DE2744613A1 - Steuerung fuer einen kernreaktor - Google Patents
Steuerung fuer einen kernreaktorInfo
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- G21C9/027—Means for effecting very rapid reduction of the reactivity factor under fault conditions, e.g. reactor fuse; Control elements having arrangements activated in an emergency by fast movement of a solid, e.g. pebbles
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Description
69A4 L{
27U613
ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, U.S.A.
Steuerung für einen Kernreaktor
Es wird ein Kernreaktor mit einer betriebssicheren automatischen Abschaltbefähigung geschaffen. Der Kernreaktor umfaßt ein
Druckgefäß, einen in dem Gefäß angeordneten Kern mit einer genügenden Menge spaltbaren Materials zur Bewirkung und Aufrechterhaltung
einer Ketten-Spaltreaktion sowie eine Vielzahl von langgestreckten Rohrleitungen in einer rechteckigen Anordnung
innerhalb des Gefäßes. Jede der Rohrleitungen definiert einen Strömungspfad für ein Strömungsmedium und umfaßt einen ersten
Abschnitt, welcher innerhalb des Kerns liegt und sich durch diesen hindurcherstreckt sowie einen zweiten Abschnitt, welcher
außerhalb des Kerns liegt und über dem ersten Abschnitt liegt. Jede der Rohrleitungen enthält eine Vielzahl von im wesentlichen
kugelförmigen Körpern mit einem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt. Die Körper liegen in einer genügend großen
Menge vor, so daß sie den ersten Abschnitt einer jeden der Rohrleitungen im wesentlichen ausfüllen. Sie haben einen
Durchmesser, welcher geringer ist als etwa die Hälfte des Durchmessers des engsten Teils des Strömungspfades der Rohrleitung,
so daß die Körper frei durch die Rohrleitungen bewegbar sind. Die Rohrleitungen haben eine erste strömurigsmäßige
Verbindung zu einem unteren Teil des ersten Abschnitts und eine zweite strömungsmäßige Verbindung zu einem oberen Teil
des zweiten Abschnitts, so daß während der Aufrechterhaltung des Reaktorbetriebs ein unter Druck stehendes Strömungsmedium
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hindurchfließen kann. Der Kernreaktor umfaßt ferner eine
Einrichtung zur Zufuhr des unter Druck stehenden Strömungsmediums zu der ersten strömungsmäßigen Verbindung zur Überführung
der Gesamtheit der Körper aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt einer jeden der langgestreckten
Rohrleitungen unter Bildung eines hydraulisch gestapelten Bettes der kugelförmigen Körper. Zwischen der zweiten strömungsmäßigen
Verbindung und dem zweiten Abschnitt einer jeden Rohrleitung ist eine Bypass-Einrichtung vorgesehen. Diese umfaßt
eine Vielzahl von Strömungswegen, welche über die Länge des zweiten Abschnitts verteilt sind, so daß man ein Verhältnis
der Länge des zweiten Abschnitts, welcher mit Strömungswegen versehen ist, zur Länge des zweiten Abschnitts, welcher das
gestapelte Bett der kugelförmigen Körper enthält, von etwa 0,5 : 1 bis 1,2 : 1 erhält. Somit kann ein Teil des unter
Druck stehenden Strömungsmediums einen Teil des gestapelten Bettes von kugelförmigen Körpern während des normalen Reaktorbetriebs
umgehen. Jeder der Vielzahl von Strömungswegen hat eine Querschnittsfläche, welche geringer ist als diejenige
eines jeden einzelnen kugelförmigen Körpers.
Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einer automatischen sicheren Abschaltbefähigung. Insbesondere betrifft
die Erfindung einen Kernreaktor mit einer Vielzahl von hydraulisch gestützten kugelförmigen Körpern mit einem
hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt, welche aufgrund der Schwerkraft in den Kernbereich des Reaktors fallen, wenn
die Strömung des tragenden Strömungsmediums abgeschaltet wird.
Kernreaktoren enthalten gewöhnlich ein Notabschaltsystem,
welches eine Art Neutronenabsorptionsmaterial in den Kern einführt. Es ist ein Grunderfordernis des Notabschaltsystems,
daß die Einführung des Neutronenabsorptionsmaterials einfach sein soll. Ferner muß das Neutronenabsorptionsmaterial bei
jeder anzunehmenden Störung des Reaktorsystems im Kern verbleiben. Ein herkömmliches bisher eingesetztes System
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umfaßt Steuerstäbe für einen normalen Reaktor. Die Steuerstäbe werden vom Kopf des Reaktors her eingeführt und im allgemeinen
durch mechanische Einrichtungen, z. B. durch Motoren, Kupplungen, Getriebe oder dgl. angehoben und gesenkt. In einer Notsituation
wird eine Kupplung entkoppelt, so daß die Steuerstäbe in den Reaktor herabfallen und den Reaktor abschalten.
