DE1061453B

DE1061453B - Siedereaktor

Info

Publication number: DE1061453B
Application number: DEG21507A
Authority: DE
Inventors: Samuel Untermyer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1956-02-16
Filing date: 1957-02-15
Publication date: 1959-07-16
Also published as: BE555025A; NL214631A; GB852293A; DK105217C; FR1172364A; CH353819A; NL113104C; US2998367A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Siedereaktoren. Während die Erfindung in verschiedener Weise ausgeführt und abgeändert werden kann, ist sie besonders für die bekannten Siedewasserreaktoren zur Energieversorgung von Turbinenanlagen geeignet und wird besonders in Verbindung mit diesen beschrieben.

Ein Siedereaktor ist bekanntlich ein Reaktor, in dem wenigstens ein Teil des Kühlmittels innerhalb des Reaktors in Dampf übergeführt wird. Die Wärmeenergie in dem Kühlmittel wird entweder indirekt über einen Wärmeaustauscher oder direkt ausgenutzt, um Dampf für ein primäres Antriebssystem zu liefern. Das Kühlmittel kann z. B. aus leichtem Wasser bestehen, welches Dampf liefert, um eine Dampfturbine anzutreiben.

Vor der ausführlichen Beschreibung der Erfindung sind die Fachausdrücke, die fortlaufend benutzt werden, zusammengestellt, damit ein besseres Verständnis der Erfindung gewährleistet ist.

Der Multiplikationsfaktor eines Kernreaktors ist das Verhältnis der Anzahl Neutronen, die in dem Reaktor bei einem Spaltungsvorgang freigesetzt worden sind, zu der Anzahl Neutronen, die beim vorhergehenden Spaltungsvorgang entstanden sind. Dieses Verhältnis muß wenigstens Eins sein, damit eine sich selbst aufrechterhaltende Kernreaktion ablaufen kann. Wenn der Reproduktionsfaktor kleiner als Eins ist, reißt die Kettenreaktion ab, während sie sich, wenn er größer als Eins ist, steigert.

Der Reaktivitätskoeffizient kann als der Betrag festgesetzt werden, um den sich der Multiplikationsfaktor eines Reaktors von Eins unterscheidet, geteilt durch den Multiplikationsfaktor des Reaktors. Eine positive Reaktivität bedeutet also, daß der Reproduktionsfaktor des Reaktors größer als Eins ist, während die negative Reaktivität einen Multiplikationsfaktor in sich schließt, der kleiner als Eins ist.

Eine Umwandlung findet statt, wenn ein in Spaltstoffe umwandelbares Material, z. B. Uran 238 oder Thorium 232, Neutronen einfängt und zu Plutonium oder Uran 233 umgewandelt wird, die spaltbare Stoffe sind. Ein Brüten erfolgt, wenn mehr spaltbares Material aus dem in Spaltstoffe umwandelbaren Material erzeugt wird, als beim Betrieb des Reaktors verbraucht wird. Das Brüt- oder Umsatzverhältnis ist eine Funktion der durchschnittlichen Anzahl der für die Umwandlung verfügbaren Neutronen. Wenn die Neutronenverluste herabgesetzt werden, zeigt dementsprechend das Brüt- oder Umsatzverhältnis die Neigung, sich zu verbessern.

Eine Zone des Reaktors, die das Kühlmittel im Dampfzustand enthält, ist der Siedebereich. Die Zone, die das Kühlmittel in einem anderen Zustand enthält, ist ein nichtsiedender Bereich.

Siedereaktor

Anmelder:
General Electric Company,
Schenectady, N.Y. (V.St.A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. Februar 1956

Samuel Untermyer, Atherton, Calif. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Kernreaktoren können allgemein in die Gruppe der selbstregelnden oder in die Gruppe der autokalatytischen Reaktoren eingeteilt werden. Die selbstregelnden Reaktoren sind solche, bei denen eine Zunahme der Reaktorleistung zu einer Abnahme der Reaktionsfähigkeit führt, die ihrerseits die Reaktorleistung herabsetzt, Diese Art von Reaktoren sind betriebssicher, d. h., daß der Reaktor eher zum Stillstand kommt, als daß er »durchgehen« könnte. Autokatalytische Reaktoren dagegen sind solche, bei denen eine Zunahme der Reaktorleistung eine Zunahme der Reaktivität bewirkt, die wiederum eine neuerliche Zunahme der Reaktorleistung ergibt. Wenn die Leistung dieser Reaktoren zunimmt, steigert sich der Reaktionsvorgang des Reaktors derart, daß der Reaktor »wegläuft« und sich selbst zerstört, wenn er nicht auf andere Weise gebremst wird.

Der Blasenkoeffizient der Reaktivität kann als die Änderung der Reaktivität, geteilt durch die Änderung der Anzahl und Größe der Blasen, angesehen werden; das sind die Blasen, die vom verdampften Kühlmittel herrühren, also z. B. Dampfblasen. Im Grenzwert ist der Blasenkoeffizient das Verhältnis der Reaktivitätsänderung zur Änderung der Blasen für eine unendlich kleine Änderung der Blasen oder eines Blasenanteils. Der Blasenanteil kann als Verhältnis des Volumens der Blasen zum Gesamtvolumen' des Kühlmittels im Reaktorkern, z. B. als Volumenanteil im Reaktorkern, der vom Dampf eingenommen wird, bezeichnet werden. Wenn die Reaktivität bei Zunahme des Blasenanteils sich steigert, dann soll der Blasenkoeffizient als positiv bezeichnet werden, wenn die Reaktivität bei vermehrter Blasenbildung abnimmt, sei der Blasenkoeffizient der Reaktivität als negativ bezeichnet.

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Der totale Blasenkoeffizient der Reaktivität ist der Blasenkoeffizient des gesamten Reaktors und wird als Einheit angesehen, die sich vom örtlichen Blasenkoeffizienten für die einzelnen Zonen des Rekators unterscheidet. Der totale Blasenkoeffizient der Reaktivität kann dadurch dargestellt werden, daß man eine geringe Anzahl Blasen betrachtet, die gleichmäßig über den ganzen Reaktor verteilt ist. Dann ist der totale Blasenkoeffizient das Verhältnis zwischen der Reaktivitätsänderung und dem betrachteten Anteil an Blasen.

