DE1241540B - Anordnung eines Mehrzonenreaktors mit Natururan als Kernbrennstoff - Google Patents

Description

DEUTSCHES MfQ^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20

Nummer: 1241540

Aktenzeichen: D 34674 VIII c/21 g

1241540 Anmeldetag: 7. November 1960

Auslegetag: 1. Juni 1967

Die Erfindung bezieht sich auf die Anordnung eines Mehrzonenreaktors mit Natururan als Kernbrennstoff in allen unter Umständen unterschiedlich temperierten Zonen, in der mindestens eine überkritische Zone die umgebenden Zonen mit überschüssigen Neutronen beliefert, in der die Zonen abwechselnd mit schwerem Wasser und Graphit moderiert sind und die Natururan-Schwerwasser-Zonen als Neutronenspender für die Natururan-Graphit-Zonen ausgelegt sind, gemäß Patent 1215 822.

Es hat sich gezeigt, daß in Mehrzonenreaktoren dieser Art eine Gesamtkonversion im Mittel über alle Bereiche des Reaktors hinweg zwischen 0,8 und 1 erreicht werden kann. Der Aufbau solcher Reaktoren bringt aber insofern technische Schwierigkeiten mit sich, als in den neutronenspendenden Schwerwasser-Zonen eine sehr hohe Leistungsdichte auftritt, während die Leistungsdichte in den Graphit-Zonen demgegenüber um mehr als eine Größenordnung niedriger sein kann. Dabei wird die Gesamtkonversion um so günstiger, je ungünstiger das Verhältnis der Leistungsdichten im Schwerwasser- und Graphitbereich ist. Bei dem Mehrzonenreaktor gemäß Patent 1215 822 ergeben sich die Begrenzungen in der Betriebstemperatur und damit in der zulässigen Leistungsdichte im Kernbrennstoff durch die Verwendung organischer Kühlmittel sowohl in den Graphitais auch in den Schwerwasser-Zonen, weil dadurch Temperaturen über etwa 350 bis 400° C ausgeschlossen werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Mehrzonenreaktoren nach Patentl 215 822 die Betriebsbedingungen so zu verbessern, daß eine günstigere Gesamtkonversionsrate und eine bessere Brennstoffausnutzung erreicht werden. Diese Aufgabe wird gelöst, indem in der Anordnung eines Mehrzonenreaktors nach Patent 1215 822 erfindungsgemäß die Graphitbereiche der Anordnung für Betriebstemperaturen zwischen 400 und 1000° C ausgelegt sind, die Kühlung von Moderator und Brennstoff in an sich bekannter Weise durch Kühlgas erfolgt und zwischen Schwerwasser-Zonen und Graphit-Zonen in an sich bekannter Weise thermische Isolatoren angeordnet sind. Als Kühlgase kommen insbesondere Helium, CO_a-Gas und Stickstoff in Betracht. Die notwendige thermische Isolierung zwischen den Schwerwasser-Zonen und den als Hochtemperaturbereichen ausgelegten Graphit-Zonen kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch einen oder mehrere koaxial gehaltene Graphitzylinder mit Zwischenräumen, an denen durch die schlechte Wärmeleitung bedingte Temperatursprünge Anordnung eines Mehrzonenreaktors mit
Natururan als Kernbrennstoff

Zusatz zum Patent: 1215 822

Anmelder:

Ursula Diebner, geb. Sachsse,

Bernd Jörg Diebner, Flensburg, Twedtermark 85

Als Erfinder benannt:

Dr. E. Bagge, Kiel;

Dr. Kurt Diebner f, Flensburg

auftreten, erfolgen. Die Kühlung für Brennstoff und Moderator kann im Graphitbereich durch zwei getrennte Gaskreisläufe erfolgen, die nicht miteinander in Verbindung stehen.

Mehrzonenreaktoren dieser Art können dabei in der Ausgestaltung des Graphitbereiches auf die heute schon für andere Hochtemperatur-Reaktoren entwickelten Brennstoffelementtypen zurückgreifen, bei denen z. B. stabförmiges Uranoxyd oder Urankarbidkerne von Graphitzylindern umgeben sind. Dabei kann vorgesehen sein, die Brennstoffkerne mit Hohlräumen zu versehen, aus denen die flüchtigen Spaltprodukte, insbesondere das Reaktorgift Xenon, abgesaugt werden können. Es ist auch an die Verwendung von Brennstoffelementen gedacht, wie sie für das Reaktorprojekt Dragon in England, das USA.-Projekt EGCR und den gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor HTGR der General-Atomic USA vorgesehen sind (s. dazu unter anderem Genfer Berichte, 1958, Bd. 9, P/314 und P/1463, sowie Zeitschriften Nuclear Engineering, Vol. 5, S. 299 bis 315 [1960], und Nucleonics, Vol. 18, S. 86 bis 90 [I960]). Zum Unterschied zu den dort verwendeten Brennstoffträgern soll jedoch bei sonst gleichem oder zumindest geometrisch ähnlichem Aufbau als Kernbrennstoff auch Natururan verwendet werden, dessen Mengen aus Kritikalitätsgründen allerdings anders bemessen sein müssen als in den entsprechenden Brennstoffelementen für die obenerwähnten Reaktoren. Es ist

