch an U-235 während der Lebensdauer (kg) 4,5

Lebensdauer des Kerns (Jahre) 1 bis 2

Reaktivitätsänderungen

dklk [kalt zu heiß] (°/o) ~0

δ k/k [während der Lebensdauer] (°/o) .. ±0,5

Brennstofftemperatur,

Durchschnitt im Kern (⁰C) 336

Wassertemperatur im Brennstoffbereich (⁰C)

Einlaß 280

Auslaß 302

Durchschnitt 291

Reaktivitätskoeffizienten
Brennstofftemperaturkoeffizient

[prompt] (dk/k°C) -8-10-s

Wasser-Temperaturkoeffizient [mittlerer Nettowert für Kern- und Ringraum-Wasser 25 bis 300° C] (ök/k° C) .... +7,5-10-5 Leerraumkoeffizient-Kern (<5&/&%p) -7·10~⁴

Anreicherung des Urans

Wasserstoffatome/Zirkoniumatome

Druckgefäß

Außendurchmesser

*5 Dicke der Hülle

Länge

Boden

9,53 mm
609,6 mm

0,51 mm

92 Gewichtsprozent 8 Gewichtsprozent

950/0 Uran-235
1,7

1117,6 mm

50,8 mm

152,4 mm

2 zu 1 elliptisch

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß ein Kernreaktor angegeben wurde, der kompakt und von sich aus sicher ist, der also zu jedem Zeitpunkt seiner Lebensdauer in der Lage ist, einer Stufeneinführung der gesamten verfügbaren Reaktivität ohne eine bedeutsame Beschädigung des Kerns und ohne Freisetzung von Spaltprodukten standzuhalten. Für den Reaktor kann eine Fernbedienung, eine bewegliche Bedienung oder eine Steuerung ohne Bedienung erfolgen. Ferner kann der Reaktor im Vergleich zu anderen Reaktorsystemen desselben Leistungsbereichs Leistung mit niedrigen Erstehungskosten erzeugen.

Der Reaktor verringert die Betriebskosten, da dessen Betrieb auf einer kontinuierlichen Basis mit wenig oder keinem Personal zur Bedienung möglich ist.

Obwohl Ausführungsbeispiele der Erfindung eingehend beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, da entsprechend den vorliegenden Gegebenheiten zahlreiche andere Ausführungsformen der Erfindung möglich sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Leistungskernreaktor, dessen Reaktivität einen prompten negativeoTemperaturkoef fizienten aufweist, mit einem Druckgefäß, in dem sich eine als Kühlmittel und Moderator dienende Flüssigkeit befindet, mit einem in der Flüssigkeit angeordneten Kern, der Anordnungen von gas- und flüssigkeitsdichten, in Abstand voneinander angeordneten Brennstoffelementen enthält, um die herum Durchtrittskanäle für die als Kühlmittel und Moderator dienende Flüssigkeit freigelassen sind, und mit einer Einrichtung zum Umwälzen der als Kühlmittel und Moderator dienenden Flüssigkeit durch die Durchtrittskanäle, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des aktiven Bereichs des Kerns (12) zwischen den Brennstoffelementanordnungen (51) ein zylinderförmiger Spalt (17) vorgesehen ist, der wesentlich breiter als der normale Abstand zwischen den Brennstoffelementen ist, und daß die Flüssigkeit in einander entgegengesetzter Richtung in an sich bekannter Weise erst durch diesen Spalt (17) und dann durch die die Brennstoffelemente (13) umschließenden Durchtrittskanäle geleitet ist.

2. Leistungskernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger, in mehrere Segmente (15) unterteilter Reflektor den Kern (12) umgibt und daß eine Einrichtung (16)

109 517/171

zur Verschiebung der Segmente relativ zu dem Kern (12) vorgesehen ist.

3. Leistungskernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung der Segmente (15) Antriebswellen (122) vorgesehen sind, die durch das Druckgefäß (10) verlaufen und mit je einem Segment (15) verbunden sind, daß die äußeren Enden der Antriebswellen (122) mit einem Außengewinde versehen sind, auf dem eine Antriebsmutter (127) sitzt, daß an die jeweilige Antriebsmutter (127) eine Feder (133) angreift, die die jeweilige Antriebsmutter (127) in einer solchen Richtung vorspannt, daß diese auf

ihre Drehung hin das jeweilige Segment (15) in seine radial innerste Lage bewegt, daß eine zweite Antriebswelle (142) mit der jeweiligen Antriebsmutter (127) verbunden ist und daß eine elektromagnetische Kupplung (157) die jeweilige zweite Antriebswelle (142) mit einem Antriebsmotor (156) verbindet.

4. Leistungskernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nächst dem Umfang des Kerns (12) innerhalb des Reflektors (15) ein zweiter ringförmiger, von oben nach unten von der Flüssigkeit durchströmter Durchtrittskanal (107) vorgesehen ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen