DE2404985C3 - Schneller Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen schnellen Kernreaktor mit einer Spaltzone, die mit kühlmittelumspülten Brennstoffelementen gefüllt und in mindestens zwei Radialbereiche unterteilt ist.

Bekannt ist z. B. der schnelle Kernreaktor vom SU-Typ SH-350 (vgl. z.B. J. Je. Bagdassarow »Technische Probleme der schnellen Reaktoren«, Verlag »Atomisdat« 1969, S. 236).

Bei dem bekannten schnellen Kernreaktor stellt die Spaltzone eine Anzahl von Kassetten mit Brennstoffelementen dar. die vom Kühlmittel umspült werden. In den Brennstoffelementen ist ein homogener Brennstoff — Urandioxid — untergebracht. Das Kühlmittel tritt in die Spaltzone durch einen Eintrittssammler ein bzw. aus dieser durch einen Austrittssammler aus.

Von Nachteil ist bei dem bekannten schnellen Kernreaktor, daß der Brutfaktor zwar Eins übersteigt, jedoch denjenigen der Reaktoren mit metallischem Brennstoff bei weitem nicht erreicht.

Metallischen brennstoff in den Brennstoffelementen zu verwenden, ist aber unmöglich bzw. problematisch. Dies liegt daran, daß die Erhaltung uer hohen Parameter des the^rmodynamischen Prozesses eine Temperatur an der Hülle des Brennstoffelements erfordert, deren Maximum bei 680-720°C liegt, während die höchstzulässigen Temperaturen für den metallischen Brennstoff bzw. die Trennfläche Brennstoff-Hülle (ohne Einbeziehung der Überhitzung) 570-610°C bzw. 490-510⁰C betragen.

Es ist ferner ein schneller Kernreaktor der eingangs genannten Art bekanntgeworden (vgl. DT-OS 21 41 008), wobei im äußeren Radialbereich Pu²³⁹ und im inneren Radialbereich U²³⁵ vorgesehen ist, insbesondere das Plutonium als Oxid (PUO2 + UO2) und das Uran als Metall, wobei das Volumen des inneren Radialbereichs etwa 20-90% des Gesamtvolumens der Spaltzone beträgt. Auf diese Weise soll das Wärmeentwicklungsfeld in der Spaltzone stabilisiert werden, indem der Reaktor bei optimalem anfänglichen Profil des Wärmeentwicklungsfelds gleiche Brutfaktoren in den Radialbereichen der Spaltzone aufweist, so daß ein stabiles Wärmeentwicklungsfeld während des Reaktor^ betriebs gewährleistet ist.

Bekanntgeworden (vgl. DT-AS 10 71854) ist auch eine Kühleinrichtung für einen heterogenen Kernreaktor, bei dem die Kanäle derart in Gruppen aufgeteilt

sind, daß in den zur gleichen Gruppe gehörenden Kanälen der Neutronenfluß Ln einem bestimmten Bereich liegt und den verschiedenen Gruppen unterschiedliche Bereiche der Stärke des Neutronenflusses entsprechen, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, die es gestatten, jeweils das Kühlmittel den Kanälen der gleichen Gruppe mit gleicher Temperatur und unter gleichem Druck zuzuführen und wenigstens die Temperatur, die für die einzelnen Gruppen verschieden sein kann, geeignet einzuregeln, um den thermodynamischen Wirkungsgrad des Kernreaktors zu steigern. Dabei können die verschiedenen Kanalgruppen konzentrisch angeordnet sein und jeweils mindestens einen Ringkanal umfassen. Dieser Kernreaktor ist also nicht als Brutreaktor vorgesehen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, den Kernreaktor der eingangs genannten Art in seiher •Spaltzone so auszubilden, daß bei weiter hohem thermodynamischem Wirkungsgrad de- Kernreaktors eine höhere Brutrate erzielt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Kühlmittel in den einzelnen Radialbereichen jeweils unterschiedliche Temperaturen aufweist, und daß die Brennstoffelemente im Bereich mit wärmerem Kühlmittel mit keramischem Brennstoff und diejenigen im Bereich mit kälterem Kühlmittel mit metallischem Brennstoff geladen sind.

Es ist also ersichtlich, daß die für einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad im inneren Radialbereich notwendige hohe Kühlmitteltemperatur aufrechterhalten wird, indem dort weiter ein keramischer Brennstoff vorgesehen ist, während in dem äußeren Radialbereich der Spaltzone, der ohnehin normalerweise in der Temperatur etwas abfällt, ein metallischer Brennstoff angeordnet ist, der die gegenüber dem inneren Radiaibereich niedrigeren Temperaturen verträgt und gleichzeitig wegen seiner unmittelbaren Nachbarschaft zur Brutzone eine beträchtliche höhere Brutrate als sonst gewährleistet, wenn auch der äußere Radialbereich keramischen Brennstoff aufweisen würde, während die Wärmeerzeugung im äußeren Radialbereich durch den Austausch von keramischem Brennstoff gegen metallischen Brennstoff praktisch nicht beeinträchtigt wird.

Der metallische Brennstoff besteht zwickmäßig aus einer Metallegierung auf der Basis von U²'⁵- U"⁸ und der keramische Brennstoff aus Plutoniumoxid.

Der Bereich mit wärmerem Kühlmittel sollte höchstens die doppelte Höhe wie derjenige mit kä'terem Kühlmittel haben.

Der Anteil des kälteren Kühlmittels in dem diesem zugeteilten Bereich sollte auch höchstens zweimal so groß wie derjenige des wärmeren Kühlmittels in dem anderen Bereich sein.

Man kann die Bereiche auch so ausführen, daß sie ungefähr gleich hoch sind sowie gleich große Anteile an Kühlmittel enthalten, wobei der Bereich mit wärmerem Kühlmittel in der Mitte der Spaltzone des Kernreaktors angeordnet wird.

Es ist zweckmäßig, daß der Bereich mit wärmerem Kühlmittel ungefähr zweimal so hoch wie derjenige mit kälterem Kühlmittel ist und einen ungefähr nur halb so großen Anteil an Kühlmittel wie derjenige mit kälterem Kühlmittel enthält und an der Außenseite der Spaltzone der Kernreaktors angeordnet ist.

Jeder Bereich kann mit seinem eigenen Eintritts- bzw. Austrittssammler versehen sein.

Man kann auch die Einirittssammler sämtlichei Bereiche zu einem gemeinsamen Sammler zusammen fassen.

Desgleichen kann man die Austrittssammler sämtli eher Bereiche zu einem gemeinsamen Sammlei zusammenfassen.

Die Hülle der Brennstoffelemente für den Bereich mi' Hochtemperatur-Kühlmitte! bzw. nur ihr Teil auf dei Abströmseite wird zweckmäßig aus wärmebeständiger ίο Stoffen ausgeführt

Man kann auch die Bereiche im Kühlmittelwei

hintereinander schalten, wobei der Austrittssammlei des Bereiches mit kälterem Kühlmittel mit den Eingangssammler des Bereiches mit wärmerem Kühl· mittel zusammenfällt.

Für die einzelnen Bereiche können unterschiedlich«

Kühlmittel vorgesehen werden, wobei für den Bereicl mit wärmerem Kühlmittel Gas und für denjenigen mi^!

kälterem Kühlmittel Flüssigmetall als Kühlmittel ver wendet werden sollte.

Zwischen den Bereichen mit jeweils unterschiedlichei

Temperatur des Kühlmittels wird zweckmäßig eine wärmedämmende Trennschicht aus mit Brutstofl gefüllten Brennstoffelementen angeordnet.

Ein Vorteil eines schnellen Kernreaktors gemäß dei vorliegenden Erfindung besteht darin, daß bei desser Einsatz in der Wärmeschaltung des Kernkraftwerke; die hohen Parameter des thermodynamischen Wasser dampfprozosses für das Kernkraftwerk beibehalter werden, während der Brutfaktor steigt.

Außerdem ist beim erfindungsgemäßen Kernreaktoi von Vorteil, daß die Wärmeverteilung über seine Spaltzone sich im Ablauf des Arbeitens wesentlich geringer ändert, als es bei den bekannten schneller Kernreaktoren, abgeglichen durch Anreicherung, dei Fall ist. Daraus ergibt sich eine Erhöhung dei Leistungsdichte für den verwendeten Brennstoff unc eine Verbesserung der Kernkraftwerkdaten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand vor Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläu tert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä ßen schnellen Kernreaktors, schematisch,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone de! erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit höhe rein Anteil des Kühlmittels in dem äußeren Bereich unc größerer Höhe des mittleren Bereiches,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone de: erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit höhe rein Anteil des Kühlmittels im mittleren Bereich um. größerer Hohe des äußeren Bereiches.

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel des Kernreaktors mi gemeinsamen Hintrittssammler für das Kühlmittel,

F-ig5 ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone de; erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit ge meinsamem Austrittssammler für das Kühlmittel,

Fig b ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone de; erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktors mit Rei henkühlschaltung,

F i g. 7 einen Querschnitt der Spaltzone des erfin H'jngsgemäßen schnellen Kernreaktors mit wärmedäm mender Trennschicht zwischen den Bereichen mi unterschiedlicher Kühlmitteltemperatur,

Fig. 8 den Wärmekreislauf eines Kernkraftwerke:

mit dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor in thermodynamischen Wasserdampfprozeß, bei den (Kernreaktor) die einzelnen Bereiche der Spaltzom über eigene Eintritts- bzw. Austrittssammler verfügen.

Fig.9 den vereinfachten Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor, bei dem die einzelnen Bereiche der Spaltzone über einen gemeinsamen Austritts- und eigene Eintrittssammler verfügen,

Fig. 10 den vereinfachten Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor, bei dem die einzelnen Bereiche der Spaltzone über einen gemeinsamen Eintritts- und eigene Austritlssammler verfügen.

Der in F i g. 1 gezeigte schnelle Kernreaktor weist eine Spaltzone, unterteilt in zwei Radialbcreiche 1 und 2 mit unterschiedlicher Kühlmitteltemperatur, und eine Brutzone 3 auf. Der Spaltzonenbereich 1 liegt an der Außenseite der Spaltzone, wird von kälterem Kühlmittel umspült und ist mit Bündeln von Brennstoffelementen, geladen mit Metallegierungen von Uran als Niedertemperaturbrennstoff, gefüllt.

Der Spaltzonenbereich 2 liegt in der Mitte der Spaltzone, wird von wärmerem Kühlmittel umspült und ist mit Bündeln von Brennstoffelementen, geladen mit einem hier keramischen Hochtemperaturbrennstoff, gefüllt.

Die Brutzone 3 umhüllt die Spaltzone des Kernreaktors allseitig und besteht aus Brennstoffelementen mit Brutmaterial, das hier Thorium-232 oder Uran-238 enthalten muß.

Der Niedertemperaturbereich 1 verfügt über einen Eintrittssammler 4 für die Zuführung des Kühlmittels und einen Austrittssammler 5 für die Abführung desselben.

Der Hochtemperaturbereich 2 verfügt über einen Eintrittssammler 6 für die Zuführung des Kühlmittels und einen Austrittssammler 7 für dessen Abführung.

Als metallischer Brennstoff für den Niedertemperaturbereich 1 wird eine Metallegierung auf der Basis von LJ2» -U²³⁸. als Brennstoff für den Hochtemperaturbereich 2 Plutoniumoxydbrennstoff PUO2 —UO2 verwendet.

Die Radialbereiche 1 und 2 der Spaltzone können in dieser verschieden angeordnet sein.

Vorstehend war ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone des Kernreaktors beschrieben, bei dem der von kälterem Kühlmittel umspülte Bereich 1 (Niedertemperaturbereich) an der Außenseite der Spaltzone, der von wärmerem Kühlmittel umspülte (der Hochtemperaturbereich 2) in der Mitte derselben angeordnet ist.

Es gilt aber auch ein Ausführungsbeispiel der Spaltzone, bei dem der Bereich t in der Mitte der Spaltzone liegt.

Wie in Fig.2 und 3 gezeigt ist — dort sind die Ausführungsbeispiele der Spaltzone des schnellen Kernreaktors dargestellt, wobei Fig.3 dasjenige Ausführungsbeispiel vorführt bei dem der Bereich 1 in der Mitte der Spaltzone liegt —, ist der Hochtemperaturbereich 2 der Spaltzone höchstens zweima! so groß wie der Niedertemperaturbereich 1 in Höhe.

Der volumetrische Anteil des kälteren Kühlmittels in dem Bereich 1 ist höchstens zweimal so hoch wie derjenige des wärmeren Kühlmittels in dem Bereich 2.

Die unterschiedlichen Anteile von Kühlmittel in den Bereichen 1 and 2 kommen dadurch zustande, daß die Brennstoffelementes im Bereich 1 weniger dicht Ober ihren Bereich verteilt sind als die Brennstoffelemente 9 im Bereich 2 über ihnen. Dabei können die Durchmesser 6s idler Brennstoffelementes ond 9 m den Bereichen 1 bzw. 2 anders gewählt sein, wobei die Wahl von vielen Faktoren abhängt z.B. von der hochstzulässigen Temperatur an den Hüllen der Brennstoffelemente.

Die Zu- bzw. Abführung des Kühlmittels kann bei dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor verschieden gestallet sein.

In Fig.4 ist ein Ausführungsbeispiel des Kernreaktors gezeigt, bei dem die Spaltzonenbereiche Ii und 2 über einen gemeinsamen Eintrittssammler 10 und eigene Austrittssammler 5 bzw. 7 verfügen.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Kernreaktors gezeigt, bei dem die Spallzonenbereiche Ϊ und 2 über einen gemeinsamen Austrittssammler 11 und eigene Eintrittssammler 4 bzw. 6 verfügen.

In Fig.6 ist ein Ausführungsbeispiel des Kernreaktors gezeigt, bei dem die Reihenkühlschaltung für die Spaltzonenbereiche 1 und 2 benutzt ist, wobei der Kühlmitteiaustriu für den Bereich 1 mit dem Kühlmitteleintritt für den Bereich 2 über einen Sammler 12 verbunden ist.

In Fig. 7 ist ein Querschnitt der Spaltzone des Kernreaktors gezeigt, bei dem zwischen den Sipaltzonenbereichen 1 und 2 eine Trennschicht 13 vorgesehen, deren Anwendung dadurch gerechtfertigt ist, daß die Bereiche 1 und 2 unterschiedliche Kühlmitteltemperatur haben.

Die Trennschicht 13 besteht aus Brennstoffelementen, die mit einem Thorium-232 oder Uran-238 enthaltenden Brutmaterial gefüllt sind.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden der Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit dem erfindungsgemäßen schnellen Kernreaktor behandelt.

Der in Fig.8 dargestellte Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit einem Kernreaktor, bei dem für die einzelnen Spaltzonenbereiche eigene Eintritts- 4, 6 und Austrittssammler 5,7 vorgesehen sind, enthält einen Kühlmittelkreislauf für das Niedertemperaturkühlmittel, bestehend aus einer Reihenschaltung von dem Niedertemperaturbereich 1 der Spaltzone, dem Austrittssammler 5, einem Dampferzeuger 14 und dem Eintrittssammler 4 für den Niedertemperaturbereich 1, und einen Kühlmittelkreislauf für das Hochtemperaturkühlmittel, bestehend aus einer Reihenschaltung von dem Hochtemperaturbereich 2 der Spaltzone, seinem Austrittssammler 7, einem Dampfüberhitzer 15 und dem Eintrittssammler 6 für den Hochtemperaturbereich 2. Nach der anderen Seite hin liegt eine Reihenschaltung von dem Dampferzeuger 14, Dampfüberhitzer 15, einer Turbine 16 und einem Kondensator 17. die einen Arbeitsmitlelkreislauf des Kernkraftwerkes darstellt.

Der in F i g. 9 dargestellte Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes mit einem Kernreaktor, bei dem für die einzelnen Bereiche 1,2 der Spaltzone ein gemeinsamer Austrittssammler 11 und eigene Eintrittssammler 4 und 6 vorgesehen sind, enthält einen KShlmittelfcreislauf. in dem die Spaltzonenbereiche 1, 2 über den Austrittssammler 11 mit einem Dampfüberhitzer 15. einem Dampferzeuger 14 und dem EntrittssaramleH verbunden sind.

Eine der ZwischensteDen 18 des Dampferzeugers 14 ist durch das Kühlmittel mit dem Eintrittssammler 6 des Hochtemperatorbereiches 2 verbunden. Die Auswahl der Stelle 18 ist mit der Auswahl der ParameSer iär des tfaermodynamischen Prozeß ond den Bedingungen Hl den Wärmeübergang vom Kühlmittel zum Aifcätsarittd der Torbtne 16 gegeben. In dein Aifceosmitteifcreislaa! des Kernkraftwerkes mit 4er Tuifeine 16 lieget hintereinander der Dampferzeuger 14, der DamplSber- !ritzer 15. die Turbine 16 selbst and ein Kondensator 17.

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Der in Fig. 10 dargestellte Wärmekreiskiuf eines Kernkraftwerkes, bei dem für die einzelnen Spaltzonenbereiche 1 und 2 ein gemeinsamer Einlrittssammler 10 und eigene Austrittssammler 5 bzw. 7 vorgesehen sind, enthält einen Kühlmittelkreislauf, in dem die Spaltzonenbereiche 1 und 2 über den Austrittssammler 7 mit einem Dampfüberhitzer 15, einem Dampferzeuger 14 und dem Eintrittssammler 10 verbunden sind.

Eine der Zwischenstellen 19 des Dampfüberhitzers 15 ist durch das Kühlmittel mit dem Austrittssammler 5 des Niedertemperaturbereiches 1 verbunden. Die Auswahl der Stelle 19 ist mit der Auswahl der Parameter für den thermodynamischen Prozeß und den Bedingungen für den Wärmeübergang vom Kühlmittel zum Arbeitsmittel der Turbine 16 gegeben. In dem Arbeitsmittelkreis des Kernkraftwerkes mit der Turbine 16 liegen hintereinander der Dampferzeuger 14, der Dampfüberhitzer 15. die Turbine 16 selbst und ein Kondensator 17.

Der erfindungsgemäße schnelle Kernreaktor hat, eingefügt in den Wärmekreislauf eines Kernkraftwerkes, die folgende Funktion:

Das im Niedertemperaturkreislauf umgewälzte Kühlmittel gelangt aus dem Eintrittssammler4 (Fig. 8) in den Niedertemperaturbereich 1 der Spaltzonc, durchströmt die Räume zwischen den Brennstoffelementen. wärmt sich auf und wird durch den Austrittssammler 5 dem Dampferzeuger 14 zugeführt, wo es die Wärme an das Arbeitsmittel der Turbine 16 abgibt und abgekühlt zum Eintrittssammler 4 des Niedertemperaturbereichs 1 der Spaltzone zurückfließt.

Das im Hochtemperaturkreislauf umwälzende Kühlmittel durchströmt die Räume zwischen den Brennstoffelementen des Hochtemperaturbereiches 2 der Spaltzone, wärmt sich auf und wird durch den Austrittssammler 7 dem Dampfüberhitzer 15 zugeführt, wo es die Wärme an das Arbeitsmittel der Turbine 16 abgibt. Nach Durchschreiten des Dampfüberhitzers 15 strömt das abgekühlte Kühlmittel dem Eintrittssammler 6 des Hochtemperaturbereiches 2 der Spaltzone zu. Indem es den Dampferzeuger 14 und den Dampfüberhitzer 15 nacheinander durchströmt, nimmt das Arbeitsmittel die vom Kühlmittel des Kernreaktors abgegebene Wärme und wärmt sich auf; danach gelangt es zur Turbine 16. wo die Umwandlung der Wärme in Arbeit stattfindet, und kondensiert dann im Kondensator 17, woraufhin das Arbeitsmittel nach dem Dampferzeuger 14 zu strömt.

Bei Realisierung eines thermodynamischen Wasserdampfprozesses mit dem Dampfdruck vor der Turbine 16 130 ata und der Temperatur 505⁰C beträgt die Temperatur des flüssigmetallischen Kühlmittels am Austritt aus dem Hochtemperaturbereich 2 der Spaltzone 560⁰C.

Die Temperatur des flüssigmetallischen Kühlmittels am Austritt ans dem Niedertemperaturbereich 1 der Spaltzone ändert sich mit dem Verhältnis von Bündelzahlen für die Spaltzonenbereiche. Das Bündelzahlverhältnis kann stark variieren: Zwischen 3 :1 und 1 :3. Somit kann die Leistung jedes Spaltzonenbereidhes 30 bis 70% der Gesamtwärmeleistung des Kernreaktors bettagen.

Die Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus dem Niedertemperaturbereich sollte bei 400-480⁰C liegen.

Dies macht es möglich, ab Brennstoff für diesen Spaltzonenbereich metallische Niedertemperaturlegierangen za verwenden, wobei die Leistung je Längenein heit die den Brennstoffelementen diefses Bereiches entnommen wird, keine geringere ist als diejenige, die die Brennstoffelemente des Hochtempcraturbereichcs 2 der Spali/.one mit seinem keramischen Brennstofl abgeben. Der Brutfaktor aber ist dabei um 0,15 —0,2C höher, so daß das Tempo des Brütens steigt und die Brutverdoppelungszeil um 30-50% fällt, und zwar ohne nennenswerte Verschlechterung des Wirkungsgrades des Kernkraftwerkes.

Darüber hinaus ist die während des Betriebes eintretende Verzerrung der Wärmeverteilung über die Spaltzone des Kernreaktors nach der vorliegenden Erfindung 3- bis 4mal so gering wie bei den durch Anreicherung abgeglichenen Oxydbrütern, wodurch auch die Leistungsdichte bei dem verwendeten Brennstoff um 10- 10% erhöht und somit die Wirtschaftlichkeit des Kernkraftwerkes verbessert wird.

Eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte bei dem gegebenen Brennstoff durch Stabilisierung der Wärmeverteilung kann erhalten werden, indem für den Hochtemperaturbercich der Spaltzone eine größere Höhe gewählt wird, als für den Niedertemperaturbereich derselben. So wird die stabile Wärmeverteilung für einen Kernreaktor mit Leistung 1000 MW (cl)be'i einer Höhe des Hochtemperaturbereichcs von 110-115cm und einer Höhe des Niedertemperaturbereiches von 80 cm. sowie bei einem Verhältnis der Kühlmittelanteile in den Bereichen 1 und 2 der Spaltzone zwischen 0,3 und 0.4 erreicht.

Auf Grund der besseren verfahrenstechnischen Eigenschaften eines metallischen Uranbrennstoffes, wie er sie gegenüber einem Plutoniumbrennstoff besitzt, können die Maximaltemperaturen für die Brennstoffelemente mit einem solchen Brennstoff etwas höher liegen, wodurch der Wirkungsgrad des Kernkraftwerkes besser wird und die Leistungsdichte bei dem gegebenen Brennstoff um 10% steigt. Noch eine Erhöhungsmöglichkeit für die Leistungsdichte, bei der ein Gewinn von 10-20% erreichbar ist, ergibt sich aus der Wahl der günstigsten Kühlmittel, z. B. eines Lithiumkühlmittels für den Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf und eines Heliumkühlmittels für den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf.

Eine Minderung der Wärmeverluste durch Wärmeüberströmung vom Hochtemperatur- 2 zum Niedertemperaturbereich 1 der Spaltzone wird durch Anwendung einer warmedämmenden Trennschicht zwischen den Spaltzonenbereichen erreicht, die aus Bündeln mit einem Uran-238- oder Thorium-haltigen Material ausgeführt ist.

Zum Unterschied vom Kernreaktor in der Wärmeschaltung des Kernkraftwerkes nach F i g. 8 verfügt der Kernreaktor in der Wrämeschaltung des Kernkraftwerkes nach F i g. 9 über einen gemeinsamen Austrittssammler 11 für das aus den Spaltzonenbereichen 1 und 2 zuströmende erwärmte Kühlmittel wo sich die KöMmittelameile aus den beiden Spaltzonenbereichen vermischen und woraus sie als eine Strömung zum Dampfüberhitzer 15 und Dampferzeuger 14 abströmen.

Danach wird der Kühlmittelstrom, abgekühlt bis auf die Temperator des Kühlmittels am !antritt in den Hoch temperaturbereich 2 an der Stelle 18, in zwei Teilströme aufgeteilt deren einer dem Entrittssammler 6 des Hochtemperaturbereiches 2 zugeführt deren anderer hn Dampferzeuger 14 auf die Temperatur des Kühlmittels am Eintritt in den NiedertenjperatHrbereich 1 abgekühlt und dem Eintrittssammler 4 des letzteren zugeleitet wird.

Dieses Ausführungsbeispie! ist noch besonders vorteilhaft, weil der gemeinsame Austrittssammler 11

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jinen freien Zugang zu dem oberen Teil der Spaltzone sichert und die Unterbringung von Instrumenten sowie Steuer- und Schutzgeräten darin ermöglicht.

Die behandelten Parameterwerte für den ihermodynamischen Wasserdampfprozeß können aufrechterhalten werden, wenn das Bündelzahlverhältnis zwischen den Spaltzonenbereichen 1 und 2 1:1 beträgt und die Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus dem Bereich 1 bei 500⁰C, diejenige des Kühlmittels am Austritt aus dem Bereich 2bci600°Cliegt.

Die erhöhte Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus dem Hochtemperalurbcrcich 2 der Spalizone (F i g. 4) ergibt sich daraus, daß die Brennstoffelemente 9 dieses Bereiches etwa auf der halben Lange vom Austritt für das Kühlmittel her mil einer Hülle aus hitzebeständigen Materialien, hier aus Legierungen auf der Basis von Ti, V ausgeführt sind, die die Funktionsfähigkeit der Brennstoffelemente bei der Temperatur an der Trennflüche zwischen Brennstoff und Hülle, welche 800⁰C erreichen kann, sichern.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Kernreaktors mit dem gemeinsamen Eintrittssammler und den eigenen Austrittssammlern für die einzelnen Spaitzonenbereiche tritt das Kühlmittel für die beiden Spaltzonenberciche einströmig in den Eintrittssammler 10 (Fig. 10) ein. strömt durch die Bereiche 1 und 2, wo es erwärmt wird, und fließt durch die Austrittssammler 5 und 7 nach dem Arbeitskreislauf mit der Turbine 16 ab. wo die Wärmeübertragung an das Arbeitsmittel stattfindet. Dabei gelangt das Kühlmittel aus dem Ausirittssammler 7 zum Eingang des Dampfüberhitzers 15. Dann wird dieses Kühlmittel nach seiner Abkühlung auf die Temperatur des Kühlmittels im Austrittssammler 5 des Niedertemperaturbereiches 1 der Spaltzone an der Stelle 19 mit dem Kühlmittel aus dem Niedertemperaturbereich 1 vermischt, und der Gesamtstrom wird für die Erwärmung des Arbeitsmittels für die Turbine 16 benutzt. Danach strömt das abgekühlte Kühlmittel nach dem Eintrittssammler 10 ab.

Bei Anwendung einer Umwälzung des Kühlmittels durch die Spaltzone von oben herab wird der gemeinsame Eintrittssammler 10 oberhalb der Spaltzone angeordnet, und dieses Ausführungsbeispiel des Kernreaktors besitzt die gleichen Vorteile wie das Ausführungsbeispiel mit dem gemeinsamen Austrittssammler.

Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kernreaktors mit Reihenkühlschaltung strömt das Kühlmittel dem Eintrittssammler 5 (Fig. 6) zu, durchströmt zunächst die Räume zwischen den Brennstoffelementen des Niedertemperaturbereiches 1 der Spaltzone, dann den Hochtemperaturbereich 2 und gelangt durch den Austrittssammler 7 zunächst in den Dampfüberhitzer 15, dann den Dampferzeuger 14, gibt die Wärme an das Arbeitsmittel der Turbine 16 und fließt abgekühlt nach dem Eintrittssammler 5 ab.

