DE1041611B - Heterogener Kernreaktor mit zwei getrennten Wirkzonen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, Kernreaktoren in zwei Wirkzonen zu unterteilen, von denen in der einen (Reaktionszone) im wesentlichen die Kernspaltung und in der anderen (Kühlzone) im wesentlichen die Wärmeabgabe stattfindet. Auf diese Weise erreicht man, daß die den einzelnen Wirkzonen angehörenden Konstruktionsteile und Werkstoffe des Reaktors nur den spezifischen Einflüssen dieser Zonen ausgesetzt sind.

Bei Reaktoren der vorgenannten Art wird der Kernbrennstoff meist in schüttfähiger Form im Kreislauf durch die Wirkzonen des Reaktors geleitet. Mit Hilfe eines in den Kreislauf eingeschalteten Rücklaufsystems wird der Kernbrennstoff dabei aus der Kühlzone wieder in die Reaktionszone zurücktransportiert.

Die konstruktive Gestaltung eines solchen Reaktors ist relativ kompliziert und störanfällig. Zudem muß aus Gründen eines kontinuierlichen Betriebsablaufes das gesamte Kreislaufsystem einschließlich des Rücklaufsystems mit dem spaltbaren Kernbrennstoffgemisch angefüllt sein, obwohl nur der jeweils in den Wirkzonen vorhandene Anteil effektiv zur Energieerzeugung ausgenutzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein heterogener Kernreaktor, der ebenfalls zwei aneinander ortsunveränderlich angrenzende Wirkzonen der obengenannten Art aufweist. Er besitzt jedoch kein Rücklaufsystem. Die Erfindung besteht darin, daß der Kernbrennstoff die Gestalt fester Brennstoffelemente aufweist, die mit einem Anteil der Reaktionszone und mit einem anderen Anteil der Kühlzone angehören, derart, daß im Betrieb beide Anteile nacheinander und fortlaufend, vorzugsweise in einer Rotationsbewegung, von einer Wirkzone in die andere übertreten.

Bei der bevorzugten Ausführung des Reaktors besitzen die Brennstoffelemente die Gestalt rotationssymmetrischer, ummantelter Doppelscheibenkörper, die unter Belassung von Zwischenabständen mit einer Antriebswelle verbunden sind.

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel des neuen Reaktors. Die Sicherheits-, Anzeige- und Regelvorrichtungen sowie der Reflektor und die Abschirmung sind der besseren Übersicht halber fortgelassen.

Der Kernbrennstoff weist die Gestalt fester Brennstoffelemente auf, die hier als rotationssymmetrische, ummantelte Doppelscheibenkörper 1, 2 ausgebildet sind. Die Doppelscheibenkörper, die aus je zwei im Abstand von beispielsweise 5 cm aneinander angekuppelten Scheiben bestehen, sind unter Belassung von Zwischenabständen für den Moderator mit der Antriebswelle 3 verbunden. Diese liegt unmittelbar oberhalb der Oberfläche des flüssigen Kühlmittels, welche den Reaktor zugleich in die beiden Wirkzonen aufteilt. Damit ergibt sich ein im Aufbau einfacher

Heterogener Kernreaktor
mit zwei getrennten Wirkzonen

Anmelder:
Dr. Arend J. Rutgers, Gent (Belgien)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Hindenburgstr. 84

Beanspruchte Priorität:
Belgien vom 9. August 1956

Dr. Arend J. Rutgers, Gent (Belgien),
ist als Erfinder genannt worden

Reaktor, der einen praktisch störungsfreien Betrieb gestattet und dessen Brennstoffanordnung eine sehr gute Symmetrie aufweist. Seine Konstruktionskosten liegen relativ niedrig.

Die Kühlzone wird durch das Kühlmittelbad 4 mit den Abmessungen 4,0 · 2,5 · 1,5 m³ gebildet, das beispielsweise flüssiges Natrium enthält, in welches die Doppelscheibenkörper 1, 2 mit dem unteren Teil eintauchen. Das Natrium wird nicht umgepumpt, so daß die in Kreisläufen mit flüssigen Metallen auftretenden Schwierigkeiten vermieden werden. Im Kühlmittelbad sind Rohrschlangen angeordnet (nicht dargestellt), die von Kühlwasser durchflossen sind. Die Anordnung wirkt also im Betrieb als Wärmetauscher, indem das in den Rohrschlangen befindliche Wasser durch die dem Bad entnommene Wärme aufgeheizt wird. Ein Turbogeneratorsatz formt alsdann die Wärmeenergie in elektrische Energie um.

Die über der Kühlzone liegende Reaktionszone enthält den Moderator, der hier aus den ortsfesten Graphitblöcken 5 besteht. In die Zwischenräume ragt der obere Teil der Doppelscheibenkörper 1, 2 hinein.