Der Blasenkoeffizient der Reaktivität einer bestimmten Zone ist der örtliche Blasenkoeffizient der Reaktivität, der die Änderung der Reaktivität des Reaktors infolge der Blasenänderung in der kleinen Zone darstellt, geteilt durch einen Faktor, der die Bedeutung dieser kleinen Zone bezüglich der Kernreaktion im Vergleich zum ganzen Reaktor wiedergibt.

Es sind nun bereits Siedereaktoren mit geschlossenem Arbeitskreislauf bekannt, bei denen eine Platte ao die Dampfblasen von der flüssigen Phase trennt und die Flüssigkeit über den Reaktorkern zurückgeleitet wird.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen im allgemeinen selbstregelnde Siedereaktoren, die moderierende und Neutronen absorbierende Kühlmittel verwenden. Mit leichtem Wasser gekühlte Reaktoren können bekanntlich so entworfen werden, daß das Sieden oder Verdampfen des Wassers während des Betriebs die Reaktivität vermindert, wenn das Kühlmittel aus dem Reaktor durch die Dampfbildung ausgetrieben wird. Bei manchem Reaktor kann die maximale Abnahme der Reaktionsfähigkeit, die in dem Arbeitsbereich des Reaktors geduldet werden kann, etwa 3% betragen, was einem totalen Dampfphasenanteil von 20 Gewichtsprozent entspricht.

Da ja die Leistungsabgabe eines Siedereaktors von der Dampfmenge, die im Reaktor erzeugt wird, bestimmt wird, ist es wünschenswert, einen solchen Reaktor mit der größtmöglichen Dampfmenge zu betreiben, ohne die zulässige Grenze für die Abnahme der Reaktionsfähigkeit zu überschreiten.

Wenn das Innere des Reaktors mit einem gleichförmigen Blasenkoeffizienten der Reaktivität so gestaltet ist, daß es bei Raumtemperatur einen kleinen negativen Blasenkoeffizienten aufweist, wodurch der Reaktor im Betrieb erlischt, dann ist der totale Blasenkoeffizient der Reaktivität bei den Betriebstemperaturen so groß, daß die Dampfmenge des Reaktors für den Antrieb beschränkt wird und die Leistungsabgabe infolgedessen begrenzt ist. Dies leuchtet ein, da bei den Betriebstemperaturen die Dichte des Kühlmittels abnimmt und infolgedessen das Verhältnis der Atomzahl des moderierenden Kühlmittels zu der des Brennstoffs herabgesetzt ist. Wenn die Dichte des Wassers bei der Betriebstemperatur verringert ist, ist der Blasenkoeffizient der Reaktivität größer, und die weniger werdenden Dampfblasen setzen die Reaktivität auf den Punkt hinab, bei dem eine stabile Arbeitsweise nicht mehr aufrechterhalten werden kann.

Wenn das Innere des Reaktors ein ausreichend hohes Verhältnis von dem verdampfbaren, moderierenden, Neutronen absorbierenden Kühlmittel zum Brennstoff aufweist, um bei der Betriebstemperatur die günstigsten Reaktivitätsverhältnisse zu bewirken, hat es bei Raumtemperatur einen wesentlichen positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität, so daß der Reaktor bei Betriebsbeginn nicht von selbst erlischt. Der Reaktor

würde also dann nicht betriebssicher sein, wenn er die Betriebstemperatur erreicht.

Entsprechend einem Ziel der Erfindung wird eine Ausführungsform mit einer im Vergleich zu den bisher bekannten Reaktoren erhöhten Leistungsabgabe dadurch erhalten, daß im Reaktorinnern kein gleichförmiger Blasenkoeffizient der Reaktivität hergestellt wird. Dieser Reaktor regelt sich von Natur aus unter allen Umständen selbst.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, bessere Siedereaktoren zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, bessere Kraftanlagen mit Siedereaktoren zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, sich selbst regelnde Siedereaktoren zu schaffen, in denen der zur Leistungserzeugung verfügbare Betrag an verdampftem Kühlmittel vergrößert wird.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, bessere Siedezu schaffen, die bessere Brüteigenschaften aufweisen.

Hierzu wird ein Siedereaktor vorgeschlagen, der ein verdampfbares, moderierendes Kühlmittel, das auch einen Teil der lagsamen Neutronen absorbieren kann, und einen Kernbrennstoff enthält und in dem wenigstens eine im wesentlichen nicht siedende Zone und eine im wesentlichen siedende Zone gegeneinander abgegrenzt sind. Eine Erfindung wird darin gesehen, daß mindestens eine siedende Zone einen größeren positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität als mindestens eine andere nichtsiedende Zone aufweist, so daß bei allen in Frage kommenden Temperaturen von Betriebsbeginn bis Vollbetrieb der totale Blasenkoeffizient der Reaktivität den gestellten Bedingungen einer Selbstregelung des Reaktors genügt.

Die kombinierte Wirkung des Blasenkoeffizienten der Reaktivität im siedenden und nichtsiedenden Bereich ist derart, daß der Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität des Reaktors unter allen Umständen ausreichend ist.

Andere Ziele und wichtige Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den folgenden Abschnitten der Beschreibung und Ansprüche unter Berücksichtigung der Figuren hervor.

Die Fig. 1 und 2 sind schematische Darstellungen zur Erklärung der Grundzüge der Erfindung;

Fig. 3 bis 6 zeigen Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 7 zeigt eine vollständige elektrische Generatoranlage.

Die Theorie der Erfindung wird an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben.

Wie bereits erwähnt, steigt der Blasenkoeffizient der Reaktivität mit der Temperatur an, so daß er bei der Betriebstemperatur groß ist und die Dampfmenge des Reaktors für den Betrieb beschränkt, wenn das gleichförmige Innere derart gestaltet ist, daß dieses einen geringen, negativen Blasenkoeffizienten bei Raumtemperatur oder zu Beginn des Betriebs aufweist.

Die Ausführungsform dieser Erfindung überwindet dadurch diese Schwierigkeit, daß das Reaktorinnere einen ungleichförmigen Blasenkoeffizienten der Reaktivität aufweist. Zur Erklärung kann man das Volumen des Reaktorkessels als in zwei Zonen unterteilt betrachten, die in Fig. 1 ausschnittsweise gezeigt sind. Das Kühlmittel strömt in den von den Brennstoffelementen gebildeten Bahnen aufwärts und wird von diesen erhitzt. In dem oberen Teil setzt bei normalem Betrieb das Sieden ein. In der unteren Zone tritt fast kein Sieden auf.

Da das Sieden auf den oberen Teil im allgemeinen beschränkt ist, ist die Betriebsweise des Reaktors grundsätzlich von den Kenngrößen dieses Teils des Reaktors abhängig. Bei der praktischen Ausführung der Erfindung wird daher diese obere oder Siedezone so ausgestaltet, daß ein positiver Blasenkoeffizient der Reaktivität bei den Temperaturen zu Betriebsbeginn und eine große Reaktivität bei den Betriebstemperaturen vorhanden sind. Die Siedezone ist auch mit einer großen Strömungsfläche für das Kühlmittel versehen, da ein Teil des Brennstoffs in dieser Zone weggelassen und infolgedessen die Dampfentnahme erleichtert ist. Die größere Strömungsfläche für das Kühlmittel rührt also von der Weglassung eines Teils des Brennstoffs in dieser Zone her.

Die nicht siedenden Bereiche haben einen genügend niedrigen, negativen Blasenkoeffizienten der Reaktivität gegenüber dem der Siedezonen, so daß bei allen Temperaturen zu Beginn und während des Betriebs der totale Blasenkoeffizient der Reaktivität zufriedenstellend ist; d.h., er ist stets Null oder negativ, so daß der Reaktor betriebssicher ist.

Man erhält eine bessere Ausführungsform, wenn die Siedezone des Kernreaktors so angelegt wird, daß die Betriebsweise bei den Betriebstemperaturen optimal wird, während gleichzeitig die dem Reaktor eigentümliche Betriebssicherheit durch die Ausbildung des nicht siedenden Kesselbereiches, der einen großen, genügend negativen Blasenkoeffizienten der Reaktivität aufweist, gewährleistet wird. Auf diese Weise ist der wirkliche, effektive Koeffizient der Reaktivität des ganzen Reaktors stets bei der Raumtemperatur oder bei Betriebsbeginn und bei der Betriebstemperatur zufriedenstellend.

Die Fig. 2 zeigt eine Auftragung der relativen Reaktivität (dort als »Reaktionsfähigkeit« bezeichnet) als Funktion des Verhältnisses des verdampfbaren moderierenden Kühlmittels zum Kernbrennstoff. Ein Anstieg der Kühlmitteltemperatur und/oder die Bildung von Blasen vermindern das Verhältnis zwischen Kühlmittel und Brennstoff. DieTeile der angegebenen Kurve, die eine negative Steigung haben, stellen die Bedingungen dar, die man in den Zonen eines Reaktors erhält, in denen die Abgabe des Kühlmittels die Reaktivität steigern will. Das bedeutet, daß die Reaktivität zunimmt, wenn das Verhältnis des Kühlmittels zum Brennstoff geringer wird. Der Reaktor wird übermoderiert und hat einen positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität. Irgendeine Brennstoffabgabe steigert die Reaktivität und bewirkt, daß der Reaktor »wegläuft« und sich vielleicht selbst zerstört.

Die Teile der Kurve mit einem positiven Anstieg stellen die Bedingungen dar, die in den Zonen des Reaktors erhalten werden, die »untermoderiert« sind. In diesen ergibt eine Abnahme des Verhältnisses von Kühlmittel zum Brennstoff eine verminderte Reaktivität. Diese Zonen haben einen negativen Koeffizienten der Reaktivität. Für den Fall eines übermäßigen Siedens kommt der Reaktor zum Stillstand und erlischt.

Der in Fig. 1 gezeigte Reaktor kann gemäß der Erfindung so konstruiert werden, daß er einen positiven Blasenkoeffizienten bei der Temperatur zu Betriebsbeginn für die Reaktivität in der Siedezone hat. Dieser ist durch den Punkt B_r auf der Kurve gekennzeichnet. Wenn die Reaktor temperatur im Innern auf die Betriebstemperatur ansteigt, steigt die Reaktivität des Reaktors in der Siedezone an der Kurve entlang bis zum Punkt B₀ an.

Deshalb ist bei den Betriebstemperaturen die Reaktivität der Siedezone des Reaktorinnern groß. Beim Sieden nimmt sie infolge Dampfblasenbildung längs der Kurve bis zum Punkt B_b ab, jenseits dessen der Verlust an Reaktivität infolge des Siedens so groß ist, daß sich eine Instabilität ergibt. Der Verlust an Reaktivität infolge Dampfblasen wird durch den Abstand R₀ dargestellt. Die Projektion des Abschnitts B₀-B_b der Kurve auf die Abszisse gibt die größte, zulässige Dampfblasenmenge oder den für die Energieerzeugung zur Verfügung stehenden Betrag an dampfförmigem Kühlmittel in dem Reaktor an.

Um den positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität zu Betriebsbeginn entgegenzuwirken, hat der restliche Reaktor oder die nicht siedende Zone einen durch den Punkt NB_r dargestellten, negativen Blasenkoeffizienten. Der Punkt ist so gewählt, daß der totale Blasenkoeffizient der Reaktivität des Reaktors zu Betriebsbeginn zufriedenstellend ist. Eine Zunahme an Blasen infolge einer Leistungssteigerung, die sich beim unachtsamen Herausnehmen der Regelstäbe ergeben könnte, führt zu einer verminderten Reaktivität; deshalb ist der Reaktor unter allen Umständen betriebssicher.

Bei Siedereaktoren mit einheitlichem Blasenkoeffizienten der Reaktivität muß dieser Null oder ein wenig negativ bei Raumtemperatur sein, so daß der Reaktor bei allen Betriebsbedingungen erlöschen kann. Wenn die Reaktortemperatur ansteigt, nimmt das Verhältnis der Atomzahl von Wasser zu. Brennstoff ab, und es vermindert sich die Reaktivität bevor das Sieden einsetzt.

Daher kann man die Kenngrößen eines Reaktors mit gleichförmigem Blasenkoeffizienten der Reaktivität durch den Punkt U_r auf der Kurve bei der Temperatur zu Betriebsbeginn und durch den Punkt U₀ bei der Betriebstemperatur bezeichnen. Der Arbeitspunkt, jenseits dessen Instabilität vorhanden ist, wird durch den Punkt U_b dargestellt, was einem Verlust an Reaktivität R_b infolge des Siedens entspricht, wobei R₀ gleich R_b ist. Der für die Energieerzeugung verfügbare, zulässige Prozentsatz an Dampfblasen ist durch die Projektion des Abschnitts U₀-U_b der Kurve auf die Abszisse dargestellt. Diese ist kürzer als die Projektion von B₀-B_b, die demselben Gesamtverlust an Reaktivität bei ungleichförmigem Kern zukommt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, erhält man in jedem Fall die Dampfbildung über denselben Verlustbereich an Reaktivität, die von den Dampfblasen gesteuert wird; die zulässige Dampfblasenmenge und in Verbindung hiermit die Leistungsabgabe sind jedoch in dem Reaktor gemäß der Ausführungsform der Erfindung größer. Das heißt, daß für einen vorgegebenen Verlust an Reaktivität im Reaktor gemäß der Erfindung die Anzahl Dampfblasen, also der zulässige Anteil an Dampfblasen größer ist und daß dadurch die Leistungsabgabe vergrößert ist, zumal der Reaktor stets betriebssicher ist, da der totale Blasenkoeffizient der Reaktivität stets zufriedenstellend ist.

Für den gleichen Betrag an Reaktivität, die von den Dampfblasen gesteuert wird, ist daher die aus dem Reaktor gemäß der Erfindung verfügbare Leistung größer als die, die aus einem Reaktor mit gleichförmigem Blasenkoeffizienten der Reaktivität erhältlich ist.

Die Kenngrößen des Blasenkoeffizienten der Reaktivität für einen aus zwei Zonen (einer Siede- und einer nicht siedenden Zone) bestehenden Reaktor nach der Erfindung -können in der folgenden Tabelle zusammengestellt werden.

	Raumtemperatur	Betriebstemperatur	Betriebstemperatur (beim Sieden)
Totaler Blasenkoeffizient der Reaktivität	zufriedenstellend	negativ	stark negativ
vernachlässigbar
Siedezone
örtlicher Blasenkoeffizient der Reaktivität...	positiv	etwa Null	negativ
Nichtsiedende Zone
Örtlicher Blasenkoeffizient der Reaktivität...	negativ	ziemlich negativ	äußerst negativ

In der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß leichtes Wasser als Moderator verwendet wird. Es sei hervorgehoben, daß Reaktoren gemäß der Erfindung sehr verschiedene Moderatoren oder Zusammenstellungen von Moderatoren enthalten können. Eine Zusammenstellung von leichtem Wasser und Graphit oder leichtem Wasser und einem anderen wasserstoffhaltigen Moderator können bei der Ausführung der Erfindung benutzt werden. Der Reaktor kann zwei Zonen, eine Siedezone oder eine nichtsiedende oder mehrere Zonen mit unterschiedlichem Blasenkoeffizienten der Reaktivität aufweisen, da ja das Sieden in gewissem Grad in mehreren als nur einer bestimmten Zone zustande kommt. Die Blasenkoeffizienten der Reaktivität können sich gleichmäßig oder ungleichmäßig längs der Kühlmittelbahnen oder innerhalb des ganzen Reaktors ändern, was durch die besonderen Erfordernisse für die Bauart des Reaktors bedingt ist. Bei der Ausführung der Erfindung kann sich der Blasenkoeffizient der Reaktivität in einer, in zwei oder drei Dimensionen des Reaktors ändern, um die günstigste Leistungsabgabe zu erzielen.

Der Brennstoff kann als Stäbe, Platten oder Teilchen vorliegen, die spaltbare Stoffe, z. B. Uran 235, Uran 233 oder Plutonium, in metallischer Form oder als Verbindung enthalten. Der Brennstoff kann auch aus solchen brütfähigen Stoffen wie Uran 238 oder Thorium 232 in metallischer Form oder als Verbindung zusammengesetzt sein. Stoffe wie Zirkon, Aluminium, rostfreier Stahl oder andere von geeigneter Struktur können als Streckmittel oder als Einfassung für den Brennstoff benutzt werden.

Der Reaktorbrennstoff kann als homogener Schlamm mit dem erforderlichen, festen Moderator vorliegen, der darin so verteilt ist, daß ein wirklich ungleichförmiger Blasenkoeffizient der Reaktivität innerhalb der homogenen Masse zustandekommt.

Das verdampfbare moderierende Kühlmittel kann infolge eines Antriebs durch den Kessel zirkulieren. Es kann aber auch durch natürliche Bedingungen in Zirkulation versetzt werden. Die Kühlmittelkanäle können vertikal oder horizontal verlaufen, was durch die baulichen Notwendigkeiten des betreffenden Reaktors oder der von dem Reaktor versorgten Anlage bedingt ist. Die Erfindung kann mit Doppelkreislaufreaktoren praktisch ausgeführt werden, die in dem Patent 1003 363 dargelegt sind, das eine Anlage schafft, die beispielsweise in Verbindung mit der Fig. 7 der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.

Fig. 3 zeigt eine besondere Ausführungsform eines Reaktors gemäß der Erfindung. Nur eine Zone des Reaktorinnern und der Umkleidung sind in dieser Figur und in den Fig. 4 bis 6 angegeben, damit die Beschreibung der Erfindung vereinfacht wird. Es ist dem Fachmann geläufig, daß Stützen, Pumpen, Abschirmungen, Kühlmittelreinigungsgeräte, Steuereinrichtungen und Meßinstrumente in einer vollständigen Reaktoranlage erforderlich sind.

Der Reaktor enthält mehrere Stäbe aus Urandioxyd, die von einem geeigneten Material, z. B. von Zirkon, eingefaßt sind. Die Stäbe sind ein wenig mit Uran 235 angereichert und so angeordnet, daß eine ungleichförmige Konzentration des Kernbrennstoffes längs der Kühlmittelbahnen, die von den Stäben begrenzt sind, entsteht und das Mengenverhältnis des flüssigen Moderators zum Brennstoff niedrig in den tieferen Zonen und groß in den oberen Teilen des Reaktors ist. Leichtes Wasser kann als Moderator und Kühlmittel verwendet werden. Drei Zonen mit unterschiedlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität sind längs der Kühlmittelbahnen, die von den Stäben festgelegt sind, vorgesehen.

Das Innere des Reaktors umfaßt kurze Brennstoffstäbe 10, Stäbe mittlerer Länge 11 und Stäbe 12, die sich über die ganze Höhe des inneren Teils des Reaktors erstrecken und sich in leichtem Wasser 13 befinden. Es wird von dem Reaktorkessel 14 umschlossen, der einen oberen Teil 15 für den Dampf, eine Ausgangsöffnung 16 für den Dampf und einen Einlaß 17 für das Kühlmittel aufweist. Einzelheiten der Durchgangsöffnungen für das Kühlmittel sind im Interesse der Vereinfachung nicht gezeigt.

Die Fig. 3 a, 3 b und 3 c zeigen aufeinanderfolgende Schnittflächen a-a, b-b und c-c durch einen Teil des Reaktors. Das Kühlmittel aus einem Turbinenkondensator oder zusätzlichen Vorratsbehälter tritt durch den Einlaß 17 ein, strömt in Pfeilrichtung durch die von den Stäben gebildeten Bahnen oder Kanäle und läuft durch Verbindungsröhren (nicht gezeigt) zurück. Ein beträchtliches Sieden setzt in der Zone 18 ein. Der Dampf wird -dann aus dem oberen Kesselteil 15 durch eine Auslaßöffnung 16 herausgezogen.

Während des Betriebs wird das Wasser etwa in dem unteren Drittel des Kessels erwärmt, während das Sieden in den oberen zwei Dritteln des Kessels einsetzt. Bei Raumtemperatur entspricht der größte Multiplikationsfaktor für diesen Reaktor einer Zusammenstellung des Innern aus annähernd einem Raumteil großer Dichte von etwas angereichertem Urandioxyd und ungefähr 2 Raumteilen Wasser. Bei der Betriebstemperatur erhält man den größten Multiplikationsfaktor mit etwa 1 Raumteil Brennstoff und 3 Raumteilen Wasser. Die Stoffe für den Bau und die Umkleidungen nehmen ungefähr einen zusätzlichen Raumteil ein.

Wenn der ganze Reaktor so entworfen wäre, daß ein Verhältnis für Wasser zu Brennstoff von 3 vorhanden ist, könnte dieser Reaktor nicht betriebssicher bei Raumtemperatur in Gang gesetzt werden.

Unter diesen Bedingungen nämlich würde der günstigste Multiplikationsfaktor bei Raumtemperatur mit einem Wasser-Brennstoff-Verhältnis von 2 erhalten werden, so daß ein Reaktor mit einem Wasser-Brennstoff-Verhältnis von 3 zu Beginn eine zusätzliche Re-

aktivität durch Dampfbildung erzielen und deshalb instabil sein würde.

Allein der obere Teil des Reaktorkessels, in dem beträchtliches Sieden während des Betriebs stattfindet, ist daher für ein Wasser-Brennstoff-Verhältnis von 3 konstruiert. Die übrigen Zonen des Reaktors haben niedrigere Wasser-Brennstoff-Verhältnisse, am Boden ein solches von etwa 1,5. Auf diese Weise bringt eine plötzliche Dampfbildung bei Betriebsbeginn den Reaktor zum Stillstand und macht ihn betriebssicher. Da ja die Reaktorzone, in der das Sieden während des Betriebs stattfindet, für ein Wasser-Brennstoff-Verhältnis von 3 gebaut ist, ist der Dampfblasenkoeffizient für den Betrieb so klein wie möglich.

Die Verwendung eines niedrigen Wasser-Brennstoff-Verhältnisses für die nichtsiedende Zone, in der ein großer Anteil der zur Verwertung kommenden Leistung entsteht, ergibt ein besseres Umsatz- oder Brutverhältnis des Gesamtreaktors. Dies verbessert auch die Kenngrößen für die Wärmeübertragung unter den Überleitungsbedingungen und ergibt einen betriebssichereren Reaktor.

Außerdem ist die Kühlmittelmenge in der oberen Zone des Reaktors groß; etwa 60% der Siedezone des Kessels ist mit dem Kühlmittel ausgefüllt, so daß ein reichlicher Raum für den Dampf verfügbar ist, der aus dem Reaktor ausströmt. Dieses gestattet eine erhöhte Dampferzeugung.

Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Platten aus einer stark angereicherten Uranlegierung mit Aluminium oder Zirkon sind in geeigneter Weise mit Aluminium oder Zirkon überzogen und derart angeordnet, daß in der nicht siedenden Zone das Verhältnis von moderierendem Kühlmittel zu Brennstoff niedrig und in den Siedebereichen hoch ist. Das Innere des Reaktors enthält mehrere lange Platten 19, etwas kürzere Platten 20 und ganz kurze Platten 21, die derart angeordnet sind, daß mehrere Zonen mit unterschiedlichen Konzentrationen des Kernbrennstoffes entstehen, was einen unterschiedlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität längs der dazwischen gebildeten Kühlmittelkanäle mit sich bringt. Die ganze Baueinheit wird von dem Behälter 22 mit der Kühlmitteleinlaßöffnung 23 und der Dampfaustrittsöffnung 24 umschlossen. Der Behälter ist mit einem oberen Kesselteil 25 für den Dampf versehen. Das verdampfbare, moderierende, Neutronen absorbierende Kühlmittel 26 bedeckt die Platten. Die Platten aus Brennstoff haben eine gegenüber ihrem Rauminhalt große Oberfläche, so daß der Wärmeübergang aufs Kühlmittel vergrößert ist.