Derartige Systeme sind nicht völlig befriedigend. Insbesondere besteht die Gefahr, daß die mechanischen Einrichtungen, z. B.
die Kupplung, Störungen unterliegen. Ferner können Störungen dazu führen, daß der Durchgang durch den der Steuerstab herabfallen
muß, verzerrt wird, so daß sich die Steuerstäbe verklemmen und nicht völlig in den Kern hineinfallen können.
In diesem Falle ist es nicht möglich, den Reaktor völlig abzuschalten. Es wurden daher zahlreiche weitere Reserveabschaltsysteme
vorgeschlagen.
Das US-Patent 3 147 188 schlägt eine Reaktorabschaltvorrichtung mit Neutronenabsorptionsbällen vor. Diese umfaßt eine Vielzahl
von diskreten Körpern aus magnetischem Material, welches Neutronenabsorptionseigenschaften aufweist. Diese Körper werden
mit einer Halteeinrichtung normalerweise festgehalten und können bei Bedarf gelöst werden. Die Halteeinrichtung umfaßt
mindestens ein Paar von magnetischen Polstücken entgegengesetzter Polarität. Bei der Entmagnetisierung der Polstücke
werden die diskreten Körper freigegeben und sie fallen unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Kern des Reaktors.
Das US-Patent 3 228 847 schlägt ein Reaktorsteuersystem vor, bei dem der Neutronenfluß gesteuert wird. Die Steuereinrichtung
umfaßt ein Innenrohr, welches sich von dem nicht-aktiven Bereich des Reaktors in den aktiven Bereich erstreckt, sowie
ein Außenrohr, welches das Innenrohr mit Abstand umgibt. Das Außenrohr hat ein geschlossenes Ende und das Innenrohr
hat ein offenes Ende, welches dem geschlossenen Ende des Außenrohrs benachbart ist, aber mit einem Abstand zu diesem angeordnet
ist. Die Neutronenabsorptionsteilchen sind zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordnet und sie bewegen
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sich unter der Strömungskraft entlang des Rohrs. Die Neutronenabsorptionsteilchen
werden aus der aktiven Region des Reaktors durch die Strömung des Strömungsmediums hinausbewegt und sie
fallen andererseits unter dem Einfluß der Schwerkraft wieder in die aktive Region zurück, wenn die Strömung abgeschaltet
wird.
US-PS 3 257 286 beschreibt eine Steuerung vom Kugel-Typ für Kernreaktoren. Eine Anzahl von langgestreckten Rohrleitungen
sind im Kernreaktor angeordnet, so daß der erste Abschnitt der Rohrleitung innerhalb des Kerns liegt und ein benachbarter
zweiter Abschnitt außerhalb des Kerns liegt. Jede der Rohrleitungen enthält eine Anzahl von einzelnen Körpern deren
jeder ein Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt enthält. Die Bewegung der Neutronenabsorptionskörper innerhalb
der Rohrleitungen wird durch eine Quelle eines unter Druck stehenden Strömungsmediums bewirkt. Das Strömungsmedium wird
jedem einzelnen Ende der Rohrleitungen zugeführt, so daß die Neutronenabsorptionskörper selektiv in dem ersten und dem
zweiten Abschnitt der einzelnen Rohrleitungen positioniert werden können. Somit kann der Spaltungsreaktor gestartet
und abgeschaltet werden oder seine Reaktivität während des Reaktorbetriebs gesteuert werden, indem man die Position der
Neutronenabsorptionskörper ändert.
Die US-PS 3 347 747 beschreibt ein Steuersystem und ein Steuerverfahren
für Kernreaktoren. Der Reaktor weist eine Anzahl von mit seitlichem Abstand zueinander angeordneten vertikalen
Durchgängen in der Region des Kerns auf, welche über die gesamte Kernfläche verteilt sind. Die Durchgänge umfassen
einen unteren Bereich, welcher sich im allgemeinen über die gesamte Höhe des Kerns erstreckt sowie einen oberen Bereich,
welcher über dem Kern innerhalb des Reaktorgefäßes liegt. Innerhalb der Durchgänge und durch diese abgeschlossen,
befindet sich eine bewegliche Einrichtung, welche ein Gift enthält und welche von einer unteren Position innerhalb
der Kernregion zu einer oberen Position der Durchgänge bewegbar ist, welche im allgemeinen über dem Kern liegt. Die
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gifthaltige Einrichtung wird durch die Schwerkraft in ihre untere Position gebracht und andererseits mittels eines
innerhalb der Durchgänge aufwärts gerichteten Strömungsmediums von der unteren Position in eine obere Position bewegt.
Das US-Patent 3 682 771 betrifft ein Notabschaltsystem für einen mit Gas gekühlten und mit Graphit moderierten Kernreaktor.
Das System umfaßt ein U-förmiges Rohr, dessen einer Schenkel innerhalb des Kerns liegt und dessen anderer Schenkel außerhalb
des Kerns liegt. Innerhalb des Rohrs und in diesem bewegbar ist eine erste Säule aus Kugeln von Neutronenabsorptionsmaterial
angeordnet. Mit dem äußeren Schenkel des Rohrs ist ein Reservoir für eine zweite Säule von Kugeln aus einem Material, welches
Neutronen nicht absorbiert, angeordnet. Dieses Material hat ein größeres Gewicht als die anderen Kugeln. Die beiden Säulen
berühren sich innerhalb des Rohrs mit ihren Enden. Wenn die zweite Säule von Kugeln freigegeben wird, so drückt diese aufgrund
ihres größeren Gewichts die erste Säule in den Reaktorkern hinein und die erste Säule wird aufgrund des Gewichts
im Kern gehalten.
Obwohl alle bisher beschriebenen Einrichtungen gewisse Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit gegenüber dem Steuerstab-System
bieten, sind sie doch nicht ohne Probleme. Es wurde insbesondere festgestellt, daß z. B. bei Verwendung von
hydraulisch getragenen Neutronenabsorptionskörpern übermäßig große Strömungen des Strömungsmediums erforderlich sind, um
die Körper aus der Kernzone in eine nicht-reaktive Zone zu bewegen. Darüber hinaus ist nach Aufbau einer solchen Strömung
der Druckabfall über die Körper äußerst hoch. Darüber hinaus ist es selbst bei Aufrechterhaltung eines ausreichenden Drucks
des Strömungsmediums zur Erhaltung der erforderlichen hohen Druckdifferenz über die Neutronenabsorptionskörper immer
noch schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, alle Neutronenabsorptionskörper zuverlässig außerhalb der aktiven Region
des Kerns zu halten. Ein weiterer erheblicher Nachteil der meisten der genannten Verfahren besteht darin, daß es häufig
erwünscht ist, den Reaktor nicht unter Vollast zu fahren.
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Bei den herkömmlichen Verfahren mit hydraulisch getragenen Körpern ist jedoch die Strömung, welche zur Bewegung der
Körper aus der Kernregion heraus erforderlich ist, nahezu gleich der Strömung bei der die Körper beginnen in die Kernregion
zurückzufallen. Somit führt jede nennenswerte Senkung der Strömung dazu, daß die Körper in die Kernregion zurückfallen.
Es besteht somit ein erhebliches Bedürfnis nach einem verbesserten Reaktor mit einer Vielzahl von hydraulisch getragenen
Neutronenabsorptionskugeln, welcher im Falle einer Unterbrechung der Kühlmittelströmung sicher abschaltbar ist.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Kernreaktor mit einer
sicheren Abschaltbefähigung im Falle eines Zusammenbruchs der Kühlmittelströmung. Allgemein umfaßt der Reaktor
ein Druckgefäß und einen innerhalb des Gefäßes angeordneten Kern. Dieser enthält eine ausreichende Menge spaltbaren Materials
zur Unterhaltung einer Spaltreaktion vom Kettenreaktionstyp. Eine Vielzahl von langgestreckten Rohrleitungen ist in einer
regelmäßigen Anordnung im Gefäß untergebracht. Jede der Rohrleitungen definiert einen Strömungspfad für ein Strömungs-Gas
oder Flüssigkeit
medium/und umfaßt e'inen ersten Abschnitt, welcher innerhalb des Kerns liegt und sich durch den Kern erstreckt sowie einen zweiten Abschnitt, welcher außerhalb des Kerns liegt und über dem ersten Abschnitt liegt. Jede der Rohrleitungen enthält eine Vielzahl von im wesentlichen kugelförmigen Körpern mit einem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt. Die Körper sind in einer ausreichenden Menge vorhanden, so daß sie den ersten Abschnitt im wesentlichen füllen. Jeder der Körper hat eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt. Der Durchmesser ist geringer als etwa die Hälfte des Durchmessers des engsten Bereichs des Strömungspfades für das Strömungsmedium in der Rohrleitung, so daß die Körper frei innerhalb der Rohrleitungen bewegbar sind. Der Reaktor umfaßt ferner eine erste Strömungsmittelverbindung zu einem unteren Teil des ersten Abschnitts einer jeden der langgestreckten Rohrleitungen und eine zweite Strömungsmittelverbindung zu einem oberen Teil des zweiten Abschnitts, so daß unter
medium/und umfaßt e'inen ersten Abschnitt, welcher innerhalb des Kerns liegt und sich durch den Kern erstreckt sowie einen zweiten Abschnitt, welcher außerhalb des Kerns liegt und über dem ersten Abschnitt liegt. Jede der Rohrleitungen enthält eine Vielzahl von im wesentlichen kugelförmigen Körpern mit einem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt. Die Körper sind in einer ausreichenden Menge vorhanden, so daß sie den ersten Abschnitt im wesentlichen füllen. Jeder der Körper hat eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt. Der Durchmesser ist geringer als etwa die Hälfte des Durchmessers des engsten Bereichs des Strömungspfades für das Strömungsmedium in der Rohrleitung, so daß die Körper frei innerhalb der Rohrleitungen bewegbar sind. Der Reaktor umfaßt ferner eine erste Strömungsmittelverbindung zu einem unteren Teil des ersten Abschnitts einer jeden der langgestreckten Rohrleitungen und eine zweite Strömungsmittelverbindung zu einem oberen Teil des zweiten Abschnitts, so daß unter
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Druck stehendes Strömungsmedium während des Reaktorbetriebs hindurchströmen kann. Ferner ist eine Einrichtung zur Zufuhr
von unter Druck stehendem Strömungsmedium zur ersten Strömungsmediumverbindung
vorgesehen, wodurch alle Körper aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt überführt werden können,
und zwar in jeder der langgestreckten Rohrleitungen. Die Körper bilden ein hydraulisch getragenes gestapeltes Bett
von Körpern. Jede der langgestreckten Rohrleitungen ist mit einer Einrichtung zur Verhinderung einer Bewegung der Vielzahl
der Körper aus dem ersten und zweiten Abschnitt der Rohrleitung in den übrigen Rauni des Reaktors versehen.
Es wurde festgestellt, daß zur zuverlässigen Ausbildung eines hydraulischen gestapelten Betts von Körpern eine Bypass-Einrichtung
erforderlich ist. Die Bypass-Einrichtung ist zwischen der zweiten Strömungsmittelverbindung und dem zweiten Abschnitt
einer jeder der Rohrleitungen angeordnet und umfaßt eine Vielzahl von Strömungswegen, welche über die Länge des
zweiten Abschnitts verteilt sind, derart, daß man ein Verhältnis der Länge des zweiten Abschnitts, welcher mit Strömungswegen versehen ist zur Länge des zweiten Abschnitts,in dem
das Stapelbett von Körpern angeordnet ist, von etwa 0,5 : 1 bis etwa 1,2 : 1 erhält, so daß ein Teil des Strömungsmediums während
des normalen Betriebs des Reaktors um das gestapelte oder geschichtete Bett von Körpern herumströmt. Eine jede
der Vielzahl der Strömungspfade umfaßt eine Querschnittsfläche, welche geringer ist als die Querschnittsfläche der
Körper.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind die Strömungswege durch eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Rippenteilen ausgebildet. Diese sind gleichförmig
um die Außenperipherie eines langgestreckten Bauteils angeordnet, welches in das Rohrleitungsbauteil eingesetzt ist.
Es erstreckt sich mindestens über einen beträchtlichen Teilbereich des zweiten Abschnitts des Rohrleitungsbauteils.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zur
Zufuhr eines unter Druck stehenden Strömungsmediums zur ersten Strömungsmediumverbindung ferner ein Absperrventil zur Absperrung
der Strömung des Strömungsmediums durch die Rohrleitung, wenn die Kerntemperatur einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Das Abschaltventil ist vorzugsweise thermisch betätigbar. Man kann jedoch auch ein durch ein extern angelegtes
Signal betätigbares Ventil verwenden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kernreaktors gemäß vorliegender Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Aus führungsform
des erfindungsgemäßen Kernreaktors;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des langgestreckten
Rohrleitungsbauteils des Kernreaktors gemäß Fig. 1;
Fig. 4 einen Schnitt durch ein langgestrecktes Rohrleitungsbauteil
gem. Fig. 1 mit einem thermisch betätigbaren Abschaltventil;
Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht des Rohrleitungsbauteils
der Fig. 4;
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 der Fig. 5 und Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 5.
Fig. 1 zeigt einen Kernreaktor mit einem Druckgefäß 10 und einem Kern 12. Der Kern umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffvorrichtungen
14. Die Brennstoffvorrichtungen enthalten
eine genügende Menge eines spaltbaren Materials zur Herbeiführung und Aufrechterhaltung einer Kernspaltungskettenreaktion.
Die Brennstoffvorrichtung 14 umfaßt ferner eine Vielzahl von Strömungspfaden für den Durchtritt eines
kühlenden Strömungsmediums. Die Brennstoffeinrichtung 14
umfaßt einen Abschnitt mit Öffnungen 16, welche in eine Hochdruckkammer 18 ausmünden und der Einführung des kühlenden
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Strömungsmediums dienen. Ferner umfaßt der Reaktor eine Vielzahl
von langgestreckten rohrförmigen Bauteilen 20 in einer regelmäßigen Anordnung innerhalb des Gefäßes 10 mit einem
ersten Abschnitt, welcher sich durch den Kern 12 erstreckt und mit einem zweiten Abschnitt, welcher über dem Kern liegt.
Jedes der rohrförmigen Bauteile definiert einen Strömungspfad
für ein Strömungsmedium und weist eine Vielzahl von Öffnungen 22 auf, welche in der Hochdruckkammer 18 liegen und der Einführung
des kühlenden Strömungsmediums dienen. Ferner umfaßt das rohrförmige Bauteil 20 eine Vielzahl von Neutronenabsorptionskugeln
30 in einer Menge, welche ausreicht, den oberhalb des Kerns gelegenen Abschnitt des rohrförmigen Bauteils
im wesentlichen zu füllen. Ferner befinden sich innerhalb des rohrförmigen Bauteils 20 Zurückhalteeinrichtungen,
z. B. Siebplatten 28, welche die Neutronenabsorptionskugeln 30 innerhalb eines gewünschten Abschnitts des durch das rohrförmige
Bauteil 20 definierten Strömungspfades zurückhalten.