Als Moderator kann aber auch D₂O oder Beryllium benutzt werden. Der Moderator wird ebenfalls gekühlt, um einmal die bei der Neutronenverlangsamung erzeugte und ferner die von den Doppelscheibenkörpern abgestrahlte Wärme abzuführen.

Im Betrieb rotieren die Doppelscheibenkörper (Antrieb von außen), so daß ihre oberhalb des Kühlmittelspiegels befindlichen Teile, in welchen Wärme durch Kernspaltung erzeugt wird, nach etwa einer halben Drehung der Antriebswelle in das Kühlmittel-

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bad eintauchen und dort ihre Wärme abgeben. Entsprechend gelangen die gekühlten Doppelscheibenteile nach etwa einer halben Drehung wieder in die Reaktionszone zurück. Da das Kühlmittelbad ständig durch das vorerwähnte Wasser gekühlt wird, bleibt das Bad dabei auf konstanter Temperatur. Von Vorteil ist. daß im Reaktorraum kein Überdruck herrscht.

Die Dicke jeder Scheibe der Doppelscheibenkörper 1, 2 ist so gewählt, daß während der Eintauchzeit im flüssigen Natrium eine wirksame Kühlung stattfindet. Die Zwillingsausbildung der Scheibenkörper ist aus Gründen der mechanischen Festigkeit vorgesehen. Als Ummantelung für den Kernbrennstoff dient beispielsweise rostfreier Stahl.

Im folgenden sei ein Berechnungsbeispiel für einen Reaktor gebracht, der 6 t natürliches oder leicht angereichertes Uran, 101 schweres Wasser und 161 flüssiges Natrium enthält.

Uranmengen seien auf fünfzehn

Doppelscheiben verteilt, von denen jede 400 kg wiege. Die Dicke jeder Einzelscheibe betrage 2 mm und ihr Durchmesser 250 cm. Bei einer Dicke der Moderator blocke von 18 cm beträgt das \^?blumen des aus der Achse und den Doppelscheibenkörpern bestehenden Brennstoffsystems 4.0 · 2.5 · 2.5 m^s.

Es sei nun angenommen, daß die der Reaktionszone angehörenden Teile der Doppelscheibenkörper beim Eintauchen in das Natriumbad eine Temperatur von 600° C und beim Verlassen desselben eine Temperatur von 300° C besitzen. Ferner sei die Eintrittstemperatur des Kühlwassers 25° C und seine Austrittstemperatur 300° C.

Wenn nun die Scheibenkörper pro Sekunde eine Drehung machen, so beträgt die in das Kühlmittelbad und auf das Kühlwasser übertragene Wärme 50000000 cal/see. Bei einem für die Umsetzung der Wärme in elektrische Energie anzusetzenden Wirkungsgrad von 350/0 (ATIT=200/573 = 0,35) erhält man eine elektrische Leistung von 73 500 kW. Die vorgesehene Kühlart gestattet also, große Wärmemengen bei hohen Temperaturen abzxiführen und damit große

35 Leistungen sowie einen guten thermodynamischen Wirkungsgrad zu erreichen. Das große Natriumbad wirkt als Puffer für Leistungsschwankungen des Reaktors, so daß der Turbogenerator stets unter gleichbleibenden Bedingungen gefahren werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Heterogener Kernreaktor mit zwei aneinander ortsunveränderlich angrenzenden Wlrkzonen. von denen in der einen im wesentlichen die Kernspaltung und in der anderen im wesentlichen die Wärmeabgabe stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff die Gestalt fester Brennstoffelemente aufweist, die mit einem Anteil der Reaktionszone und mit einem anderen Anteil der Kühlzone angehören, derart, daß im Betrieb alle Anteile nacheinander und fortlaufend, vorzugsweise in einer Rotationsbewegung, von einer Wirkzone in die andere übertreten.

2. Kernreaktor nadh Anspruch 1, dadurdh gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente die Gestalt rotationssymmetrischer, ummantelter Scheibenkörper besitzen, von denen je zwei unter Belassung eines Abstandes von etwa 5 cm zu einem Doppelscheibenkörper zusammengefaßt sind.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelscheibenkörper unter Belassung von Zwischenabständen auf einer Antriebswelle angeordnet sind und mit einem Teil in ein Kühlmittelbad eintauchen, welches die Kühlzone darstellt, während sie mit dem anderen Teil der darüber befindlichen Kernspaltungszone angehören.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Moderator in den Zwischenräumen zwischen den Doppelscheibenkörpern angeordnet ist, z. B. in Gestalt von Graphitblöcken.

5. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Scheibenkörper um eine Größenordnung kleiner als ihr Durchmesser ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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