In einem typischen System tritt das Kühlmittel z. B. aus einem Kondensator oder zusätzlichen Vorratsbehälter in die Einlaßöffnung 23 ein und strömt in Pfeilrichtung durch die von den Platten festgelegten Kanäle. Ein Teil des Kühlmittels wird verdampft und sammelt sich im oberen Kesselteil 25 für den Dampf an. Das übrige Kühlmittel wird (durch nicht gezeigte Verbindungsleitungen) zurückbefördert und durchströmt erneut die Brennstoffplatten. Die Leistung wird dem verdampften Kühlmittel entzogen, das durch die Austrittsöffnung 24 dem Kessel entnommen ist. Das Kühlmittel wird zur Kondensation veranlaßt und zum Reaktor zurückgeleitet.

Die Fig. 5 und 6 zeigen andere Ausführungsformen der Erfindung, wobei dieselben Einzelteile durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Nach den Figuren wird eine Zusammenstellung eines verdampf-

baren, moderierenden Kühlmittels und eines festen Moderators zur Anwendung gebracht. In Fig. 5 stellen Brennstoffstäbe oder -barren 27 und ein Moderator 28 aus Graphit die Kühlmittelkanäle 29 her. Der Moderator und der Brennstoff sind derart geformt und angeordnet, daß an den Kühlmittelkanälen 29 entlang mehrere Zonen unterschiedlicher Blasenkoeffizienten der Reaktivität entstehen. In Fig. 5 laufen die Graphitblöcke spitz nach oben zu, so daß sich die Konzentrationen des Moderators längs der Kühlmittelkanäle ändert. Abwechselnd mit diesen können Brennstoffbarren von unterschiedlichem Querschnitt benutzt werden, damit mehrere Zonen mit verschiedenen Blasenkoeffizienten der Reaktionsfähigkeit zustande kommen. Dies ist in Fig. 6 anschaulich dargestellt.

Das verdampfbare Kühlmittel 30 wird durch die Einlaßöffnung 31 des Reäktorkessels 32 eingeführt, strömt in Pfeilrichtung durch die Kanäle 29 aufwärts und wird durch (nicht gezeigte) Leitungen zurückbefördert. Das verdampfte Kühlmittel strömt durch die "Auslaßöffnung 33. Diesem wird die Energie entzogen.

Der Brennstoff kann auch in Form von in herkömmlicher Weise gebildeten Teilchen vorliegen oder innerhalb einer Füllmasse so angeordnet sein, daß die Dichte oder Konzentration des Brennstoffs am unteren Ende eines aus dieser Masse hergestellten Elementes am größten und am oberen am niedrigsten ist. Dies kann dadurch zustande kommen, daß die Gestalt, die Verteilung der "Größen oder die Brennstoffkonzentration in den aufeinanderfolgenden Schichten der Teilchen geändert werden. Zwischen den Teilchen werden Kühlmitteldurchlaß öffnungen gebildet. Die Füllmasse ist dann mit dem Kühlmittel bedeckt.

Das Verhältnis des verdampfbaren, moderierenden, Neutronen absorbierenden Kühlmittels zum Brennstoff ist in der Siedezone groß, d. h. im oberen Abschnitt des Reaktors, und relativ niedrig in den unteren, nicht siedenden Bereichen.

Fig. 7 zeigt die Anwendungsmöglichkeit der Erfindung in einer Doppelkreislauf-Siedereaktor-Anlage nach der in der zuvor genannten Patentschrift erwähnten Art. Bei der Betrachtung dieser Figur und Durchsicht der folgenden Beschreibung leuchtet ein, daß man ein ungleichförmiges Verhältnis von verdampfbarem, moderierendem Kühlmittel zum Brennstoff in einem Reaktor erhalten kann, der Kühlmittelkanäle von im wesentlichen gleichmäßigen Körperabmessungen enthält. Dies kann man durch Konzentrationsänderungen des Kernbrennstoffs in Brennstoffelementen erreichen, damit die gewünschte Änderung des Blasenkoeffizienten der Reaktivität längs der Kühlmittelbahn zustande kommt. Im anderen Fall kann das Innere des Reaktors mit mehreren Brennstoff stäben oder -platten, z. B. wie in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 3 und 4 näher erläutert wurde, in der Anlage verwendet werden, die in Fig. 7 dargestellt ist.

Der Reaktorkessel 34" umschließt den eigentlichen Reaktorraum 35 und eine Dampfhaube oder -zone 36 oberhalb der Oberfläche des flüssigen Kühlmittels 37. Der eigentliche Reaktor besteht aus mehreren Kernbrennstoffbarren 38, die-. in diesem Beispiel plattenförmig sind, mit den "dazwischenliegenden Kühlmittelbahnen 39. Die Reaktion im Reaktorinnern 35 wird durch mehrere Regelstäbe 40 gesteuert, die aus einem Abschnitt der Bahn-in Richtung der Pfeile 41 heraus- oder in diesert !hineingeschoben werden

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können, um die gewünschte Spaltungsgeschwindigkeit zu erhalten. Der Dampf aus der Dampfhaube 36 wird durch die Röhre 42 zum Behälter 43 geleitet, in dem das Wasser entzogen wird. Es wird dann durch die Abflußröhre 44 in den unteren Teil des Reaktorkessels 34 zurückgeführt.