Während des normalen Betriebs des Reaktors wird ein unter Druck stehendes Kühlungsmedium, z. B. flüssiges Natrium,
aus einer η ι ht gezeigten Quelle über eine Rohrleitung 24
in die Hochdruckkammer 18 eingeführt. Sodann strömt das Kühlmittel durch die Brennstoffeinrichtung 14 aufwärts zur Abführung
der im Kern 12 erzeugten Wärme. Das heiße Natrium fließt über einen Auslaß 26 ab und dient der Wärmegewinnung.
Ein Teil des Kühlmittels tritt aus der Hochdruckkammer 18 durch die Öffnungen 22 in das rohrförmige Bauteil 20 und strömt
schließlich durch die Siebplatten 28. Diese Strömung des Kühlungsmediums trägt die Neutronenabsorptionskörper 30
hydraulisch, so daß sie sich innerhalb des oberen Abschnitts des rohrförmigen Bauteils 20 befinden, d. h. alle Neutronenabsorptionskörper
30 befinden sich im wesentlichen außerhalb des Kerns 12. Ferner umfaßt das rohrförmige Bauteil 20 ein
langgestrecktes Rohr 21. Dieses dient als Nebenstrompfad
über den ein Teil des Kühlmediums strömen kann und somit einen Teil der hydraulisch getragenen Neutronenabsorptionskörper
umgehen kann. Somit fallen bei dieser Ausführungsform im Falle
eines Verlustes des Primärkühlmittelstroms die hydraulisch
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getragenen Neutronenabsorptionskugeln 30 automatisch abwärts in den Kern 12, so daß dieser Kernreaktor eine automatische
Abschaltbefähigung mit inherenter Sicherheit aufweist.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Kernreaktors gemäß Fig. Dabei liegen die Öffnungen 22 der langgestreckten rohrförmigen
Bauteile 20 in einer unteren Druckmittelkammer 32. Bei dieser Ausführungsform tritt das unter Druck stehende Primärkühlmittel
für die Brennstoffeinrichtungen 14 über die Einlaßrohrleitung
24 in die Hochdruckkammer 18 ein, wie bei Fig. 1. Ein Abzweigstrom des Kühlmittels gelangt über eine Leitung
34 und eine Druckregeleinrichtung, z. B. ein Steuerventil 36 sowie über eine Leitung 38 in die untere Druckkamer 32.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das Ventil von außen gesteuert werden kann. Damit kann die Arbeitsweise
der erfindungsgemäßen Einrichtung getestet werden. Hierzu wird die Strömung des Strömungsmediums variiert, so daß die
Neutronenabsorptionskugeln 30 in jede gewünschte Position gebracht werden können. Ferner kann das Rohrleitungsbauteil
so ausgebildet sein (wie weiter unten näher erläutert), daß nur ein geringer Druck und eine geringe Strömung erforderlich
sind, um die Neutronenabsorptionskugeln 30 im oberen Abschnitt und außerhalb des Kerns 12 zu halten. Ein Vorteil dieser
Ausführungsform besteht darin, daß die Zeitdauer zum Absenken der Neutronenabsorptionskugeln in den Kern herabgesetzt ist,
wenn die Strömung des Kühlmittels durch das Einlaßrohr 24 unterbrochen wird. Ferner kann das Steuerventil 36 mit einer
automatischen oder manuellen Steuerung zur Herbeiführung einer
Notabschaltung des Reaktors versehen sein, auch wenn die Kühlmittelströmung durch das Einlaßrohr 24 noch innerhalb
des normalen Betriebsbereiches liegt.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des langgestreckten
rohrförmigen Bauteils gemäß den Figuren 1 und 2. Das langgestreckte rohrförmige Bauteil 20 weist Durchgänge
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für die Einströmung des Strömungsmediums gemäß den Pfeillinien
44 auf. Das Kühlmittel hält die Neutronenabsorptionskugeln in einem hydraulisch gehaltenen geschichteten Bett der Länge L
in einem oberen Abschnitt des rohrförmigen Bauteils 20, welcher sich außerhalb der Kernzone des Reaktors befindet. Das langgestreckte
rohrförmige Bauteil 20 weist ferner eine Einrichtung
auf, welche die Neutronenabsorptionsbälle in einer definierten Zone des Strömungsmittelpfades zurückhält, z. B. eine
Rückhalteeinrichtung in Form von mit Löchern versehenen Platten 28, in Form von Gittern, Sieben oder dgl. Bei der dargestellten
Ausführungsform ist ein Nebenstrompfad in Form
eines Rohrs 21 vorgesehen, welches koaxial innerhalb des rohrförmigen
Bauteils 20 angeordnet ist. Das Rohr 21 weist eine Vielzahl von Öffnungen 42 auf, welche über eine Länge L_ verteilt
angeordnet sind und einen Durchtritt des Strömungsmediums gestatten.