Diese Kernreaktorausführung gestattet es, für den normalen Kühlkreislauf eines Kernkraftwerkes mit hoher Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus der Spalizone einen metallischen Brennstoff zu verwenden und somit den Brutfaktor ohne Verringerung der Leistungsdichte für den gegebenen Brennstoff zu erhöhen. Um bei dem Ausführungsbeispiel die Aufwärmung zu verkürzen und die Leistungsdichte für den gegebenen Brennstoff durch Verbesserung des Änderungsverlaufs für die Temperatur der Brennstoffelemente im Betrieb zu erhöhen, wird als Kühlmittel flüssiges Lithium verwendet, das eine doppelt so hohe Wärmekapazität wie z. B. das konventionelle Kühlmittel flüssiges Natrium besitzt.

Darüber hinaus erweist sich dieses Ausführungsbeispiel, falls der Sammler 12 über der Spaltzone angeordnet wird, in gleichem Sinne als vorteilhaft wie der Kernreaktor mit gemeinsamem Austrittssammler.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Schneller Kernreaktor mit einer Spaltzone, die mit kühlmittelumspülten Brennstoffelementen gefüllt und in mindestens zwei Radialbereiche unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Kühlmittel in den einzelnen Radialbereichen (1,2) jeweils unterschiedliche Temperaturen aufweist und daß die Brennstoffelemente (9) im Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel mit keramischem Brennstoff und diejenigen (8) im Bereich (1) mit kälterem Kühlmittel mit metallischem Brennstoff geladen sind.

2. Schneller Kernreaktor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Brennstoff aus einer Metallegierung auf der Basis von U^2J5—U²³⁸ und der keramischen Brennstoff aus Plutoniumoxid besteht

3. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel höchstens die doppelte Höhe wie derjenige (1) mit kälterem Kühlmittel hat.

4. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des kälteren Kühlmittels in dem diesem zugeteilten Bereich (1) höchstens zweimal so groß wie derjenige des wärmeren Kühlmittels in dem anderen Bereich (2) ist.

5. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (1, 2) ungefähr gleich hoch sind sowie gleich große Anteile an Kühlmittel enthalten, wobei der Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel in der Mitte der Spaltzone des Kernreaktors angeordnet ist.

6. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel ungefähr zweimal so hoch wie derjenige (1) mit kälterem Kühlmittel ist und einen ungefähr nur halb so großen Anteil an Kühlmittel wie derjenige (1) mit kälterem Kühlmittel enthält und εη der Außenseite der Spaltzone des Kernreaktors angeordnet ist.

7. Schneller Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bereich (1,2) mit seinem eigenen Eintritts- (4,6) bzw. Austrittssammler (5,7) versehen ist.

8. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittssammler sämtlicher Bereiche (1, 2) zu einem gemeinsamen Sammler (10) zusammengefaßt sind.

9. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittssammler sämtlicher Bereiche (1, 2) zu einem gemeinsamen Sammler (11) vereinigt sind.

10. Schneller Kernreaktor nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (20) der Brennstoffelemente (9) für den Bereich (2) mit Hochtemperatur-Kühlmittel bzw. nur ihr Teil auf der Abströnrseite aus wärmebeständigen Werkstoffen ausgeführt ist.

11. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (1, 2) im Kühlmittelweg hintereinandergeschaltet sind, wobei der Austrittssammler (12) des Bereiches (1) mit kälterem Kühlmittel mit dem Eintrittssammler Kühlmittel (12) des Bereiches (2) mit wärmerem Kühlmittel zusammenfällt.

12 Schneller Kernreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Bereiche (1,2) unterschiedliche Kühlmittel vorgesehen sind.

13. Schneller Kernreaktor nach Anspnjch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für den Bereich (2) mit wärmerem Kühlmittel Gas, für denjenigen (1) mit kälterem Kühlmittel Flüssigmetall als Kühlmittel vorgesehen ist.

14. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bereichen (1,2) mit jeweils unterschiedlicher Temperatur des Kühlmittels eine wärmedämmende Trennschicht angeordnet ist.

15. Schneller Kernreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Trennschicht (13) aus mit Brutstoff gefüllten Brennstoffelementen zusammengesetzt ist