Der Dampf aus dem Dampfbehälter strömt durch die Röhre 45 zur Eingangsöffnung der Hochdruckturbine 46 eines mehrstufigen Turbogenerators 47. Der Turbogenerator 47 besteht aus einer mehrstufigen Hochdruckturbine 46 und einer mehrstufigen Niederdruckturbine 48, die über eine gemeinsame Welle an den Antriebsgenerator 49 angeschossen sind, aus dem elektrische Energie an den Anschlüssen 50 abgenommen werden kann. Der Abdampf aus der Hochdruckstufe 46 wird durch die Röhre 51 zu einem mehrstufigen Niederdruckturbinenabschnitt 48 geleitet. Der Abdampf der Turbine 48 kommt im Kondensator 52 zur Kondensation. Das Wasser fließt durch die Röhre 53 zu einer Rumpe 54. Von der Pumpe 54 strömt es durch die Röhre 55 zur Pumpe 56 und wird in unterkühltem Zustand in den Reaktorkessel 34 durch die Röhre 57 befördert. Dies ist die Dampfphase oder der Dampfkreislauf dieser Reaktoranlage. Die Verwendung eines Reaktorraumes mit ungleichmäßigem Blagenkoeffizienten der Reaktivität ergibt durchweg einen höheren, zulässigen Anteil an Dampfblasen, d. h. eine größere Dampfblasenmenge für eine vorgegebene Gesamtreaktivität, als mit einem Reaktorraum, der einen gleichmäßigen Blasenkoeffizienten der Reaktivität aufweist, erhältlich wäre. Aus diesem Grund ist die zur Verfügung stehende Leistung vergrößert.

In der Wasserphase oder im Wasserkreislauf dieser Reaktoranlage wird dem Kessel 34 nichtsiedendes Wasser hoher Temperatur über die Röhre 58 entnommen. Es strömt zu einem Wärme verwertenden Gerät 59, das z. B. ein Wärmeaustauscher zur Wassererhitzung sein kann, in dem Dampf für die Niederdruckstufen der Turbine gebildet wird. In dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung kann das die Wärme verwertende Gerät 59 auch aus einer Schnellverdampfungskammer bestehen. Eine Druckminderungsdüse 60 sprüht das Wasser von hoher Temperatur in die Kammer 59, in der ein verminderter Druck aufrecht erhalten wird, so daß ein Teil des heißen Wassers sofort in Dampf übergeht, der durch die Röhre 61 in die Niederdruckturbine 48 befördert wird. Ein Teil des nichtsiedenden Kühlmittels oder Wassers, der nicht in der Schnellverdampfungskammer 59 in Dampf übergeführt wird, kehrt durch die Rohrleitung 62 zur Pumpe 56 zurück, die dieses Wasser zusammen mit dem Wasser aus dem Kondensator 52 in den Reaktorkessel 34 drückt.

Die im Hinblick auf die Fig. 7 beschriebene Anlage kann als eine Doppelkreislaufreaktoranlage betrachtet werden, die einen Reaktorraum von ungleichförmigen Blasenkoeffizienten der Reaktivität gemäß der Erfindung enthält. In dieser ist ein Kreislauf des Dampfes oder des verdampften Kühlmittels und ein zweiter einer Flüssigkeit oder eines nichtsiedenden Kühlmittels vorhanden, die beide ihre Energie aus dem Reaktor an den Turbogenerator liefern.

Es sei hervorgehoben, daß ein zuverlässiger Strahlenschutzschirm rund um den Reaktorkessel 34 6g und, soweit notwendig, um die übrigen Vorrichtungen und Leitungen vorgesehen ist. Diese Abschirmungen sind in der Fig. 7 weggelassen, um die Beschreibung der Erfindung zu vereinfachen. Aus demselben Grund fehlen mehrere zusätzliche Baueinheiten in der Zeich-

nung, die für die gesamte Betriebsanlage notwendig sind. Diese bestehen z. B. aus Reinigungsgeräten, die das Kühlmittel säubern und sauber halten, aus Dampfabscheidern, Speisewasservorwärmern, Druckreglern, aus einer Kondensatorkühlanlage und aus allen nötigen Meßinstrumenten und Regelgeräten.

Das verdampfbare, moderierende Kühlmittel wird bei der Strömung in Richtung der Pfeile 41 durch die Kanäle 39 erhitzt. Es werden auch horizontale Reaktorkanäle verwendet. Es sind jedoch zur Vereinfachung der Beschreibung durchweg nur vertikale Kanäle dargestellt worden. Wenn das Kühlmittel durch den Kanal 39 aufwärts steigt, nimmt es beträchtliche Wärmemengen auf, die viele Dampfperlen oder -blasen entstehen lassen, die in der Flüssigkeit gebildet werden und in den Kanälen hochsteigen.

Wie zuvor dargelegt wurde, bestimmt der Anteil oder die Konzentration dieser Dampfblasen oder Gasperlen in einem Siedewasserreaktor dessen Reaktivität. Gemäß der praktischen Ausführung der Erfindung ist in der zuvor erwähnten Patentschrift erörtert worden, daß der Dampf näher am Auslaßende oder an den oberen Endabschnitten der Kanäle 39 gebildet wird, so daß die Leistungsabgabe des Reaktors vergrößert ist. Dies kommt durch die Einführung des unterkühlten Kühlmittels am Boden des Reaktors zustande und dadurch, daß ein Teil der Wärme der Mittelzone des Reaktorraumes entzogen wird, damit im wesentlichen der Siedepunkt allein auf eine äußere Zone des Innern beschränkt ist. Durch die Ergänzung gemäß der Erfindung zu der Anlage ergibt sich eine weitere, gesteigerte Leistungserzeugung in dem oberen Abschnitt des Reaktorraumes, da das Verhältnis des moderierenden Kühlmittels zum Kernbrennstoff längs der Kühlmittelkanäle im Reaktor geändert wird. Infolgedessen wird die Menge zulässiger Dampfblasen in diesem Endabschnitt gesteigert, ohne daß die Grenzen der Stabilität der Reaktion überschritten werden.

In der praktischen Ausführung des Doppelkreislaufprinzips, das in der zuvor erwähnten Patentschrift beschrieben ist, ist es bei der gleichen Reaktionsfähigkeit möglich, mehr Leistung bei einer vorgegebenen Anzahl Dampfblasen zu erhalten. Bei der Ausführung der Erfindung sind mehr Dampfblasen erhältlich, ohne die Greiizen der Stabilität des Reaktors zu übersteigen. Daher wird mehr Leistung erzielt. Eine Anlage, in der beide Erfindungen angewendet werden, ist besser und von sich aus betriebssicher. Dieser können große Leistungen entnommen werden.