Es wurde festgestellt, daß die Neutronenabsorptionskörper
mit einer geringen Strömungsrate und mit einem geringen Druckabfall in einem hydraulisch getragenen geschichteten Bett
gehalten werden können, wenn die Länge Ln zu der Länge L^ im
B S
Bereich von etwa 0,5 bis 1,2 liegt. Die Nebenstromeinrichtung führt dazu, daß etwa 50 % bis etwa 85 % des Gesamtvolumens
des durch das rohrförmige Bauteil 20 strömenden Mediums über den Nebenstrompfad fließt. Im allgemeinen ist es bevorzugt,
ein Verhältnis der Länge LD zu L von etwa 0,9 : 1 bis etwa
B S
1 : 1 vorzusehen, so daß etwa 70 % bis 80 % des gesamten durch das Rohrleitungsbauteil strömenden Strömungsmediums
über die Nebenstromleitung fließt. Wenn Einrichtungen zur Herbeiführung einer solchen Nebenströmung des die Neutronenabsorptionskugeln
tragenden Strömungsmediums nicht vorgesehen sind, so ist es schwer, die Kugeln 30 oberhalb der
Kernzone in einem schichtigen Bett zu halten. Die Aufrechterhaltung eines Schichtbetts erfordert in diesem Falle einen
hohen Druckabfall über das Bett und beträchtlich erhöhte Strömungsraten. Darüber hinaus kann selbst wenn solche Vorkehrungen
getroffen sind, nicht sichergestellt werden, daß alle Neutronenabsorptionskörper mit einem hohen Maß an
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Zuverlässigkeit, welches für den Betrieb des Kernreaktors erforderlich ist, außerhalb der Kernzone gehalten werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Dabei umfaßt ein langgestrecktes Rohrbauteil 100 ein unteres Ende mit einer Strömungsmittelverbindung, z. B. einer Vielzahl
von Durchgängen 102 für den Eintritt des unter Druck stehenden Strömungsmediums. Der Bereich, welcher die Öffnungen 102
aufweist, befindet sich im allgemeinen innerhalb einer Druckkammer, welche z. B. durch die Bauteile 104 und 106 begrenzt
ist. Ferner umfaßt das rohrförmige Bauteil 100 einen unteren Abschnitt, welcher innerhalb der Kernzone des Reaktors liegt,
sowie einen oberen Abschnitt, welcher außerhalb der Kernzone liegt und vertikal über dem ersteren Abschnitt angeordnet
ist, sowie in axialer Fluchtung mit diesem. Das rohrförmige Bauteil 100 umfaßt ferner eine Vielzahl von im wesentlichen
kugelförmigen Neutronenabsorptionskörpern 108, welche während des normalen Betriebs des Reaktors in einem aufgrund der
Strömung des Kühlmediums hydraulisch getragenen Bett oberhalb der Kernzone gehalten werden. Bei dieser Ausführungsform umfaßt
die Nebenstromeinrichtung ein langgestrecktes Bauteil 110, welches koaxial innerhalb des rohrförmigen Bauteils 100 angeordnet
ist. Einzelheiten dieser Ausführungsform werden anhand der Figuren 5 bis 7 näher erläutert. Bei dieser besonders bevorzugten
Ausführungsform ist ferner ein thermisch betätigbares
Abschaltventil 112 vorgesehen. Dieses dient dazu, die Strömung des Strömungsmediums durch das rohrförmige Bauteil 100 zu
unterbinden, wenn die Kernzone eine vorbestimmte oder gewünschte Temperatur erreicht. Fig. 5 zeigt einen Schnitt
durch das rohrförmige Bauteil der Fig. 4 und die Figuren 6 und
7 zeigen vergrößerte Querschnitte entlang den Linien 6-6 und 7-7 der Fig. 5. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt das rohrförmige Bauteil 100 eine Nebenstrom-Einrichtung
in Form eines langgestreckten Rohrs 110. Dieses umfaßt eine Vielzahl von sich in Axialrichtung erstreckenden
Rippen 114 an seiner Außenperipherie. Diese bilden eine Vielzahl von schlitzförmigen Strömungspfaden 116. Gegebenenfalls
kann zusätzlich das langgestreckte Rohr 110 eine Vielzahl von
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Öffnungen 118 aufweisen, welche rund um seine Peripherie verteilt sind. Diese Schlitze oder Öffnungen sollten jeweils
eine Querschnittsfläche haben, welche beträchtlich kleiner ist als der Querschnitt der Neutronenabsorptionskörper, um
zu verhind ern, daß sie in diese Schlitze oder Öffnungen eintreten und dort die Strömungspfade verstopfen. Im allgemeinen
sind die Nebenstromwege derart ausgebildet, daß ihre
Querschnittsfläche geringer ist als etwa 3/4 der Querschnittsfläche der Neutronenabsorptionskörper und vorzugsweise geringer
als etwa 1/3 der Querschnittsfläche der Neutronenabsorptionskörper.