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Claims (5)

dabei mit vorzusehen, daß die Brennstoffelemente unter Umständen mit dünnen, metallischen Überzügen aus Aluminium, Zirkon oder sehr dünnem korrosionsfestem Stahl überzogen sind, um den Austritt der Spaltgase in den Kühlkreislauf des Graphitbereichs zu reduzieren bzw. weitgehend zu unterbinden. Auch die thermische Isolation des D2O-Moderators ist schon bekannt (vgl. deutsche Auslegeschrift 1003 364) ebenso wie die Gaskühlung von Graphitmoderator und Brennstoff (vgl. »Die Technik«, 12, S. 754 [1957], »VDI-Zeitschrift«, 99, Nr. 7, S. 282 [1957]; Glas st one, »Principles of Nuclear Reactor Engineering«, S. 520 [1956], und »Atomkernenergie«, 2 [1957], S. 132). Thermische Isolatoren in Form von Graphitzylindern (vgl. deutsche Auslegeschrift 1003 364) gehören ebenso wie die getrennte Kühlung von Brennstoff und Moderator durch getrennte, nicht miteinander in Verbindung stehende Kühlkreise bereits zum Stand der Technik (vgl. schweizerische Patentschrift 48 479). Bei dieser Auslegung des Mehrzonenreaktors ist es möglich, die Leistungsdichte im Graphitbereich merklich anzuheben und die Gesamtkonversion des Reaktors zu verbessern. Letzteres wird besonders durch den Einsatz von an sich bekannten Hochtemperatur-Brennstoffelementen erreicht, bei denen Graphit als Struktur- und Umhüllungsmaterial dient und aus denen flüchtige Spaltprodukte, die als Neutronengifte wirken, abgesaugt werden. Durch die Erhöhung der Betriebstemperatur und damit der Kühlmitteltemperatur im Reaktor läßt sich dabei ein höherer thermodynamischer Wirkungsgrad erreichen, wodurch unter anderem die Brennstoffausnutzung verbessert wird. Eine schematische Darstellung der Kühlkreisläufe dieses Reaktortyps findet sich in der Abbildung. Darin bedeutet 1 die Gaskühlung für den Graphitbereich, 2 diejenige für die Kühlung des fast kalt zu haltenden Moderators D2O. Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Variation der Moderatortemperatur mit zur Steuerung des Reaktors ausgenutzt wird. 3 stellt die Flüssigkeitskühlung mit organischer Substanz für die Brennstoffelemente im D2O-Bereich dar. 4 stellt den D2O-Bereich selbst, 5 den Graphitreflektor um den ganzen Reaktor, 6 Graphithülsen dar, die die Aluminiumzylinder der D2O-Bereiche umschließen und die die Aufgabe haben, ein Temperaturgefälle zwischen dem hochtemperierten Graphitteil und dem D2O-Bereich aufrechtzuerhalten. Dabei wird als Möglichkeit zur besseren Wärmeisolierung zwischen Graphit- und D2O-Bereich noch vorgesehen, daß diese Graphitzylinder unterteilt sind und sich koaxial mit gewissen Abständen zylindrisch umgeben. 7 bezeichnet die Graphitbereiche. Patentansprüche:

1. Anordnung eines Mehrzonenreaktors mit Natururan als Kernbrennstoff in allen unter Umständen unterschiedlich temperierten Zonen, in der mindestens eine überkritische Zone die umgebenden Zonen mit überschüssigen Neutronen beliefert, in der die Zonen abwechselnd mit schwerem Wasser und Graphit moderiert sind und die Natururan-Schwerwasser-Zonen als Neutronenspender für die Natururan-Graphit-Zonen ausgelegt sind, gemäß Patent 1215 822, dadurchgekennzeichnet, daß die Graphitbereiche der Anordnung für Betriebstemperaturen zwischen 400 und 1000° C ausgelegt sind, die Kühlung von Moderator und Brennstoff in an sich bekannter Weise durch ein Kühlgas erfolgt und zwischen Schwerwasser-Zonen und Graphit-Zonen in an sich bekannter Weise thermische Isolatoren angeordnet sind.

2. Mehrzonenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Graphitbereich die Kühlung mit Helium bzw. CO₂-Gas bzw. Stickstoff erfolgt.

3. Mehrzonenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung zwischen Schwerwasser-Zonen und Graphit-Zonen durch einen oder mehrere koaxial gehaltene Graphitzylinder mit Zwischenräumen erfolgt.

4. Mehrzonenreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung im Graphitbereich für Brennstoff und Moderator durch zwei getrennte Gaskreisläufe erfolgt, die nicht miteinander in Verbindung stehen.

5. Mehrzonenreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente in den Graphit-Zonen im Brennstoffbereich an sich bekannte Spülkanäle zum Absaugen der flüchtigen Spaltprodukte aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1003 364,
1026451, 1031439, 1032 856, 1058 643;
schweizerische Patentschrift Nr. 48 479;
»Die Technik«, 12, 1957, S. 754;
»VDI-Zeitschrift«, 1957, Nr. 7, S. 282;
Glasstone, »Principles of Nuclear Reactor Engineering«, 1956, S. 520;

»Atomkernenergie«, 2, 1957, S. 132.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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