Das Kühlmittel ist in den hier beschriebenen Beispielen leichtes Wasser, aber es kann auch, ohne den Inhalt der Erfindung zu verändern, aus anderen Kühlmitteln, z. B. aus moderierenden Stoffen mit einer relativ großen, latenten Verdampfungswärme, bestehen, die Neutronen absorbieren. Wasser ist besonders für eine Verwendung in den handelsmäßigen Leistungserzeugern gemäß der Erfindung wegen seiner relativ kurzen Halbwertszeit (in der Größenordnung von Sekunden) wünschenswert, wodurch eine relativ geringe Wahrscheinlichkeit für die Vergiftung der Rohrleitungen und Turbinenanlagen gegeben ist und die Gefahren für das Bedienungspersonal weitgehend herabgesetzt sind.

Es ist zwar möglich, dem Blasenkoeffizienten der Reaktivität der mit schwerem Wasser gekühlten und moderierten Reaktoren bei einer gleichförmigen Brennstoffladung einen befriedigenden Wert zu geben; die praktische Ausführungsform dieser Erfin-

Claims

dung gestattet jedoch, die Benutzung höherer Brennstoffkonzentrationen in den nichtsiedenden Zonen, verbessert infolgedessen das Umsatz- oder Brutverhältnis und erhöht den totalen (negativen) Blasenkoeffizienten der Reaktivität des Reaktors, ohne den S örtlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität in der Siedezone zu beinträchtigen. Die Siedereaktoren mit schwerem Wasser gemäß der Erfindung weisen also ein besseres Brutverhältnis auf und sind von sich aus betriebssicher. Bei der praktischen Ausführungsform der Erfindung wird der im Betrieb vorhandene Blasenkoeffizient der Reaktivität auf geringer Höhe gehalten. Außerdem läßt der größere Kühlmittel-Brennstoff-Verhältnis am Auslaß des Kühlmittels zu, daß der Dampf oder das verdampfte Kühlmittel leichter ausströmen können. Unter allen Umständen ist der Reaktor von sich aus betriebssicher, weil der wirksame, totale Blasenkoeffizient der Reaktivität stets zufriedenstellend ist. Zusätzlich ist das Brut- oder Ums atz verhältnis des Reaktorraumes verbessert, da die nichtsiedende Zone des Reaktors, in der ein beträchtlicher Teil der Leistung erzeugt wird, ein niedriges Kühlmittel-Brennstoff-Verhältnis und deshalb eine hohe Umsatzrate aufweist. Im Hinblick auf die vorausgehende Beschreibung leuchtet ein, daß die Erfindung die den bisher bekannten Reaktoren gesetzten Grenzen überwindet, indem ein Reaktor geschaffen wurde, der von sich aus stets betriebssicher ist, während er gleichzeitig im wesentliehen günstigere Betriebskenngrößen in der Zone des Reaktorinnenraumes aufweist, in der die Dampfbildung zustande kommt. Auf diese Weise ist ein von sich aus betriebssicherer Reaktor von hoher Leistung durch diese Erfindung geschaffen worden. Patentansprüche:

1. Siedereaktor, der ein verdampfbares, moderierendes Kühlmittel, das auch einen Teil der langsamen Neutronen absorbieren kann, und einen Kernbrennstoff enthält, und in dem wenigstens eine im wesentlichen nichtsiedende Zone und eine im wesentlichen siedende Zone gegeneinander abgegrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine siedende Zone einen größeren positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität als mindestens eine andere nichtsiedende Zone aufweist, so daß bei allen in Frage kommenden Temperaturen vom Betriebsbeginn des Reaktors bis zum Vollbetrieb der totale Blasenkoeffizient der Reaktivität den gestellten Bedingungen einer Selbstregelung des Reaktors genügt.

2. Siedereaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kühlmittelbahn mehrere Zonen mit unterschiedlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität aufweist.

3. Siedereaktor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Moderator zu Kernbrennstoff innerhalb des ganzen Reaktors so unterschiedlich gehalten ist, daß mehrere Zonen von unterschiedlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität im Reaktor bestehen.

4. Siedereaktor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelbahn im wesentlichen siedende und im wesentlichen nichtsiedende Abschnitte aufweist, und daß das Verhältnis von Moderatorsubstanz zu nuklearem Brennstoff sich längs wenigstens einer Bahn ändert, um mehrere Zonen von unterschiedlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität herzustellen.

5. Siedereaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Blasenkoeffizient der Reaktivität in den Siedezonen positiv und größer als in den im wesentlichen nichtsiedenden Zonen ist, so daß die für die Energieerzeugung verfügbare Menge an dampfförmigem Kühlmittel in dem Reaktor gesteigert wird.

6. Siedereaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nukleare Brennstoff in Platten vorliegt, die mehrere Kühlmittelbahnen abgrenzen.

7. Siedereaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff in Form von Stäben vorliegt, die mehrere Kühlmittelbahnen begrenzen.

8. Siedereaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nukleare Brennstoff in Teilchen vorliegt, die so verteilt sind, daß ein Reaktorraum von ungleichförmiger Kernbrennstoffdichte entsteht und das Verhältnis von Moderator zu Kernbrennstoff sich längs der Kühlmittelbahnen ändert, die durch die Brennstoffteilchen festgelegt sind.

9. Siedereaktoranlagen mit einem Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der im wesentlichen nichtsiedenden Zone des Kühlmittels entzogen wird, und daß Einrichtungen zur Zuführung des unterkühlten Kühlmittels zum Reaktor vorgesehen sind, um die Zone, die verdampftes Kühlmittel enthält, im Reaktor zu vermindern, so daß die Leistungsabgabe der Anlage vergrößert wird und die Anlage im wesentlichen selbst regelnd arbeitet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift »Nucleonics«, 13, Nr. 12 (1955), S. 42.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 909 577/345 7.