Bei der dargestellten Ausführungsform bildet das obere Ende
des langgestreckten Rohrs 110 die Rückhalteeinrichtung für die Neutronenabsorptionskörper 108. Es ist in Form einer
im wesentlichen flachen Platte 120 mit einer Vielzahl von Schlitzen 122 ausgebildet. Eine weitere Rückhalteeinrichtung
für die Neutronenabsorptionskörper ist am unteren Ende des rohrförmigen Bauteils 100 in der Nähe der Kernzone angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform hat es die Gestalt einer Platte
124 mit einer Vielzahl von öffnungen 126 für den Durchtritt des Strömungsmediums.
Vorteilhafterweise umfaßt das rohrförmige Bauteil 100 auch
eine Einrichtung zur Abschaltung der Strömung des Strömungsmediums, falls die Kerntemperatur einen vorbestimmten gewünschten
Wert übersteigt. Zu diesem Zweck ist ein thermisch betätigbares Abschaltventil 112 vorgesehen. Dieses kann einen
Permanentmagneten 128 umfassen, sowie ein ferromagnetisches Material 130, eine Vorspanneinrichtung, z. B. eine Feder
132, eine Befestigungseinrichtung 134 zur Verbindung der Feder 132 mit dem Magneten 128. Die Feder 132 wird durch die
Anziehung zwischen dem Permanentmagneten 128 und dem ferromagnetischen Material 130 unter Kompression gehalten. Das
ferromagnetische Material 130 hat einen Curie-Punkt, welcher überschritten wird, wenn die Kerntemperatur des Reaktors
einen vorbestimmten Wert übersteigt, so daß in diesem Falle
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das ferromagnetische Material seine magnetischen Eigenschaften
einbüßt. In diesem Falle wird der Permanentmagnet 128 aufgrund
der Federkraft der Feder 132 zur dichtenden Anlage an der Innenwandung 136 des rohrförmigen Bauteils 100 gebracht, so
daß die Strömung des Strömungsmediums durch die Öffnungen 102 stromauf vom Ventil 112 und die Öffnungen 126 stromab vom
Ventil unterbunden wird. Auf diese Weise erhält man ebenfalls eine automatische sichere Abschaltung des Reaktors, wenn die
Kerntemperatur einen vorbestimmten Temperaturwert übersteigt, z. B. im Falle einer vorübergehenden Überlastung.
Natürlich können Konstruktionsdetails des Ventils 112 variiert werden. Es kann zusätzlich Spaltmaterial, z. B. bei 138,
vorgesehen sein, um die Auslösung des Ventils zu verstärken. Ferner kann es in einigen Fällen erwünscht sein, Widerstandsheizelemente vorzusehen, um eine externe Auslösung der Ventileinrichtung
herbeiführen zu können. Wenn ein thermisches oder extern betätigbares Ventil vorgesehen ist, so kann es
erwünscht sein, eine Einrichtung zur Zurückschaltung des Ventils in seine normale offene Position vorzusehen. Zum Beispiel
könnte in dem langgestreckten Rohr 110 eine Innenstange 140 vorgesehen sein, um die Bauteile 128 und 130 wieder zwangsmäßig
durch mechanische Einwirkung in Kontakt miteinander zu bringen, sobald die Temperatur des Bauteils 130 wieder unter
den Curie-Punkt gesunken ist. Ferner könnte auch ein Abschaltventil oberhalb des oberen Bereichs des rohrförmigen Bauteils
z. B. oberhalb der flachen Platte 120 in Fig. 5 angeordnet sein und dieses Ventil könnte elektrisch, thermisch, mechanisch
oder auf eine andere Weise betätigt werden.
Wenn das Kühlmedium ein bei hoher Temperatur flüssiges Metall ist, z. B. Natrium, Kalium oder dgl., so ist es häufig erwünscht,
eine Einrichtung zur Zurückführung des Kühlmediums, welches zur Stützung der Neutronenabsorptionskörper dient,
in eine Zone niederen Drucks, welche sich auf Kühlmitteleinlaßtemperatur befindet, vorzusehen. Zum Beispiel könnte
das Kühlmittel gesammelt und zu einem Primärkühlmittelpumpeneinlaß
zurückgeführt werden. Da das die Neutronen-
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absorptionskugeln verlassende Kühlmittel sich auf einer wesentlich
niedrigeren Temperatur befindet als das Kühlmittel, welches durch die Brennelemente strömt, kann es erwünscht
sein, derartige Vorkehrungen zu treffen, um mögliche thermische Verzerrungen des Reaktoraufbaus oberhalb der Kernzone auf
ein Minimum zu beschränken. Solche Verzerrungen könnten hervorgerufen werden durch Undefinierte Mischpfade der jeweiligen
Strömungen des Kühlmediums. Ferner könnte durch eine solche Vorkehrung die effiziente Nutzung des Reaktorkühlmediums
verbessert werden.
Ferner muß betont werden, daß die Neutronenabsorptionskörper nicht genau kugelförmig sein müssen und z. B. auch eine
ellipsoide Gestalt haben können. Ferner ist bei den bevorzugten Ausführungsformen die Nebenstromeinrichtung in Form von
Öffnungen, Durchgängen oder Schlitzen an einem zentral angeordneten
langgestreckten Bauteil vorgesehen . Es ist jedoch ersichtlich, daß die Nebenstrompfade auch in Form von
Schlitzen oder Öffnungen an der Außenperipherie des rohrförmigen Bauteils ausgebildet sein können, so daß in diesem
Falle das Strömungsmedium in ein die Außenperipherie umgebendes Gehäuse strömen kann. Vorstehend wurde die Erfindung
in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen erläutert.
Es können selbstverständlich eine Vielzahl von Abwandlungen vorgenommen werden.
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Leerseite
Claims (9)
- PATENTANSPRÜCHEM. Λ Kernreaktor mit einem Druckgefäß, einem spaltbares Material aufweisenden Kern und einem Steuersystem, welches eine Vielzahl von in regelmäßiger Verteilung im Druckgefäß angeordneten langgestreckten, von einem in das untere Ende eintretenden und aus dem oberen Ende austretenden Strömungsmedium durchströmbaren Rohrbauteilen aufweist, deren jedes einen ersten, sich durch den Kern erstreckenden Abschnitt und einen zweiten außerhalb des Kerns und über dem ersten Abschnitt liegenden zweiten Abschnitt umfaßt und eine Vielzahl von getrennten Körpern mit einem Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt enthält, die unter dem Einfluß der einander entgegenwirkenden Kräfte des Strömungsmediums und der Schwerkraft selektiv in den beiden Abschnitten positionierbar sind und bei Unterbrechung der Strömung des Strömungsmediums die ersten Abschnitte der Rohrbauteile im wesentlichen füllen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von im Bereich des zweiten Abschnitts eines jeden Rohrbauteils (2O,2O',1OO) angeordneten Nebenströmungspfaden (21,42; 110,116,118), deren jeder eine kleinere Querschnittsfläche als die kugelförmigen Körper (30,108) hat und durch ein Verhältnis der Länge (L_) des mit den Nebenströmungspfaden versehenen Teils der Rohrbauteile (2O,2O',1OO) zu der Länge (L ) des unter dem hydraulischen Einfluß des Strömungsmediums im zweiten Abschnitt ausgebildeten Schichtbetts der Körper (30,108) von etwa 0,5 : 1 bis 1,2 : 1, so daß im normalen Reaktorbetrieb ein Teil des Strömungsmediums das Schichtbett der Körper (30) umgeht und durch Einrichtungen (28;120,124) zur Verhinderung einer Bewegung der Vielzahl der Körper (30,108) über den ersten bzw. zweiten Abschnitt eines jeden Rohrbauteils (2O,2O',1OO) hinaus.8098U/0951ORIGINAL INSPECTED**274Λ613
- 2. Kernreaktor anch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbauteile (20,20',10O) vertikal angeordnet sind und einen gleichförmigen Querschnitt haben und daß der zweite Abschnitt der Rohrbauteile (2O,2O',1OO) jeweils über dem Kern (12) liegt und axial mit dem ersten Abschnitt fluchtet.
- 3. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (30,108) mit einem Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt einen im wesentlichen gleichförmigen Durchmesser aufweisen, welcher genügend kleiner ist als der Durchmesser des durch die Rohrbauteile (2O,2O',1OO) gebildeten Strömungspfades, so daß die Körper (30,108) in den Rohrbauteilen (2O,2O',1OO) frei bewegbar sind.
- 4. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beaufschlagung mit dem unter Druck stehenden Strömungsmedium die Gesamtheit der Körper (30,108) mit Material mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt aus dem ersten Abschnitt in den zweiten Abschnitt der Rohrbauteile (2O,2O',1OO) überführbar sind unter Bildung eines hydraulisch getragenen Schichtbetts der Körper.
- 5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial in jedem Rohrbauteil (2O,2O',1OO) ein langgestrecktes Rohr (21,110) angeordnet ist, welches die Nebenströmungspfade (42,116,118) über eine zumindest einem Teilbereich des zweiten Abschnitts des Rohrbauteils (2O,2O',1OO) entsprechende Länge aufweist.
- 6. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 50 % bis 85 % des Strömungsmediums im normalen Reaktorbetrieb das Schicht bett der Körper (30,108) über die Nebenströmungspfade gehen.8098U/095127U613
- 7. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Nebenströmungspfade bildenden Axialrippen (114) an der Außenperipherie des langgestreckten Rohrs (21,110).
- 8. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein stromauf von den Rohrbauteilen (2O,2O!,1OO) gelegenes thermisch betätigbares Abschaltventil (36,112) zur Unterbrechung der Strömung des Strömungsmediums durch die Rohrbauteile (2O,2O',1OO) wenn die Kerntemperatur einen vorbestimmten Temperaturwert übersteigt.
- 9. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte Rohr (21,110) eine Vielzahl von Durchgängen (42,118) aufweist, deren Querschnittsflächen wesentlich kleiner sind als die Querschnittsfläche der Körper (30,108).8098U/0951
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